一种低复杂度的光纤FBMC系统基带信号收发方法

一种低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法
技术领域
1.本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法。


背景技术：

2.由于第五代移动通信、大数据和高清视频等各种高带宽需求应用的出现，对光纤通信系统的数据传输速率、传输距离等方面提出了更高的要求。许多先进的物理层调制技术已经被提出用于提高传输容量与传输距离。其中fbmc技术由于其出色的光纤色散抵抗能力、高效的频谱利用率以及较低的带外频谱泄漏等特性，被广泛地应用于基于相干检测与强度调制-直接检测(imdd)的光纤传输系统，以满足不同的应用场景。相较相干检测方式，基于imdd的光纤fbmc系统结构简单、功耗与成本较低，适合于对成本与功耗敏感的短距离应用场景，如光纤接入网与数据中心光互联等。
3.在传统基带fbmc系统中，离散fbmc信号的产生(处理)可以基于ifft(fft)算法实现，但需要计算多次ifft(fft)变换，导致数字基带信号的产生与处理算法的实现复杂度较高，具体见文献：d.na and k.choi,low papr fbmc.ieee transactions on wireless communications 17(1):182-193,2018.此外，在基于imdd的光纤fbmc系统中要求基带收发系统产生(处理)实数离散fbmc信号，而传统基带fbmc系统中实数fbmc信号的产生(处理)通常是基于数字或者模拟上(下)变频实现的，系统硬件实现复杂度较高。由此，提出了基于fft共轭对称特性的实数fbmc信号产生与处理方法，具体见文献：s.niu,p.wang,s.chi,z.liu,w.pang and l.guo,enhanced optical ofdm/oqam for visible light communication systems.ieee wireless communications letters 10(3):614-618,2021.与m.chen,a.deng,l.zhang,r.li,j.yang,h.zhou,q.chen and y.cheng,precoding-enabled fbmc/oqam for short-reach imdd transmission.ieee photonics technology letters 33(23):1305-1308,2021，后者所涉及到的基带fbmc信号的产生与处理算法流程框图分别如图1和图2所示。由于ifft/fft算法在高速光纤通信系统中需要采用高度并行的流水线结构进行设计以保证数据处理的实时性，因此该算法的实现通常需要占用较大基带芯片面积，同时增加芯片功耗。在所提出的基于fft共轭对称性质的方法中，实数离散fbmc信号的产生与处理分别需要完成两次ifft与fft计算。为此，如何在保证实数fbmc信号产生质量与处理性能的前提下，探索基带fbmc收发机实现低复杂度信号收发方法，对成本与功耗敏感的应用具有一定的应用价值。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明针对光纤fbmc通信系统，提出了一种低复杂度的基带信号收发方法。
5.本发明解决上述问题的技术方案是：一种低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，包括以下步骤：
6.s1：在光纤fbmc系统基带发射机中，将用户二进制数据映射成长度为m的正交幅度调制qam符号序列，构造长度为n的共轭对称序列，提取共轭对称序列的实部与虚部数据分别进行相移ps操作；
7.s2：将相移后的数据合成为一个长度为n的复数序列，经单个n点ifft模块计算后，提取ifft输出复数序列的实部与虚部形成两个实数序列，并将两个实数序列分别经多相网络ppn计算、并串转换与延时处理后相加获得实数fbmc信号与组帧；
8.s3：在光纤fbmc系统基带接收机中，对接收到的离散信号完成定时同步，识别出帧头，构造具有相对延时的两个序列，该两个序列分别经串并转换与ppn处理后合成一个长度为n的复数序列；
9.s4：经单个n点fft模块计算后，利用fft输出序列等效计算出由该fft模块输入的复数序列的实部与虚部数据构成的两个序列的fft输出序列，再经ps、信道估计与均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。
10.上述低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，所述步骤s1中，在基带发射机中，首先将用户二进制数据完成星座映射后的复数序列{x
n,m
}进行共轭对称操作获得n点共轭对称序列其中m与n分别表示fbmc符号索引与子载波索引，均为大于等于0的整数，且n的上限为n-1，x
n,m
＝a
n,m
+jb
n,m
，j为虚数单位符号，实数a
n,m
与b
n,m
分别为x
n,m
的实部与虚部，实数c
n,m
与d
n,m
分别为的实部与虚部，且c
n,m
＝a
n-n,m
和d
n,m
＝-b
n-n,m
，x
n,m
表示与第m个fbmc符号中第n个子载波上相对应的复数数据，表示x
n,m
经共轭对称后得到的复数数据，其中x
0,m
、x
n/2,m
、均置为0，下文中下标有n,m的变量或者序列均表此意，不再赘述；其次提取复数序列的实部和虚部，分别使用相移因子χ
n,m
和γ
n,m
实现ps，使其符合fbmc信号形式，即：
[0011][0012]
其中：χ
n,m
＝e
jnπ/2
，γ
n,m
＝e
j(n+1)π/2
，{u
n,m
}与{v
n,m
}分别为复数序列的实部与虚部经ps后的序列。
[0013]
上述低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，所述步骤s2中，针对s1步骤得到的相移信号序列{u
n,m
}与{v
n,m
}，按如下方式合成一个长度为n的新复数序列{s
n,m
}，即：
[0014]sn,m
＝u
n,m
+jv
n,m
[0015]
该新复数序列{s
n,m
}经单次ifft计算后得到：
[0016][0017]
其中k是时域数据索引；提取产生第m个fbmc符号过程中n点ifft输出序列{s
mn+k
}的实部与虚部构造两个长度为n的实数序列{α
mn+k
}与{β
mn+k
}，分别经ppn、并串转换与延时处理后相加获得实数fbmc信号并组帧。
[0018]
上述低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，所述步骤s3中，在基带接收机中，首先通过传统基于训练序列互相关性的定时同步算法确定接收到的离散信号序列{rk}的帧头，构造具有相对延时的两个序列{rk}与{tk＝r
k+n/2
}，{rk}与{tk＝r
k+n/2
}分别经串并转换与ppn处理后得到两个实数序列{p
k,m
}与{q
k,m
}，表示经ppn处理后第m个fbmc符号中第k个采样时刻的时域数据，下文中下标有k,m的变量或者序列均表此意，不再赘述；该两个实数序列{p
k,m
}与{q
k,m
}按以下方式合成一个长度为n的复数序列{y
k,m
}：
[0019]yk,m
＝p
k,m
+jq
k,m
。
[0020]
上述低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，所述步骤s4中，步骤s3中得到复数序列{y
k,m
}经n点fft计算结果为：
[0021][0022]
基于fft输出序列{y
n,m
}，按以下方式等效计算出两序列{p
k,m
}与{q
k,m
}的fft变换序列{p
n,m
}与{q
n,m
}：
[0023][0024]
其中*表示数的共轭；获得的序列{p
n,m
}与{q
n,m
}再经ps、信道估计与均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。
[0025]
本发明的有益效果在于：本发明首先在基带发射机中，经用户二进制数据的正交幅度调制(qam)映射，n点共轭对称序列构造，序列实部与虚部的相移与重组，再利用fft的共轭对称特性，计算一次n点复数ifft结合多相网络(ppn)产生实数fbmc信号；在基带接收机中，接收的实数离散信号经ppn后重组复数信号，经一次n点复数fft计算后利用共轭对称特性重构两路信号，经相移、信道均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据，这样仅基于单次ifft/fft计算即可实现实数fbmc信号的产生与解调，相比传统基于多次ifft/fft计算的基带fbmc收发机，计算复杂度可降低50％以上，进而显著降低基带芯片的成本与功耗。
附图说明
[0026]
图1为传统基于共轭对称性质的实数基带fbmc信号产生的算法流程框图。
[0027]
图2为传统基于共轭对称性质的实数基带fbmc信号处理的算法流程框图
[0028]
图3为本发明中实数基带信号产生算法框图。
[0029]
图4为本发明中实数基带信号处理算法框图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0031]
如图3、图4所示，一种低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，包括以下步
骤：
[0032]
s1：在光纤fbmc系统基带发射机中，将用户二进制数据映射成长度为m的正交幅度调制qam符号序列，构造长度为n的共轭对称序列，提取共轭对称序列的实部与虚部数据分别进行相移ps操作。
[0033]
所述步骤s1中，在基带发射机中，首先将用户二进制数据完成星座映射后的复数序列{x
n,m
}进行共轭对称操作获得n点共轭对称序列其中m与n分别表示fbmc符号索引与子载波索引，均为大于等于0的整数，且n的上限为n-1，x
n,m
＝a
n,m
+jb
n,m
，j为虚数单位符号，实数a
n,m
与b
n,m
分别为x
n,m
的实部与虚部，实数c
n,m
与d
n,m
分别为的实部与虚部，且c
n,m
＝a
n-n,m
和d
n,m
＝-b
n-n,m
，x
n,m
表示与第m个fbmc符号中第n个子载波上相对应的复数数据，表示x
n,m
经共轭对称后得到的复数数据，其中x
0,m
、x
n/2,m
、均置为0，下文中下标有n,m的变量或者序列均表此意，不再赘述；其次提取复数序列的实部和虚部，分别使用相移因子χ
n,m
和γ
n,m
实现ps，使其符合fbmc信号形式，即：
[0034][0035]
其中：χ
n,m
＝e
jnπ/2
，γ
n,m
＝e
j(n+1)π/2
，{u
n,m
}与{v
n,m
}分别为复数序列的实部与虚部经ps后的序列。
[0036]
s2：将相移后的数据合成为一个长度为n的复数序列，经单个n点ifft模块计算后，提取ifft输出复数序列的实部与虚部形成两个实数序列，并将该两个实数序列分别经多相网络ppn计算、并串转换与延时处理后相加获得实数fbmc信号与组帧。
[0037]
所述步骤s2中，针对s1步骤得到的相移信号序列{u
n,m
}与{v
n,m
}，按如下方式合成一个长度为n的新复数序列{s
n,m
}，即：
[0038]sn,m
＝u
n,m
+jv
n,m
[0039]
该新复数序列{s
n,m
}经单次ifft计算后得到：
[0040][0041]
其中k是时域数据索引；提取产生第m个fbmc符号过程中n点ifft输出序列{s
mn+k
}的实部与虚部构造两个长度为n的实数序列{α
mn+k
}与{β
mn+k
}，分别经ppn、并串转换与延时处理后相加获得实数fbmc信号并组帧。
[0042]
s3：在光纤fbmc系统基带接收机中，对接收到的离散信号完成定时同步，识别出帧头，构造具有相对延时的两个序列，该两个序列分别经串并转换与ppn处理后合成一个长度为n的复数序列。
[0043]
所述步骤s3中，在基带接收机中，首先通过传统基于训练序列互相关性的定时同步算法确定接收到的离散信号序列{rk}的帧头，构造具有相对延时的两个序列{rk}与{tk＝rk+n/2
}，{rk}与{tk＝r
k+n/2
}分别经串并转换与ppn处理后得到两个实数序列{p
k,m
}与{q
k,m
}，表示经ppn处理后第m个fbmc符号中第k个采样时刻的时域数据，下文中下标有k,m的变量或者序列均表此意，不再赘述；该两个实数序列{p
k,m
}与{q
k,m
}按以下方式合成一个长度为n的复数序列{y
k,m
}：
[0044]yk,m
＝p
k,m
+jq
k,m
。
[0045]
s4：经单个n点fft模块计算后，利用fft输出序列等效计算出由该fft模块输入的复数序列的实部与虚部数据构成的两个序列的fft输出序列，再经ps、信道估计与均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。
[0046]
所述步骤s4中，步骤s3中得到复数序列{y
k,m
}经n点fft计算结果为：
[0047][0048]
基于fft输出序列{y
n,m
}，按以下方式等效计算出两序列{p
k,m
}与{q
k,m
}的fft变换序列{p
n,m
}与{q
n,m
}：
[0049][0050]
其中*表示数的共轭；获得的序列{p
n,m
}与{q
n,m
}再经ps、信道估计与均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。
[0051]
本发明首先在基带发射机中，经用户二进制数据的正交幅度调制(qam)映射，n点共轭对称序列构造，序列实部与虚部的相移与重组，再利用fft的共轭对称特性，计算一次n点复数ifft结合多相网络(ppn)产生实数fbmc信号；在基带接收机中，接收的实数离散信号经ppn后重组复数信号，经一次n点复数fft计算后利用共轭对称特性重构两路信号，经相移、信道均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。本发明仅基于单次ifft/fft计算实现实数fbmc信号的产生与解调，相比传统基于多次ifft/fft计算的基带fbmc收发机，计算复杂度可以降低50％以上，从而可显著降低基带芯片的成本与功耗。

技术特征：
1.一种低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：在光纤fbmc系统基带发射机中，将用户二进制数据映射成长度为m的正交幅度调制qam符号序列，构造长度为n的共轭对称序列，提取共轭对称序列的实部与虚部数据分别进行相移ps操作；s2：将相移后的数据合成为一个长度为n的复数序列，经单个n点ifft模块计算后，提取ifft输出复数序列的实部与虚部形成两个实数序列，并将两个实数序列分别经多相网络ppn计算、并串转换与延时处理后相加获得实数fbmc信号与组帧；s3：在光纤fbmc系统基带接收机中，对接收到的离散信号完成定时同步，识别出帧头，构造具有相对延时的两个序列，该两个序列分别经串并转换与ppn处理后合成一个长度为n的复数序列；s4：经单个n点fft模块计算后，利用fft输出序列等效计算出由该fft模块输入的复数序列的实部与虚部数据构成的两个序列的fft输出序列，再经ps、信道估计与均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。2.根据权利要求1所述的低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，其特征在于，所述步骤s1中，在基带发射机中，首先将用户二进制数据完成星座映射后的复数序列{x
n,m
}进行共轭对称操作获得n点共轭对称序列其中m与n分别表示fbmc符号索引与子载波索引，均为大于等于0的整数，且n的上限为n-1，x
n,m
＝a
n,m
+jb
n,m
，j为虚数单位符号，实数a
n,m
与b
n,m
分别为x
n,m
的实部与虚部，实数c
n,m
与d
n,m
分别为的实部与虚部，且c
n,m
＝a
n-n,m
和d
n,m
＝-b
n-n,m
；x
n,m
表示与第m个fbmc符号中第n个子载波上相对应的复数数据，表示x
n,m
经共轭对称后得到的复数数据，其中x
0,m
、x
n/2,m
、均置为0，下文中下标有n,m的变量或者序列均表此意，不再赘述；其次提取复数序列的实部和虚部，分别使用相移因子χ
n,m
和γ
n,m
实现ps，使其符合fbmc信号形式，即：其中：χ
n,m
＝e
jnπ/2
，γ
n,m
＝e
j(n+1)π/2
，{u
n,m
}与{v
n,m
}分别为复数序列的实部与虚部经ps后的序列。3.根据权利要求2所述的低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，其特征在于，所述步骤s2中，针对s1步骤得到的相移信号序列{u
n,m
}与{v
n,m
}，按如下方式合成一个长度为n的新复数序列{s
n,m
}，即：s
n,m
＝u
n,m
+jv
n,m
该新复数序列{s
n,m
}经单次ifft计算后得到：其中k是时域数据索引；提取产生第m个fbmc符号过程中n点ifft输出序列{s
mn+k
}的实部
与虚部构造两个长度为n的实数序列{α
mn+k
}与{β
mn+k
}，分别经ppn、并串转换与延时处理后相加获得实数fbmc信号并组帧。4.根据权利要求1所述的低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，其特征在于，所述步骤s3中，在基带接收机中，首先通过传统基于训练序列互相关性的定时同步算法确定接收到的离散信号序列{r
k
}的帧头，构造具有相对延时的两个序列{r
k
}与{t
k
＝r
k+n/2
}，{r
k
}与{t
k
＝r
k+n/2
}分别经串并转换与ppn处理后得到两个实数序列{p
k,m
}与{q
k,m
}，表示经ppn处理后第m个fbmc符号中第k个采样时刻的时域数据，下文中下标有k,m的变量或者序列均表此意，不再赘述；该两个实数序列{p
k,m
}与{q
k,m
}按以下方式合成一个长度为n的复数序列{y
k,m
}：y
k,m
＝p
k,m
+jq
k,m
。5.根据权利要求4所述的低复杂度的光纤fbmc系统基带信号收发方法，其特征在于，所述步骤s4中，步骤s3中得到复数序列{y
k,m
}经n点fft计算结果为：基于fft输出序列{y
n,m
}，按以下方式等效计算出两序列{p
k,m
}与{q
k,m
}的fft变换序列{p
n,m
}与{q
n,m
}：其中*表示数的共轭；获得的序列{p
n,m
}与{q
n,m
}再经ps、信道估计与均衡、qam符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。

技术总结
本发明公开了一种低复杂度的光纤FBMC系统基带信号收发方法，包括以下步骤：在基带发射机中，经用户二进制数据的正交幅度调制QAM映射，N点共轭对称序列构造，序列实部与虚部的相移与重组，再利用FFT的共轭对称特性，计算一次N点复数IFFT结合多相网络PPN产生实数FBMC信号；在基带接收机中，接收的实数离散信号经PPN后重组复数信号，经一次N点复数FFT计算后利用共轭对称特性重构两路信号，经相移、信道均衡、QAM符号重组与解映射后恢复用户二进制数据。本发明仅基于单次IFFT/FFT计算实现实数FBMC信号的产生与解调，具有更低的计算复杂度，可降低基带芯片的成本与功耗。可降低基带芯片的成本与功耗。可降低基带芯片的成本与功耗。


技术研发人员：陈明 许佳强 李涵薇 高旭
受保护的技术使用者：湖南师范大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/11