CN103312644A

CN103312644A - 一种可调光频谱效率的单载波频域均衡光传输方法

Info

Publication number: CN103312644A
Application number: CN2013102095552A
Authority: CN
Inventors: 张帆; 张婷婷
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种可调光频谱效率的单载波频域均衡光传输方法。本方法为：1)根据光通信传输系统所需的光频谱效率S，选定需要采用的混合调制格式；2)设计所采用混合调制格式的星座图；3)利用所述星座图进行数据成帧设计，并将其应用到单载波频域均衡系统发射端进行发射；4)单载波频域均衡系统接收端从接收信号中提取出数据信号，然后按照发射端的所述混合调制格式对提取出的数据信号进行逆映射判决，用对应的调制格式解调对应的调制信号。本发明可以灵活地设计混合调制格式，得到不同的光频谱效率，利用混合调制格式的单载波频域均衡系统可用于构成波分复用系统实现高速大容量光传输。

Description

一种可调光频谱效率的单载波频域均衡光传输方法

技术领域

本发明涉及光通信传输领域，涉及一种可调光频谱效率的单载波频域均衡(SCFDE)光传输方法。

背景技术

在光纤通信系统中，高速大容量传输系统的使用是未来光传输系统的必然趋势。在继10Gb/s，40Gb/s，100Gb/s的光传输系统的深入研究之后，400Gb/s的光传输系统越来越受到关注。因此，如何利用标准的50GHz的ITU-T规定的格子去实现400Gb/s的信号传输成为人们的研究热点。

基于如上理论，我们需要解决如何将传输速率为400Gb/s的信号放在50GHz的信道间隔内，即使该传输系统的光频谱效率等于8bit/symbol，并设计相应的帧结构组成。对于一般的传输系统，因为部分数据是用于提高系统传输性能的，因此要达到400Gb/s的净数据传输速率需要所传输的总数据速率大于400Gb/s，即要求系统光频谱效率大于8bit/symbol。

一般而言，利用双偏振传输以及高阶调制格式是解决这一问题的有效方法。对于双偏振传输系统，利用16-QAM调制格式，可以达到2*4bit/symbol的频谱效率，利用32-QAM可以达到2*5bit/symbol的频谱效率。但是，单一地使用某高阶调制格式使得光频谱效率较为单一，使得传输冗余较大，降低了频谱使用效率；且调制格式越高系统鲁棒性越差，受噪声影响较大，系统性能急剧下降。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种可调光频谱效率的单载波频域均衡光传输方法，本发明利用混合调制格式解决现阶段所需要高光频谱效率、低信号冗余的帧结构，来实现特定光频谱效率的单载波频域均衡系统。

本发明的技术方案为：

一种可调光频谱效率的单载波频域均衡光传输方法，其步骤为：

1)根据光通信传输系统所需的光频谱效率S，选定需要采用的混合调制格式；

2)设计所采用混合调制格式的星座图；

3)利用所述星座图进行数据成帧，并将其应用到单载波频域均衡系统发射端进行发射；其中，数据成帧的帧结构中包含的信息依次为：同步序列，训练序列，若干个按照所述混合调制格式调制的SCFDE符号；

4)单载波频域均衡系统接收端对接收信号进行信道估计，得到频域信道矩阵；

5)接收端将去除训练序列后的接收信号按照SCFDE符号长度进行分段，并将其转换到频域，利用所述频域信道矩阵进行均衡后再转换到时域，进行相位恢复后按照发射端的所述混合调制格式对提取出的数据信号进行逆映射判决，用对应的调制格式解调对应的调制信号。

进一步的，所述混合调制格式包括至少2种不同光谱效率的调制格式，一个调制周期内包括N个时隙调制信号；且满足公式

其中，n_i为一个调制周期内光谱效率为s_i的调制时隙数、M为一个调制周期内的调制格式种数。

进一步的，所述帧结构中按照所述混合调制格式调制的SCFDE符号中包括N个SCFDE符号，每一SCFDE符号中的数据按照所述混合调制格式中对应的一种调制格式进行调制，并对调制后的数据插入循环前缀、导频信号和循环后缀。

进一步的，每一所述SCFDE符号中的数据包括P个数据。

进一步的，利用最小欧几里得距离设计所采用混合调制格式的星座图，使得同等功率的条件下最小欧几里得距离最大。

进一步的，所述混合调制格式为16-QAM调制格式和32-QAM调制格式的混合调制格式。

进一步的，设计所述星座图的方法为：将16-QAM和32-QAM两种调制格式的欧几里得距离设为相同。

进一步的，设计所述星座图的方法为：将16-QAM的16个星座点与32-QAM的部分星座点重合，之后对该种混合调制格式的星座图进行最小欧几里得距离最大化，得到所述星座图。

进一步的，根据光通信传输系统所需要的传输数据和所需传输数据冗余计算出所要传输数据的总速率，然后根据光通信传输系统所允许带宽确定所需要的光频谱效率。

本发明的单载波频域均衡光传输方法包括如下几步：

第一步：根据光通信传输系统所需传输的信号带宽等进行计算，得出其所需要的光频谱效率的大小，并选定需要采用的混合调制格式的相应调制格式。例如，如果需要将87Gbit/s的信号利用10GHz带宽进行传输，即要求频谱效率达到8.7bit/symbol。一般情况下，利用32QAM(2*5bit/symbol(10＞8.7))即可实现，将87Gbit/s的信号放到8.7GHz(87/10)带宽进行传输，但这也意味着有1.3GHz的带宽浪费，与此同时，利用高阶调制格式会使系统性能下降。因此我们利用16QAM和32QAM的调制格式进行混合调制来达到这一目的较为合适。

第二步：利用最小欧几里得距离设计所采用调制格式的星座图，使得同等功率的条件下最小欧几里得距离最大。在利用16-QAM以及32-QAM的调制格式时，将16-QAM的16个星座点与32-QAM的部分星座点重合，之后对该种混合格式的星座图进行最小欧几里得距离最大化。

第三步：利用具体的所需的光频谱效率去计算所需调制格式的比例，进一步得出具体设计方案。

第四步：将所传信号分块，分成若干SCFDE符号进行不同调制格式的映射，之后若干SCFDE构成一个信号帧，在每个帧前加入训练序列进行信道估计，之后加入同步序列构成完整的SCFDE帧进行传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用本发明所述方法，利用两种调制格式不同比例的设计来形成相应的帧结构可以灵活地得到不同的光频谱效率。该混合调制格式的设计基于单载波频域均衡系统，将不同SCFDE符号利用不同调制格式进行调制后利用时分复用的方法将信号进行传输。在单载波频域均衡系统中，对信号的均衡与调制格式无关，因此其在接收端对信号进行处理时复杂度较低，更易于实现。利用混合调制格式的单载波频域均衡系统可用于构成波分复用系统实现高速大容量光传输。

附图说明

图1为16-QAM，32-QAM星座图；

(a)为16-QAM，(b)为32-QAM星座图

图2为混合调制格式16-QAM和32-QAM的星座图设计；

图3为单载波频域均衡系统混合调制格式信号帧结构组成；

图4为本发明方法总体流程图；

图5为本发明方法生成的帧二维结构组成；

图6为单载波频域均衡发射机和接收机结构组成。

具体实施方式

在现阶段的光通信中，利用高阶调制格式来实现高光频谱效率是非常行之有效的方法。但是随之而来的是系统鲁棒性下降，受噪声等的影响变大，大大地限制了传输距离。因此，提出一种新型的设计方法去达到传输性能和光频谱效率的折衷是很有必要的。

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。

下面结合本发明的附图1、附图2、附图3、附图4、附图5以及附图6以光16-QAM和32-QAM的混合调制格式为例作进一步的详细描述，图4为本发明的总体流程图：

第一步：根据所需要的传输数据和一些传输数据冗余(插入导频、循环前缀/后缀以及训练序列等)计算出所要传输数据的总速率，然后结合所允许带宽得出所需光频谱效率；根据所需光频谱效率选择需要的调制格式。例如：如果所需光频谱效率为8.7bit/symbol(考虑到双偏振)，则我们需采用16-QAM(2*4bit/symbol)与32-QAM(2*5bit/symbol)的调制格式(10＞8.7＞8)按照一定的比例来进行信号的调制，之后利用时分复用的方式进行传输，16-QAM、32-QAM星座图如图1所示。

第二步：对不同的调制格式的星座图进行设计，为了接收端进行数字信号处理方便，我们将两种调制格式的欧几里得距离设为相同。如附图2，可看到两种格式下的星座图基本重合，只是其分布概率有所不同；

第三步：对不同调制格式的信号比例进行计算得出帧结构的具体设计，之后按照该帧格式加入训练系列以及同步序列等构成整个信号帧进行信号传输；例如，要得到8.7bit/symbol的光频谱效率，我们需要使用16-QAM和32-QAM成为2∶1的设计，即每三个信号中有两个是16-QAM调制格式，有一个是32-QAM调制格式，单载波频域均衡系统混合调制格式信号帧结构组成如图3所示。

第四步：利用如上设计的调制格式组成方法，按照快速傅里叶变换的点数选取每P个数据作为一个符号进行相应的调制格式映射，即以一个SCFDE符号为单位进行混合调制格式比例设计。利用伪随机序列生成特定的导频信号按照当前SCFDE符号的调制格式进行映射，将调制后的导频信号等间隔插入当前的SCFDE符号。之后取当前SCFDE符号的首尾信号作为循环前缀和循环后缀，则一个完整的SCFDE符号已形成。由若干SCFDE符号构成一个信号帧进行整个信号的传输。在传输前，利用特定的序列作为训练序列加入SCFDE信号帧。Chu序列因其在时域和频域上幅度恒定，被广泛用作训练序列来进行信道估计，因此利用Chu序列形成若干训练序列。之后利用Chu序列构成同步序列，添加在训练序列前端，形成了完整的SCFDE混合调制格式帧结构。SCFDE的整个帧结构构成如图5所示。

第五步：在接收端，将信号取下，先利用同步序列找到一个帧的开端，之后将训练序列取下，利用其进行信道估计，估计出相应的频域信道矩阵。取出训练序列后，按照发射端的设计，将接收信号按照一个SCFDE符号长度进行分段，将其利用快速傅里叶变换转换到频域，利用频域信道矩阵进行均衡以后，再将其转换到时域。之后利用导频信号进行相位估计，最后进行逆映射判决输出。

下面我们结合附图6中的单载波频域均衡的来进一步对系统进行详细的说明。

要传输87GHz信号，波特率达到10GBaud/s即实现8.7bit/symbol的光频谱效率。考虑到使用偏振复用的方式，则需要采用16-QAM(2*4bit/symbol)和32-QAM(2*5bit/symbol)来实现。需要每3个符号中，有2个符号使用16-QAM调制格式，有1个符号使用32-QAM调制格式。

在发射端，首先将512*256个串行信号转化为并行信号。接着利用之前对信号调制格式的设计，以每496(512-16)个点为一个符号，先将第一个时隙的符号与第二个时隙的符号利用16-QAM进行调制，第三个时隙的符号利用32-QAM进行调制，此后所有符号利用如上方式进行重复调制，直至将整个信号都调制完成。采用长度为16的伪随机序列作为导频信号，等间隔插入调制后的信号，作为相位恢复的依据。接着将信号由并行信号转换为串行信号，进行之后的处理。因为在传输过程中，光线中产生的色散会造成符号之间的干扰，因此需要采用循环前缀与循环后缀来避免这一干扰。本实施例中取循环前缀和循环后缀的长度为10。其中循环前后缀长度的选取与信号的传输距离相关，传输距离越远，则所需的循环前后缀越长。利用256个SCFDE符号组成一个帧进行信号传输。在信道中采用4对训练序列进行信道估计，最后利用平均的方式来抵抗自发受激辐射所引起的干扰。对于双偏振系统，x偏振每对训练序列中，有一个训练序列是长度为512的Chu序列，之后添加循环前后缀，另一个是全0序列，y偏振则相反。在每一帧前加入训练序列后加入两个长度为200的同步序列，之后插入132个0点(512+10*2-200*2)。最后利用模数转换器将信号由数字域转换到模拟域，利用IQ调制器将其由电域转换到光域进行光传输。

将发射端输出的光信号经过光滤波器进入单模光纤进行传输。或者聚集多个不同频率的光载波形成波分复用系统以提高传输容量。

在接收端经过光超高斯滤波器进行滤波后，利用相干检测接收后的信号进行相关数字信号处理。在接收端经过低通滤波器后，首先对信号进行自相关处理，得到信号的同步峰，进而得到信号的起始位置。将同步序列去掉以后，取出前4对信号，即训练序列去掉循环前后缀，利用快速傅立叶变换将其变换到频域进行频域信道估计，得出频域信道矩阵。将剩余信号利用之前的分段插入循环前后缀得出符号长度532(512+10*2)进行分段，即分成不同的符号。将每个符号的前后缀舍弃，利用快速傅立叶变换将其转换到频域，利用之前的频域信道矩阵进行信道均衡，之后利用逆傅里叶变换将信号转换到时域。将信号按照之前的导频分布等间隔取出其导频信号，利用导频信号的已知性，对信号相位噪声进行估计，对信号进行相位粗补偿。之后利用现有信号，利用维特比或者盲均衡算法对信号相位噪声进行细补偿。之后进行信号逆映射，即对第一个和第二个符号利用16-QAM进行逆映射判决，对第三个符号利用32-QAM进行逆映射判决，其余符号重复如上操作。

Claims

1.一种可调光频谱效率的单载波频域均衡光传输方法，其步骤为：

2)设计所采用混合调制格式的星座图；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述混合调制格式包括至少2种不同光谱效率的调制格式，一个调制周期内包括N个时隙调制信号；且满足公式

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述帧结构中按照所述混合调制格式调制的SCFDE符号中包括N个SCFDE符号，每一SCFDE符号中的数据按照所述混合调制格式中对应的一种调制格式进行调制，并对调制后的数据插入循环前缀、导频信号和循环后缀。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于每一所述SCFDE符号中的数据包括P个数据。

5.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于利用最小欧几里得距离设计所采用混合调制格式的星座图，使得同等功率的条件下最小欧几里得距离最大。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述混合调制格式为16-QAM调制格式和32-QAM调制格式的混合调制格式。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于设计所述星座图的方法为：将16-QAM和32-QAM两种调制格式的欧几里得距离设为相同。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于设计所述星座图的方法为：将16-QAM的16个星座点与32-QAM的部分星座点重合，之后对该种混合调制格式的星座图进行最小欧几里得距离最大化，得到所述星座图。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据光通信传输系统所需要的传输数据和所需传输数据冗余计算出所要传输数据的总速率，然后根据光通信传输系统所允许带宽确定所需要的光频谱效率。