CN103338171B - 一种基于频域信道估计的接收端均衡方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于频域信道估计的接收端均衡方法及系统，该方法首先在发射端信号中插入具有平坦的频谱特性的训练序列，然后在接收端用快速傅里叶变换将接收的训练序列变换到频域，通过与对应的理想频谱相除得到信道的传递函数，然后取该传递函数的倒数并将其用快速傅里叶反变换变换到时域，得到时域滤波器抽头系数；之后利用时域滤波器抽头系数在时域对数据信号进行滤波，实现信号均衡。该系统包含实现上述相应功能的各个模块。本发明结合了时域均衡的不插入循环前缀/后缀造成开销和频域均衡的信道估计简单的特点，能够在光纤色散较小或色散由其他算法补偿的情形下，有效地进行相位噪声补偿，且算法复杂度小，能够节省计算时间。

Description

一种基于频域信道估计的接收端均衡方法和系统

技术领域

本发明涉及相干光通信传输领域，涉及一种基于频域信道估计的接收端均衡方法，以及实现该方法的系统。

背景技术

基于数字信号处理技术的相干通信是长距离光纤通信传输系统的重要解决方案。如何克服通信信道损伤是需要解决的重要课题。通信信道损伤使信号的信噪比降低，并且引入了码间干扰，导致了误码的产生。在光纤通信系统中，均衡算法对信道进行估计，并补偿信道的线性畸变，以减弱或消除码间干扰。

目前，均衡算法主要有两类，一类是时域均衡（TDE），另一类是频域均衡（FDE）。两类算法具有相同的均衡效果。

1）时域均衡（TDE）算法。该算法基于训练序列或基于信号的星座图特性进行信道冲激响应估计，在时域对信号进行补偿。基于训练序列的信道估计算法较复杂。基于信号星座图特性的信道估计算法依赖于调制格式，调制格式改变时，算法也需要随之改变，并且算法效果也不同。由于光纤中存在色散，当色散较大时，均衡算法需要的均衡器抽头数较多，导致算法复杂度较高。

2）频域均衡（FDE）算法。该算法基于训练序列进行信道传递函数的估计，在频域对信号进行补偿。信道估计算法简单，当色散较大时，算法复杂度仍然较低。但是该算法需要对信号插入循环前缀/后缀，这会造成一定的信号速率开销。

发明内容

本发明提供一种简单有效的基于频域信道估计的接收端均衡方法，以及实现该方法的系统，能够在光纤色散较小或色散由其他算法补偿的情形下，有效地进行相位噪声补偿。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于频域信道估计的均衡方法，包括以下步骤：

第一步：在发射端信号中插入具有平坦的频谱特性的训练序列；

第二步：在接收端用快速傅里叶变换（FFT）将接收的训练序列变换到频域，通过与该训练序列对应的理想频谱（即理论上序列的频谱）相除得到信道的传递函数，然后取该传递函数的倒数并将其用快速傅里叶反变换（IFFT）变换到时域，得到时域滤波器抽头系数；

第三步：利用得到的时域滤波器抽头系数在时域对数据信号进行滤波，实现信号均衡。

优选地，所述训练序列为M序列或chu序列。

进一步地，所述发射端在所述训练序列中加入循环前缀/后缀以消除码间串扰；所述接收端先移除接收到的训练序列中的循环前缀/后缀，然后进行所述快速傅里叶变换。

进一步地，所述接收端对由发射端接收的信号首先进行前端数据处理，包括色散粗补偿、载波频率恢复、接收匹配滤波和数字同步；并在步骤3）之后进行后端数据处理，包括载波相位恢复。

进一步地，在发射端的信号成帧传输，每一帧的帧结构包含两个偏振方向，每个偏振方向均包含训练序列与数据信号，训练序列由成对的部分组成，标记为t₁和t₂，在时间上交替排列，并且：

$t_1=\left(\begin{array}{c}{t}_x\\ 0\end{array}\right),t_2=\left(\begin{array}{c}0\\ t_y\end{array}\right),t_x=t_y,$

其中t_x和t_y为M序列或chu序列，“0”表示长度与chu序列等长的数值为0的序列。

更进一步地，训练序列长度的选择由信道载波频率偏移和相位的飘移程度决定；训练序列个数的选择由信道中自发辐射噪声强度决定；数据信号长度的选择由信道传递函数的飘变程度决定。

一种实现上述方法的基于频域信道估计的均衡系统，包括发射端和接收端，

所述发射端包括：

训练序列插入模块，用于在发射端信号中插入具有平坦的频谱特性的训练序列；

循环前缀/后缀加入模块，连接所述训练序列插入模块，用于在训练序列中加入循环前缀/后缀以消除码间串扰；

发射滤波模块，连接所述循环前缀/后缀加入模块，用于对加入循环前缀/后缀后的信号进行滤波并发送至通信信道；

所述接收端包括：

循环前缀/后缀移除模块，用于移除训练序列中的循环前缀/后缀；

FFT模块，连接所述循环前缀/后缀移除模块，用于对移除循环前缀/后缀的训练序列进行快速傅里叶变换，将其变换到频域；

信道传递函数估计模块，连接所述FFT模块，用于除以训练序列对应的理想频谱，得到信道的传递函数；

IFFT模块，连接所述信道传递函数估计模块，用于进行快速傅里叶反变换（IFFT）将信号变换到时域，得到时域滤波器抽头系数；

FIR滤波器，连接所述IFFT模块，用于利用得到的时域滤波器抽头系数在时域对数据信号进行滤波以实现信号均衡。

进一步地，还包括：

前端数据处理模块，用于对从发送端接收的信号进行预处理，然后发送至所述循环前缀/后缀移除模块；

后端数据处理模块，连接所述FIR滤波器，用于载波相位恢复。

更进一步地，所述前端数据处理模块进行的预处理包括：色散粗补偿、载波频率恢复、接收匹配滤波、数字同步。

进一步地，还包括判决模块，连接所述后端数据处理模块，用于将接收的信号信息恢复成二进制数据。

本发明所述方法在光纤色散较小或色散由其他算法补偿的情形下，结合了时域均衡的不插入循环前缀/后缀造成开销和频域均衡的信道估计简单的特点。该方法复杂度小，能够节省计算时间。在理论上本发明的均衡方法对数据信号的操作等同于频域均衡算法，因此均衡效果与其相同。

附图说明

图1是本发明实施例的基于频域信道估计的均衡方法的流程图。

图2是本发明实施例的信号帧结构示意图。

图3是本发明实施例的基于频域信道估计的均衡系统的组成结构示意图。

图4是本发明实施例的1.76Tb/s信号720km传输实验结果示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明中，发射信号与接收信号的关系如下：

$C\left(k\right)=\frac{1}{\tilde{H}\left(k\right)}=\frac{S_{\mathrm{tr}}\left(k\right)}{R_{\mathrm{tr}}\left(k\right)}\stackrel{\mathrm{IDFT}}{\→}{s}_{\mathrm{tr}}\left(n\right)=r_{\mathrm{tr}}\left(n\right)*c\left(l\right),$

其中，s_tr(n)是发射的训练序列，r_tr(n)是接收到的训练序列，它们对应的频域形式为S_tr(k)和R_tr(k)；C(k)是频域均衡器的抽头，是接收端估计的信道传递函数，c(l)是时域有限冲激响应（FIR）滤波器的抽头系数。

下面结合本实施例的算法流程图1对技术方案的实施进行具体说明，图1中右边虚线框所示部分为本发明方案的主要内容。

第一步：在发射端信号前端插入若干个训练序列，以chu序列为例，chu序列为：

$C\left(n\right)=e^{\frac{j2\mathrm{\π}(n+\frac{n^2}{2})}{N}},n=\mathrm{1,2},...N,$

其中，N为chu序列长度。chu序列具有平坦频谱的特性，此步也可选择具有相似特性的M序列等序列，使用M序列的实施过程与使用chu序列的相同。

同时，由于接收端需要将训练序列变换到频域进行操作，在发射端需要对训练序列加入循环前缀/后缀以消除码间串扰。然后将信号滤波后发射至接收端。

第二步：在接收端：

接收端接收到的训练序列受到信道的畸变，并且带有噪声。接收端首先对其进行前端数据处理，包括色散粗补偿、载波频率恢复、接收匹配滤波、数字同步等。

然后，移除训练序列的循环前缀/后缀，用快速傅里叶变换（FFT）将接收的训练序列变换到频域，与其理想的训练序列频谱相除，得到信道传递函数，取其倒数，用IFFT快速傅里叶反变换（IFFT）变换到时域，得到时域滤波器抽头系数：

$c\left(l\right)=\mathrm{IDFT}\left[C\left(k\right)\right]=\mathrm{IDFT}\left[\frac{S_{\mathrm{tr}}\left(k\right)}{R_{\mathrm{tr}}\left(k\right)}\right],$

其中IDFT为离散傅里叶反变换，IFFT是其一种快速实现方法。

然后，利用得到的时域滤波器（FIR滤波器）抽头系数（如图1中FIRtaps所示）在时域对数据信号进行滤波，即将数据信号与滤波器抽头进行线性卷积，此为均衡。

最后，进行后端数据处理（载波相位恢复）和判决等。

上面方法要求信号成帧传输，图2显示了信号的一帧的帧结构，包含两个偏振方向，每个偏振方向均包含训练序列部分与数据信号部分。训练序列由成对的部分组成，标记为t₁和t₂，在时间上交替排列，并且：

$t_1=\left(\begin{array}{c}{t}_x\\ 0\end{array}\right),t_2=\left(\begin{array}{c}0\\ t_y\end{array}\right),t_x=t_y.$

其中t_x和t_y为M序列或chu序列，“0”表示长度与chu序列等长的数值为0的序列。

实施过程中M序列（或chu序列）长度的选择由信道载波频率偏移和相位的飘移程度决定，需要其足够短以确保一对训练序列内载波频率偏移和相位较稳定。

实施过程中M序列（或chu序列）个数的选择由信道中自发辐射噪声强度决定，需要其足够多以确保自发辐射噪声对接收端信道估计造成的误差较小。

实施过程中数据信号长度的选择由信道传递函数的飘变程度决定，需要其足够短以确保信道的传递函数在此帧内不发生较大飘变。

图3为与上述方法对应的基于频域信道估计的均衡系统的组成示意图，包括发射端和接收端。

发射端包括：训练序列插入模块，用于在发射端信号中插入具有平坦的频谱特性的训练序列；循环前缀/后缀加入模块，连接所述训练序列插入模块，用于在训练序列中加入循环前缀/后缀以消除码间串扰；发射滤波模块，连接所述循环前缀/后缀加入模块，用于对加入循环前缀/后缀后的信号进行滤波并发送至接收端；

接收端包括：前端数据处理模块，用于对从发送端接收的信号进行预处理，包括色散粗补偿、载波频率恢复、接收匹配滤波、数字同步等，然后发送至所述循环前缀/后缀移除模块；循环前缀/后缀移除模块，用于移除训练序列中的循环前缀/后缀；FFT模块，连接所述循环前缀/后缀移除模块，用于对移除循环前缀/后缀的训练序列进行快速傅里叶变换，将其变换到频域；信道传递函数估计模块，连接所述FFT模块，用于除以训练序列对应的理想频谱，得到信道的传递函数；IFFT模块，连接所述信道传递函数估计模块，用于进行快速傅里叶反变换（IFFT）将信号变换到时域，得到时域滤波器抽头系数；FIR滤波器，连接所述IFFT模块，用于利用得到的时域滤波器抽头系数在时域对数据信号进行滤波以实现信号均衡；后端数据处理模块，连接所述FIR滤波器，用于载波相位恢复；判决模块，连接所述后端数据处理模块，用于将接收的信号信息恢复成二进制数据。

图4为1.76Tb/s传输实验结果，信号为720公里的传输距离，横轴为信号的入纤功率。将本发明均衡方法的结果与时域均衡的常用算法（常模算法（CMA）加上级联多模算法（CMMA））进行对比，结果显示本发明的均衡算法优于常用的时域均衡算法，原因在于信道的噪声对时域均衡算法的滤波器抽头估计有较大的影响。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种光纤通信中基于频域信道估计的均衡方法，包括以下步骤：

1)在发射端信号中插入具有平坦频谱特性的训练序列；

2)在接收端用快速傅里叶变换将接收的训练序列变换到频域，然后通过与该训练序列对应的理想频谱相除得到信道的传递函数，取该传递函数的倒数并将其用快速傅里叶反变换变换到时域，得到时域滤波器抽头系数；

3)利用所述时域滤波器抽头系数在时域对数据信号进行滤波，实现信号均衡。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述训练序列为M序列或chu序列。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述发射端在所述训练序列中加入循环前缀/后缀以消除码间串扰；所述接收端先移除接收到的训练序列中的循环前缀/后缀，然后进行所述快速傅里叶变换。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述接收端对由发射端接收的信号首先进行前端数据处理，包括色散粗补偿、载波频率恢复、接收匹配滤波和数字同步；并在步骤3)之后进行后端数据处理，包括载波相位恢复。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在发射端的信号成帧传输，每一帧的帧结构包含两个偏振方向，每个偏振方向均包含训练序列与数据信号，训练序列由成对的部分组成，标记为t₁和t₂，在时间上交替排列，并且：

$t_1=\left(\begin{array}{c}{t}_x\\ 0\end{array}\right),t_2=\left(\begin{array}{c}0\\ t_y\end{array}\right),t_x=t_y,$

其中t_x和t_y为M序列或chu序列，“0”表示长度与chu序列等长的数值为0的序列。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：训练序列长度的选择由信道载波频率偏移和相位的飘移程度决定；训练序列个数的选择由信道中自发辐射噪声强度决定；数据信号长度的选择由信道传递函数的飘变程度决定。

7.一种光纤通信中基于频域信道估计的均衡系统，包括发射端和接收端，其特征在于，

所述发射端包括：

训练序列插入模块，用于在发射端信号中插入具有平坦频谱特性的训练序列；

循环前缀/后缀加入模块，连接所述训练序列插入模块，用于在训练序列中加入循环前缀/后缀以消除码间串扰；

发射滤波模块，连接所述循环前缀/后缀加入模块，用于对加入循环前缀/后缀后的信号进行滤波并发送至通信信道；

所述接收端包括：

循环前缀/后缀移除模块，用于移除训练序列中的循环前缀/后缀；

FFT模块，连接所述循环前缀/后缀移除模块，用于对移除循环前缀/后缀的训练序列进行快速傅里叶变换，将其变换到频域；

信道传递函数估计模块，连接所述FFT模块，用于与训练序列对应的理想频谱相除，得到信道的传递函数；

IFFT模块，连接所述信道传递函数估计模块，用于进行快速傅里叶反变换(IFFT)将信号变换到时域，得到时域滤波器抽头系数；

FIR滤波器，连接所述IFFT模块，用于利用得到的时域滤波器抽头系数在时域对数据信号进行滤波以实现信号均衡。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

前端数据处理模块，用于对从发送端接收的信号进行预处理，然后发送至所述循环前缀/后缀移除模块；

后端数据处理模块，连接所述FIR滤波器，用于载波相位恢复。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述预处理包括：色散粗补偿、载波频率恢复、接收匹配滤波、数字同步。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括判决模块，连接所述后端数据处理模块，用于将接收的信号信息恢复成二进制数据。