CN104243390A - 一种基于滑动窗口的co-ofdm光相位噪声估计补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，该方法是：估计出每个CO-OFDM符号的共同相位噪声并在频域上完成补偿，然后进行判决，对判决后的信号进行IFFT变换，得到假设的“发送端”时域信号；利用假设的“发送端”时域信号和仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号估计出每个CO-OFDM符号内的光相位噪声时域值，然后采用时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，最后再对每个CO-OFDM符号在时域进行光相位噪声补偿处理。此方法能够跟踪光相位噪声的变化情况，提高光相位噪声估计的精度和整个光通信系统的性能，同时实用性强，能有效降低CO-OFDM系统对激光光源线宽的要求，对CO-OFDM系统在下一代高速光通信网络中的应用具有的重要意义。

Description

一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法。

背景技术

相干光正交频分复用(CO-OFDM)作为一种多载波相干光通信技术在近几年得到学者的广泛关注。相比于单载波的相干光通信技术，CO-OFDM能够实现更高的光谱效率、更灵活的频谱使用、更高效的信道均衡和更高频谱扩展性。虽然CO-OFDM技术具有上述诸多的优点，但是其在光纤通信系统中的应用仍然存在一些技术上的挑战。其中，CO-OFDM系统的一个主要缺陷是对光相位噪声极为敏感。

为了抑制光相位噪声的影响，研究人员提出了多种不同的光相位噪声估计补偿方法。研究人员提出了利用检测叠加的射频导频来估计光相位噪声的方案。具体见参考文献：S.Randel,S.Adhikari,and S.L.Jansen,“Analysis ofRF-pilot-based phase noise compensation for coherent optical OFDM systems,”IEEE Photonics Technology Letters,vol.22,no.17,pp.1288-1290,2010.但是这种方法中，光相位噪声估计的精度受射频导频与承载数据子载波带间的互扰影响，RFP与承载数据的子载波频带两者间都需要加入保护间隔，并保持合适的功率比，方案实现起来比较复杂。另一类估计方案采用在发射端将部分子载波设为导频子载波，通过在接收端检测承载了已知信息的导频子载波的相位与预期相位的差值，从而估计出光相位噪声引入的相位增量。具体见参考文献：X.Yi,W.Shieh,and Y.Ma,“Phase Noise Effects on High Spectral Efficiency CoherentOptical OFDM Transmission,”J Lightwave Technol,vol.26,no.10,pp.1309-1316,2008.这种方案只能估计出单个CO-OFDM符号内的相位噪声均值CPE，光相位噪声引起的ICI被近似为高斯噪声忽略掉了，所以这种方法不能够准确地描述光相位噪声在整个符号内的变化情况。研究人员还提出了一种将一个完整的OFDM符号在时域分割成若干个符号，从而估计出各个符号内相位噪声的方案，具体见参考文献：L.Myung-Kyu,Y.Kyeongcheol,and C.Kyungwhoon,“IterativeReceivers Based on Subblock Processing for Phase Noise Compensation in OFDMSystems,”IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS,vol.59,no.3,pp.792-802,2011.这种方案虽然在一定程度上可以抑制相位噪声的影响，但是不能够很好地跟踪相位噪声的变化情况。

现有的CO-OFDM系统的光相位噪声估计补偿方法存在以下不足：

(1)现有的相位噪声估计方法一般是通过在信号发送端加入导频，利用导频估计出单个CO-OFDM符号的共同相位噪声。为了达到设定的性能指标，该方法需要增加导频的数量，进而降低了系统的有效速率和频谱利用率；

(2)在大的光相位噪声情况下，单个CO-OFDM符号相位噪声的估计方案的估计误差较大，严重限制CO-OFDM系统的整体性能。

因此，提供一种光相位噪声估计的精度高、实用性强的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法具有很大的应用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，该方法采用一定步长的时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，能够很好地跟踪光相位噪声的变化情况，具有光相位噪声估计的精度高、实用性强的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，步骤是：先估计出每个CO-OFDM符号内的光相位噪声时域值，然后利用一定步长的时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，最后再对每个CO-OFDM符号在时域进行光相位噪声补偿处理。

具体包括步骤：

(1)接收端对接收到的信号进行串并转换，并移除循环前缀；

(2)采用FFT(快速傅里叶变换)将信号从时域变为频域；

(3)进行信道估计并在频域上进行均衡，得到信道均衡后的信号；

(4)对信道均衡后的信号进行IFFT(快速傅里叶逆变换)，得到仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号；

(5)估计出每个CO-OFDM符号的共同相位噪声并在频域上完成补偿；

(6)对步骤(5)的输出信号进行判决，对判决后的信号进行IFFT变换，得到假设的“发送端”时域信号；

(7)利用步骤(6)假设的“发送端”时域信号和步骤(4)仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号来估计每个CO-OFDM符号内的光相位噪声时域值；

(8)采用时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理；

(9)对步骤(4)的仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号在时域进行光相位噪声补偿处理；

(10)对补偿后的信号进行判决，去导频，反映射并输出。

优选的，所述步骤(5)中，利用导频来估计每个CO-OFDM符号的共同相位噪声，并在频域上，利用单抽头均衡器完成共同相位噪声补偿，步骤如下：

(3-1)利用最小二乘估计法来估计每个CO-OFDM符号的共同相位噪声：

${\hat{P}}_0=\frac{{{\mathrm{\Σ}}_{k\∈S}}_p{\left(X_k\right)}^{*}\·Y_k}{{{\mathrm{\Σ}}_{k\∈S}}_p{\left|X_k\right|}^2};$

其中，S_p表示发射端加入的分散导频所对应的频域样本序号的集合，^*表示复共轭运算，X_k是发射端第k个频域样本，Y_k是信道均衡后的第k个样本值；

(3-2)在频域上，利用单抽头均衡器补偿共同相位噪声，均衡器系数为：

$C_0=\frac{{\left({\hat{P}}_0\right)}^{*}}{{\left|{\hat{P}}_0\right|}^2};$

其中，^*表示复共轭运算，在频域上，补偿每个CO-OFDM符号内的第k个样本的共同相位噪声，补偿公式是：

${\hat{Y}}_k=C_0\·Y_k.$

优选的，步骤(7)的光相位噪声时域值是利用假设的“发送端”时域信号和仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号来估计的，估计公式为：

$p_k=\exp [j\·\arg \left(\frac{{\hat{y}}_k}{{\hat{x}}_k}\right)];$

其中，arg()表示对括号内的值取相位角，exp()表示复指数运算。

优选的，步骤(8)，采用时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，每一个时域样本的光相位噪声的最终估计值是由其自己和左右各m个时域样本的光相位噪声估计值共同确定的，步长为2m+1，则最终的光相位噪声时域值为：

${\hat{p}}_k=\exp [j\·\arg \left(\underset{k\text{'}=k-m}{\overset{k+m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k\text{'}}\right)];$

其中，k'和k分别表示滑动平均处理之前和之后的样本序号。

优选的，步骤(9)，在时域上，采用单抽头均衡器对仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号进行相位噪声补偿处理，补偿的公式为：

${\tilde{y}}_k={\hat{y}}_k\·{\left({\hat{p}}_k\right)}^{*};$

其中，^*表示复共轭运算，分别对每个CO-OFDM符号内仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号分别进行上述的补偿处理，直到所有光相位噪声被补偿完为止。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用一定步长的时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，能够很好地跟踪光相位噪声的变化情况，提高了光相位噪声估计的精度和整个光通信系统的性能。

2、本发明采用比较成熟的快速傅里叶(逆)变换，实用性比较强。

3、采用本发明的方法，在相同性能的前提下，可降低对通信系统发射端和接收端激光器线宽的要求，降低整个通信系统的成本，实用性强，对CO-OFDM系统在下一代高速光通信网络中的应用具有的重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例1的方法原理图。

图2是本发明实施例1的方法流程图。

图3是实施例1所采用的发射端CO-OFDM信号的数据帧结构示意图。

图4是实施例1中采用本发明方法估计出的光相位噪声效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本发明方法主要是涉及相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)接收端的信号处理问题。本实施例在CO-OFDM接收端模块中是利用导频来估计每个CO-OFDM符号的共同相位噪声的，所以在CO-OFDM发射端的信号数据帧结构如图3所示。

下面结合图1和图2，对本实施例一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法的步骤进行详细地说明。

S101：接收端对接收到的信号进行串并转换。

S102：移除循环前缀。

S103：通过快速傅里叶变换(FFT)将时域信号变成频域信号。

S104：提取用于信道估计的训练序列，完成信道的估计。

S105：在频域上，利用单抽头均衡器进行信道均衡，得到信道均衡后的信号。

S106：快速傅里叶逆变换(IFFT)将信道均衡后的信号从频域变换到时域，并将信道均衡后的时域信号看作是“接收端”时域信号。

S107：提取每个CO-OFDM符号内的导频。

S108：利用导频来估计每个CO-OFDM符号的共同相位噪声并在频域完成相应的补偿。

利用最小二乘估计法估计出每个CO-OFDM符号的共同相位噪声：

${\hat{P}}_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k\∈\mathrm{Sp}}{\left(X_k\right)}^{*}\·Y_k}{{\mathrm{\Σ}}_{k\∈\mathrm{Sp}}{\left|X_k\right|}^2};$

其中，S_p表示发射端加入的分散导频所对应的频域样本序号的集合，^*表示复共轭运算，X_k是发射端第k个频域样本，Y_k是信道均衡后的第k个样本值。

在频域上，补偿每个CO-OFDM符号的共同相位噪声，从而矫正因受到相位噪声影响而发生旋转的信号星座图，这里是采用频域单抽头均衡器进行共同相位噪声补偿，均衡器系数为：

$C_0=\frac{{\left({\hat{P}}_0\right)}^{*}}{{\left|{\hat{P}}_0\right|}^2};$

其中，^*表示复共轭运算。补偿每个CO-OFDM符号的第k个样本的共同相位噪声，补偿公式是：

${\hat{Y}}_k=C_0\·Y_k.$

S109：对共同相位噪声补偿后的信号进行判决。

S110：对步骤S109判决后的信号进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，将信号从频域变换到时域，得到假设的“发送端”时域信号。

S111：利用假设的“发送端”时域信号和仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号来估计每个CO-OFDM符号的内的光相位噪声时域值p_k，估计公式为：

$p_k=e^{j{\mathrm{\φ}}_k}=\exp [j\·\arg \left(\frac{{\hat{y}}_k}{{\hat{x}}_k}\right)].$

其中，arg()表示对括号内的值取相位角，exp()表示复指数运算。

S112：利用特定步长的时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，每一个时域样本的光相位噪声的最终估计值是由其自己和左右各m个时域样本的光相位噪声估计值共同确定的，步长为2m+1，则最终的光相位噪声时域值为：

${\hat{p}}_k=e^{j{\mathrm{\ω}}_k}=\exp [j\·\arg \left(\underset{k^{\text{'}}=k-m}{\overset{k+m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k^{\text{'}}}\right)];$

其中，k'和k分别表示滑动平均处理之前和之后的样本序号。

S113：在时域上，采用单抽头均衡器对仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号进行光相位噪声补偿处理，补偿的公式为：

${\tilde{y}}_k={\hat{y}}_k\·{\left({\hat{p}}_k\right)}^{*};$

其中，^*表示复共轭运算，分别对每个CO-OFDM符号内仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号进行上述的补偿处理，直到所有的光相位噪声被补偿完为止。

S114：对补偿后的信号进行判决，去导频，并进行反映射输出。

图4是本实施例1中采用本发明方法估计出的光相位噪声效果图。其设定CO-OFDM系统发射10个CO-OFDM符号(采用16QAM调制格式)，每个CO-OFDM符号包含256个子载波，其中10个是导频子载波，滑动窗口相关系数m取25，利用本发明的方法，基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法如下：

(1)接收端对接收到的信号进行串并转换，并移除循环前缀；

(2)采用快速傅里叶变换(FFT)将信号从时域变到频域；

(3)对信道进行估计和补偿得到信道均衡后的信号；对信道均衡后的信号进行IFFT变换，得到假设的仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号；

(4)估计CO-OFDM符号的共同相位噪声：

(5)频域上补偿每个CO-OFDM符号共同相位噪声：

(6)对步骤(5)的输出信号进行判决，对判决后的信号进行快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到假设的“发送端”时域信号；

(8)估计光相位噪声时域值：

(9)进行滑动平均处理： ${\hat{p}}_k=e^{j{\mathrm{\ω}}_k}=\exp [j\·\arg \left(\underset{k^{\text{'}}=k-25}{\overset{k+25}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k^{\text{'}}}\right)];$

(10)对仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号在时域上进行光相位噪声补偿，补偿的公式为：

(11)对补偿后的信号进行判决，去导频，反映射输出。

以上对本发明所述的相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)中一种基于滑动窗口的相位噪声估计补偿方法进行了详细地介绍，以上的实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想而非对其进行限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，其特征在于，步骤是：先估计出每个CO-OFDM符号内的光相位噪声时域值，然后利用一定步长的时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，最后再对每个CO-OFDM符号在时域进行光相位噪声补偿处理。

2.根据权利要求1所述的基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，其特征在于，包括步骤：

(1)接收端对接收到的信号进行串并转换，并移除循环前缀；

(2)采用FFT变换将信号从时域变为频域；

(3)进行信道估计并在频域上进行均衡，得到信道均衡后的信号；

(4)对信道均衡后的信号进行IFFT变换，得到仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号；

(5)估计出每个CO-OFDM符号的共同相位噪声并在频域上完成补偿；

(6)对步骤(5)的输出信号进行判决，对判决后的信号进行IFFT变换，得到假设的“发送端”时域信号；

(7)利用步骤(6)假设的“发送端”时域信号和步骤(4)仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号来估计每个CO-OFDM符号内的光相位噪声时域值；

(8)采用时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理；

(9)对步骤(4)的仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号在时域进行光相位噪声补偿处理；

(10)对补偿后的信号进行判决，去导频，反映射并输出。

3.根据权利要求2所述的基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，其特征在于，所述步骤(5)中，利用导频来估计每个CO-OFDM符号的共同相位噪声，并在频域上，利用单抽头均衡器完成共同相位噪声补偿，步骤如下：

(5-1)利用最小二乘估计法来估计每个CO-OFDM符号的共同相位噪声

${\hat{P}}_0=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k\∈S_p}{\left(X_k\right)}^{*}\·Y_k}{{\mathrm{\Σ}}_{k\∈S_p}{\left|X_k\right|}^2};$

其中，S_p表示发射端加入的分散导频所对应的频域样本序号的集合，^*表示复共轭运算，X_k是发射端第k个频域样本，Y_k是信道均衡后的第k个样本值；

(5-2)在频域上，利用单抽头均衡器补偿共同相位噪声，均衡器系数为：

$C_0=\frac{{\left({\hat{P}}_0\right)}^{*}}{{\left|{\hat{P}}_0\right|}^2};$

其中，^*表示复共轭运算，在频域上，补偿每个CO-OFDM符号内的第k个样本的共同相位噪声，补偿公式是：

${\hat{Y}}_k=C_0\·Y_k.$

4.根据权利要求2所述的基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，其特征在于，步骤(7)的光相位噪声时域值是利用假设的“发送端”时域信号和仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号来估计的，估计公式为：

$p_k=\exp [j\·\arg \left(\frac{{\hat{y}}_k}{{\hat{x}}_k}\right)];$

其中，arg()表示对括号内的值取相位角，exp()表示复指数运算。

5.根据权利要求4所述的基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，其特征在于，步骤(8)，采用时域滑动窗口分别对每个时域样本的光相位噪声进行滑动平均处理，每一个时域样本的光相位噪声的最终估计值是由其自己和左右各m个时域样本的光相位噪声估计值共同确定的，步长为2m+1，则最终的光相位噪声时域值为：

${\hat{p}}_k=\exp [j\·\arg \left(\underset{k^{\′}=k-m}{\overset{k+m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{k^{\′}}\right)];$

其中，k'和k分别表示滑动平均处理之前和之后的样本序号。

6.根据权利要求5所述的基于滑动窗口的CO-OFDM光相位噪声估计补偿方法，其特征在于，步骤(9)，在时域上，采用单抽头均衡器对仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号进行相位噪声补偿处理，补偿的公式为：

${\tilde{y}}_k={\hat{y}}_k\·{\left({\hat{p}}_k\right)}^{*};$

其中，^*表示复共轭运算，分别对每个CO-OFDM符号内仅受光相位噪声污染的“接收端”时域信号分别进行上述的补偿处理，直到所有光相位噪声被补偿完为止。