CN102255667A - 一种进行色散补偿的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进行色散补偿的方法及装置，包括：发射端在N_pilot(N_pilot＞1)个正交频分复用(OFDM)符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上；接收端从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息，计算各导频信息的相位，根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位；按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位，计算OFDM符号中的各子载波上的色散相位，并进行色散相位的补偿。本发明有效的实现了高速光通信系统的色散补偿，能够将色散补偿的训练开销降低为传统色散补偿处理方案训练开销的1/N_sc，N_sc为OFDM符号内承载数据的子载波的个数。

Description

一种进行色散补偿的方法及装置

技术领域

本发明涉及正交频分复用和光通信技术，尤其涉及一种进行色散补偿的方法及装置。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术是多载波调制技术中的一种，它将高速的信息数据分为N路低速的数据流，并分别调制到N个相互正交的子载波上并行传输，其频谱利用率相比传统单载波调制技术可以提高接近一倍。同时，由于数据被分为N路，所以符号周期相比原始一路高速信号周期扩大了N倍，使OFDM系统可以减少延迟扩展的影响。

OFDM系统运用到光传输系统中时，由于光纤的特性，信号在传输过程中会受到色散效应的影响，使得OFDM信号的不同子载波传输速率不同，从而导致信号时域波形展宽，形成符号间干扰-码间干扰(ISI)。同时，在同一符号内，不同子载波之间的正交性也受到破坏，形成子载波间干扰(ICI)。从频率上看，由色散引入的ICI使得每个子载波上承载的数据附加上一个色散相位，且色散相位的大小与子载波频率相关，高频子载波较低频子载波将受到更大的色散相位影响。

为了消除色散引入的ISI影响，通常在相邻符号之间插入循环前缀作为保护间隔，且保护间隔的长度应大于时域信号的最大时延扩展，使得任意一个符号的时域扩展不会影响到其相邻的符号。

为了消除ICI的影响，通常采用的方法是在发射端插入训练序列，利用训练序列获得信道的频率响应，使均衡器的抽头系数等于信道频率响应的逆，然后与接收数据乘积做色散补偿。

由于光纤信道的色散系数变化缓慢，所以在一定数目OFDM符号对应的时间周期内，可以认为色散效应对信号的影响基本保持不变。在接收端通过训练序列估计出光纤信道的色散特性，并相应地对OFDM符号进行色散引入的相位失真补偿，消除ICI。同时为了在放大器引入的ASE噪声影响下，更为准确地估计出色散相位损伤，需要在发射端初始阶段插入多个OFDM训练序列符号(通常OFDM训练符号数＞5)，其中一个OFDM训练序列符号的长度与一个OFDM符号的子载波数相等，这使得在一次色散估计和补偿的过程中，训练序列将占用较大的系统开销。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种进行色散补偿的方法及装置，能够在对光通信系统进行色散补偿时，降低色散补偿的训练开销。

为解决上述技术问题，本发明的一种进行色散补偿的方法，包括：

发射端在N_pilot(N_pilot＞1)个正交频分复用(OFDM)符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上；

接收端从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息，计算各导频信息的相位，根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位；

按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位，计算OFDM符号中的各子载波上的色散相位，并进行色散相位的补偿。

进一步地，所述从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息，计算各导频信息的相位包括：

对接收到的光信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到FFT后的数据；

从所述FFT后的数据中提取出所述N_pilot个OFDM符号中的导频信息，对所述导频信息取幅角，根据各导频信息的幅角计算各导频信息的相位。

进一步地，所述根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位包括：

对所述导频信息的相位去除随机相位和所述导频信息的调制相位，得到所述导频信息的色散相位。

进一步地，所述导频信息为固定的实数值，调制相位为零；

所述对所述导频信息的相位去除随机相位和所述导频信息的调制相位包括：对提取出的所述N_pilot个OFDM符号的导频信息的相位取平均，将得到的平均值作为所述导频信息的色散相位。

进一步地，所述发射端在N_pilot个OFDM符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上包括：

将原始比特信息进行多进制调制，得到复数符号序列，每N_sc(N_sc＞0)个复数符号划分为一组，选取N_pilot组复数符号；

对选取的N_pilot组复数符号进行反快速傅里叶变换(IFFT)，在进行IFFT时，选择所述IFFT的一输入端插入所述导频信息，对于所述N_pilot组复数符号选择相同的输入端插入所述导频信息。

进一步地，所述按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位，计算OFDM符号中的各子载波上的色散相位，并进行色散相位的补偿包括：

按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位计算出OFDM符号的各子载波上的色散相位；

将所述各子载波上的色散相位转化为指数形式并做共轭处理，得到各子载波的补偿值；

将所述各子载波的补偿值对应地乘到各路所述FFT后的数据上。

进一步地，承载所述导频信息的子载波为中频子载波。

进一步地，一种进行色散补偿的装置，包括：反快速傅里叶变换(IFFT)器、提取导频模块、取幅角模块、平均去噪声模块、色散相位估算模块和补偿模块，其中：

所述IFFT器，用于在N_pilot(N_pilot＞1)个正交频分复用(OFDM)符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上；

所述提取导频模块，用于从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息；

所述取幅角模块，用于计算各导频信息的相位；

所述平均去噪声模块，用于根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位；

所述色散相位估算模块，用于按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位估算所述OFDM符号中的各子载波的色散相位；

所述补偿模块，用于补偿OFDM符号中的各子载波上的色散相位。

进一步地，还包括快速傅里叶变换(FFT)器，其中：

所述FFT器，用于对接收到的光信号进行FFT，得到FFT后的数据；

所述取幅角模块是对所述导频信息取幅角，根据各导频信息的幅角计算各导频信息的相位。

进一步地，所述导频信息为固定的实数值，调制相位为零；

所述平均去噪声模块是对提取出的所述N_pilot个OFDM符号的导频信息的相位取平均，将得到的平均值作为所述导频信息的色散相位。

综上所述，本发明有效的实现了高速光通信系统的色散补偿，能够将色散补偿的训练开销降低为传统色散补偿处理方案训练开销的1/N_sc，其中，N_sc为OFDM符号内承载数据的子载波的个数，且实现复杂度低。

附图说明

图1为本实施方式进行色散补偿的装置中插入导频信息的装置的架构图；

图2为本实施方式中IFFT输入点与生成的OFDM中的子载波的频率的对应关系示意图；

图3为本实施方式中OFDM信号中子载波的频率与承载数据附加的色散相位的关系示意图；

图4和图5为本实施方式进行色散补偿的方法的流程图；

图6为本实施方式进行色散补偿的装置中完成色散补偿的装置的架构图。

具体实施方式

本实施方式利用导频信息进行色散补偿，发射端在多个OFDM符号上插入导频信息，接收端在进行快速傅里叶变换(FFT)后，提取出多个OFDM符号中的导频信息，根据同一子载波受到色散影响相同的原理，可以利用取幅角和平均运算得到该子载波上去除影响后的色散相位，并通过子载波频率与色散相位的关系，估算出相邻子载波色散相位的大小，完成整个OFDM符号的色散补偿。

下面结合附图对本实施方式做进一步详细描述。

图5所示为本实施方式进行色散补偿的方法，包括如下步骤：

步骤501：从初始OFDM符号序列中选取N_pilot个OFDM符号插入导频信息，选择中频子载波承载导频信息，利用马赫曾德调制器(MZM)将OFDM基带电信号调制成光信号，送入光纤信道传输；

本步骤中可以在每个OFDM符号内插入一个导频信息。

步骤501具体包括以下步骤：

步骤a：将原始比特信息进行多进制调制，得到复数符号序列，每N_sc个复数符号为一组，选取前N_pilot(N_pilot＞1)组复数符号(对应于发射端的前N_pilot个OFDM符号)插入导频信息；

一组复数符号是一个OFDM符号中的子载波承载的数据，OFDM符号内承载数据的子载波的个数为N_sc。

由于EDFA等放大器引入的随机噪声，系统需要在接收端对导频相位信息做平均运算以消除噪声影响。这就需要在发射端选择多个OFDM符号插入导频信息。一般情况下，选择五个OFDM符号插入导频信息即可消除随机噪声对导频信息的影响，即此时N_pilot＝5；

步骤b：对选取的前N_pilot组复数符号进行反快速傅里叶变换(IFFT)，并在此过程中插入导频信息，即可得到N_pilot个含有导频信息的OFDM符号时域采样值；

如图1所示，可以将IFFT的某一输入端设为一个固定的实数值作为OFDM符号的导频值，从而完成插入导频信息工作。由于此导频信息为实数，所以其初始相位为0，图2所示为IFFT输入点的位置与此点输入数据所承载的子载波频率的对应关系，对于N_pilot组复数符号选择相同的输入端插入导频信息。

在此步骤中，导频信息应选择承载在中频子载波上，不宜选择低频或高频子载波。如果选择高频子载波承载导频信息，由于高频子载波承载数据的色散相位较大，容易出现相位模糊现象，使得色散相位补偿范围减小。如果选择低频子载波承载导频信息，由于低频子载波承载数据的相位很小，容易受到随机的影响而产生误差，这个误差的影响在估算色散相位时会随着子载波频率的增大呈现指数倍的增大，当估算高频子载波数据的色散相位时，这个误差的影响变的非常大，导致色散补偿的效果变差，降低系统的OSNR容限。所以，综合考虑色散补偿范围和补偿效果，应该选择中频子载波承载导频信息。

步骤c：将IFFT输出的N_pilot组OFDM符号时域采样值经过数模转换器(DAC)，得到OFDM时域信号，并且通过MZM调制成光信号，进而送入光纤信道进行传输。

步骤502：接收端对光信号进行快速傅里叶变换(FFT)，从FFT后的数据中提取出N_pilot个OFDM符号中的导频信息，对导频信息取幅角，根据幅角计算各导频信息的相位；

经过光纤信道的传输，信号受到了色散的影响，使得不同子载波承载的数据附加了色散相位，且不同频率的子载波数据附加的色散相位不同。如图3所示为色散值CD＝800ps/nm，OFDM光谱带宽为28GHz，在子载波数为512时，各子载波频率与其色散相位的关系图，不同频率的子载波数据的色散相位与子载波频率呈二次指数关系。除此之外，信息还会受到随机的影响，主要来源于掺饵光纤放大器(EDFA)等光放大器。

由于FFT完成的是信号时域采样值到频域采样值的转化，所以接收端FFT后的输出值为OFDM信号各子载波承载的符号数据，相位包含数据调制相位，色散相位和随机相位，如下式所示：

Φ＝Φ₀+Φ_CD+Φ_ASE  (1)

其中，Φ代表FFT后的数据的相位，Φ₀代表调制相位，Φ_CD代表色散相位，Φ_ASE代表随机相位。

色散相位Φ_CD的表达式如下：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{CD}}=\frac{\mathrm{\πc}}{f_c^2}{D}_t{f}_k^2---\left(2\right)$

其中，f_c代表光载波中心频率(Hz)，c代表光速(m/s)，D_t代表光纤色散大小(ps/nm)，f_k代表OFDM基带信号第k个子载波的频率大小。

由式2可知，不同子载波上的色散相位随着子载波频率呈现指数增长的趋势。

式2中，D_t＝D*L。L代表传输距离，D表示光纤的色散系数。D的大小相对OFDM光信号不同频率的子载波具有不同的值，并且其相对关系服从一定的规律，如下式所示：

$D=-\frac{2\mathrm{\πc}}{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\β}}_2---\left(3\right)$

其中，λ为光信号不同频率分量对应的波长，β₂是光纤的材料系数，对于不同的光纤代表其不同的材料特性。

步骤503：对导频信息的相位取平均，去除随机的影响，得到估算的导频信息的色散相位；

对于前N_pilot个含有导频信息的OFDM符号来说，其导频信息的插入位置即承载导频信息的子载波的频率是相同的，这就意味着前N_pilot个OFDM符号的导频信息的相位中，色散相位的大小是相同的；又由于导频信息的初始相位(即调制相位)是0，即提取出的导频信息的相位里只包含色散相位和随机相位，所以对N_pilot个导频信息的相位做平均运算，即可消除随机相位的影响，得到导频信息的相位中色散相位的估计值。

步骤504：按照色散相位与子载波频率的关系，估算并补偿各子载波信号上的色散相位。

步骤A：依据导频信息的色散相位的大小，按照式2估算出其他子载波承载的数据的色散相位；

由图3可知，不同子载波上数据受到的色散相位随着子载波频率呈现指数增长的规律，并且服从二次指数函数。由此关系即可通过导频信息的色散相位的大小估算出其他子载波数据上附带的色散相位的大小。

步骤B：将估算出的各子载波上数据的色散相位φ_i转化为指数形式exp[j(φ_i)]，并对该指数形式的色散相位做共轭处理，得到各子载波数据的补偿值exp[-j(φ_i)]；

步骤C：将得到的补偿值返回到FFT输出端，一一对应的与FFT各输出值相乘，即补偿了各子载波数据的色散相位。

如图1和图6所示，为本实施方式的进行色散补偿的装置的架构图，包括：

反快速傅里叶变换器，用于对N_pilot组复数符号进行IFFT，并在此过程中插入导频信息，对于N_pilot组复数符号选择相同的输入端插入导频信息，得到N_pilot个含有导频信息的OFDM符号时域采样值，完成数据频域到时域的变换、P/S，用于完成数据的并串变换。

数模转换器(DAC)，用于将N_pilot组OFDM符号时域采样值经过数模转换，得到OFDM时域信号。

马赫曾德尔调制器(MZM)，用于将基带OFDM电信号调制为OFDM光信号。

快速傅里叶变换(FFT)器，用于对光信号进行FFT，完成数据时域到频域的变换。

提取导频模块，从所选的N_pilot个OFDM符号中提取出导频信息。

取幅角模块，用于对导频信息取幅角，根据各导频信息的幅角计算各导频信息的相位。

平均去噪声模块，由于导频信息为固定的实数值，其调制相位为零，平均去噪声模块是对提取出的N_pilot个导频信息的相位做平均运算，消除随机噪声对导频相位的影响，将得到的平均值作为所述导频信息的色散相位。

色散相位估算模块，用于按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位，估算OFDM符号各子载波承载数据所包含的色散相位。

补偿模块，用于根据估算出的各子载波数据的色散相位，对其进行相位补偿，从而消除色散相位的影响。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块、各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们的多个模块或者步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种进行色散补偿的方法，包括：

发射端在N_pilot(N_pilot＞1)个正交频分复用(OFDM)符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上；

接收端从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息，计算各导频信息的相位，根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位；

按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位，计算OFDM符号中的各子载波上的色散相位，并进行色散相位的补偿。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息，计算各导频信息的相位包括：

对接收到的光信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到FFT后的数据；

从所述FFT后的数据中提取出所述N_pilot个OFDM符号中的导频信息，对所述导频信息取幅角，根据各导频信息的幅角计算各导频信息的相位。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位包括：

对所述导频信息的相位去除随机相位和所述导频信息的调制相位，得到所述导频信息的色散相位。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述导频信息为固定的实数值，调制相位为零；

所述对所述导频信息的相位去除随机相位和所述导频信息的调制相位包括：对提取出的所述N_pilot个OFDM符号的导频信息的相位取平均，将得到的平均值作为所述导频信息的色散相位。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射端在N_pilot个OFDM符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上包括：

将原始比特信息进行多进制调制，得到复数符号序列，每N_sc(N_sc＞0)个复数符号划分为一组，选取N_pilot组复数符号；

对选取的N_pilot组复数符号进行反快速傅里叶变换(IFFT)，在进行IFFT时，选择所述IFFT的一输入端插入所述导频信息，对于所述N_pilot组复数符号选择相同的输入端插入所述导频信息。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位，计算OFDM符号中的各子载波上的色散相位，并进行色散相位的补偿包括：

按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位计算出OFDM符号的各子载波上的色散相位；

将所述各子载波上的色散相位转化为指数形式并做共轭处理，得到各子载波的补偿值；

将所述各子载波的补偿值对应地乘到各路所述FFT后的数据上。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：承载所述导频信息的子载波为中频子载波。

8.一种进行色散补偿的装置，包括：反快速傅里叶变换(IFFT)器、提取导频模块、取幅角模块、平均去噪声模块、色散相位估算模块和补偿模块，其中：

所述IFFT器，用于在N_pilot(N_pilot＞1)个正交频分复用(OFDM)符号中插入导频信息，将所述导频信息承载于相同频率的子载波上；

所述提取导频模块，用于从所述N_pilot个OFDM符号中提取出所述导频信息；

所述取幅角模块，用于计算各导频信息的相位；

所述平均去噪声模块，用于根据所述导频信息的相位，计算所述导频信息的色散相位；

所述色散相位估算模块，用于按照色散相位与子载波的频率的关系，采用所述导频信息的色散相位估算所述OFDM符号中的各子载波的色散相位；

所述补偿模块，用于补偿OFDM符号中的各子载波上的色散相位。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括快速傅里叶变换(FFT)器，其中：

所述FFT器，用于对接收到的光信号进行FFT，得到FFT后的数据；

所述取幅角模块是对所述导频信息取幅角，根据各导频信息的幅角计算各导频信息的相位。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述导频信息为固定的实数值，调制相位为零；

所述平均去噪声模块是对提取出的所述N_pilot个OFDM符号的导频信息的相位取平均，将得到的平均值作为所述导频信息的色散相位。

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