应用于直接检测光正交频分复用系统的 定时同步设计

王锦仁

摘  要： 传统的检测方法在检测光正交频分复用系统的定时同步这一问题上，花费的检测时间过长，成本过高。针对上述问题，设计一种新的检测技术，该检测技术可以应用于光正交频分复用系统的直接检测中。检测技术由两步组成，首先进行光正交频分复用系统的信道同步直接检测，通过噪声补偿辅助判断信道是否同步;然后进行光正交频分复用系统的时间频率同步直接检测，计算出各子载波的相位旋转，由计算结果确定检测结果;最后实现定时同步检测。为检测方法效果，与传统检测技术进行实验对比，结果表明，给出的应用于直接检测光正交频分复用系统的定时同步技术可以在短时间内精准地检测出光正交频分复用系统是否定时同步，检测成本更低，该技术值得大力推广使用。

关键词： 定时同步检测; 光正交频分复用系统; 直接检测; 信道同步; 时间频率同步; 对比验证

中图分类号： TN913?34                             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）08?0089?04

Design of timing synchronization applied to direct detection of optical orthogonal frequency division multiplexing system

WANG Jinren

（Shijiazhuang Tiedao University Sifang College， Shijiazhuang 051132， China）

Abstract： Traditional detection methods spend too much time and cost in detecting the timing synchronization in the optical orthogonal frequency division multiplexing （OFDM） system. Therefore， a new detection technology is designed， which can be applied to the direct detection of optical OFDM system. The detection technology consists of two steps： the channel synchronization of the optical OFDM system is detected directly， and the noise compensation is used as an auxiliary means to judge whether the channel is synchronized or not; the time?frequency synchronization of the optical OFDM system is detected directly， the phase rotation of each subcarrier is calculated， and the detection results are determined according to the calculated results， so as to the timing synchronization detection is realized. The experimental comparison between the proposed method and the traditional detection technology was carried out to detect their detection effectiveness. The experimental results show that the timing synchronization technology applied to direct detection of the optical OFDM system can accurately detect whether its timing synchronization or not in a short time， and the detection cost is lower. The detection technology is worth spreading and using.

Keywords： timing synchronization detection; optical OFDM system; direct detection; channel synchronization; time?frequency synchronization; comparison validation

0  引  言

随着互联网快速发展，人们对数据业务要求大幅增高，尤其是传输速率方面，建立高速、高容量的传输数据网十分必要，而数据网的建立又依赖于各种系统的支撑。其中，光正交频复用系统是一种新型系统，该系统在速度、容量方面的优点极为突出，被大量应用于宽带数字通信领域[1]。该系统利用物理层进行多载波调制技术传输，对同步误差非常敏感，易受到码干扰和信道间干扰，可能严重损害系统性能，甚至引起整个系统的崩塌[2]。

目前光正交频分复用系统中的通信主要是由定时同步技术支撑，该技术对于频率偏差要求极高，并需与频率同步技术同时进行[3]。光纤信道的损伤时刻影响着高速信号的传输，在完成数据传输后，要对信道的损伤进行估计，检测光正交频分复用系统的定时同步情况。本文研究同步算法和信道估计算法，设计了应用于直接检测光正交频分复用系统的信道同步技术和应用于直接检测光正交频分复用系统的时频同步技术。

1  信道同步技术设计

信道同步是从前面的光正交频分复用系统信号推出信道转移函数，其用于信道均衡。而用于直接检测光正交频分复用系统的信道序列如图1所示。

在序列端首先发送OFDM信号，接收机计算初始值，用于信道转移矩阵使用;接收端根据初始信道矩阵进行信道均衡，对所得结果进行判决，并反馈到估计模块，作导频使用，掌握当前信号状态，利用估计值进行均衡与调制，同时获得新估计值，循环进行到将所有接收的信息读出[4]。信道同步流程如图2所示。

根据图2流程可知，信道估计计算无论使用哪种算法都会以判决值为导频，反馈给估计器，避免持续出错[5]。信道估计的判决反馈在初始阶段须有导频序列，一步步实时跟踪信道数据变化。当判断错误出现时，信道估计也会出现问题，要想信道估计算法效果发挥到最好，需确保判决无误[6]。

检测信道同步，还需噪声补偿辅助[7]。光正交频分复用系统一旦工作时间过长，光正交频分复用会与相位噪声产生反应，在用光正交频分复用传输系统进行检测时，由于发送的载波和数据会离散导致相位噪声出现，信道检测时恶化，调制误码率升高，此时进行噪声信号检测最佳[8]。

2  时间同步技术设计

在完成信道检测后，对光正交频分复用系统的时间进行检测[9]。子载波数与宽带较宽对光通信信道造成压力，由白色散产生的相位旋转与光正交频分复用信号发生敏感反应，出现光纤色散不足，为估计出传输信道的状态，需有效补偿光纤色散，在发射端发射OFDM符号时，间接性加入导频符号。时间频率填充帧如图3所示。

通过接收端计算出各子载波的相位旋转，将发送端加入导频符号就可获得子载波的相位旋转，根据其他的OFDM符号数量再分别补偿给每个子载波一个相位旋转，大小约等于所有子载波对应的相位旋转值相反数。通过光纤通信系统的色散特性，加入两个导频补偿光纤就可实现[10]。时间同步工作流程如图4所示。

首先，利用重复序列和前缀的频率估计，将接收信号乘以训练序列进行消除;然后，利用CAZAC序列频率进行偏移估计;最后，利用多径衰落信道途径并结合重复序列的频率进行高度分析。据此建立定时同步检测框，完成直接检测。定时同步检测如图5所示。

定时同步检测时，先对符号是否粗同步进行判断，分析保护间隔中所带的冗余信息，进行相关计算，采用的算法为最大似然估计算法，通过该算法得到符号正确起始位置，在时域、频域中同时检测频率是否同步，快速捕获跟踪频率，分析频率的偏离状况。由于频率连续性，可选取相邻的两个频域进行估计，在确保频域正常时，进行符号细同步，由此实现定时同步估计。

3  实验研究

3.1  实验设计

为检测本文同步技术的有效性，与传统应用于直接检测光正交频分复用系统的定时同步技术设计实验对比。其中，实验参数如表1所示。

根据上述参数，传统技术和本文技术同时检测一个分析对光正交频分复用系统的定时同步情况。

3.2  实验结果

1） 检测时间对比

检测时间对比如图6所示，随着频率偏移增加，检测时间也逐渐增加。

当频率偏移为5 dB时，传统技术检测时间为1.17 s，本文技术检测时间为1.02 s;当频率偏移为10 dB时，传统技术的检测时间为1.24 s，本文技术的检测时间为1.07 s;当频率偏移为15 dB时，传统技术的检测时间为1.31 s，本文技术的检测时间为1.12 s;当频率偏移为20 dB时，传统技术的检测时间为1.34 s，本文技术的检测时间为1.14 s;当频率偏移为25 dB时，传统技术的检测时间为1.38 s，本文技术的检测时间为1.17 s;当频率偏移为30 dB时，传统技术的检测时间为1.39 s，本文技术的检测时间为1.21 s。

2） 检测成本试验测试

检测成本试验测试如表2所示。

根据表2可知，本文研究的检测技术检测成本远远低于传统技术检测成本。当频率偏移上升5 dB时，传统检测技术成本就会增加200 000元，而本文检测技术成本增加150 000元，更加经济实用。

3） 检测结果准确率对比

检测结果准确率如图7所示。分析图7可知，当检测时间为1 s时，传统技术的检测准确率为92.18%，本文技术的准确率为95.21%;当检测时间为3 s时，传统技术的检测准确率为92.45%，本文技术的准确率为98.62%;当检测时间为5 s时，传统技术的检测准确率为92.00%，本文技术的准确率为99.46%，准确率更高。

3.3  实验结论

根据上述实验结果，得到如下实验结论：传统的定时同步检测技术和本文研究的定时同步检测技术都能够对光正交频分复用系统进行检测，但传统技术检测时间过长，成本过高，且得到的检测精准度难以满足大众要求，本文研究的检测技术同时从信道、时间、频率三方面有效缩短检测时间，降低检测成本，提高检测精度，具有很强的工作能力。

4  结  语

光正交频分复用技术是目前公认最有发展力的技术之一，相比其他技术更具研究价值，本文对光正交频分复用系统的定时同步基本原理和相关技术进行分析，在此基础上研究了光正交頻分复用系统的定时同步的检测技术，对系统的信道、时间、频率进行检测。本文研究的检测技术在分析复用系统是否定时同步上有着很大的优势，但是由于研究时间有限，所以在未来需要进行更加深入的分析与探讨，确保该技术可以很好地应用到实际生活中。

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