CN102281249A - 相干光正交频分复用系统中相位噪声补偿下的信道估计方法 - Google Patents

Abstract

相干光正交频分复用系统中相位噪声补偿下的信道估计方法，属于光纤通信与信号处理技术领域。该方法包括：针对激光器的不同线宽，计算系统的激光器在高线宽和低线宽传输一定距离L的相位变化参数

和

，而介于高线宽和低线宽时相位变化参数为

，利用公式

求出融合的权值参数

。分别对介于高线宽和低线宽之间的以及高线宽的相位变化参数进行加权修正，还可以根据多个权值拟合的曲线对高线宽的相位变化参数进行第二次修正。选用最小二乘算法，二次迭代即完成整个信道的估计。相对于其它算法，本发明可以对激光器高、低线宽下的不同情况进行灵活的切换，通过调节权值系数来做到自适应的补偿不同线宽下的相位噪声，同时明显改善了高线宽下的系统性能。

Description

相干光正交频分复用系统中相位噪声补偿下的信道估计方法

技术领域

本发明属于光纤通信和信号处理技术领域，具体涉及信道的均衡补偿等。

背景技术

相干光正交频分复用(CO-OFDM)作为高速光网络通信系统的新技术，有着补偿色散(CD)和偏振模色散(PMD)导致的符号间干扰(ISI)的优势。但是相干光正交频分复用系统对激光器的相位噪声很敏感，它会引起公共相位误差(CPE)和信道间干扰(ICI)。目前国内外很多专家学者都在研究如何能降低相位噪声的影响。其中CPE会使所有的子载波旋转一定的角度，这是比较好恢复的。而ICI使子载波的正交性遭到破坏，不消除的话，会严重影响系统的性能。为了降低相位噪声，S.L.Jansen等提出了一种射频辅助体制，X.Yi等提出一种导频辅助和数据辅助方法。W.Shieh提出一种最大似然估计得方法。X.Yi和W.Shieh提出了一种相位噪声的理论建模，简化了由调制和接收的相位噪声，在模型中CPE能够被正确估计，并且ICI被近似为加性高斯白噪声，不考虑相位噪声受线宽增宽的影响。基于相位噪声的分析中，射频辅助、导频辅助和数据辅助都能有效的解决CPE的补偿。

但是当激光器线宽较宽时，仅补偿CPE是不足够的。W.Shieh的研究表明，当激光器的线宽比较高时，ICI的补偿就显得很重要了。高线宽导致的相位噪声通过数学线性变换化简为特征值和特征矩阵，通过补偿特征矩阵和迭代的方式来达到抑制相位噪声的目的。激光器线宽在介于高低线宽之间时的情况，目前研究得还不够深刻，而这种情况的研究还是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是解决相干光正交频分复用系统中的相位噪声干扰问题，该相位噪声主要受激光器的线宽影响，提供一种相干光正交频分复用系统中相位噪声补偿下的信道估计方法。

本发明针对激光器的高低线宽对于相位噪声的影响，优化了相位噪声的混合算法，并提出一种混合的半盲的噪声补偿算法，以均衡补偿不同的激光器线宽调制下造成的相位偏差。采用4QAM和16QAM的调制方式，观察了相位噪声在高调制系数系统中的变化，当调制系数增大，相位噪声敏感性能上升。此时增大权值参数，然后对相位变化参数进行加权处理，在相同误码率的条件下，可以看出所需光信噪比(OSNR)比较低，这样就提高了系统的性能。

本发明提供的相干光正交频分复用系统的相位噪声补偿下的信道估计方法的具体步骤是：

第1、系统初始化；

第2、分别计算相干光正交频分复用系统在高线宽和低线宽时端到端传输的相位变化参数

第2.1、选取激光器在高线宽时研究系统的噪声情况，计算在高线宽1.5MHz端到端传输时的噪声引起的相位变化参数；

第2.2、选取激光器在低线宽时研究系统的噪声情况，计算在低线宽10kHz端到端传输时的噪声引起的相位变化参数；

第3、分别计算相干光正交频分复用系统在高线宽和低线宽时传输一定距离L的相位变化参数

第3.1、计算系统在高线宽1.5MHz传输一定距离L时的噪声引起的相位变化参数，并记录为Φ_H；

第3.2、计算系统在低线宽10kHz传输一定距离L时的噪声引起的相位变化参数，并记录为Φ_L；

第4、在介于激光器高线宽和低线宽之间的情况下传输一定距离L，记录它们的相位变化参数为Φ，利用第三步的得到的相位变化参数Φ_H和Φ_L，然后用相关函数求出相关函数值α，即 $\mathrm{\α}=R_{{\mathrm{\Φ\Φ}}_H}{\left[R_{{\mathrm{\Φ\Φ}}_L}\right]}^{-1};$

第5、上述第4步得到的相关函数值α值即为介于高线宽和低线宽时融合的权值参数；

第6、判断是否是高线宽，如果是高线宽转到第7步，否则转到9步；

第7、利用权值参数对高线宽时相位变化参数Φ₁进行第一次加权修正，即Φ₂＝α·Φ₁；

第8、利用多个权值参数进行MATLAB拟合的曲线的高线宽部分的数据对第7步修正后的高线宽时的相位变化参数进行第二次加权修正；具体修正是依据介于高线宽和低线宽时多个权值参数MATLAB拟合的二次曲线；取二次曲线的高线宽的权值参数；利用此参数对高线宽时的相位变化参数进行第二次加权修正；

第9、判断是否是介于高线宽和低线宽之间，是，则转到第10步，不是则转到第11步；

第10、利用权值参数对介于高线宽和低线宽之间时相位变化参数进行修正，即

第11、用第8步和第9步得到的修正过的相位变化参数以及低线宽的相位变化参数的进行信道均衡补偿，具体是根据相位变化参数，相位变化了多少就补偿多少，对应到星座图上是旋转了多少再旋转回来就完成了相位的补偿。

第12、选用最小二乘(LS)算法进行信道估计，考虑到计算量，进行二次迭代完成整个信道的估计。

本发明方法首先在激光器高、低线宽的情况下对CO-OFDM系统的噪声进行研究，对高低线宽下的噪声要采取不同的信道均衡补偿方法才能达到最好。但介于激光器高线宽和低线宽之间时，用高线宽时的补偿方法和低线宽时的补偿方法都不能很好的进行均衡补偿。以激光器线宽从1.5MHz到10kHz时的相位为标准，考虑中间1MHz、600kHz、300kHz、100kHz时的结果，用MATLAB拟合出相位噪声权值的二次曲线，取二次曲线的高线宽的权值参数；利用此权值参数对高线宽时的相位变化参数进行加权修正，仿真证明这种算法能很好的优化激光器高线宽时系统的性能，说明了选择这个权值参数更为合适。

在大量计算的条件下，在激光器高线宽和低线宽时分别得到相位噪声以及信道响应对于单个子载波的影响。进而通过求相关函数值得到一个权值，使之能够在介于激光器高线宽和低线宽之间时进行均衡补偿。

此自适应算法适用于介于激光器高线宽和低线宽之间系统的相位补偿，并可以进行灵活的切换，进行加权计算即

做到自适应的补偿不同线宽下的相位噪声。同时也可以改善高调制级数下的噪声补偿情况。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出一种的相位噪声补偿方法，对于系统中不同线宽的激光器，通过调节权值系数进行加权修正，实现自适应调节。本发明取激光器介于高低线宽下的多个权值，用MATLAB拟合权值曲线，选择合适的权值系数对高线宽时的相位变化参数进行加权修正，这样就能够更好的适用于不同的激光器线宽情况，并且在实用化过程中能够切换，以适应复杂的网络环境。由于增加调制级数会使信号受到严重的非线性相位噪声影响，此时增大激光器高线宽下的相位噪声权值也可改善系统性能。

该方法不仅适用于介于激光器高、低线宽之间的噪声相位补偿算法，还可以根据拟合曲线对激光器高线宽时的相位变化参数进行修正，并可以进行灵活的切换，通过调节权值系数来做到自适应的补偿不同线宽下的相位噪声，能够实现自适应调节。同时在高调制级数时，通过增大相位噪声权值参数也可以改善系统的噪声补偿情况，提高系统的性能。

该发明实现算法简单可行，迭代次数比较少，对计算和硬件要求不高，而且对信道的均衡补偿效果很明显，不管激光器是在高线宽还是低线宽，都能够很好的优化系统的性能。

附图说明

图1是本发明应用在CO-OFDM系统的框图。

图中CO-OFDM系统分为五大模块，分别为：RF OFDM发送端、RTO上转换器、光传输链路、OTR下转换器、RF OFDM接收端。

图2是本发明方法流程图。

图3是本发明应用于CO-OFDM系统在4QAM和16QAM调制方式下传输800km的性能图。

下面结合附图对本发明作进一步的具体说明。

具体实施方式

实施例1

如图1所示为相位噪声补偿下的信道估计方法所应用的CO-OFDM系统。在20Gbps传输速率的CO-OFDM系统进行验证，其中210个数据子载波，每10个数据子载波设置1个导频，逆傅里叶变换(IFFT)的n值取256，循环前缀CP设置为12.5％，光纤色散取17ps/km/nm，传输800km。首先采用4QAM调制方式，激光器线宽设置为低线宽10kHz，此时的噪声在端到端传输时只考虑调制时的相位噪声变化，不考虑加性噪声；而传输一定距离时考虑乘性噪声和加性噪声。低线宽时的噪声可以简化为线性关系，而高线宽1.5MHz时为非线性关系。

首先在高线宽系统模型和低线宽系统模型下分别计算各个子载波(其中210个数据子载波)的相位变化参数，此参数值比较多，不一一列举。用求相关函数的方法求出一个融合的权值以适用于激光器线宽在100kHz、300kHz、600kHz、1000kHz、1.5MHz时的系统模型。此时的权值分别为：0.83、0.93、0.92、0.96、0.98。分别求出的权值α之后，对实际线宽下的相位参数进行加权计算，即

从而得到一个修正过的相位补偿值。

通过公式

就可以对信号的相位进行补偿，其中，h为信道色散所造成的频率响应，在端到端下，h不含有色散的影响，为信道均衡项，可以忽略h项。而在有光纤的传输系统中，就需要考虑色散的信道频率响应h，y_ik为接收到的未经处理的信号，为相位补偿之后的信号。

相位补偿之后就可以对信号的幅度进行LS算法的信道估计，每一个导频子载波的信道频率响应H_LS可以表示为：，

其中，S_i(k)＝IFFT{s_i(n)}，s_i(n)为调制完成的OFDM信号。然后对所有的子载波插值计算，即可得到所有子载波的信道估计。

在同样发射功率条件下，研究相位噪声对接收端OSNR的影响。其对应的星座图可以很明显的看出受到了不同的相位噪声的影响。在经过融合权值的算法处理之后，可以看出激光器线宽在100kHz、300kHz时接收端信号的星座图比较好，但随着相位噪声增大，补偿效果也相对降低。而激光器线宽在600kHz、1.5MHz时的星座图较差，使用融合权值算法补偿之后，均衡信号相位噪声仍比较高，如果降低发射功率，那么接收端星座图将迅速混叠。相位噪声对信号影响十分明显，提高发射端和接收端激光器线宽会使接收端相位噪声增大，即便使用相位补偿算法也不能完全抵消相位噪声增大的影响。同时，通过算法对相位噪声的缓解可以适当的改变高相位噪声的性能。下面的表格是通过MATLAB和OPTISYSYTEM光学软件仿真的CO-OFDM系统的性能表。

4QAM调制时激光器不同线宽下的修正性能

激光器线宽(Hz)	100k	300k	600k	1000k	1.5M
						权值	0.83	0.93	0.92	0.96	0.98
性能(dB)	0.3	1.6	2.8	6.4	13
						修正性能(dB)	0.25	1.5	2.6	6.2	12.8

实验证明，经过融合算法处理过的性能要优于单独计算高低线宽时系统的性能。而且，当调制方式为16QAM时，同样进行融合权值算法的信道估计，试验同样证明也是适用的，而且比4QAM调制时的性能提高的更加明显。下面的表格即是16QAM时的仿真的性能。

16QAM调制时激光器不同线宽下的修正性能

激光器线宽(Hz)	100k	300k	600k	1000k	1.5M
						权值	0.90	0.9	0.815	0.85	0.86
性能(dB)	1.1	5	9.7	13.5	23
						修正性能(dB)	1	4.5	7.9	11.5	19.8

Claims (1)

1.相干光正交频分复用系统中相位噪声补偿下的信道估计方法，其特征在于该方法的具体步骤是：

第1、系统初始化；

第2、分别计算相干光正交频分复用系统在高线宽和低线宽时端到端传输的相位变化参数

第2.1、选取激光器在高线宽时研究系统的噪声情况，计算在高线宽1.5MHz端到端传输时的噪声引起的相位变化参数；

第2.2、选取激光器在低线宽时研究系统的噪声情况，计算在低线宽10kHz端到端传输时的噪声引起的相位变化参数；

第3、分别计算相干光正交频分复用系统在高线宽和低线宽时传输一定距离L的相位变化参数

第3.1、计算系统在高线宽1.5MHz传输一定距离L时的噪声引起的相位变化参数，并记录为                                                

；

第3.2、计算系统在低线宽10kHz传输一定距离L时的噪声引起的相位变化参数，并记录为

；

第4、在介于激光器高线宽和低线宽之间的情况下传输一定距离L，记录它们的相位变化参数为

，利用第三步的得到的相位变化参数

和

，然后用相关函数求出相关函数值

，即

；

第5、上述第4步得到的相关函数值

即为介于高线宽和低线宽时融合的权值参数；

第6、判断是否是高线宽，如果是高线宽转到第7步，否则转到9步；

第7、利用权值参数对高线宽时相位变化参数

进行第一次加权修正，即；

第8、利用多个权值参数进行MATLAB拟合的曲线的高线宽部分的数据对第7步修正后的高线宽时的相位变化参数进行第二次加权修正；具体修正是依据介于高线宽和低线宽时多个权值参数MATLAB拟合的二次曲线；取二次曲线的高线宽的权值参数；利用此权值参数对高线宽时的相位变化参数进行第二次加权修正；

第9、判断是否是介于高线宽和低线宽之间，是，则转到第10步，不是则转到第11步；

第10、利用权值参数对介于高线宽和低线宽之间时相位变化参数进行修正，即

；

第11、用第8步和第9步得到的修正过的相位变化参数以及低线宽的相位变化参数进行信道均衡补偿，具体是根据相位变化参数，相位变化了多少就补偿多少，对应到星座图上是旋转了多少再旋转回来就完成了相位的补偿；

第12、选用最小二乘（LS）算法进行信道估计，考虑到计算量，进行二次迭代完成整个信道的估计。

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