CN102904643B - 适用于qdb频谱压缩偏振复用信号的多模盲均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤通信技术领域，具体为一种适用于正交双极性QDB频谱压缩的偏振复用信号的多模盲均衡数字信号处理算法。本发明是在相干光通信系统中，采用基于多模盲均衡的数字信号处理算法对QDB频谱压缩的光信号实现均衡补偿与解调。通过在电域或光域采用合适的滤波器对偏振复用信号实现QDB频谱压缩，传输后的光信号通过级联多模算法CMMA实现偏振解复用，通过多模QPSK分割法实现频偏估计，通过多模QPSK分割法与最大似然估计实现相位恢复。本发明能有效提高信号的频谱效率并改善信号的传输质量，实现高谱效率相干光传输。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种适用于QDB频谱压缩偏振复用信号的多模盲均衡方法，用于相干光通信接收端的数字信号处理。
背景技术
正交双极性（QuadratureDuobinary,QDB）的频谱压缩技术在最近获得了极大的关注与研究兴趣，因为这种频谱压缩技术能有效的提高信号的谱效率，相比于传统的QPSK信号而言，频谱压缩后谱效率是原来的两倍。同时这种频谱压缩信号由于具有更小的带宽，从而更能容忍光纤链路的色散损伤。特别是在100G和200G系统中，由于增加了FEC纠错编码等，信道数据速率可达107~112Gb/s，而其实际的码元速率可达到28GSymbols/s。这对应通信标准的25/50GHz的传输信道间距而言，必须进行频谱压缩才能降低信道间的串扰。基于此，QDB频谱压缩技术引起了光通信领域的诸多研究兴趣。在可见的报道中，QDB频谱压缩具有很好的频谱压缩性能，压缩后的谱效率能达到4bit/s/Hz。图1显示了整个QDB系统的框图。
尽管QDB频谱压缩技术具有上述诸多优势，然而由于滤波效应，其星座点相比于QPSK信号，由4个点分裂为9个点，分布在三个不同半径的圈上（即星座模）。基于光滤波产生QDB频谱压缩信号的频谱图及星座图分布变化情况如图2所示。JianpingLi等人已经证明，传统的偏振复用PM-QPSK信号的数字相干算法，如恒模算法（ConstantModulusAlgorithm，CMA）等已经不适用于QDB压缩信号。如果需要利用传统的相干处理算法，必须要使用相应的前置和后置滤波器。这种滤波器即为频谱压缩滤波器的逆过程，在滤波的过程中由于会对串扰频段进行加强放大，必然会引入噪声带来串扰。一直以来，都缺乏有效的算法，既能有效的降低窜扰，又能进行相应的信号恢复。
基于以上的一些事实，本发明首次提出了一种适用于QDB频谱压缩偏振复用信号的新型多模盲均衡算法。该算法用于QDB频谱压缩信号接收机端的相干DSP数字解调，以实现QDB频谱压缩信号的均衡与恢复。本发明相比于传统的QPSK算法，能有效的提高信号的传输性能。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能有效提高信号传输性能的、适用于正交双极性QDB频谱压缩偏振复用正交相移键控（PolarizationMultiplexingQuadraturePhaseShiftKeying，PM-QPSK）信号的相干光通信的多模盲均衡数字信号处理方法。
本发明是在相干光通信系统中，采用基于多模盲均衡的数字信号处理算法对QDB频谱压缩的光信号实现均衡补偿与解调。通过在电域或光域采用合适的滤波器对偏振复用信号实现QDB频谱压缩，传输后的光信号通过级联多模算法CMMA实现偏振解复用，通过多模QPSK分割法实现频偏估计，通过多模QPSK分割法与最大似然ML估计实现相位恢复。本发明能有效提高信号的频谱效率并改善信号的传输质量，实现高谱效率的相干光传输。
本发明提出的适用于正交双极性QDB频谱压缩偏振复用信号的相干光数字信号处理方法，采用基于信号星座点分布的多模的数字信号处理模块，用于正交双极性QDB频谱压缩偏振复用信号接收的补偿与恢复。
其中，所述的正交双极性QDB频谱压缩偏振复用信号，其偏振复用的PM-QPSK信号后增加一个带通的高斯光滤波器，该高斯滤波器的带宽为符号率的0.75~1倍，以实现QDB的频谱压缩，提高谱效率，并产生偏振复用QDB信号。
所述的多模数字信号处理模块，包括采用一系列基于多模星座点的处理算法，具体为：9点的CMMA级联多模算法，用来偏振解复用与补偿偏振模色散；基于多模QPSK分割的频偏估计算法；基于多模QPSK分割联合最大似然ML估计的相位恢复算法。
所述的9点的CMMA级联多模算法，由一个蝶形滤波器实现，蝶形滤波器的误差传递函数由三个不同星座模的半径所决定，该三个不同星座模为QDB信号9个点星座图的分布模。
所述的多模QPSK分割的频偏估计算法，根据不同星座分布模半径，将半径模上的星座点旋转归一化为QPSK的四个星座点，再采用4次方运算后求解频偏。
所述的多模QPSK分割联合最大似然ML估计的相位估计算法，是基于三个星座分布模半径的QPSK分割，先采用Viterbi-Viterbi算法相位恢复后，再增加一级的ML相位估计算法，以有效的提高相位恢复性能。
9点的级联多模CMMA算法的偏振解复用原理如图3所示。由于QDB频谱压缩后的信号，根据三个模半径R1~R3得到了三个参考半径A1~A3进行收敛，能将误差传递函数进一步收敛趋近于0。本发明所提出的9点的级联多模CMMA算法的偏振解复用处理流程如图4所示，该算法为蝶形数字滤波处理过程。输入的数据信号X和Y经过四个数字滤波器hxx,hxy,hyx,hyy，得到输出Zx和Zy，同时根据原理图3中的误差传递函数得到反馈到CMMA更新模块，该更新模块的处理过程如下式所示：
（1）
上述式子给出了如图4所示四个数字滤波器的第k个抽头的值关于第i个信号符号的更新过程，其中hxx(k),hxy(k),hyx(k),hyy(k)分别为四个数字滤波器的第k个抽头的值，e x (i)和e y (i)为X和Y偏振符号函数在第i个符号的值，对QDB频谱压缩的9点星座点而言由下式给出：
(2)
其中，e x,y (i)表示e x (i)或e y (i)， 和为输入的X和Y信号的复共轭，而sign是取正负符号函数，为步长值，Z x,y (i)表示处理模块得到的第i输出Zx(i)或Zy(i)。该步长值是一个经验值，通常取为0.005。通过引入参照收敛模A1~A3，最终的误差传递函数对理想的QDB频谱压缩信号能趋近于0。通过该方法，能有效的进行偏振解复用，并补偿偏振模色散。
针对QDB信号三星座分布模的的特点，本发明提出了一直采用多模QPSK分割法的频偏估计与相位恢复的方法，其原理如图5所示。多模QPSK分割主要分为三个处理步骤：首先，将星座点图按模半径大小进行分割为三个圈，最内圈为0点星座点。第二圈和第三圈是本方法用来估计频偏和相位的数据点。第二步，选择中间第二圈上的星座点旋转–/4，这样最外圈和中间圈能形成四个象限的QPSK相位分布。第三步，选择性归一化，即选择中间圈和最外圈的星座点数据，分布独立的归一化，只选取最外圈和中间圈的星座点后得到如图5第三步所得到的QPSK四个点。
基于上述原理，本发明提出了基于多模QPSK分割法的频偏估计信号处理方法，其处理流程图如图6所示。经过模分割，旋转与选择性归一化后得到QPSK点分布，再采用4次方后前后数据进行差分运算，可以得到频偏估计值。其中频偏估计的4次方算法求解如下式所示：
(3)
其中，S k 是归一化合并后的符号数据点，T s 是符号间隔，而Δf est 为估计的频偏值，N是一次处理的信号数据长度，可根据实际系统的计算能力选取，同时N应当大于104以获得较好的处理。根据上式可以得到频偏，通过将每个符号数据乘以负的频偏相位即可得到纠正频偏后的符号数据。通过分析式（3）可以看出，本方法能纠正的频偏范围为[-1/(8T s ),+1/(8T s )]。
进一步进行相位恢复的处理算法流程如图7所示，即联合多模QPSK分割法与最大似然ML估计相位恢复算法。该算法主要分为三个部分，第一部分为QPSK分割，包括了模分割、旋转和选择性归一化，得到QPSK星座点，然后采用Viterbi-Viterbi的相位估计算法进行初步的相位估计与恢复；此后，再在上述估计后的结果后再进行一次最大似然ML的相位估计与恢复。最终得到相位恢复好的数据点。其中，初步的相位估计可以由下式得出：
(4)
此后的ML相位估计值可以由下式给出：
(5)
(6)
其中，D k 是对S k 的星座点判决。通过将判决前后的星座点S k 和D k 进行如式（5）和（6）的操作可以得到相位估计值。通过如图7所示的流程乘以负的相位估计值，得到了相位恢复后的结果。
本发明能有效提高信号的频谱效率并改善信号的传输质量，实现高谱效率的相干光传输，相比于传统的算法处理方法具体有创新之处：
1、首次提出了基于多模处理的算法流程，以对QDB频谱压缩信号进行信号均衡与补偿。该算法适用于QDB频谱压缩信号接收机端的相干DSP数字解调，以实现QDB频谱压缩信号的均衡与恢复
2、相比于传统的QPSK相干算法，由于采用了多模算法，能有效的降低噪声影响和信道间串扰，从而能有效的提高信号的传输性能。
3、本发明所提出的算法能在保证传输性能基础上，有效的提高频谱效率，相比于传统的QPSK信号，其频谱效率能提高一倍。
附图说明
图1为QDB频谱压缩信号传输与相干数字信号处理示意图。
图2为基于光滤波产生QDB频谱压缩信号的频谱图及星座图分布变化图。
图3为级联多模CMMA算法的偏振解复用原理图。
图4为级联多模CMMA算法的偏振解复用处理流程图。
图5为多模QPSK分割法原理图。
图6为基于多模QPSK分割法的频偏估计信号处理流程图。
图7为相位恢复的处理算法流程图。
图8为具体实施实验框图。
图9为具体实施采用本发明算法的处理结果。
图10为具体实施实验两种算法所测得误码率同光信噪比对比曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提出的适用于QDB频谱压缩信号的处理算法流程图如图4、6、7所示，而图8是本发明的一个具体的实施实验，该实验采用了所提出的算法流程，属于本本发明的部分实施例。在该具体实施实验中，我们进行了Nquist波分复用的测试，即采用了11个channel的多波长光源，每个波长间隔为25GHz，而调制的数据其符号率为28Gbaud，单个波长的速率达到了112Gb/s，总的传输线速率达到1Tb/s。由于28Gbaud的数据速率实际上已经大于了波长的频率间隔，因此如果不采用频谱压缩技术，信道间的串扰将会非常大。为此，我们采用了基于高斯光滤波QDB频谱压缩。在实验中，11个信道的光信号首先通过光interleaver将奇数偶数信道分开分别进行调制。奇数和偶数分支分别调制28Gbaud的QPSK信号。其中，28Gbaud的电数据信号由一个2信道的数据发生器PPG产生，数据长度选为213-1。I/Q调制器偏置在0点，而驱动的数据信号完全调制，产生0和π相位信号。调制好的QPSK信号经过一个延时偏振复用后形成偏振复用的PM-QPSK信号。在奇数和偶数信道合并时，采用一个信道3dB滤波带宽为19.5GHz而信道间隔为25GHz的波长选择开关来实现QDB滤波和奇偶数信道的合并。在接收端，先用一个0.4nm带宽的可调滤波器滤出其中的一个波长，并通过偏振分集90度光混频器，将本振光与信号光进行混频。本振光与信号光处于同一波长，其线宽均小于100khz。此后PD进行光信号探测为电信号后采用ADC为50GS/s采样率实现模数转换。得到的数据信号在离线的数字信号处理过程中，先经过上采样到56Gs/s后，再随后采用本专利所提出的多模数字信号盲均衡处理。
图9是X偏振和Y偏振的信号经过本发明所提出的信号处理算法的结果。其中，图9a~d分布为原始信号，经过CMMA多模偏振解复用，多模QPSK分割的频偏估计以及相位恢复后的结果。可以看出，经过一系列的数字信号处理过程，原本一团乱的信号恢复到清晰的9个点。图10为测得的接收信号的误码率BER随着光信噪比的变化曲线。我们对比了本发明所提出的方法与传统的恒模QPSK算法，可以看出，本发明能明显的改善信号的传输误码率，能有效的抑制信道间串扰，降低噪声影响，从而提高信号传输性能。
Claims (4)
1.一种适用于正交双极性QDB频谱压缩的偏振复用信号的多模盲均衡数字信号处理方法，其特征在于包括：
采用基于信号星座点分布的多模数字信号处理模块用于正交双极性QDB频谱压缩偏振复用信号接收的补偿与恢复；
所述的正交双极性QDB频谱压缩偏振复用信号，其偏振复用的PM-QPSK信号后增加一个带通的高斯光滤波器，该高斯光滤波器的带宽为符号率的0.75~1倍，以实现QDB的频谱压缩，并产生偏振复用QDB信号；
所述的多模数字信号处理模块，包括：9点的CMMA级联多模算法，用来偏振解复用与补偿偏振模色散；基于多模QPSK分割的频偏估计算法，用于得到频偏估计值，将其用于频偏后的符号数据；基于多模QPSK分割联合最大似然ML估计的相位恢复算法，用于得到相位估计值，从而用于得到相位恢复后的结果；
所述的9点的CMMA级联多模算法由一个蝶形滤波器实现，所述的蝶形滤波器的误差传递函数由三个不同星座模的半径所决定，该三个不同星座模为QDB信号9个点星座图的分布模；
所述的多模QPSK分割的频偏估计算法，根据不同星座分布模半径，将半径模上的星座点旋转归一化为QPSK的四个星座点，再采用4次方运算后求解偏频；
所述的多模QPSK分割联合最大似然ML估计的相位估计算法，基于三个星座分布模半径的QPSK分割先采用Viterbi-Viterbi算法相位恢复后，再增加一级的ML相位估计算法。
2.如权利要求1所述多模盲均衡数字信号处理方法，其特征在于所述的9点的CMMA级联多模算法的处理过程如下：输入的数据信号X和Y经过四个数字滤波器hxx,hxy,hyx,hyy，得到的输出Zx和Zy，同时由误差传递函数得到反馈到CMMA更新模块，该更新模块的处理过程如下式所示：
（1）
其中，上述式子给出了四个数字滤波器的第k个抽头的值关于第i个信号符号的更新过程，其中hxx(k),hxy(k),hyx(k),hyy(k)分别为四个数字滤波器的第k个抽头的值，e x (i)和e y (i)为X和Y偏振符号函数在第i个符号的值，对QDB频谱压缩的9点星座点而言由下式给出：
(2)
其中，e x,y (i)表示e x (i)或e y (i)， 和为输入的X和Y信号的复共轭，而sign是取正负符号函数，为步长值，Z x,y (i)表示处理模块得到的第i输出Zx(i)或Zy(i)；A1~A3是根据三个模半径R1~R3得到参照收敛模。
3.如权利要求1所述多模盲均衡数字信号处理方法，其特征在于所述的多模QPSK分割的频偏估计算法中，多模QPSK分割主要分为三个处理步骤：首先，将星座点图按模半径大小进行分割为三个圈，最内圈为0点星座点；第二圈和第三圈是用来估计频偏和相位的数据点；第二步，选择中间第二圈上的星座点旋转–/4，这样最外圈和中间圈能形成四个象限的QPSK相位分布；第三步，选择性归一化，选择中间圈和最外圈的星座点数据，分布独立的归一化，只选取最外圈和中间圈的星座点后得到第三步的QPSK四个点；
经过模分割，旋转与选择性归一化后得到QPSK点分布，再采用4次方后前后数据进行差分运算，得到频偏估计值，频偏估计的4次方算法求解如下式所示：
(3)
其中，S k 是归一化合并后的符号数据点，T s 是符号间隔，而Δf est 为估计的频偏值，N是一次处理的信号数据长度；根据上式得到频偏，通过将每个符号数据乘以负的频偏相位，得到纠正频偏后的符号数据。
4.如权利要求1所述多模盲均衡数字信号处理方法，其特征在于所述的联合多模QPSK分割法与最大似然ML估计相位恢复算法分为三个部分，第一部分为QPSK分割，包括了模分割、旋转和选择性归一化，得到QPSK星座点，然后采用Viterbi-Viterbi的相位估计算法进行初步的相位估计与恢复；在上述估计的结果后再进行一次最大似然ML的相位估计与恢复，最终得到相位恢复好的数据点；其中，初步的相位估计由下式得出：
(4)
此后的ML相位估计值由下式给出：
(5)
(6)
其中，D k 是对S k 的星座点判决，通过将判决前后的星座点S k 和D k 进行如式（5）和（6）的操作得到相位估计值；再乘以负的相位估计值，得到相位恢复后的结果。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant |