CN103401829B - 一种相干光ofdm通信系统iq失衡补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，属于通信技术领域。根据接收信号构造其镜像共轭信号，然后将接收信号和镜像共轭信号输入ICA盲源分离模块，完成初步补偿，最后利用二次补偿算法修正补偿结果。有益效果是:实现发送端、接收端IQ失衡的同时补偿，降低了补偿的复杂度，简单易行，硬件实现简单，频谱利用率高，能够同时补偿色散等固有损伤，补偿性能更加可靠。

Description

一种相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种相干光正交频分复用CO-OFDM单模光纤通信系统和基于独立成分分析ICA的正交/同向IQ失衡补偿方法。

背景技术

近年来，随着通信业务的爆炸式增长，超高速、超大容量、超长距离光纤传输系统成为人们日益关注的焦点，各种新技术不断涌现。相干光正交频分复用CO-OFDM技术作为一种多载波传输技术，以传输速率高、频谱利用率大、抗色散能力强、数字处理算法成熟、在现有网络基础上升级、扩容方便等优势备受瞩目，并有望成为未来光传输的主流方案。图1示出了CO-OFDM通信系统的典型框图，可以看出，无论是发送端还是接收端均存在I、Q两支路，然而，在实际传输系统中，由于器件的固有特性，导致I、Q两支路信号幅度并不严格相等，相位也不严格正交，即存在IQ失衡。这种失衡不可避免，而正交频分复用OFDM技术对IQ失衡异常敏感，造成OFDM子载波间的镜像干扰，严重劣化了系统性能。因此，如何有效补偿IQ失衡是CO-OFDM系统的关键技术之一。

目前，为解决这一技术问题，一般需在系统接收端OFDM解调模块中植入IQ失衡补偿功能，现有的补偿方法分为GSOP法、EC法、数据辅助法、判决辅助法等，但这些方法或不适合发送端IQ失衡补偿，或频谱利用率较低，而且无法实现发送端与接收端IQ失衡的同时补偿。

发明内容

本发明提供一种相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，以解决IQ失衡问题。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

（1）构建ICA输入信号：利用系统各载波的镜像关系，构造出接收信号的镜像共轭信号，将接收信号和构造的镜像共轭信号作为ICA盲源分离模块的输入信号；

（2）ICA盲源分离：利用基于负熵最大化的不动点复数ICA算法T-CMN和统计平均的思想，将获得的两路频域信号进行盲源分离，得到源信号的估计，完成IQ失衡初步补偿；

（3）二次补偿：利用相位修正算法，消除不同镜像子载波分离矩阵的微小差异，分别对各子载波进行二次相位补偿，恢复出正确的源信号。

本发明所述步骤（1）包括：

步骤301：根据接收复值信号R_k，R_k=R_Ik+jR_Qk，判断子载波k的值是否为1或N/2+1，其中，R_Ik为接收复值信号同向分量、即I分量，R_Qk为接收复值信号正交分量、即Q分量，N为子载波数；

步骤302：根据镜像对应关系，301为真，子载波k的镜像子载波-k为k本身，即；否则，子载波k的镜像子载波-k为N+2-k，有

步骤303:对R_k、两路复值信号分别进行并串变换，得到ICA盲源分离模块的输入信号R，其中T为符号数；

$R=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_1\left(1\right)& R_2\left(1\right)& \·\·\·R_k\left(1\right)& \·\·\·R_1\left(T\right)& R_2\left(T\right)& \·\·\·R_k\left(T\right)\\ R_{-1}^{*}\left(1\right)& R_{-2}^{*}\left(1\right)& \·\·\·R_{-k}^{*}\left(1\right)& \·\·\·R_{-1}^{*}\left(T\right)& R_{-2}^{*}\left(T\right)& \·\·\·R_{-k}^{*}\left(T\right)\end{array}\right];$

本发明所述步骤（2）包括：

步骤401：对ICA盲源分离模块的输入信号R进行中心化及白化处理，得到待分离信号x；

步骤402：初始化分离矩阵W，使其正交并具有单位范数；

步骤403：根据待分离信号x迭代更新分离矩阵W，

$W_i\←-E\left\{G^{*}\left({\hat{x}}_i\right)g\left({\hat{x}}_i\right)x\right\}+E\left\{g\left({\hat{x}}_i\right)g^{*}\left({\hat{x}}_i\right)\right\}{W}_{i-1}+E\left\{{\mathrm{xx}}^T\right\}E\left\{G^{*}\left({\hat{x}}_i\right)g^{\′}\left({\hat{x}}_i\right)\right\}{W}_{i-1}^{*}$

其中，W_i表示第i次迭代后的分离矩阵，表示第i次迭代后的输出信号，i＝1，2，...，n，n为迭代次数，^H表示共轭转置运算，E{}表示统计平均运算，*表示共轭运算，^T表示转置运算，G表示算法中所选取的非线性函数，g表示算法中所选非线性函数的导数，g′表示算法中所选非线性函数的二阶导数；

步骤404：利用W←(W_iW_i ^H)^-1/2W_i正则化分离矩阵W；

步骤405：若W未收敛，则返回403；

步骤406：若W收敛，则利用y=W^Hx得到分离信号

所述的中心化可使信号具有零均值，白化可削弱信号的维数、噪声功率和相关性，将分离矩阵的搜索范围缩小至正交矩阵空间内，降低了算法的复杂程度。

所述的初始化分离矩阵W是指由于算法中应用的分离矩阵W=(w₁,w₂,...w_n)^T为单位正交，所以需对每个w_i(i=1,...,n)进行初始化，使其具有单位范数，并使W正交。

所述的正则化分离矩阵W是指由于算法的解向量是正交的，但迭代算法并不能使其自动正交，因此必须在每步或一定间隔次数的迭代后对W进行向量正交化处理。

本发明所述步骤（3）包括：

步骤501：从分离信号中提取M个OFDM符号的载波信息,记作

步骤502：考察信号的相位函数，分离其相位信息φ_Mk，根据参考信号相位φ₀，计算出相位偏转角

步骤503：对M个符号的相位偏转角做统计平均，计算出平均相位偏转角

步骤504：根据相位偏转角进行相位修正处理，输出二次补偿信号

本发明的有益效果是：

1.本发明所述的基于独立成分分析的CO-OFDM通信系统IQ失衡补偿技术可实现发送端、接收端IQ失衡的同时补偿，降低了补偿的复杂度，简单易行。

2.本发明所述的基于独立成分分析的CO-OFDM通信系统IQ失衡补偿技术仅利用接收信号，无需发送训练符号和估计信道信息，硬件实现简单，频谱利用率高。

3.本发明所述的基于独立成分分析的CO-OFDM通信系统IQ失衡补偿技术能同时补偿色散等固有损伤，补偿性能更可靠。

附图说明

图1是本发明所述的CO-OFDM通信系统原理结构图；

图2是本发明所述的基于独立成分分析的CO-OFDM通信系统IQ失衡补偿方法原理框图；

图3是本发明所述的构建ICA输入信号流程图；

图4是本发明采用的ICA盲源分离流程图；

图5是本发明所述的二次补偿流程图；

图6(a)是采用16QAM调制，发送端和接收端IQ失衡补偿前系统星座图，

图6(b)是采用16QAM调制，发送端和接收端IQ失衡补偿后系统星座图；

图7(a)是采用16QPSK调制，发送端和接收端IQ失衡补偿前系统星座图；

图7(b)是采用16QPSK调制，发送端和接收端IQ失衡补偿后系统星座图。

具体实施方式

（1）构建ICA输入信号：利用系统各载波的镜像关系，构造出接收信号的镜像共轭信号，将接收信号和构造的镜像共轭信号作为ICA盲源分离模块的输入信号；

步骤301：根据接收复值信号R_k，R_k=R_Ik+jR_Qk，判断子载波k的值是否为1或N/2+1，其中，R_Ik为接收复值信号同向分量、即I分量，R_Qk为接收复值信号正交分量、即Q分量，N为子载波数；

步骤302：根据镜像对应关系，301为真，子载波k的镜像子载波-k为k本身，即；否则，子载波k的镜像子载波-k为N+2-k，有

步骤303:对R_k、两路复值信号分别进行并串变换，得到ICA盲源分离模块的输入信号R，其中T为符号数；

$R=\left[\begin{array}{cccccc}{R}_1\left(1\right)& R_2\left(1\right)& \·\·\·R_k\left(1\right)& \·\·\·R_1\left(T\right)& R_2\left(T\right)& \·\·\·R_k\left(T\right)\\ R_{-1}^{*}\left(1\right)& R_{-2}^{*}\left(1\right)& \·\·\·R_{-k}^{*}\left(1\right)& \·\·\·R_{-1}^{*}\left(T\right)& R_{-2}^{*}\left(T\right)& \·\·\·R_{-k}^{*}\left(T\right)\end{array}\right];$

（2）ICA盲源分离：利用基于负熵最大化的不动点复数ICA算法T-CMN和统计平均的思想，将获得的两路频域信号进行盲源分离，得到源信号的估计，完成IQ失衡初步补偿；

步骤401：对ICA盲源分离模块的输入信号R进行中心化及白化处理，得到待分离信号x；

步骤402：初始化分离矩阵W，使其正交并具有单位范数；

步骤403：根据待分离信号x迭代更新分离矩阵W，

$W_i\←-E\left\{G^{*}\left({\hat{x}}_i\right)g\left({\hat{x}}_i\right)x\right\}+E\left\{g\left({\hat{x}}_i\right)g^{*}\left({\hat{x}}_i\right)\right\}{W}_{i-1}+E\left\{{\mathrm{xx}}^T\right\}E\left\{G^{*}\left({\hat{x}}_i\right)g^{\′}\left({\hat{x}}_i\right)\right\}{W}_{i-1}^{*}$

其中，W_i表示第i次迭代后的分离矩阵，表示第i次迭代后的输出信号，i＝1，2，...，n， n为迭代次数，^H表示共轭转置运算，E{}表示统计平均运算，*表示共轭运算，^T表示转置运算，G表示算法中所选取的非线性函数，g表示算法中所选非线性函数的导数，g′表示算法中所选非线性函数的二阶导数；

步骤404：利用W←(W_iW_i ^H)^-1/2W_i正则化分离矩阵W；

步骤405：若W未收敛，则返回403；

步骤406：若W收敛，则利用y=W^Hx得到分离信号

所述的中心化可使信号具有零均值，白化可削弱信号的维数、噪声功率和相关性，将分离矩阵的搜索范围缩小至正交矩阵空间内，降低了算法的复杂程度。

所述的初始化分离矩阵W是指由于算法中应用的分离矩阵W=(w₁,w₂,...w_n) ^T为单位正交，所以需对每个w_i(i=1,...,n)进行初始化，使其具有单位范数，并使W正交。

所述的正则化分离矩阵W是指由于算法的解向量是正交的，但迭代算法并不能使其自动正交，因此必须在每步或一定间隔次数的迭代后对W进行向量正交化处理。

3.）二次补偿：利用相位修正算法，消除不同镜像子载波分离矩阵的微小差异，分别对各子载波进行二次相位补偿，恢复出正确的源信号；

步骤501：从分离信号中提取M个OFDM符号的载波信息,记作

步骤502：考察信号的相位函数，分离其相位信息φ_Mk，根据参考信号相位φ₀，计算出相位偏转角

步骤503：对M个符号的相位偏转角做统计平均，计算出平均相位偏转角

步骤504：根据相位偏转角进行相位修正处理，输出二次补偿信号

至此，本发明利用基于独立成分分析的IQ失衡补偿方法处理完毕。

为验证本发明所能达到的有益效果，通过VPI transmissionMaker和Matlab软件进行了联合仿真，主要仿真参数为：光纤长度50km，色散系数为3.5ps/km.nm，光信噪比为30dB，发送端相位失衡因子15°，幅度失衡系数0.8，接收端相位失衡因子10°，幅度失衡系数1.1，仿真结果如图6（a）、图6（b）、图7（a）和图7（b）所示。

可以看出，本发明所选取的基于负熵最大化的不动点复数ICA算法适用于不同的调制格式，普适性强；在色散等固有损伤存在的背景下，本发明所公开的基于独立成分分析的CO-OFDM通信系统IQ失衡补偿技术能够实现发送端和接收端IQ失衡的同时补偿，补偿效果理想，可靠性强。

以上对本发明所述的基于独立成分分析的CO-OFDM系统IQ失衡补偿技术进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下，对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，包括下列步骤：

(1)构建ICA输入信号：利用系统各载波的镜像关系，构造出接收信号的镜像共轭信号，将接收信号和构造的镜像共轭信号作为ICA盲源分离模块的输入信号；

包括下列步骤：

步骤301：根据接收复值信号R_k，R_k＝R_Ik+jR_Qk，判断子载波k的值是否为1或N/2+1，其中，R_Ik为接收复值信号同向分量、即I分量，R_Qk为接收复值信号正交分量、即Q分量，N为子载波数；

步骤302：根据镜像对应关系，301为真，子载波k的镜像子载波-k为k本身，即否则，子载波k的镜像子载波-k为N+2-k，有

步骤303:对R_k、两路复值信号分别进行并串变换，得到ICA盲源分离模块的输入信号R，其中T为符号数；

$R=\left[\begin{array}{ccccccccc}{R}_1\left(1\right)& R_2\left(1\right)& \mathrm{\Λ}& R_k\left(1\right)& \mathrm{\Λ}& R_1\left(T\right)& R_2\left(T\right)& \mathrm{\Λ}& R_k\left(T\right)\\ R_{-1}^{*}\left(1\right)& R_{-2}^{*}\left(1\right)& \mathrm{\Λ}& R_{-k}^{*}\left(1\right)& \mathrm{\Λ}& R_{-1}^{*}\left(T\right)& R_{-2}^{*}\left(T\right)& \mathrm{\Λ}& R_{-k}^{*}\left(T\right)\end{array}\right];$

(2)ICA盲源分离：利用基于负熵最大化的不动点复数ICA算法T-CMN和统计平均的思想，将获得的两路频域信号进行盲源分离，得到源信号的估计，完成IQ失衡初步补偿；

其特征在于：

(3)二次补偿：利用相位修正算法，消除不同镜像子载波分离矩阵的微小差异，分别对各子载波进行二次相位补偿，恢复出正确的源信号，步骤如下：

步骤501：从分离信号中提取M个OFDM符号的载波信息,记作

步骤502：考察信号的相位函数，分离其相位信息φ_Mk，根据参考信号相位φ₀，计算出相位偏转角

步骤503：对M个符号的相位偏转角做统计平均，计算出平均相位偏转角

步骤504：根据相位偏转角进行相位修正处理，输出二次补偿信号

2.根据权利要求1所述的相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：

步骤401：对ICA盲源分离模块的输入信号R进行中心化及白化处理，得到待分离信号x；

步骤402：初始化分离矩阵W，使其正交并具有单位范数；

步骤403：根据待分离信号x迭代更新分离矩阵W，

$W_i\←-E\{G^{*}\left({\hat{x}}_i\right)g\left({\hat{x}}_i\right)x+E\{g\left({\hat{x}}_i\right)g^{*}\left({\hat{x}}_i\right)\}{W}_{i-1}+E\{{\mathrm{xx}}^T\left\}E\right\{G^{*}\left({\hat{x}}_i\right)g^{\′}\left({\hat{x}}_i\right)\}{W}_{i-1}^{*}$

其中，W_i表示第i次迭代后的分离矩阵，表示第i次迭代后的输出信号，i＝1,2,Λ,n,n为迭代次数，H表示共轭转置运算，E{}表示统计平均运算，*表示共轭运算，T表示转置运算，G表示算法中所选取的非线性函数，g表示算法中所选非线性函数的导数，g′表示算法中所选非线性函数的二阶导数；

步骤404：利用W←(W_iW_i ^H)^-1/2W_i正则化分离矩阵W；

步骤405：若W未收敛，则返回403；

步骤406：若W收敛，则利用y＝W^Hx得到分离信号

3.根据权利要求2所述的相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，其特征在于，所述的中心化可使信号具有零均值，白化可削弱信号的维数、噪声功率和相关性，将分离矩阵的搜索范围缩小至正交矩阵空间内，降低了算法的复杂程度。

4.根据权利要求2所述的相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，其特征在于，所述的初始化分离矩阵W是指由于算法中应用的分离矩阵W＝(w₁,w₂,L w_n)^T为单位正交，所以需对每个w_i(i＝1,L,n)进行初始化，使其具有单位范数，并使W正交。

5.根据权利要求2所述的相干光OFDM通信系统IQ失衡补偿方法，其特征在于，所述的正则化分离矩阵W是指由于算法的解向量是正交的，但迭代算法并不能使其自动正交，因此必须在每步或一定间隔次数的迭代后对W进行向量正交化处理。