CN105721379B - 一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法，应用在相干光正交频分复用系统中，步骤包括：首先，利用初始的观测矩阵和离线存储的基于导频数据的向量求出粗估计的次符号相位噪声向量；而后，利用粗估计的次符号相位噪声向量，判决获得若干个满足梳状分布的数据子载波上承载的数据；最后，利用新组建的更高维度的观测矩阵和基于子载波(导频子载波和部分判决的数据子载波)的向量求出细估计的次符号相位噪声向量，并完成光相位噪声的补偿。本发明方法采取部分判决辅助的方式，能有效降低系统对导频的依赖度，可以减小系统的导频开销。同时，导频子载波和部分判决数据子载波均满足梳状分布，使得本发明方法复杂度低、实用性强。

Description

一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，特别涉及相干光正交频分复用系统中的一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法。

背景技术

相干光正交频分复用(CO-OFDM)能够实现高的光谱效率、灵活的频谱使用、高效的信道均衡，是下一代弹性光网络中的重要物理层技术之一。虽然CO-OFDM具有诸多的优点，但是其在光纤通信系统中的应用仍然面临一些挑战。其中，CO-OFDM的一个主要缺陷是对光相位噪声非常敏感，其对相位噪声的容忍度比单载波相干光通信系统要低。光相位噪声影响CO-OFDM系统的机理是：在接收端时域-频域转换后，其零阶频谱分量将给各子载波通道带来一个随时间变化的共同相位增量(CPE)，而其非零阶频谱分量在各子载波通道间引入串扰(ICI)。若不采用适当的方法进行补偿，两者将劣化CO-OFDM系统中解调后的信号质量。

为了能有效地抑制光相位噪声，研究人员提出在发射端采用厄米对称的数据，利用数据之间的相关特性，实现对光相位噪声和光纤非线性的自我抑制，具体见参考文献：X.Yi,X.Chen,D.Sharma,C.Li,M.Luo,Q.Yang,Z.Li,and K.Qiu,“Digital coherentsuperposition of optical OFDM subcarrier pairs with Hermitian symmetry forphase noise mitigation,”Opt.Express 22(11),13454-13459(2014)。虽然该种方案能够实现对光相位噪声的高效抑制，但是系统性能的提升是以减少发送端一半数据为代价的，即频谱利用率降低一半。研究人员还提出基于离散傅立叶变换(DFT-based)基底的正交集展开(OBE)光相位噪声抑制方案，该方法利用导频子载波估计出光相位噪声的多阶频谱分量来同时抑制CPE和部分ICI，具体见参考文献：C.Yang,F.Yang,and Z.Wang,“Phase noisesuppression for coherent optical block transmission systems:a unifiedframework,”Opt.Express 19(18),17013–17020(2011)。但是OBE算法在利用有限阶数的正交傅里叶基底重构具有洛伦兹频谱的光相位噪声时，对光相位噪声的高频成分存在较大的建模误差(对频谱存在强制截断)，并且该方法估计出的相位噪声向量对导频的依赖度比较高，这样，为了获取比较好的系统性能，就必须增加导频在系统开销中的比重。

因此，提出一种具有导频开销低、性能高、复杂度低的光相位噪声抑制方法，对推动CO-OFDM系统在低成本光接入网/城域网中的应用具有非常重要的意义。

发明内容

为了降低光相位噪声估计补偿算法的复杂度，进一步提高频谱利用率，本发明提出一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法，通过引入部分判决，该方法对导频子载波数目的依赖度降低，可以提高频谱利用率。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法，包括步骤：

(1)将接收到的时域信号切成N_B1块，获取经过零填充后的次符号向量y_b；

(2)利用次符号向量y_b获取观测矩阵C₁，利用观测矩阵和离线存储的基于导频数据的向量求出粗估计的次符号相位噪声向量；

(3)对若干个选定的满足等间距梳状分布的数据子载波上承载的数据进行判决；

(4)对接收到的时域信号再次进行切块处理，切成N_B2块，获取经过零填充后的次符号向量y′_b；

(5)利用次符号向量y′_b获取观测矩阵和，根据基于导频子载波的向量和基于部分判决的数据子载波的向量，以及观测矩阵和，求出细估计的次符号相位噪声向量，对每个次符号的相位噪声进行补偿；

(6)将已完成相位噪声补偿的信号变换到频域进行信道均衡，对均衡后的信号进行判决输出。

优选的，所述步骤(1)中，对接收到的时域信号y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]^T进行切块处理，获取经过零填充后的第b个次符号向量y_b，1≤b≤N_B1，具体处理过程如下：

其中，N是CO-OFDM系统的子载波总数，(·)^T表示矩阵转置运算，N_B1表示切成的次符号数目，表示取不超过A的最大整数。

优选的，所述步骤(2)中，利用观测矩阵和离线存储的基于导频数据的向量求出粗估计的次符号相位噪声向量，步骤如下：

(2-1)所选取导频子载波分布为梳状分布，导频子载波总数N_p能被OFDM子载波总数N整除；

(2-2)利用次符号向量y_b获取观测矩阵C₁，其元素表示为：

其中，τ₁是与导频子载波初始位置相关的参数，τ₁∈[0,1,2,3]，m为正整数；

(2-3)利用已知导频数据获取基于导频子载波的向量R₁，并存储起来，其第k个元素表示为：

其中，X′和H′₁分别表示导频子载波的数据和对应的信道频率响应；

(2-4)利用观测矩阵C₁和向量R₁求出粗估计的次符号相位噪声向量：

其中，(·)^H表示对矩阵取厄米共轭运算，(·)^-1表示对矩阵求逆运算，angle(·)表示取幅角运算，exp(·)表示取以e为底的幂级数运算。

优选的，所述步骤(3)中，对若干个选定的满足等间距梳状分布的数据子载波上承载的数据进行判决，步骤如下：

(3-1)选定N_p个满足梳状分布的待判决的数据子载波，并获取对应的观测矩阵C₂：

其中，τ₂是与待判决数据子载波初始位置相关的参数，τ₂∈[0,1,2,3]，τ₁≠τ₂；

(3-2)对数据子载波上承载的数据进行判决：

其中，Θ表示判决运算，是一个与待 判决数据位置相关的对角矩阵，H′₂是一个与待判决数据位置相对应的信道频率响应所组 成的向量，是一个N_p行N_p列的傅里叶变换矩阵，其列向量满足如 下公式：

(3-3)求取基于部分判决的数据子载波的向量R₂：

其中，⊙表示向量与向量之间的对应位置元素的点乘运算。

优选的，步骤(4)，对接收到的时域信号再次进行切块处理，切成的块数为N_B2，获取经过零填充后的第b个次符号向量y′_b，1≤b≤N_B2，步骤如下：

(4-1)当切割的块数N_B2＝N_B1时，令第一块次符号向量的非零元素偏移△个位置，非零元素的长度由原来的L变为L-Δ，中间2至N_B2-1块的次符号向量的非零元素的长度保持为原来的L，而最后一块次符号向量的非零元素则变为N-(N_B2-1)L+Δ；

当切割的块数N_B2≠N_B1时，则不进行偏移处理，即△＝0；

具体的处理过程如下：

(4-2)利用次符号向量y′_b获取观测矩阵和其元素表示为：

优选的，步骤(5)，求出细估计的次符号相位噪声向量，以及对每个次符号的相位噪声进行补偿的步骤如下：

(5-1)提取离线存储的基于导频数据的向量，并利用部分判决出的数据子载波向量组建新的更大维度的基于子载波的向量：

R_new＝[R₁；R₂]^T；

(5-2)由和组成新的更大维度的观测矩阵：

(5-3)根据获取的新的观测矩阵C_new和基于子载波的向量R_new，利用最小二乘法获得细估计的次符号相位噪声向量并消除幅度噪声的影响：

(5-4)将估计出的次符号相位噪声向量进一步表示为：

(5-5)对每个次符号进行相位噪声补偿处理，补偿公式如下：

其中，符号min(·,·)表示取两者中最小的值，L表示非零元素的长度，表示估计出的次符号相位噪声向量中的第b个分量，y(n)表示接收到的时域CO-OFDM符号的第n个采样点。

优选的，步骤(6)，将已完成相位噪声补偿的信号z＝[z(0),z(1),...,z(N-1)]^T变换到频域进行信道均衡，并判决输出：

其中，H＝diag{[H(0),H(1),…,H(N-1)]^T}是一个对角矩阵，表示信道的频率响应矩阵，是一个N行N列的傅里叶变换矩阵，其列向量满足如下公式：

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用部分判决辅助的方式，降低了系统对导频子载波数目的依赖度，即在维持系统性能变换不大的情况下，可以采用更少的导频子载波数目，提高了系统的频谱利用率。

2、本发明中导频子载波在频域满足梳状分布，使得观测矩阵的获取无需任何乘法运算，只需简单的加减运算就可以实现，算法复杂度低。

3、本发明中部分判决数据子载波同样满足梳状分布，使得判决过程由需要使用N行N列变成只需使用N_p行N_p列的傅里叶变换矩阵(N_p远远小于N)，整体算法复杂度低，实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例1的方法流程图。

图2是实施例1中当第一次和第二次切割的块数相同时，对次符号向量非零元素的不同的处理方法。

图3(a)是实施例1采用的导频子载波的结构示意图。

图3(b)是实施例1选用的部分判决数据子载波的结构示意图。

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接收端的数字信号处理问题。下面结合图1和图2，对本发明的一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法进行详细说明。

S101：对接收到的时域信号y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]^T进行切块处理，获取经过零填充后的第b个次符号向量y_b，1≤b≤N_B1，具体处理过程如下：

其中，N是CO-OFDM系统的子载波总数，(·)^T表示矩阵转置运算，N_B1表示切成的次符号数目，表示取不超过A的最大整数。

利用次符号向量y_b获取无需任何乘法运算的观测矩阵C₁，其元素表示为：

其中，τ₁是与导频子载波初始位置相关的参数，τ₁∈[0,1,2,3]。

S102：计算基于导频数据的向量R₁，并存储起来。

其中，X′和H′₁分别表示导频子载波的数据和对应的信道频率响应，导频子载波分布为梳状分布，导频子载波总数N_p能被OFDM子载波总数N整除。

S103：根据导频子载波获得粗估计的次符号相位噪声向量

其中，(·)^H表示对矩阵取厄米共轭运算，(·)^-1表示对矩阵求逆运算，angle(·)表示取幅角运算，exp(·)表示取以e为底的幂级数运算。

S104：选定N_p个满足梳状分布的待判决的数据子载波，并获取对应的观测矩阵C₂：

其中，τ₂是与待判决数据子载波初始位置相关的参数，τ₂∈[0,1,2,3]，τ₁≠τ₂。

S105：利用观测矩阵C₂进行部分判决，获得选定的满足梳状分布的数据子载波上承载的数据X′₂。

其中，Θ表示判决运算，是一个与待 判决数据位置相关的对角矩阵，H′₂是一个与待判决数据位置相对应的信道频率响应所组 成的向量，是一个N_p行N_p列的傅里叶变换矩阵，其列向量满足如 下公式：

S106：利用S105判决得到的数据子载波求取基于数据子载波的向量R₂。

其中，⊙表示向量与向量之间的对应位置元素的点乘运算。

S107：将接收到的时域信号再次进行切块处理，切成N_B2块，获取观测矩阵和优选的，当N_B2＝N_B1时，对第一个次符号的非零元素作偏移△处理，具体处理方法见图2。

S108：组建新的更大维度的观测矩阵和基于子载波的向量R_new＝[R₁；R₂]^T，利用最小二乘法，获得细估计的次符号相位噪声向量

S109：在时域上完成次符号相位噪声的补偿。

S110：将S109已完成相位噪声补偿的信号变换到频域进行信道均衡。

S111：对S110信道均衡后的信号进行判决输出。

图3(a)和图3(b)分别是本实施例1中采用的导频结构示意图(取τ₁＝0)和选用的满足梳状分布的部分判决数据子载波示意图(取τ₂＝2)。CO-OFDM系统的总子载波N＝256，导频子载波数N_p＝8，切割成的次符号数N_B1＝2，N_B2＝4，采用本发明的方法，基于部分判决辅助的次符号光相位噪声估计补偿过程如下：

(1)获取8行2列的观测矩阵C₁和8行2列的观测矩阵C₂，其元素为：

(2)获取离线存储的8行1列的基于导频的向量R₁，其元素为：

(3)估计出2行1列的次符号相位噪声向量：

(4)对选定的8个满足梳状分布的数据子载波进行判决：

这里 8行8列的傅里叶变换矩阵F₈的元素为：0≤k₁≤7,0≤k₂≤7；

(5)计算8行1列的基于部分判决数据的向量：

(6)获取8行4列的观测矩阵和其元素为：

0≤k≤7,1≤ b≤4；

(7)估计出新的次符号相位噪声向量：

这里R_new＝[R₁；R₂]^T，

(8)补偿相位噪声：0≤n≤255，这里

(9)将已完成相位噪声补偿的信号变换到频域进行信道均衡并判决输出。

以上对本发明所述的相干光正交频分复用系统中的一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制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 (2)

1.一种基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)对接收到的时域信号y＝[y(0),y(1),…,y(N-1)]^T进行切块处理，获取经过零填充后的第b个次符号向量y_b，1≤b≤N_B1，具体处理过程如下：

其中，N是CO-OFDM系统的子载波总数，(·)^T表示矩阵转置运算，N_B1表示切成的次符号数目，表示取不超过A的最大整数；

(2)利用观测矩阵和离线存储的基于导频数据的向量求出粗估计的次符号相位噪声向量，步骤如下：

(2-1)所选取导频子载波分布为梳状分布，导频子载波总数N_p能被OFDM子载波总数N整除；

(2-2)利用次符号向量y_b获取观测矩阵C₁，其元素表示为：

其中，τ₁是与导频子载波初始位置相关的参数，τ₁∈[0,1,2,3]，m为正整数；

(2-3)利用已知导频数据获取基于导频子载波的向量R₁，并存储起来，其第k个元素表示为：

其中，X′和H′₁分别表示导频子载波的数据和对应的信道频率响应；

(2-4)利用观测矩阵C₁和向量R₁求出粗估计的次符号相位噪声向量：

其中，(·)^H表示对矩阵取厄米共轭运算，(·)^-1表示对矩阵求逆运算，angle(·)表示取幅角运算，exp(·)表示取以e为底的幂级数运算；

(3)对若干个选定的满足等间距梳状分布的数据子载波上承载的数据进行判决；

(4)对接收到的时域信号再次进行切块处理，切成的块数为N_B2，获取经过零填充后的第b个次符号向量y′_b，1≤b≤N_B2，步骤如下：

(4-1)当切割的块数N_B2＝N_B1时，令第一块次符号向量的非零元素偏移△个位置，非零元素的长度由原来的L变为L-Δ，中间2至N_B2-1块的次符号向量的非零元素的长度保持为原来的L，而最后一块次符号向量的非零元素则变为N-(N_B2-1)L+Δ；

当切割的块数N_B2≠N_B1时，则不进行偏移处理，即△＝0；

具体的处理过程如下：

(4-2)利用次符号向量y′_b获取观测矩阵和其元素表示为：

(5)根据基于导频子载波的向量和基于部分判决的数据子载波的向量，以及观测矩阵和求出细估计的次符号相位噪声向量，对每个次符号的相位噪声进行补偿，步骤如下：

(5-1)提取离线存储的基于导频数据的向量，并利用部分判决出的数据子载波向量组建新的更大维度的基于子载波的向量：

R_new＝[R₁；R₂]^T；

(5-2)由和组成新的更大维度的观测矩阵：

(5-3)根据获取的新的观测矩阵C_new和基于子载波的向量R_new，利用最小二乘法获得细估计的次符号相位噪声向量并消除幅度噪声的影响：

(5-4)将估计出的次符号相位噪声向量进一步表示为：

(5-5)对每个次符号进行相位噪声补偿处理，补偿公式如下：

其中，符号min(·,·)表示取两者中最小的值，L表示非零元素的长度，表示估计出的次符号相位噪声向量中的第b个分量，y(n)表示接收到的时域CO-OFDM符号的第n个采样点；

(6)将已完成相位噪声补偿的信号变换到频域进行信道均衡，对均衡后的信号进行判决输出；

所述步骤(3)中，对若干个选定的满足等间距梳状分布的数据子载波上承载的数据进行判决，步骤如下：

(3-1)选定N_p个满足梳状分布的待判决的数据子载波，并获取对应的观测矩阵C₂：

其中，τ₂是与待判决数据子载波初始位置相关的参数，τ₂∈[0,1,2,3]，τ₁≠τ₂；

(3-2)对数据子载波上承载的数据进行判决：

其中，Θ表示判决运算，是一个与待判决数据位置相关的对角矩阵，H′₂是一个与待判决数据位置相对应的信道频率响应所组成的向量，是一个N_p行N_p列的傅里叶变换矩阵，其列向量满足如下公式：

(3-3)求取基于部分判决的数据子载波的向量R₂：

其中，⊙表示向量与向量之间的对应位置元素的点乘运算。

2.根据权利要求1所述的基于部分判决辅助的光相位噪声抑制方法，其特征在于，步骤(6)，将已完成相位噪声补偿的信号z＝[z(0),z(1),...,z(N-1)]^T变换到频域进行信道均衡，并判决输出：

其中，H＝diag{[H(0),H(1),…,H(N-1)]^T}是一个对角矩阵，表示信道的频率响应矩阵，是一个N行N列的傅里叶变换矩阵，其列向量满足如下公式：