本發(fā)明涉及光傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于光FBMC傳輸系統(tǒng)的低開支信道估計方法及應(yīng)用系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和對通信要求的不斷提高，光通信表現(xiàn)出兩個明顯的發(fā)展趨勢：單信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率大大增加，趨近于100Gb/s；網(wǎng)絡(luò)必須具備很快的動態(tài)調(diào)整能力。但當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)到100Gb/s時，傳統(tǒng)的光纖分段補償變得昂貴而耗時，對系統(tǒng)色散的補償很難準(zhǔn)確實現(xiàn)，而基于濾波器組多載波調(diào)制技術(shù)(Filter Bank based Multicarrier,FBMC)，因具有邊模抑制比高、支持異步傳輸、高的頻譜效率、可充分利用數(shù)字信號處理技術(shù)等獨特優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)。FBMC可在較好的繼承傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用多載波調(diào)制技術(shù)(Orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM)的頻譜效率高、抗色散能力強、靈活的帶寬分配等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，不僅降低了OFDM對時域和頻域嚴(yán)格同步性的要求，對符號間干擾(Inter Symbol Interference，ISI)和子載波間干擾(Inter carrier Interference，ICI)有很好的魯棒性和松弛性，降低了系統(tǒng)對光電器件線性度的要求。同時，F(xiàn)BMC可采用對子載波級的濾波特性，能夠以很小的信道間隔構(gòu)建具有高頻譜效率的“超級信道(Super-channel)”，進(jìn)而“無縫”地融合來自各個用戶的信號帶。在實際系統(tǒng)中，由于多載波信號在光纖中進(jìn)行傳輸時，會受到光纖本身色散影響和光電器件的本身非線性特性的影響，使信號正交性得到破壞，從而降低信號的質(zhì)量。因此，在基于多載波調(diào)制的光傳輸系統(tǒng)中，需要有效的信號估計方法來提升接收端信號的質(zhì)量。

為了有效對抗ISI對信號質(zhì)量的影響，傳統(tǒng)光OFDM信號通過在發(fā)射端循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)，可以補償色散帶來的ISI。因而，在接收端去掉CP，一般利用簡單的LS(Least Square)最小二乘法，然后在利用迫零均衡器便可補償信道的響應(yīng)。然而，不同于傳統(tǒng)光OFDM信號，光FBMC信號用濾波組來替代CP，并且其正交條件需要在實數(shù)域內(nèi)實現(xiàn)。因而，相比OFDM信號，每個符號內(nèi)的每個子載波上的信號不僅受到其他符號而且受到相同符號內(nèi)的不同子載波上的信號點干擾。此外，在光纖信號中傳輸時，其FBMC信號受到色散影響，將會破壞其FBMC的正交性。因此，采用普通OFDM信號的信道估計算法估計出來的信道特性為信道真實值與周圍點干擾的疊加，不能較為真實的還原真實的信道特性，一定程度上降低信號的質(zhì)量，因為普通光OFDM的信道估計方法不能直接應(yīng)用于光FBMC傳輸系統(tǒng)。

經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前無線通信系統(tǒng)主要從干擾消除和干擾利用這兩個思路對FBMC導(dǎo)頻進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)。例如S.Kang,K.Chang等于2007年發(fā)表的《A novel channel estimation scheme for OFDM/OQAM-IOTA system》考慮鄰域的影響，通過預(yù)留一些時頻格點，用以抵消內(nèi)部的ISI干擾，使得所有外圍時頻格點對導(dǎo)頻的總干擾為零，但由于這種方法需要計算其它數(shù)據(jù)點對導(dǎo)頻的總干擾，因而計算量較大，實時性也較差。再如J.Du等于2009年發(fā)表《Novel Preamble-Based Channel Estimation for OFDM/OQAM System》，提出基于干擾利用的IAM“偽”導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)，它通過確定導(dǎo)頻周圍的時頻點，計算出已知的ISI干擾量，并利用于信道估計中，該方法能夠較好地估計出復(fù)信道的響應(yīng)包絡(luò)。在光傳輸系統(tǒng)中，光FBMC信號的帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無線中的傳輸信號，因為需要相對較為簡單、易于實現(xiàn)的基于導(dǎo)頻的信道估計方法。為此，我們在2016年光通信雜志上(optics communication)提出了一種基于塊狀導(dǎo)頻平均算法的信道估計方法，該方法可以較好的克服鄰道信號干擾和光傳輸系統(tǒng)的光電器件的非線性度而帶來的高斯加性噪聲的影響。然而，該方法，需要大于5％的導(dǎo)頻開支，一定程度上將會降低系統(tǒng)的頻譜效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于光FBMC傳輸系統(tǒng)的低開支信道估計方法及應(yīng)用系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的用于光FBMC傳輸系統(tǒng)的低開支信道估計方法，包括如下步驟：

步驟1：在生成的電FBMC信號中插入導(dǎo)頻信息，并將包含導(dǎo)頻信息的電FBMC信號轉(zhuǎn)換成光FBMC信號；

步驟2：將光FBMC信號通過光纖傳輸至接收端，并利用光電探測器將接收到的光FBMC信號轉(zhuǎn)化為電FBMC信號；

步驟3：對電FBMC信號進(jìn)行解調(diào)，從中抽取出相應(yīng)的導(dǎo)頻信息；

步驟4：利用LS估算平均法估計出導(dǎo)頻子載波的平均頻率響應(yīng)；

步驟5：利用線性插值法估計出信道中數(shù)據(jù)子載波的頻率響應(yīng)。

優(yōu)選地，所述步驟1包括：在生成的L幀F(xiàn)BMC信號過程中，在每幀的FBMC信號中的有效子載波的頻帶內(nèi)，每隔T子載波插入一個導(dǎo)頻信息，所述導(dǎo)頻信息是經(jīng)過符號映射后的數(shù)據(jù)，該導(dǎo)頻信息和經(jīng)過符號映射的有效子載波數(shù)據(jù)一起進(jìn)入IFFT、并最終生成電FBMC信號；該FBMC信號連接至光調(diào)制器，從而生成包含導(dǎo)頻信息的光FBMC信號。

優(yōu)選地，步驟1中所述的IFFT，用于將導(dǎo)頻信息和經(jīng)過符號映射后的有效數(shù)據(jù)信號進(jìn)行IFFT運算，從而完成信號從頻域到時域的轉(zhuǎn)換，得到轉(zhuǎn)換信號。

優(yōu)選地，所述步驟2中的光電探測器包括：光電二極管或者雪崩二極管；光纖為單模光纖。

優(yōu)選地，所述步驟3包括：將電FBMC信號通過串并轉(zhuǎn)換后傳輸至FFT模塊，實現(xiàn)FBMC信號中的導(dǎo)頻信息抽取；所述FFT模塊用于信號的FFT運算，實現(xiàn)信號從頻域到時域的轉(zhuǎn)換。

優(yōu)選地，所述步驟4包括：將步驟3獲得的導(dǎo)頻信息，先經(jīng)過LS估計，即最小二乘法得到每個導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)，基于該信道響應(yīng)實現(xiàn)不同幀在同一個子載波位置處的平均操作，實現(xiàn)有效的導(dǎo)頻信道的估計數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述步驟5包括：將步驟4中獲得有效導(dǎo)頻的信道估計數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展，即實現(xiàn)L數(shù)據(jù)幀上的導(dǎo)頻信道估計的擴(kuò)展；基于擴(kuò)展的信道數(shù)據(jù)，在每個幀內(nèi)的相鄰兩個導(dǎo)頻子載波間進(jìn)行插值，實現(xiàn)每個FBMC幀內(nèi)的有效數(shù)據(jù)子載波數(shù)據(jù)的信道特性估計數(shù)據(jù)；利用該估計數(shù)據(jù)通過迫零均衡方法，實現(xiàn)接收信號的補償。

根據(jù)本發(fā)明提供的用于光FBMC傳輸系統(tǒng)的低開支信道估計方法的應(yīng)用系統(tǒng)，包括：光FBMC發(fā)射模塊、FBMC接收模塊以及光纖，所述光FBMC發(fā)射模塊將包含導(dǎo)頻信息的光FBMC信號通過光纖發(fā)送至FBMC接收模塊，由所述FBMC接收模塊將光FBMC信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電FBMC信號，并提取出包含的導(dǎo)頻信息，獲取導(dǎo)頻信息的估計數(shù)據(jù)以及有效數(shù)據(jù)信道特性的估計數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述光FBMC發(fā)射模塊包括：由激光器與調(diào)制器組成的光調(diào)制模塊、電FBMC信號生成模塊；

所述光調(diào)制模塊包括：激光器與調(diào)制器，其中，電FBMC信號生成模塊的輸出端連接至由激光器驅(qū)動的光調(diào)制器，實現(xiàn)光FBMC信號的產(chǎn)生；

所述電FBMC信號生成模塊包括：數(shù)字信號模塊、第一S/P模塊、符號映射模塊、基于梳狀導(dǎo)頻的插入模塊、IFFT模塊、第一濾波器組、DAC模塊、P/S模塊、導(dǎo)頻信號產(chǎn)生模塊；所述數(shù)字信號模塊連接至第一S/P模塊用于實現(xiàn)信號的串并轉(zhuǎn)換，第一S/P模塊輸出通過符號映射后的信號至基于梳狀導(dǎo)頻的插入模塊，所述基于梳狀導(dǎo)頻的插入模塊的輸出端與IFFT模塊相連，所述IFFT模塊將包含導(dǎo)頻信息的信號發(fā)送至第一濾波器組，第一濾波器組的輸出連接至P/S模塊，由P/S模塊完成信號的并串轉(zhuǎn)換；所述P/S模塊的輸出信號進(jìn)入DAC模塊，由所述DAC模塊輸出電FBMC信號。

優(yōu)選地，所述FBMC接收模塊包括：光電探測器、ADC模塊、第二S/P模塊、第二濾波器組、FFT模塊、導(dǎo)頻抽取模塊、先平均后插值的估計模塊、均衡模塊、符號解映射模塊、0,1數(shù)據(jù)輸出單元；

其中，光電探測器將接收到的FBMC信號依次傳輸至ADC模塊、第二S/P模塊，所述第二S/P模塊連接至第二濾波器組，第二濾波器組的輸出端連接至FFT模塊；FFT模塊的輸出信號通過導(dǎo)頻抽取模塊后進(jìn)入先平均后插值的估計模塊，實現(xiàn)信道估計；所述均衡模塊接收估計后的信號，實現(xiàn)對接收FBMC信號的補償；補償后的FBMC信號通過符號解映射模塊、0,1數(shù)據(jù)輸出單元后輸出，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的接收。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明與傳統(tǒng)的基于塊狀導(dǎo)頻平均算法相比，在同等導(dǎo)頻開支下，本發(fā)明的算法降低了誤碼率，提高了估計精度。

2、本發(fā)明的算法誤碼率受導(dǎo)頻開支影響小，即使用較小的導(dǎo)頻開支也能保證低誤碼率，提高了頻帶利用率。

3、本發(fā)明通過時域平均的方法，很好地對抗系統(tǒng)隨機(jī)分布高斯噪聲影響，使接收數(shù)據(jù)噪聲均值趨近于零。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為梳狀導(dǎo)頻插入結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為基于濾波器組多載波調(diào)制的光傳輸系統(tǒng)的信道估計方法原理示意圖。

圖3為基于梳狀導(dǎo)頻的先平均后插值的信道估計方法的原理示意圖；

圖4為基于濾波器組多載波調(diào)制的光傳輸系統(tǒng)在不同信道估計條件下的BER性能對比圖，圖中：橫軸為接收端的光功率，縱軸是BER表示誤碼率大小，OH是指導(dǎo)頻開支，IAFA為塊狀導(dǎo)頻平均算法；CPFAL是指梳狀導(dǎo)頻先平均后線性插值，是本發(fā)明中的一個實例；BP-FFT為塊狀導(dǎo)頻FFT插值；BPL為塊狀導(dǎo)頻線性插值。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的用于光FBMC傳輸系統(tǒng)的低開支信道估計方法，先用LS信道估計算法平均法估計出導(dǎo)頻子載波的頻率響應(yīng)，后在導(dǎo)頻子載波的頻率響應(yīng)的基礎(chǔ)上通過線性插值估計出數(shù)據(jù)子載波的頻率響應(yīng)；具體地，包括以下步驟：

步驟1：導(dǎo)頻信號的插入，包含導(dǎo)頻FBMC數(shù)據(jù)信號的產(chǎn)生，并進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，生成光FBMC信號；

步驟2：光FBMC信號通過光纖傳輸，到達(dá)接收端，通過光電探測器完成電FBMC的轉(zhuǎn)換；

步驟3：電FBMC信號的解調(diào)，實現(xiàn)導(dǎo)頻信號的解調(diào)，并抽取FBMC信號中的導(dǎo)頻信息；

步驟4：利用LS估算平均法估計出導(dǎo)頻子載波的平均頻率響應(yīng)；

步驟5：利用線性插值法估計出信道中數(shù)據(jù)子載波的頻率響應(yīng)。

更進(jìn)一步地，對下文需使用的術(shù)語先進(jìn)行介紹：

1)、IFFT快速離散逆傅里葉變換，為頻率信號X(k)到時域信號x(t)的傅里葉逆變換，即：其中N為子載波數(shù)；

2)、FFT為快速離散傅里葉變換，為時域信號x(t)到頻率信號X(k)的傅里葉變換，即：

3)、S/P和P/S是指為串并和并串轉(zhuǎn)換；

4)、DAC、ADC為數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換；

5)、OH是指導(dǎo)頻開支，IAFA為塊狀導(dǎo)頻平均算法；

6)、CPFAL是指梳狀導(dǎo)頻先平均后線性插值，BP-FFT為塊狀導(dǎo)頻FFT插值；BPL為塊狀導(dǎo)頻線性插值；

7)、LS是指最小二乘法。

所述的步驟1在生成L幀F(xiàn)BMC數(shù)據(jù)過程中，在每幀的FBMC數(shù)據(jù)中的有效子載波的頻帶內(nèi)，每隔T子載波插入一個導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，插入該導(dǎo)頻數(shù)據(jù)是經(jīng)過符號映射后的數(shù)據(jù)，插入導(dǎo)頻的數(shù)據(jù)和經(jīng)過符號映射的有效子載波數(shù)據(jù)一起進(jìn)入IFFT、串并轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后，生成電FBMC信號；該FBMC信號連接至光調(diào)制器，從而實現(xiàn)光FBMC信號的產(chǎn)生。

FBMC數(shù)據(jù)能夠基于傳輸M-QAM符號映射，或者基于M-Offfet-QAM符號映射；

光調(diào)制器，可以為直接光調(diào)制器，也可以為基于光載波的外調(diào)制模塊(激光作為光載波驅(qū)動外調(diào)制器)。

步驟1中所述的IFFT，用于將所述導(dǎo)頻和經(jīng)過符號映射后的有效數(shù)據(jù)信號進(jìn)行IFFT運算，從而完成信號從頻域到時域的轉(zhuǎn)換生成轉(zhuǎn)換信號。

所述步驟2包括：將步驟1輸出的光FBMC信號通過光纖傳輸達(dá)到接收端，光纖輸出端連接至光電探測器，光電探測器輸出電FBMC信號。

光電探測器包括：光電二極管，也可以為雪崩二極管；光纖一般為普通的單模光纖。

所述步驟3為步驟2轉(zhuǎn)換的電FBMC信號通過信號產(chǎn)生的逆過程，先通過串并轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過FFT；FFT輸出后經(jīng)過導(dǎo)頻信號的抽取模塊，實現(xiàn)FBMC信號中的導(dǎo)頻信息抽??；

所述步驟3中的FFT，用于信號的FFT運算，實現(xiàn)信號從頻域到時域的轉(zhuǎn)換。

所述步驟4包括：將步驟3獲得的導(dǎo)頻信息，先經(jīng)過LS估計模塊得到每個導(dǎo)頻位置的信道響應(yīng)，基于該信道響應(yīng)實現(xiàn)不同幀能夠在同一個子載波位置處的平均操作，從而實現(xiàn)有效的導(dǎo)頻信道的估計。

所述步驟4中的LS估計模塊，用于完成導(dǎo)頻信號信道的初估計。

所述步驟5包括：將步驟4中獲得有效導(dǎo)頻的信道估計數(shù)據(jù)，通過信道數(shù)據(jù)的擴(kuò)展模塊實現(xiàn)L數(shù)據(jù)幀上的導(dǎo)頻信道估計的擴(kuò)展；基于擴(kuò)展信道數(shù)據(jù)，在每個幀內(nèi)的相鄰兩個導(dǎo)頻子載波間進(jìn)行插值，實現(xiàn)每個FBMC幀內(nèi)的有效數(shù)據(jù)子載波數(shù)據(jù)的信道特性估計；利用該估計數(shù)據(jù)通過迫零均衡方法，實現(xiàn)接收信號的補償，在進(jìn)一步完成信號的解映射和數(shù)字信號的輸出。

接收轉(zhuǎn)換模塊包括順次相連的串并轉(zhuǎn)換模塊、接收端濾波器組和FFT運算單元。

本發(fā)明基于梳狀導(dǎo)頻，其信道估計方法主要涉及FBMC信號的收發(fā)單元。如圖1所示，光FBMC的發(fā)射機(jī)主要包括電FBMC模塊和由激光器與調(diào)制器組成的光調(diào)制模塊。其中，電FBMC產(chǎn)生模塊包括0，1數(shù)字信號，第一S/P、符號映射、基于梳狀導(dǎo)頻的插入、IFFT、第一濾波器組、DAC、P/S、導(dǎo)頻信號產(chǎn)生；0，1數(shù)字信號連接至第一S/P實現(xiàn)信號的串并轉(zhuǎn)換，S/P輸出通過符號映射后與導(dǎo)頻信號產(chǎn)生模塊一起進(jìn)入基于梳狀導(dǎo)頻的插入模塊，由經(jīng)該模塊進(jìn)入IFFT模塊經(jīng)過第一濾波器組模塊，第一濾波器組模塊的輸出連接至P/S模塊，完成信號的并串轉(zhuǎn)換；經(jīng)過該P/S模塊后，信號進(jìn)入DAC模塊，從而完成電FBMC的產(chǎn)生；電FBMC模塊輸出連接至有激光器驅(qū)動的光調(diào)制器，實現(xiàn)光FBMC信號的產(chǎn)生。產(chǎn)生的光FBMC信號通過光纖傳輸?shù)竭_(dá)FBMC信號的接收機(jī)。

所述的光調(diào)制模塊，由光調(diào)制器、電驅(qū)動數(shù)據(jù)和激光器構(gòu)成或者由直接調(diào)制器和電驅(qū)動數(shù)據(jù)構(gòu)成；

所述的激光器，可以分布反饋式激光器，也可以為普通其他類型激光器；

所述的光調(diào)制器是外調(diào)制器，可以為馬赫曾德調(diào)制器，也可以為電致吸收調(diào)制器；

通過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后的光FBMC信號先進(jìn)入光電探測器實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)而產(chǎn)生電FBMC信號，該信號先通過ADC進(jìn)入第二S/P，由第二S/P連接至第二濾波器組，第二濾波器組的輸出連接至FFT模塊。FFT模塊輸出信號通過導(dǎo)頻抽取模塊進(jìn)入先平均后插值的估計模塊后實現(xiàn)信道估計。估計后的信號通過均衡模塊后，實現(xiàn)對接收FBMC信號的補償。補償后的FBMC信號再通過符號解映射模塊后，進(jìn)入0,1數(shù)據(jù)輸出單元，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的接收。

所述的先平均后插值的估計模塊，包含以下幾個步驟：

步驟S1：提取出來的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)，通過基于LS方法，得到導(dǎo)頻信道H_l,k；

步驟S2：在得到的H_l,k基礎(chǔ)上(是指第l個符號的第k個子載波)，在同一個子載波位置k處求L個符號的均值，從而得到H_k；

步驟S3：在得到H_k的基礎(chǔ)上，將每個H_k對應(yīng)位置處的擴(kuò)展至整個幀內(nèi)，即擴(kuò)展L個符號，即得到H¹_l,k；

步驟S4：在得到的H¹_l,k基礎(chǔ)上，對一個固定的符號l中，相鄰兩個導(dǎo)頻子載波之間的數(shù)據(jù)信號的新道特性，通過對相鄰導(dǎo)頻子載波的信道特性H¹_l,k進(jìn)行插值可得到每個符號內(nèi)的數(shù)據(jù)信號的信道特性，即實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)的信道估計。

本實施例的驗證實驗參數(shù)為子載波個數(shù)N＝256，采用16QAM調(diào)制，信號屬性為厄密共軛對稱，導(dǎo)頻符號間隔T＝50幀，采用6階PN碼幀同步方法，SRRC濾波函數(shù)滾降系數(shù)α為1，存儲深度為2等設(shè)置，進(jìn)行比較算法性能。

圖4為基于濾波器組多載波調(diào)制的光傳輸系統(tǒng)在不同信道估計條件下的BER性能對比圖，橫軸為接收端的光功率，表示接收靈敏度，單位是dBm，縱軸是BER表示誤碼率大小，單位是dB。

綜上所述，采用本發(fā)明的基于梳狀導(dǎo)頻先平均后插值的信道估計方法，可以較為明顯的提升光FBMC系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)的導(dǎo)頻開支，更能較好應(yīng)用于大容量、長距離的光傳輸網(wǎng)絡(luò)的需求。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。