一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法技术方案

本发明专利技术提出一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法。系统包括光发射机、本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器与数字信号处理系统。光发射机在数据帧头位置插入同步导引序列；本振激光器谱线位于信号光谱一侧，通过光耦合器与入射信号光合波形成伪单边带信号，再由光探测器与模数转换器转换为数字信号；数字信号处理系统对数字信号进行分块快速傅里叶变换，乘以频域传函H，再根据一帧内所有数据块频谱中最高谱线的频率进行频偏估计和补偿，同时记录最高谱线所在数据块编号，之后进行逆FFT恢复入射信号光场，最后在所记录的数据块附近搜索帧头实现帧同步。本发明专利技术降低了光场重建与时频同步系统的成本、体积、重量和功耗，系统复杂度低。

A system and method of light field reconstruction and time-frequency synchronization using single detector

【技术实现步骤摘要】
一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法
本专利技术涉及空间光通信，相干检测和数字信号处理
，更具体地，涉及一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法。
技术介绍
随着通信对速度和容量要求的提高，相干探测技术成为下一代光通信系统中的关键技术，得到了广泛的应用。基于相干探测的数字相干光接收机重建信号光场需要采用相位分集装置，每个相位分集装置包含1个光混频器、4个光探测器和2个ADC。其结构复杂，成本高，功耗大。此外，相干光接收机实现信号的解调和数据恢复必须首先完成时频同步。时频同步指的是帧同步和载波频率同步。传统数字相干光接收机为实现时频同步需要采用专用的单一功能的频偏估计算法计算本振与信号光载波频偏大小，再通过时域复指数乘法运算进行频偏补偿。最后再通过专用的单一功能的帧同步算法在整个帧内搜索帧头位置实现帧同步。帧同步算法一般基于自相关或互相关算法，需要大量的复数乘法运算，并且总计算量与搜索区域成正比关系。由于传统数字相干光接收机中光场重建光场依赖复杂的相位分集装置，而时频同步依赖专用的单一功能算法，运算量较大，因此需要配置高性能的DSP系统。这导致其无法满足中短距离光通信应用，例如光接入网、城域网和数据中心互联等对低成本的诉求，也无法满足自由空间光通信系统对相干光接收机体积、重量和功耗的苛刻要求。
技术实现思路
针对现有基于数字相干光接收机的光场重建与时频同步系统和方法的缺点，本专利技术提供了一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法。该系统由于只用单探测器接收光信号，具有较低的成本。所采用的时频同步算法与光场重建算法融为一体，大幅降低了时频同步的计算复杂度，十分便于DSP的实时化处理，降低光场重建与时频同步系统的成本、体积、重量和功耗，在短距高速通信以及自由空间光通信中具有重要的应用价值。为解决上述技术问题，按照本专利技术的一个方面，提出了一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统，该系统包括光发射机(Tx)、本振激光器(LO)、光耦合器(OC)、光探测器(PD)、模数转换器(ADC)与数字信号处理(DSP)系统；所述光发射机用于在数据帧头插入同步导引序列。所述本振光由光发射机中激光器产生并伴随信号传输，或由光接收机中激光器产生。本振光功率大于信号光功率10倍以上，而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰。本振光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半。所述光耦合器将信号光与本振光进行合波形成伪单边带信号；所述光探测器，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；所述模数转换器(ADC)，用于将所述光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于DSP系统进行处理；所述DSP系统，用于对输入数字信号进行处理，实现光场重建和时频同步，时频同步包括频偏估计、补偿以及帧同步。所述DSP系统内部包含快速傅里叶变换(FFT)模块、频域传函模块、频偏补偿模块、缓存模块、频谱峰值搜索模块、同步谱线频率记录模块、同步谱线所在数据块编号记录模块、逆快速傅里叶变换(IFFT)模块、下采样模块和帧同步模块。FFT模块首先对输入数据流进行分块和快速傅里叶变换(FFT)得到每个数据块的频谱。频域传函模块对数据块的频谱乘以频域传函H以进行希尔伯特变换，缓存模块用于存储当前数据块频谱方便频谱峰值搜索模块处理。频谱峰值搜索模块用于搜寻当前数据块频谱中的峰值谱线。同步谱线频率记录模块将当前数据块中峰值谱线高度与其记录的上一根峰值谱线高度进行比较，选择较高谱线的频率进行记录。在完成一个帧内所有数据块的处理后将记录值作为同步特征谱线频率与预设的时频同步特征谱线频率进行比较，确定频偏大小并输出到频偏补偿模块。同步谱线所在数据块编号记录模块用于记录所找到的同步特征谱线所在数据块的编号。频偏补偿模块根据同步谱线频率记录模块记录的频偏大小，对输入数据块的频谱进行位移补偿频偏影响，并使得信号频谱中心回到零频处。IFFT模块用于将信号转换到时域，完成入射信号光场的重建。下采样模块将信号从高倍采样降至一倍采样。帧同步模块根据同步谱线所在数据块编号记录模块中存储的编号在该数据块及其前后数据块内搜索帧头所在位置，实现帧同步。所述的频域传函模块对输出数据块频谱乘以传函H，其表达式如下：其中N为FFT数据块大小，i为数据块内数据元素编号。根据上述表达式可知，H矩阵为一个一维向量。所述DSP系统，其特征在于，利用发射机在数据帧头位置插入的导引序列，使得信号频谱具有较高的时频同步特征谱线，便于频谱峰值搜索模块寻找目标。导引序列由一段常数序列与帧同步序列组成。常数序列用于进行频偏估计与预帧同步。优选地，所述光探测器可以采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。优选地，所述的常数序列也可以换成周期序列，仅影响时频同步特征谱线出现的位置。优选地，所述的帧同步序列可以选择伪随机序列，Golay序列或其它具有良好自相关特性的序列。优选地，所述的帧同步模块，采用自相干算法搜索帧头所在位置，或者采用互相关算法搜索帧头所在位置，如采用互相关算法，则在进行帧同步还需要进行信号损伤的补偿。一种采用单探测器的光场重建与时频同步方法，涉及光发射机(Tx)、本振激光器(LO)、光耦合器(OC)、光探测器(PD)、模数转换器(ADC)与数字信号处理(DSP)系统。信号的光场重建和时频同步包括以下步骤：利用发射机在数据帧头位置插入的导引序列，导引序列为一段常数序列与帧同步序列组成。信号与本振光经过光耦合器进行合波，本振光功率大于信号光功率10倍以上，而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰。本振光谱线偏离信号中心的频率大于等于信号有效带宽的一半，设置在光信号频谱一侧的边缘，合波形成伪单边带信号。伪单边带信号经过光探测器转换为电信号，再经过模数转换器转换为数字信号，最后进入DSP系统进行处理。在DSP系统中，首先对输入数据流进行分块和快速傅里叶变换(FFT)得到每个数据块的频谱，再对数据块的频谱乘以频域传函H，该传函的构造如下：其中N为FFT数据块大小，i为数据块内数据元素编号。根据上述表达式可知，H矩阵为一个一维向量。数据块频谱乘以频域传函H后，将当前数据块频谱存储在缓存模块中，随后进入频谱峰值搜索模块去搜寻当前数据块频谱中的峰值谱线。将当前数据块中峰值谱线高度与其记录的上一根峰值谱线高度进行比较，选择较高谱线的频率记录在同步谱线频率记录模块中，在完成一个帧内所有数据块的处理后将记录值作为同步特征谱线频率与预设的时频同步特征谱线频率进行比较，确定频偏大小并输出到频偏补偿模块。在同步谱线所在数据块编号记录模块中，记录所找到的同步特征谱线所在数据块的编号。根据同步谱线频率记录模块输出频偏大小，对所有输入数据块的频谱进行位移使得信号频谱中心位于零频处，完成频偏补偿。之后，通过做IFFT变换完成信号光场的重建。恢复后的时域信号通过下采样模块从高倍采样降至一倍采样。最后在帧同步模块内，根据同步谱线所在数据块编号记录模块中存储的编号在该数据块及其前后数据块内搜索帧头所在位置，实现帧同步。相较于传统算法，本专利技术中的一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法，由于省去了预帧同步及频偏估计与补偿中的乘除法次数，极大的减少了计算量。帧同步前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统，其特征在于，包括光发射机、本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器与数字信号处理系统；所述光发射机用于在数据帧头插入同步导引序列，使得信号频谱具有较高的时频同步特征谱线，便于频谱峰值搜索模块寻找目标；所述本振激光器位于光发射机中或位于光接收机中；本振激光器发出的本振光功率大于信号光功率10倍以上，能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰；本振光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半；所述光耦合器，用于将信号光与本振光进行合波形成伪单边带信号；所述光探测器，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；所述模数转换器，用于将所述光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于DSP系统进行处理；所述数字信号处理系统，用于对输入数字信号进行处理，实现光场重建和时频同步，所述时频同步包括频偏估计、补偿以及帧同步。

【技术特征摘要】
1.一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统，其特征在于，包括光发射机、本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器与数字信号处理系统；所述光发射机用于在数据帧头插入同步导引序列，使得信号频谱具有较高的时频同步特征谱线，便于频谱峰值搜索模块寻找目标；所述本振激光器位于光发射机中或位于光接收机中；本振激光器发出的本振光功率大于信号光功率10倍以上，能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰；本振光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半；所述光耦合器，用于将信号光与本振光进行合波形成伪单边带信号；所述光探测器，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；所述模数转换器，用于将所述光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于DSP系统进行处理；所述数字信号处理系统，用于对输入数字信号进行处理，实现光场重建和时频同步，所述时频同步包括频偏估计、补偿以及帧同步。2.根据权利要求1所述的采用单探测器的光场重建与时频同步系统，其特征在于，所述数字信号处理系统内部包含快速傅里叶变换模块、频域传函模块、频偏补偿模块、缓存模块、频谱峰值搜索模块、同步谱线频率记录模块、同步谱线所在数据块编号记录模块、逆快速傅里叶变换模块、下采样模块和帧同步模块；所述快速傅里叶变换模块，用于首先对输入数据流进行分块和快速傅里叶变换得到每个数据块的频谱；所述频域传函模块，用于对数据块的频谱乘以频域传函H以进行希尔伯特变换；所述缓存模块用于存储当前数据块频谱方便频谱峰值搜索模块处理；所述频谱峰值搜索模块用于搜寻当前数据块频谱中的峰值谱线；所述同步谱线频率记录模块用于将当前数据块中峰值谱线高度与其记录的上一根峰值谱线高度进行比较，选择较高谱线的频率进行记录，在完成一个帧内所有数据块的处理后将记录值作为同步特征谱线频率与预设的时频同步特征谱线频率进行比较，确定频偏大小并输出到所述频偏补偿模块；所述同步谱线所在数据块编号记录模块用于记录所找到的同步特征谱线所在数据块的编号；所述频偏补偿模块根据同步谱线频率记录模块记录的频偏大小，对输入数据块的频谱进行位移补偿频偏影响，并使得信号频谱中心回到零频处；所述逆快速傅里叶变换模块用于将信号转换到时域，完成入射信号光场的重建；所述下采样模块将信号从高倍采样降至一倍采样；所述帧同步模块，用于根据同步谱线所在数据块编号记录模块中存储的编号在该数据块及其前后数据块内搜索帧头所在位置，实现帧同步。3.根据权利要求2所述的采用单探测器的光场重建与时频同步系统，其特征在于，所述的频域传函模块对输出数据块频谱乘以传函H(i)，H(i)的表达式如下：其中N为FFT数据块大小，i为数据块内数据元素编号；H(i)为一个一维向量...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔晟，涂亦聪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42