CN102647381A - 一种mpsk相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置，该方法包括：通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；对所述相位信息进行差分运算，得到相邻的符号相位差；对所述相位差进行处理后，求相位；根据求得的相位估计MPSK信号的频率偏移。本发明提供了运算复杂度较低，硬件容易实现的频率偏移估计算法，并且能够对各阶的MPSK调制格式均适用，克服现有技术方案中通过复数的次方和乘法的运算的缺陷。

Description

一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置。

背景技术

光纤通信系统始于20世纪70年代初，采用强度调制的半导体激光器，接收到的光强度信号通过光电二极管转换成电信号。这种方式被称为强度调制/直接检测(Intensity Modulation/Direct Detection，简称IM/DD)，并在当前的商用光纤通信系统中得到广泛的应用，但是直接检测/强度调制有着其固有的不足，比如接收及灵敏度受到噪声的限制，频谱效率(Spectral Efficiency)不高，不能够充分利用带宽等。相干检测受到人们的广泛关注，一方面是因为相干检测允许系统采用更高阶的调制格式，提高频谱利用率，另外一方面相干检测能够提高信噪比(Signal to Noise Ratio，简称SNR)。

相干接收系统的原理如图1所示，接收光信号和本振光信号在90°混频器中混频，上支路的平衡检测器检测接收信号的同相分量，下支路检测接收信号的正交分量。为了保证符号判决的正确性，本振光的频率必须与发射机的频率保持一致。一般情况下，本振光频率f_L0与发射机频率f_T不完全相同，使得接收到的信号在星座图上相对于原始调制信号发生旋转，旋转的角度与频率差值Δf＝f_L0-f_T有关。如果不对该旋转的信号进行频率偏移补偿，直接进行符号判决，将不能够得到正确的符号。

随着数字信号处理技术和硬件处理能力的发展，可以通过数字信号处理的方式对频率偏移值Δf进行估计，然后通过软件的方法对其进行补偿。在最新提出的频率估计技术当中，针对不同的调制格式提出了不同的估计算法。这些频率估计算法或直接对接收信号进行处理(时域方法)，或利用接收信号的频域信息进行频率偏移Δf的估计(频域方法)。对于采用时域估计的方法，为了提高频率估计的精度，通常需要较多的符号数或采样值(sample)，进而需要较多的存储单元以及较多处理单元和较大的处理时延。

作为下一代光通信系统中极具前景的调制技术之一，MPSK(Multi-levelPhase Shift Keying，多电平相位调制键控)相干光通信系统得到学者的广泛研究。数字信号处理技术的发展，使得接收端可以不再采用频率锁相环的技术，能够对更大的频率偏差进行正确的估计。考虑到商用系统中的实时性要求，算法的复杂度不能太高。在最近的研究进展中，研究学者相继提出针对MPSK的频率偏移补偿方案，这些方法大体上可以分为时域的方法和频域的方法。

时域的方法主要利用MPSK接收信号的符号间的特性进行估计，频域的方法基于的原理是MPSK信号经过预处理后，其频谱的峰值将与待估计的频率偏移值相关。

在频域估计的方法中，MPSK信号的相位信息可以看成是周期三角波叠加上调制信息，可以将调制信息看成噪声，因此呈周期特性的相位信息的频谱在与频率偏移相关的位置产生冲击(在数值计算中，是频域最大值)。另外一方面，由于MPSK调制格式的信号是幅度恒定的信号，经过M次方去除调制信息之后，将是正弦信号，其频率是待估计的频率偏移值的M倍，可以直接通过搜寻其频谱的最大值而得到。但是频域估计的方法往往需要用到FFT(快速付立叶变换)运算，其复杂度为0(N log₂ N)，且其需要的存储单元也比较的多，这限制了频域估计方法在实时商用系统中的处理速率和效率。

在时域估计的方法中，主要利用相邻的MPSK信号之间相位差进行估计。由于频率偏移的存在，相邻采样值之间除了调制相位，还包含有由频差引起的相位，且该频差引起的相位为恒定值。学者提出直接对接收到的MPSK信号进行复数的乘法和共轭运算，最后通过平均的方法消除高斯噪声的影响。但是这样的方法涉及到复数的运算，在硬件实现的过程中实际上是通过实数乘法和加法实现，每次复数乘法需要4次实数乘法和2次实数加法，在实际的操作过程中，需要大量的硬件资源和大量的计算时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置，以降低频率偏移估计的复杂度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种M电平相位调制键控(MPSK)相干光通信系统中频率偏移估计方法，包括：

通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；

对所述相位信息进行差分运算，得到相邻的符号相位差；

对所述相位差进行处理后，求相位；

根据求得的相位估计MPSK信号的频率偏移。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述对所述相位差进行处理包括：

对所述相位差进行消除调制信息处理；

对所述相位差进行消除幅度噪声处理；

对所述相位差进行平滑加性噪声处理。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述对所述相位差进行消除调制信息处理是通过以下方式实现的：

将所述相位差乘以M。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述对所述相位差进行消除幅度噪声处理是通过以下方式实现的：

对所述相位差乘以M的结果进行e指数的查表运算。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述对所述相位差进行平滑加性噪声处理是通过以下方式实现的：

对所述进行e指数的查表运算后的数据序列进行求和平均。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计的装置，包括：

第一模块，用于通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；

第二模块，用于对所述相位信息进行差分运算，得到相位差；

第三模块，用于对所述相位差进行处理后，求相位；

第四模块，用于根据求得的相位估计MPSK信号的频率偏移。

进一步地，上述装置还具有下面特点：所述第三模块包括：

第一单元，用于对所述相位差进行消除调制信息处理；

第二单元，用于对所述相位差进行消除幅度噪声处理；

第三单元，用于对所述相位差进行平滑加性噪声处理。

进一步地，上述装置还具有下面特点：所述第一单元，具体用于将所述相位差乘以M。

进一步地，上述装置还具有下面特点：所述第二单元，具体用于对所述相位差乘以M的结果进行e指数的查表运算。

进一步地，上述装置还具有下面特点：

所述第三单元，具体用于对所述进行e指数的查表运算后的数据序列进行求和平均。

综上，本发明提供一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置，提供了运算复杂度较低，硬件容易实现的频率偏移估计算法，并且能够对各阶的MPSK调制格式均适用，克服现有技术方案中通过复数的次方和乘法的运算的缺陷。本发明无需采用FFT算法，同时避免了使用复数的乘法和复数的次方运算，取而代之的是通过接收信号的相位信息的实数乘法以及复数的加法估计频率偏移值Δf。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出相干检测的原理图；

图2为本发明实施例的MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法的流程图；

图3示出本发明实施例的QPSK的频率估计偏移原理的示意图；

图4示出信噪比对本发明实施例的QPSK(M＝4)频率偏移估计算法的估计精度的影响的关系图；

图5示出频偏值对本发明实施例的QPSK(M＝4)频率偏移估计算法的估计精度的影响的关系图；

图6示出激光器线宽对本发明实施例的QPSK(M＝4)频率偏移估计算法的估计精度的影响的关系图；

图7为本发明实施例的MPSK相干光通信系统中频率偏移估计的装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1显示了采用相干检测的光接收机原理，在上支路中，本振光信号和接收光信号直接混频，经过平衡检测器后，输出的是调制信号的同相分量，可以记为MPSK信号的实部；在下支路中，本振光信号先经过90°时延器，然后再与接收光信号混频，经过平衡检测器后，输出的是调制信号的正交分量，记为MPSK信号的虚部。上、下支路输出的是电信号，在后续的数字信号处理(DSP)芯片中，需要先对其进行离散化采样处理。

图2为本发明实施例的MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法的流程图，如图2所示，包括下面步骤：

经过色散、非线性的前端补偿后，MPSK信号经过下采样后(采样率等于符号速率)为y(k)，其为模值恒定、相位不同的复数。在以下的描述中，为行文方便，忽略色散、非线性效应的影响，因为色散、非线性效应可以通过相应的模块得到比较理想的补偿。

步骤11，通过查表的方法得到采样信号y(k)的相位信息θ(k)＝d(k)+2πΔfkT_s；

步骤12，对查表得到的相位信息进行差分运算，得到相邻的符号的相位差为：

Δθ(k)＝θ(k)-θ(k-1)＝[d(k)-d(k-1)]+2πΔfT_s；

其中，d(k)-d(k-1)是

的整数倍；

该相位差信息除了包含调制信息的差之外，还有频偏的信息2πΔfT_s。

步骤13，对所述相位差进行处理，求相位，可以包括：

步骤131，对所述相位差进行消除调制信息处理；

具体地，可以将该相位差乘以M，调制信息差部分为2π的整数倍，频偏部分为M(2πΔfT_s)；M为MPSK的M值，例如QPSK，M＝4；8PSK，M＝8。

步骤132，对所述相位差进行消除幅度噪声处理；

具体地，将步骤131的结果进行e指数的查表运算，可以去除调制信息差的影响，同时可滤除幅度噪声；

步骤133，对所述相位差进行平滑加性噪声处理；

具体地，对查表后的数据序列进行求和平均，平滑加性噪声，消除或降低加性高斯白噪声对算法的影响；

步骤134，对求和后的结果求其相位，得到即为M(2πΔfT_s)。

步骤14，根据求得的相位估计MPSK的频率偏移；

将求得的相位M(2πΔfT_s)除以2MπT_s进而求解出MPSK的频率偏移。

由图2可知，在硬件实现上，算法的运算量主要在相位差分的减法器、一个乘法器及实现求和的累加器，剩下的都可以通过查表实现。因此该算法能够极大的降低算法的运算复杂度，同时由于该方法与A.Leven的PSK(Phase-Shift Keying，相位调制键控)频率估计算法的原理一致，因此本实施例方法也必然能够正确的估计出频率偏移值。但是本实施例的方法通过e指数查表的模块消除了MPSK信号的幅度噪声的影响，因此本方法有着比A.Leven的方法更高的精度，也就意味着在相同精度下，需要更少的符号，具有更低的复杂度。

本实施例的主要优点在于避免了硬件上消耗过多资源的复数乘法和次方的运算，仅利用实数的乘法运算即可完成上述过程。

与现有的频率估计算法相比而言，可以通过查表和实数的四则运算即可实现频率的估计，且其复杂度不随调制阶数的增加而增加，这是与A.Leven所提出的算法的主要区别。

图3显示出采用数字信号处理的方法对QPSK(四相相移键控)通信系统频率偏移进行估计的算法流程，其实现过程如下：

经过色散、非线性的前端补偿后的QPSK信号经过下采样后(采样率等于符号速率)为y(k)，通过查表的运算可以求得其相位信息：

θ(k)＝d(k)+2πΔfkT_s，

相邻的符号的相位差为：

Δθ(k)＝θ(k)-θ(k-1)＝[(d(k)-d(k-1)]+2πΔfT_s

该相位差信息除了包含调制信息之外，还有频偏的信息。

将该相位差乘以4，调制信息部分为2π的整数倍，频偏部分为4(2πΔfT_s)。

然后，通过查表的e指数运算，可以去除QPSK调制信息的影响。

为了降低加性噪声的影响，通过求和的形式滤除噪声的影响，最后再求其相位，即为4(2πΔfT_s)，除以8πT_s进而求解出QPSK的频率估计。

由上述的介绍可知，对于MPSK信号，只需要将上述的乘法和除法器中的4换成M即可。

由图3可知，在实际的硬件实现当中，算法的运算量主要存在于相位差分的减法器以及求和的累加器，剩下的都可以通过查表实现。因此该算法将复数的乘法和次方运算转换为实数的加减法，能够极大的降低算法的运算复杂度。另外，不难发现本方法与A.Leven的PSK频率估计算法在原理上一致，因此本文提出的方法也能够正确的估计出频率偏移值。但是本方法通过e指数查表的可以完全消除了加性噪声对MPSK信号的幅度的影响，而A.Leven的方法在求和前的复数数据其幅度是一个随机变量，因此本方法有着比A.Leven的方法更高的精度，也就意味着在相同精度下，需要更少的符号，具有更低的复杂度。

图4显示了不同信噪比下，不同长度的符号数参与运算时的估计精度，其中，纵坐标

其中，是估计的频率，纵坐标的单位为MHz。

图4中所呈现的激光器线宽为200kHz，符号率为12.5Gbaud，故采样率为12.5GHz。当信噪比(SNR)提高时，估计误差迅速下降，当SNR＝20dB时，1024个符号估计的精度达到0.6MHz，足以满足相位估计所需的频率精度。

图5示出不同的频率偏移值Δf对算法估计精度影响。图5中所呈现的激光器线宽为200kHz，信噪比SNR＝20dB，符号长度为1024，符号率为12.5Gbaud。正方形虚线表示的是平均估计误差，正六角星虚线表示的是估计误差的最大值。由图可知，该算法能够对不同的频率偏移进行正确的估计，估计误差在0.6MHz左右，而最大的估计误差在2.5MHz，剩余的频差可以通过相位估计得以消除。

图6示出该频率估计算法对于不同的激光器线宽Δυ对估计精度影响。信噪比SNR＝20dB，符号长度分别为1024、2048、4096，符号率为12.5Gbaud(波特率)，频率偏移值均匀地从[-1/(8T_s)，1/(8T_s)]随机选取。由图可知，适当的增加符号数，可以抵消由于线宽增加而导致的精度下降，也就是说，可以通过符号数的增加来提高对激光器线宽的容忍度。

通过参照上面对示例性的非限定性的实施例和附图的详细描述，本发明的优点和特征以及实现本发明的方法可更易于理解。然而，本发明对不同阶数的MPSK调制格式均适用，而不应被解释为受限于在此阐释的实施例。

图7为本发明实施例的MPSK相干光通信系统中频率偏移估计的装置的示意图，如图7所示，本实施例的装置包括：

第一模块，用于通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；

第二模块，用于对所述相位信息进行差分运算，得到相位差；

第三模块，用于对所述相位差进行处理后，求相位；

第四模块，用于根据求得的相位估计MPSK的频率偏移。

其中，所述第三模块可以包括：

第一单元，用于对所述相位差进行消除调制信息处理；

第二单元，用于对所述相位差进行消除幅度噪声处理；

第三单元，用于对所述相位差进行平滑加性噪声处理。

其中，所述第一单元，具体用于将所述相位差乘以M。

所述第二单元，具体用于对所述相位差乘以M的结果进行e指数的查表运算。

所述第三单元，具体用于对所述进行e指数的查表运算后的数据序列进行求和平均。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种M电平相位调制键控(MPSK)相干光通信系统中频率偏移估计方法，包括：

通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；

对所述相位信息进行差分运算，得到相邻的符号相位差；

对所述相位差进行处理后，求相位；

根据求得的相位估计MPSK信号的频率偏移。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述对所述相位差进行处理包括：

对所述相位差进行消除调制信息处理；

对所述相位差进行消除幅度噪声处理；

对所述相位差进行平滑加性噪声处理。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述对所述相位差进行消除调制信息处理是通过以下方式实现的：

将所述相位差乘以M。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述对所述相位差进行消除幅度噪声处理是通过以下方式实现的：

对所述相位差乘以M的结果进行e指数的查表运算。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述对所述相位差进行平滑加性噪声处理是通过以下方式实现的：

对所述进行e指数的查表运算后的数据序列进行求和平均。

6.一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计的装置，包括：

第一模块，用于通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；

第二模块，用于对所述相位信息进行差分运算，得到相位差；

第三模块，用于对所述相位差进行处理后，求相位；

第四模块，用于根据求得的相位估计MPSK信号的频率偏移。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述第三模块包括：

第一单元，用于对所述相位差进行消除调制信息处理；

第二单元，用于对所述相位差进行消除幅度噪声处理；

第三单元，用于对所述相位差进行平滑加性噪声处理。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述第一单元，具体用于将所述相位差乘以M。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述第二单元，具体用于对所述相位差乘以M的结果进行e指数的查表运算。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：

所述第三单元，具体用于对所述进行e指数的查表运算后的数据序列进行求和平均。

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