CN107359941B - 一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法 - Google Patents

一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107359941B
CN107359941B CN201710653074.9A CN201710653074A CN107359941B CN 107359941 B CN107359941 B CN 107359941B CN 201710653074 A CN201710653074 A CN 201710653074A CN 107359941 B CN107359941 B CN 107359941B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency offset
algorithm
cycle slip
ekf
estimation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710653074.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107359941A (zh
Inventor
杨彦甫
向前
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology filed Critical Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority to CN201710653074.9A priority Critical patent/CN107359941B/zh
Publication of CN107359941A publication Critical patent/CN107359941A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107359941B publication Critical patent/CN107359941B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60Receivers
    • H04B10/61Coherent receivers
    • H04B10/616Details of the electronic signal processing in coherent optical receivers
    • H04B10/6164Estimation or correction of the frequency offset between the received optical signal and the optical local oscillator
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04BTRANSMISSION
    • H04B10/00Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60Receivers
    • H04B10/61Coherent receivers
    • H04B10/616Details of the electronic signal processing in coherent optical receivers
    • H04B10/6165Estimation of the phase of the received optical signal, phase error estimation or phase error correction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明提供了一种通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,包括以下步骤:首先,假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡,其次,只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复,在MAKF算法中,信号先经过EKF做频偏和相位的估计,通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz,最小判决误差dz进入锁定检测模块。本发明的有益效果是:可以同时处理相干光通信系统的频偏和相位噪声损伤,在不同的追踪阶段使用不同的调优参量Q来保证算法的跟踪速度和精度。运用频偏周跳实时监测和恢复模块从而可以实时监测AKF估计出来的频偏值,并且对于周跳的频偏进行修正,从而最大限度的降低误码。

Description

一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法
技术领域
本发明涉及光通信,尤其涉及一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法。
背景技术
在云计算、大数据以及5G等技术的迅猛发展下,人们对于通信容量和速率的要求越来越大,而具有高速、大容量等优势的相干光通信技术是满足这一需求的关键性技术。然而随着信号调制格式阶数提高和传输的比特率的不断增长,激光相位噪声和载波频偏(本振光和信号光的频率偏差)已经成为限制这一发展的重要因素。针对于上述损伤,现已有各种各样算法来进行估计和补偿。然而,它们本身却存在自身的局限性。
本振光和信号光的频率和相位的不一致将会在光接收端引入信号的频偏和相位噪声。相干光通信中的频偏和相位噪声现已成为限制其传输距离和容量进一步提升的关键损伤之一。对所述频偏与相位噪声损伤,传统的线下处理算法主要有:VV(Viterbi-Viterbi)算法,FFT(Fast Fourier Transformation)算法,BPS(Blind Phase Search)算法以及EKF(Extended Kalman Filter)算法。然而它们有其自身的局限性,例如VV算法的估计精度低并且不适应于高阶调制格式,FFT算法计算复杂度高以及其估计精度对于信号长度的依赖性大,BPS的计算法复杂度较高。EKF算法具有快速收敛、高精度和适用于各种调制格式等优势,但是它的估计精度和跟踪速度受到调优参量Q值的影响较大,并且传统的EKF算法难以在估计精度和跟踪速度两方面给出一个最优化的解。在此同时,在不同跟踪阶段(快速跟踪阶段和精准跟踪阶段)使用不同的调优参量Q的AKF(Adaptive Kalman Filter)可以很好的解决上述问题。然而,在系统频偏较大的情况下,AKF在快读跟踪阶段使用较大Q值将会导致频偏周跳,从而增加系统的误码。
发明内容
为了解决现有技术中的问题,本发明提供了一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法。
本发明提供了一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,包括以下步骤:
首先,假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡,在数学上将其表示为:
Figure BDA0001368547840000021
其中,rn代表第n个接收的信号,mn代表第n个发射的信号,Ts代表相邻符号间隔,f代表系统频偏,
Figure BDA0001368547840000022
代表系统相位噪声,wn代表系统高斯白噪声;
其次,只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复,在MAKF算法中,信号先经过EKF做频偏和相位的估计,通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz,最小判决误差dz进入锁定检测模块,锁定检测模块通过计算一段数据长度的最小判决误差dz后,判决出此刻EKF应该使用的最佳调优参数Q,从而实现算法的自适应;在此同时,EKF估计出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000023
通过频偏周跳检测和补偿估计,判决此时EKF算法估算出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000024
是否超出预设的边界;一旦超出预设的边界,即刻判定频偏周跳,并且立马进行补偿;从而保证自适应EKF算法的稳定性和消除频偏周跳对算法误码的影响,最终实现对于光通信系统中频偏和相位噪声损伤的协同估计和补偿。
作为本发明的进一步改进,所述MAKF算法主要包括三个部分:EKF、锁定检测和频偏周跳检测与补偿,EKF负责接收信号的频偏和相位的估计和补偿,锁定检测来自适应的选择对应的最佳调优参数Q,频偏检测和恢复用于实时监测EKF估计出来的频偏,并且进行对应的补偿。
作为本发明的进一步改进,采用锁定检测的方式来自适应的选定当前时刻的最佳调优参量Q来实现快速、高精度的估算。
作为本发明的进一步改进,在快速跟踪阶段,使用较大的调优参量Q实现对于估算参量的快速估计和收敛,在精准跟踪阶段,使用较小的调优参量Q来实现高精度的估计参量估计。
作为本发明的进一步改进,在MAKF算法中采取频偏实时监测和修正技术,预设一个频偏的估计范围,从而实时监测EKF估算出来的频偏值,当估算的频偏值超出预设范围时,直接判定频偏周跳,根据相应的频偏周跳值来进行实时修正,从而实现频偏周跳的检测和修正。
作为本发明的进一步改进,在实施MAKF算法进行频偏和相位协同估计时,其基本方程归纳如下:
Figure BDA0001368547840000031
Figure BDA0001368547840000032
Figure BDA0001368547840000033
Figure BDA0001368547840000034
Figure BDA0001368547840000035
Figure BDA0001368547840000036
Figure BDA0001368547840000037
其中,方程(2)~(8)分别描述的是状态空间转移,先验协方差估计,Kalman增益,后验协方差,状态空间更新,频偏检测和频偏补偿方程;
其中θn,
Figure BDA0001368547840000038
分别代表估计的相位和频偏,A为状态转移方程;
Figure BDA0001368547840000039
为EKF的调优参量;β和λ分别是锁定检测的临界参数;
Figure BDA00013685478400000310
和Pn分别为先验协方差和后验协方差;K为Kalman增益;dz为测量余量;
Figure BDA00013685478400000311
ρ,
Figure BDA00013685478400000312
分别为估计频偏,频偏周跳系数和修正频偏。
本发明的有益效果是:通过上述方案,可以同时处理相干光通信系统的频偏和相位噪声损伤,在不同的追踪阶段使用不同的调优参量Q来保证算法的跟踪速度和精度。运用频偏周跳实时监测和恢复模块从而可以实时监测AKF估计出来的频偏值,并且对于周跳的频偏进行修正,从而最大限度的降低误码。
附图说明
图1是本发明一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法的MAKF算法的流程图。
图2是本发明一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法的MAKF算法的12GS/s QPSK相干光通信系统示意图。
图3是MAKF算法的实验结果中的估计误差Vs预设频偏示意图。
图4是MAKF算法的实验结果中的不同频偏下的算法收敛速度示意图。
图5是1.5GHz系统频偏,信号恢复前的星座图。
图6是1.5GHz系统频偏,信号恢复后的星座图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,首先,假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡,在数学上将其表示为:
Figure BDA0001368547840000041
其中,rn代表第n个接收的信号,mn代表第n个发射的信号,Ts代表相邻符号间隔,f代表系统频偏,
Figure BDA0001368547840000042
代表系统相位噪声,wn代表系统高斯白噪声;
其次,只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复,在MAKF算法中,信号先经过EKF做频偏和相位的估计,通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz,最小判决误差dz进入锁定检测模块,锁定检测模块通过计算一段数据长度的最小判决误差dz后,判决出此刻EKF应该使用的最佳调优参数Q,从而实现算法的自适应;在此同时,EKF估计出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000043
通过频偏周跳检测和补偿估计,判决此时EKF算法估算出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000044
是否超出预设的边界;一旦超出预设的边界,即刻判定频偏周跳,并且立马进行补偿;从而保证自适应EKF算法的稳定性和消除频偏周跳对算法误码的影响,最终实现对于光通信系统中频偏和相位噪声损伤的协同估计和补偿。
MAKF算法的具体原理如下所述:
MAKF算法主要包括三个部分:EKF、锁定检测和频偏周跳检测与补偿。EKF部分负责接收信号的频偏和相位的估计和补偿,锁定检测来自适应的选择对应的调优参量Q,频偏检测和恢复用于实时监测EKF估计出来的频偏,并且进行对应的补偿。MAKF的流程图如图1所示。
为了降低EKF算法对于Q值的依赖性,并且能够实现高速、高精度的变量估计。采用锁定检测的方式来自适应的选定当前时刻的调优参量Q来实现快速、高精度的估算。在快速跟踪阶段,使用较大的调优参量Q实现对于估算参量的快速估计和收敛。在精准跟踪阶段,使用较小的Q值来实现高精度的估计参量估计,从而在传统EKF算法的基础上进一步提高算法的跟踪速度和估计精度。
由于EKF算法利用直接判决的方式计算滤波器的测量残差,从而指导EKF的估计参量进行更新修正。当系统存在较大频偏,EKF使用快速跟踪阶段使用较大的Q值造成频偏周跳。频偏周跳的直接表现为恢复后的星座图完整良好,但是与理想星座点直接偏转90°,而最根本原因在于在星座图遭受大角度偏转的情况下,使用较大的调优参量Q值,容易在直接判决的时造成理想星座点的误判,从而导致EKF迭代更新出错。为了妥善的解决这个问题,MAKF算法中采取频偏实时监测和修正技术。预设一个频偏的估计范围,从而实时监测EKF估算出来的频偏值,当估算的频偏值超出预设范围时,直接判定频偏周跳,根据相应的频偏周跳值来进行实时修正,从而实现频偏周跳的检测和修正。最终保证算法的收敛速度、估计精度以及算法的稳定性。
在实施MAKF算法进行频偏和相位协同估计时,其基本方程归纳如下:
Figure BDA0001368547840000051
Figure BDA0001368547840000052
Figure BDA0001368547840000053
Figure BDA0001368547840000054
Figure BDA0001368547840000055
Figure BDA0001368547840000061
Figure BDA0001368547840000062
其中,方程(2)~(8)分别描述的是状态空间转移,先验协方差估计,Kalman增益,后验协方差,状态空间更新,频偏检测和频偏补偿方程;
其中θn,
Figure BDA0001368547840000063
分别代表估计的相位和频偏,A为状态转移方程;
Figure BDA0001368547840000064
为EKF的调优参量;β和λ分别是锁定检测的临界参数;
Figure BDA0001368547840000065
和Pn分别为先验协方差和后验协方差;K为Kalman增益;dz为测量余量;
Figure BDA0001368547840000066
ρ,
Figure BDA0001368547840000067
分别为估计频偏,频偏周跳系数和修正频偏。
图2为本发明实施例提供的是一个相干光通信的实验模型,具体流程图如下:
AWG(arbitrary waveform generator)生成12GS/s的电信号来驱动I/Q调制器生成对应的调制信号。本振激光器和发射端激光器输出的激光都被分成两部分:95%和5%,95%发射端激光器输出激光承载调制的光信号,95%本振激光器输出的激光输入到90o光学混频器进行相干光学检测。剩余的本振光和发射端激光在PD上进行拍频,得到拍频信号。接收信号经过一系列的离线数字信号处理,其中包括时钟恢复,信号均衡以及基于MAK算法的频偏和相位估计。对应的拍频信号通过FFT算法来计算信号的真实频偏。
如图3至图6所示,实验验证了三个不同频偏情况下的算法性能,实验结果表明:MAKF算法具有超快的算法收敛速度(50个符号内实现算法收敛),并且收敛精度很高(频偏误差小于200KHz)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,其特征在于,包括以下步骤:
首先,假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡,在数学上将其表示为:
Figure FDA0001368547830000011
其中,rn代表第n个接收的信号,mn代表第n个发射的信号,Ts代表相邻符号间隔,f代表系统频偏,
Figure FDA0001368547830000012
代表系统相位噪声,wn代表系统高斯白噪声;
其次,只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复,在MAKF算法中,信号先经过EKF做频偏和相位的估计,通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz,最小判决误差dz进入锁定检测模块,锁定检测模块通过计算一段数据长度的最小判决误差dz后,判决出此刻EKF应该使用的最佳调优参数Q,从而实现算法的自适应;在此同时,EKF估计出来的频偏值
Figure FDA0001368547830000013
通过频偏周跳检测和补偿估计,判决此时EKF算法估算出来的频偏值
Figure FDA0001368547830000014
是否超出预设的边界;一旦超出预设的边界,即刻判定频偏周跳,并且立马进行补偿;从而保证自适应EKF算法的稳定性和消除频偏周跳对算法误码的影响,最终实现对于光通信系统中频偏和相位噪声损伤的协同估计和补偿。
2.根据权利要求1所述的光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,其特征在于:所述MAKF算法主要包括三个部分:EKF、锁定检测和频偏周跳检测与补偿,EKF负责接收信号的频偏和相位的估计和补偿,锁定检测来自适应的选择对应的最佳调优参数Q,频偏检测和恢复用于实时监测EKF估计出来的频偏,并且进行对应的补偿。
3.根据权利要求2所述的光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,其特征在于:采用锁定检测的方式来自适应的选定当前时刻的最佳调优参量Q来实现快速、高精度的估算。
4.根据权利要求3所述的光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,其特征在于:在快速跟踪阶段,使用较大的调优参量Q实现对于估算参量的快速估计和收敛,在精准跟踪阶段,使用较小的调优参量Q来实现高精度的估计参量估计。
5.根据权利要求4所述的光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,其特征在于:在MAKF算法中采取频偏实时监测和修正技术,预设一个频偏的估计范围,从而实时监测EKF估算出来的频偏值,当估算的频偏值超出预设范围时,直接判定频偏周跳,根据相应的频偏周跳值来进行实时修正,从而实现频偏周跳的检测和修正。
6.根据权利要求1所述的光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法,其特征在于:
在实施MAKF算法进行频偏和相位协同估计时,其基本方程归纳如下:
Figure FDA0001368547830000021
Figure FDA0001368547830000022
Figure FDA0001368547830000023
Figure FDA0001368547830000024
Figure FDA0001368547830000025
Figure FDA0001368547830000026
Figure FDA0001368547830000027
其中,方程(2)~(8)分别描述的是状态空间转移,先验协方差估计,Kalman增益,后验协方差,状态空间更新,频偏检测和频偏补偿方程;
其中θn,
Figure FDA0001368547830000031
分别代表估计的相位和频偏,A为状态转移方程;
Figure FDA0001368547830000032
Q1>>Q2为EKF的调优参量;β和λ分别是锁定检测的临界参数;
Figure FDA0001368547830000033
和Pn分别为先验协方差和后验协方差;K为Kalman增益;dz为测量余量;
Figure FDA0001368547830000034
ρ,
Figure FDA0001368547830000035
分别为估计频偏,频偏周跳系数和修正频偏。
CN201710653074.9A 2017-08-02 2017-08-02 一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法 Active CN107359941B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710653074.9A CN107359941B (zh) 2017-08-02 2017-08-02 一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710653074.9A CN107359941B (zh) 2017-08-02 2017-08-02 一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107359941A CN107359941A (zh) 2017-11-17
CN107359941B true CN107359941B (zh) 2020-03-20

Family

ID=60287032

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710653074.9A Active CN107359941B (zh) 2017-08-02 2017-08-02 一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107359941B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113726703B (zh) * 2021-09-02 2022-10-18 苏州大学 面向高阶正交幅度调制信号的旋转引导盲相位检索方法
CN115174326B (zh) * 2022-06-16 2023-09-22 成都世纪科园电子有限公司 高速跳频msk信号的突发检测与相干解调装置及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101547062A (zh) * 2009-03-03 2009-09-30 华为技术有限公司 频偏纠正方法和设备
CN102647381A (zh) * 2012-03-22 2012-08-22 中兴通讯股份有限公司 一种mpsk相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101547062A (zh) * 2009-03-03 2009-09-30 华为技术有限公司 频偏纠正方法和设备
CN102647381A (zh) * 2012-03-22 2012-08-22 中兴通讯股份有限公司 一种mpsk相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fast, accurate, and robust frequency offset estimation based on modified adaptive Kalman filter in coherent optical communication system;Yanfu YANG等;《Optical Engineering》;20170930;第56卷(第9期);第1-6页 *
Frequency Offset Estimation in an OFDM System;Bor-Sen Chen 等;《Third IEEE Signal Processing Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications》;20010323;第150-153页 *
基于EKF和LKF级联的频偏和相位估计联合方案;侯冰洁 等;《光学学报》;20180131;第38卷(第1期);第1-6页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN107359941A (zh) 2017-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3189606B1 (en) System and method for recovering carrier phase in optical communications
US10396902B2 (en) Minimum variance carrier recovery with increased phase noise tolerance
CN105245303B (zh) 一种高速突发解调同步系统
CN106936513A (zh) 一种基于卡尔曼滤波算法的载波相位恢复方法及装置
CN111555819B (zh) 一种载波相位估计和补偿方法及系统
CN107707310B (zh) 一种基于自适应卡尔曼的偏振解复用和载波相位恢复方法
US8929749B2 (en) Minimum variance carrier recovery
US20140079407A1 (en) Updating apparatus and method for equalizer coefficient, receiver and otpical communication system
CN104365039B (zh) 在相干光通信中减少周跳
US20120163504A1 (en) Automatic frequency offset compensation in zero-intermediate frequency receivers using minimum-shift keying (msk) signaling
CN105530050A (zh) 均衡与偏振解复用和相偏估计与补偿的联合处理方法及装置
CN107359941B (zh) 一种光通信系统中频偏周跳实时监测和纠正的方法
CN108683620B (zh) 一种适合高阶调制方式的抗相位噪声盲载波恢复方法
US10404380B2 (en) Compensation apparatus for offset drift, received signal recovery apparatus and receiver
EP3849147B1 (en) Frequency offset estimation and compensation method and apparatus, communication device, and computer readable storage medium
US10027423B1 (en) Adaptive demapper
CN103179060B (zh) 均衡器的系数更新装置和方法
CN104243378B (zh) 一种应用于dqpsk系统的频偏补偿装置及其补偿方法
EP2806584B1 (en) Apparatus, method and computer program for recovering a phase of a received signal
CN106101044B (zh) 一种用于相干光通信系统的基于多步插值的频偏估计方法
US20190028322A1 (en) Joint noncoherent demodulation and carrier frequency offset correction based on non-linear filtering
CN116938655A (zh) 信号处理方法、电子设备和计算机可读存储介质
US20170180182A1 (en) Joint noncoherent demodulation and carrier frequency offset correction based on non-linear filtering
CN108667522B (zh) 一种实现相位跳变检测与纠正的方法及装置
CN116016049B (zh) 一种适合高动态低信噪比的频偏估计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant