CN104767702A

CN104767702A - 单载波相干光通信系统的相位跳变消除方法及装置

Info

Publication number: CN104767702A
Application number: CN201410008715.1A
Authority: CN
Inventors: 伍剑; 程海全; 李岩; 虞淼; 臧继召
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2034-01-08
Also published as: CN104767702B

Abstract

本发明提供一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除方法及装置，包括：接收包括导频符号的数据流，通过检测所述数据流对载波相位进行估计，根据导频符号得到参考载波相位；根据估计得到的所述载波相位和前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位；根据所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除相位跳变。本发明通过利用估计得到的载波相位与前一个载波相位进行比较，从而对得到的解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除了相位跳变。

Description

单载波相干光通信系统的相位跳变消除方法及装置

技术领域

本发明涉及数字相干通信技术领域，特别涉及一种单载波相干光通信系统的的相位跳变消除方法及装置。

背景技术

为了提高数据传输速率和光谱效率，现代光通信系统中广泛采用相位调制或正交强度调制技术，接收机采用相位与偏振分集接收的方式可以探测光载波电场的全部信息，采用数字相干接收技术，通过数字信号处理算法消除偏振串扰，光载波与本振激光器之间的频偏以及激光器相位噪声的影响等。在对于低阶的调制码型如BPSK，QPSK等倾向于采用盲的相位恢复算法如M次幂算法，不过盲的相位恢复算法存在相位模糊，还包括相位估计过程中可能出现的相位跳变问题。相位模糊问题就是初始参考相位不能确定，相位跳变是使用盲相位估计算法估计的相位出现估计范围大小的相位跳变（例如4次幂方法估计相位出现的的pi/2相位跳变）。

当前解决相位模糊的办法主要是采取发送一段训练序列，通过自相关或互相关的办法完成同步，然后从这些同步的序列估计出可靠的初始相位。解决相位跳变问题，当前的方案主要有差分预编码。

差分预编码方案，将要发送的信息编码到相邻符号的差分相位中去。对于BPSK码型信息位0和1对应的是两个绝对相位0和pi，对于QPSK码型信息位00,01,11和10对应是pi/4，3*pi/4，-pi/4，-3*pi/4编码到相邻符号。发送的时候，对于BPSK将两个相邻符号的相位差编码为0或pi对应于信息位0和1，对于QPSK将两个相邻符号的相位差编码为pi/4，3*pi/4，-pi/4，-3*pi/4对应于信息位00,01,11和10。这样在接收端即使估计的载波相位发生了的相位跳变，只在发生跳变的位置出现两个误码，跳变之后的位置由于通过相位差得到发送的信息位，并不受绝对相位跳变的影响。

差分预编码方案的主要问题在于误码复制问题，在发生跳变的位置出现两个误码，即使没有发生相位跳变，前一个符号发生判决错误，也会引起后一个符号一起发生误码。

然而对于差分预编码方法，由于存在一定的差分代价，存在难以检测并更正临近的相位跳变问题。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何避免复杂的步骤来定位发生相位跳变的位置。

（二）技术方案

本发明实施例提供了一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除方法，包括：

接收包括导频符号的数据流，通过检测所述数据流对载波相位进行估计；

根据导频符号得到参考载波相位；

根据估计得到的所述载波相位和前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位；

根据所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除相位跳变。

优选地，所述通过检测所述数据流对载波相位进行估计，具体包括：

对接收到的数字基带信号进行色散补偿、偏振跟踪和偏振模色散补偿；

对补偿后的数据进行时钟恢复，并进行数据重采样和同步；

对同步后的数据流进行载波频偏和相位噪声的补偿。

优选地，所述数据流的帧结构包括周期同步字和导频头；

所述对接收到的包括导频符号的数据流进行时钟恢复和同步，具体为利用Gardner算法完成时钟恢复，利用周期同步字对接收到的包括导频符号的数据流进行同步；

所述通过检测所述数据流的导频符号对载波相位进行估计，具体包括：利用周期同步字找到数据流中的导频头，并利用周期同步字完成频偏估计，利用导频头对载波相位进行估计。

优选地，根据下式对进行频偏补偿后的数据流进行相位解卷绕：

f (z) = \{\begin{matrix} + 1 & (z < - rng / 2) \\ 0 & (| z | < rng / 2) \\ - 1 & (z > rng / 2) \end{matrix}

其中，f(z)为阶梯函数，z代表前后两个符号相位差，rng为载波相位估计的范围，为解卷绕相位，为待解卷绕相位，为前一个完成解卷绕的相位。

优选地，根据下式将所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较：

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - rng \cdot round (\frac{1}{thr} \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]),

其中，为中间相位，rng为载波相位估计的范围值，round为一个函数其功能是向最近的整数取整，thr为一个预定义的门限值，是插值的参考相位。

本发明实施例还提供了一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除装置，包括发送机和接收机，所述接收机包括：

接收模块，用于接收包括导频符号的数据流；

估计模块，用于通过检测所述数据流对载波相位进行估计；

获得模块，用于根据导频符号得到参考载波相位；

比较模块，用于根据估计得到的所述载波相位和前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位，以及根据所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除相位跳变。

优选地，所述接收机还包括：

补偿模块，用于对接收到的数字基带信号进行色散补偿、偏振跟踪和偏振模色散补偿，以及对同步后的数据流进行载波频偏和相位噪声的补偿；

时钟恢复模块，用于对补偿后的数据进行时钟恢复，并进行数据重采样和同步。

优选地，所述数据流的帧结构包括周期同步字和导频头；

所述时钟恢复模块，用于利用Gardner算法完成时钟恢复，利用周期同步字对接收到的包括导频符号的数据流进行同步；

所述装置还包括：估计模块；

所述估计模块，用于利用周期同步字找到数据流中的导频头，并利用周期同步字完成频偏估计，利用导频头对载波相位进行估计。

优选地，所述补偿模块根据下式对进行频偏补偿后的数据流进行相位解卷绕：

f (z) = \{\begin{matrix} + 1 & (z < - rng / 2) \\ 0 & (| z | < rng / 2) \\ - 1 & (z > rng / 2) \end{matrix}

优选地，所述比较模块根据下式将所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较：

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - rng \cdot round (\frac{1}{thr} \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]),

（三）有益效果

本发明通过提供一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除方法及装置，通过利用估计得到的载波相位与前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位；对得到的解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除了相位跳变。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的装置结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的数字信号处理单元结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的方法流程图；

图4是本发明实施例2提供的数据流的同步帧结构示意图；

图5是本发明实施例2提供的完全前向的消除相位跳变方法示意图；

图6是本发明实施例2提供的导频辅助的相位解卷绕方法示意图；

图7是本发明实施例2提供的使用导频辅助的相位解卷绕消除相位跳变后相位变化趋势；

图8是本发明实施例2提供的背靠背情况下接收机误码率随光信噪比的变化曲线示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例1：

本发明实施例提供了一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除装置，如图1所示，包括发送机110和接收机120，以及设置在二者之间的传输单元130。

在本发明实施例中，发送机110包括：数据输入111，编码单元113，脉冲成形单元115和调制单元117。

其中，数据输入111由数字信号0和1构成的比特流数据，可以是从外界输入的，也可以是发送机110内部的数据信号源产生的。编码单元113可以由任何可用的通用处理器实现，功能是将数据输入111编码为符合预定义的帧格式。脉冲成形单元115的主要功能是将编码单元113输出的数字信号变成模拟的电信号，可以包括两电平或四电平的信号用来进行BPSK，QPSK和16QAM等码型调制。调制单元117可以采用窄线宽激光器作为光源的双平行的MZM调制器。

在本发明实施例中，接收机120包括：解调单元127，模数转换单元125和数字信号处理单元123。

其中，解调单元127主要指当前逐渐流行起来相干接收装置，其中包括一个窄线宽激光器作为本振，与接收的光信号进行混频，直接将接收的光信号所携带的信息转换为模拟的基频带电信号。模数转换单元125采用高速ADC芯片将相干解调的模拟基频带电信号转换为数字信号供数字信号处理单元123处理。经过数字信号处理123的信号作为数字相干光通信系统100的数据输出121。传输单元130在本系统中主要包括光纤和基于EDFA技术的光信号放大器。

在本发明实施例中，数字信号处理单元123是接收机的核心，如图2所示，该数据信号处理单元123包括：

接收模块1231，用于接收包括导频符号的数据流，并将该包括导频符号的数据流传输给估计模块；

所述估计模块1232，用于通过检测所述数据流的导频符号对载波相位进行估计；根据导频符号，使用插值算法得到参考载波相位；并将估计得到的载波相位传输给比较模块；

所述比较模块1233，用于根据估计得到的所述载波相位和前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位，以及根据所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除相位跳变。

该数据信号处理单元123还包括：

补偿模块，用于对接收到的包括导频符号的数据流进行色散补偿，偏振跟踪及偏振模色散补偿，并将补偿后的数据流传输给时钟恢复模块，然后将时钟恢复后的数据送入采样模块进行数据重采样，然后将重采样后的数据流进行同步并进行载波频偏和相位噪声的补偿；

所述偏振跟踪模块，用于对同步数据重采样后的数据流进行偏振跟踪。

时钟恢复模块，用于接收到的包括导频符号的数据流进行时钟恢复，并将时钟恢复后的数据流传输给采样模块；

采样模块，用于对数据流进行同步数据重采样，并将同步数据重采样后的数据传输给所述补偿模块；

所述数据流的帧结构包括周期同步字和导频头；

所述时钟恢复模块，用于利用周期同步字对接收到的包括导频符号的数据流进行时钟恢复；

所述接收机还包括：查找模块，用于利用周期同步字找到数据流中的导频头；

所述估计模块，利用周期同步字和导频头对载波相位进行估计，根据导频符号，使用插值算法得到参考载波相位。

所述比较模块根据下式对估计模块得到的载波相位进行相位解卷绕。其过程为，首先将当前载波相位和前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位：

f (z) = \{\begin{matrix} + 1 & (z < - rng / 2) \\ 0 & (| z | < rng / 2) \\ - 1 & (z > rng / 2) \end{matrix},

所述比较模块根据下式将所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较：

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - rng \cdot round (\frac{1}{thr} \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]),

本发明通过比较模块利用估计得到的载波相位与前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位，从而对得到的解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除了相位跳变。

实施例2：

根据上述实施例1所述的装置，为了长距离传送和接收光信号，目前发送机110主要采用各种高阶调制技术包括，例如QPSK(正交相移键控），16QAM，DP-QPSK(双偏振正交相移键控)，DP-16QAM等，其中数据由光载波的幅度，相位和偏振所标识。在发送机110的调制单元117处作为光源的窄线宽激光器，和接收机120的解调单元127的作为本振使用的窄线宽激光器，其典型地是能够提供100KHz范围内的线宽的外腔激光器。然而，作为光源和本振激光器都由于有限的线宽的影响，使得光载波的相位不能保持稳定；并且两个激光器由于制造和环境因素等原因使得它们之间的本振频率总会有一定的频率偏移，而且会随着时间发生变化。以上提到的这两种情况都会使得接收机120处的光信号的相位随机旋转，使得解码符号与由传送器110生成的那些不匹配，引起符号或数据错误，因此都需要在接收机120的数字信号处理123进行跟踪和补偿。另外各种已知的在传输过程中经过光学传输介质130累积的称为ASE的噪声，以及由于传送单元130的光纤非线性效应影响等，极大地影响了经过传输的由接收机120接收的光信号的完整性，也需要在接收机120的数字信号处理123进行补偿。

本发明提供了一种相干光通信的相位跳变消除方法，如图3所示，包括：

步骤301：接收包括导频符号的数据流，通过检测所述数据流的导频符号对载波相位进行估计；

步骤302：根据接收到的导频符号，使用插值算法得到参考载波相位；

步骤303：根据估计得到的所述载波相位和前一个载波相位进行比较，得到解卷绕相位；

步骤304：根据所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除相位跳变。

本发明通过利用估计得到的载波相位与前一个载波相位进行比较，从而对得到的解卷绕相位与插值的参考相位进行比较，从而消除了相位跳变。

所述通过检测所述数据流的导频符号对载波相位进行估计，即数字信号处理单元123的处理过程具体包括：对接收机120的模数转换单元125转换的包括导频符号的数据流进行色散补偿，然后是偏振跟踪及偏振模色散补偿，跟踪传送单元130的光纤介质一种偏振模色散效应；然后是时钟恢复以及数据重采样，使得对于每个符号只有一个采样点，使用某种基于自相关或互相关的算法对接收到数据进行同步；然后是对光源和本振激光器的载波频偏和相位噪声进行补偿，最后进行判决。经过判决后的数据流作为数据输出121。进一步的，还可以包括对传送单元130的光纤非线性效应影响进行的补偿模块，例如目前常用的数字后向传输算法和基于Volterra级数的算法。

在本发明实施例中，如图4所示，数据流的同步帧结构包括：周期同步字400和导频头410对于发送机110和接收机120都是已知的。发送机110的编码单元111将数据输入或者自己产生的数据编码为图4中的帧结构，经过脉冲成形115和调制单元117发送出去。接收机120的数字信号处理单元利用此帧结构从接收到的数据中，定位到周期同步字400，然后利用N长度导频头405进行载波频偏估计和相位恢复。L长度的周期同步字400作为同步功能，可以通过设计为前后重复的各位L/2长度的两个序列使用OFDM系统里常用的S&C算法找到帧头，从而确定出于与发送端相一致的数据和同步帧结构。周期同步字400除可以作为同步功能外，还可以作为数字信号处理单元的处理过程的初始频偏估计，对补偿频偏后的周期同步字400进行平均，还作为后续载波频偏估计和相位恢复的初始相位。N长度导频头410用来估计参考的载波相位，并作为后续消除周期相位算法的参考相位。这里设计的数据和同步帧结构可以用于并行处理，提高数字信号处理过程的数据处理能力。

经过色散补偿201，偏振跟踪及PMD补偿203，时钟恢复20,5，同步以及数据重采样207，以及利用周期同步字300进行初始频偏补偿数据s(k)可以表示为：

s(k)＝c(k)·exp(jθ(k))+n(k) (1)

其中，c(k)是按照图4设计的数据和同步帧结构，第k个时间瞬间发送机110发送的复数值表示的符号，n(k)表示经过传送单元130累积和前述数字信号处理后剩余的加性噪声，θ(k)是由于作为光源和本振的激光器线宽和残余频偏所累积的相位噪声。

图5是本发明实施例提出的完全前向的消除相位跳变的方案框图。假设输入信号是QPSK信号，将所有输入信号s(k)进行四次幂相位501，把接收到的第m帧的导频头410符号s_p(m)与已知的导频头p(m)共轭相乘来获得载波相位解卷绕后再经过插值，得到与输入信号s(k)一样连续的载波参考相位

\hat{φ} (m) = \arg (Σ_{i = 0}^{N - 1} p^{*} (m - i) \cdot s_{p} (m - i)) - - - (2)

其中，N为导频头长度。

在本发明实施例中，解卷绕的算法如（3）和（4）式。对一个待解卷绕的相位首先有一个可靠的前一个载波相位（或者初始相位）可以通过前述的周期同步字400获得，然后通过与待解卷绕的相位比较，通过（4）式得到补偿相位，最终通过（3）式得到解卷绕的相位

f (z) = \{\begin{matrix} + 1 & (z < - rng / 2) \\ 0 & (| z | < rng / 2) \\ - 1 & (z > rng / 2) \end{matrix} - - - (4)

其中，rng是载波相位估计算法估计的范围，z代表前后两个符号相位差，为解卷绕的相位，为待解卷绕相位，为前一个完成解卷绕的载波相位。这里的载波相位估计算法可以是四次幂算法估计的相位，可以是新近提出的盲相位搜索（BPS）算法估计的相位，也可以是上述通过导频估计的载波相位。对于四次幂相位估计算法来说，由于估计的相位范围只在[-π/4,π/4]之间，没有涵盖2π范围，在光信噪比（OSNR）比较低或者相位噪声比较大的情况下出现上文所述的相位跳变问题。盲相位搜索（BPS）算法，一般限定相位搜索范围在[-π/4,π/4]之间时，通过最大似然的办法找到当前符号最有可能的载波相位。与四次幂相位估计算法类似，也没有涵盖2π范围，进行相位解卷绕的过程中也可能出现相位跳变。对于导频估计的载波相位，由于估计的相位范围在[-π,π]之间，涵盖2π范围，没有相位模糊，经过解卷绕的相位可以代表真实载波相位，由于导频不是连续发送，估计的载波相位精度不是很高，但是可以作为载波参考相位辅助四次幂相位估计算法的相位解卷绕过程。

对于本发明提出的导频辅助的相位解卷绕算法，针对QPSK码型，四次幂算法估计的相位范围rng为π/2，预定义的门限thr设置为π/3。一般化的公式（5）变为（6）式。因此只需将（3）得到解卷绕相位作为中间相位再利用（6）式，将与插值的参考相位作比较，补偿跳变的相位即可消除盲相位估计算法可能带来的相位跳变问题，得到最终的无跳变相位。图6是本发明实施例提出导频辅助的相位解卷绕方法示意图。这里提出的导频辅助的相位解卷绕方法，其主要意图在于向载波的参考相位变化趋势方向进行相位解卷绕。本发明提出的导频辅助的相位解卷绕算法是一种完全前向的消除相位跳变算法，不需要复杂的步骤来明确定位发生相位跳变的位置。

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - rng \cdot round (\frac{1}{thr} \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]) - - - (5)

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - π / 2 \cdot round (3 / π \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]) - - - (6)

对于64QAM和16QAM也可以采取星座图变换的方法化为QPSK进行盲的相位估计，然后利用本发明进行导频辅助的相位解卷绕。本发明提出的方法在进行相位估计的同时完成了消除相位跳变，适用于各种M次幂和BPS等盲相位估计算法，不受调制格式限制；

具体地以背靠背的28GBaud数字相干单偏振QPSK系统为例，比较了导频辅助的相位解卷绕与使用差分编码消除相位跳变的两种情况。发送机110和接收机120激光器各采用宽线宽的1MHz的DFB激光器。图7是13.5dB光信噪比情况下，本发明实施例提出的使用导频辅助的相位解卷绕消除相位跳变后相位变化趋势，可以看出本发明提出的算法完成消除了盲载波相位估计过程中可能出现的相位跳变,并且不需要明确定位发生相位跳变的位置。

图8是本发明实施例提供的背靠背情况下接收机误码率随光信噪比的变化曲线，可以发现使用差分编码消除周期滑动，相对于本发明的导频辅助的相位解卷绕算法来说，误码率提高了一倍。对于1e-3误码，使用导频辅助的相位解卷绕算法比使用差分编码的情况要求的光信噪比小0.5dB。使用本发明提出的导频辅助的相位解卷绕算法，可以消除周期滑动带来的连续误码的影响，避免使用差分编码。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除方法，其特征在于，包括：

根据导频符号得到参考载波相位；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过检测所述数据流对载波相位进行估计，具体包括：

对补偿后的数据进行时钟恢复，并进行数据重采样和同步；

对同步后的数据流进行载波频偏和相位噪声的补偿。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数据流的帧结构包括周期同步字和导频头；

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据下式对进行频偏补偿后的数据流进行相位解卷绕：

f (z) = \{\begin{matrix} + 1 & (z < - rng / 2) \\ 0 & (| z | < rng / 2) \\ - 1 & (z > rng / 2) \end{matrix}

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据下式将所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较：

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - rng \cdot round (\frac{1}{thr} \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]),

6.一种单载波相干光通信系统的相位跳变消除装置，包括发送机和接收机，其特征在于，所述接收机包括：

接收模块，用于接收包括导频符号的数据流；

估计模块，用于通过检测所述数据流对载波相位进行估计；

获得模块，用于根据导频符号得到参考载波相位；

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述接收机还包括：

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数据流的帧结构包括周期同步字和导频头；

所述装置还包括：估计模块；

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述补偿模块根据下式对进行频偏补偿后的数据流进行相位解卷绕和相位噪声的补偿：

f (z) = \{\begin{matrix} + 1 & (z < - rng / 2) \\ 0 & (| z | < rng / 2) \\ - 1 & (z > rng / 2) \end{matrix}

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述比较模块根据下式将所述解卷绕相位与插值的参考相位进行比较：

{\hat{θ}}_{k}^{u} = {\hat{θ}}_{k}^{u 0} - rng \cdot round (\frac{1}{thr} \cdot [{\hat{θ}}_{k}^{u 0} - {\hat{φ}}_{k}^{'}]),