CN107659526A - 一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统 - Google Patents

一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统，所述方法的步骤包括在发射端对光信号做快速傅里叶逆变换和并/串转换得到OFDM信号；在OFDM的偏振态光信号中插入由QPSK信号构成的训练符号作为训练序列Tx及Ty；将接收机得到的偏振态训练序列rBt_x及rBt_y分别作为CMA均衡器的输入信号；输入信号经过CMA均衡之后得到输出信号x_Pol及y_Pol；将输出信号x_Pol及y_Pol与训练序列Tx及Ty做自相关运算得到两个相关向量tmp_x及tmp_y；将全频段频偏以0.001个载波频偏的间隔分别补偿给相关向量tmp_x及tmp_y得到结果Ψx及Ψy；重复上一步骤得到所有结果Ψx及Ψy；所述Ψx及Ψy中模值最大的载波频偏为频偏实际估计值。系统包括存储设备和处理设备，用于实现所述方法。本发明可以得出高精度频偏估计值。

Description

一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统。
背景技术
在相干探测技术中，要求接收端的本地激光器和发射端的激光器波长相同。然而，由于激光器的制作工艺和激光器自身的不稳定性，无法保证发射端激光器与本地振荡器完全工作于同一种频率。所以，经过拍频后的信号存在频偏，致使接收信号在复平面发生旋转，影响后续载波相位恢复的进行，仅子载波频率间隔1％的频偏就能使光信噪比(OSNR)下降30dB，因此需要载波频偏估计算法对其进行恢复补偿。
在常用的单模光纤传输系统中，光的两个偏振态都可以用来传输信号。将两个偏振态的光信号分别用来传输信息的方式就是偏振复用(PDM)，偏振复用技术的引入使得光纤通信系统的容量增加了一倍。但是，偏振复用的信号在光纤中传输时，两个偏振态会在光纤中随机的旋转，这种随机的旋转被称为偏振模色散，这也会导致能量损耗引发信号失真。因此，在偏振复用的实现过程中必须克服偏振模色散和偏振相关损耗对OFDM信号的影响，这种影响表现在对频偏估计的方面较为明显。如何克服这种影响从而得到较高精度的频偏估计值就成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统，通过将CMA应用到OFDM信号处理中可以有效去除偏振模色散以及光纤的非线性损耗等因素。最后结合频偏估计算法，可以有效解决上述问题。
本发明提供的技术方案是：一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，所述方法包括步骤：在发射端对光信号做快速傅里叶逆变换和并/串转换得到OFDM信号；在OFDM中的偏振态光信号中插入由QPSK信号构成的训练符号作为训练序列Tx及Ty；将接收机得到的来自发射机的偏振态训练序列rBt_x及rBt_y分别作为CMA均衡器的输入信号；所述输入信号经过CMA均衡之后得到输出信号x_Pol及y_Pol；将输出信号x_Pol及y_Pol与训练序列Tx及Ty做自相关运算得到两个相关向量tmp_x及tmp_y；将全频段频偏以0.001个载波频偏的间隔分别补偿给相关向量tmp_x及tmp_y得到结果Ψx及Ψy；重复上一步骤直到全频段的频偏都被用到，得到所有结果Ψx及Ψy；所述Ψx及Ψy中模值最大的载波频偏即为频偏实际估计值。一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法。一种光纤通信中精确估计载波频偏的系统，包括所述存储设备和处理设备。所述系统用于实现所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统，通过将CMA应用到OFDM信号处理中可以有效去除偏振模色散以及光纤的非线性损耗等因素，再结合频偏估计算法，最后得出高精度的频偏估计值。
附图说明
图1是本发明实施例中精确估计载波频偏方法的整体流程图；
图2是本发明实施例中训练序列Tx及Ty的示意图；
图3是本发明实施例的设备系统工作示意图；
图4是本发明实施例载波频偏估计误差和实际频偏值之间的关系曲线图；
图5是本发明实施例中误码率和实际频偏值之间的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述，下文中提到的具体技术细节，如：方法，设备等，仅为使读者更好的理解技术方案，并不代表本发明仅局限于以下技术细节。
本发明的实施例提供了一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统，通过将CMA应用到OFDM信号处理中可以有效去除偏振模色散以及光纤的非线性损耗等因素，再结合频偏估计算法，最后得出高精度的频偏估计值。请参阅图1，图1是本发明实施例中精确估计载波频偏方法的整体流程图，所述方法由一种光纤通信中精确估计载波频偏的系统实现，具体步骤包括：
S101：在发射端对光信号做快速傅里叶逆变换和并/串转换得到OFDM信号。
S102：在OFDM中的偏振态光信号中插入由QPSK信号构成的训练符号作为训练序列Tx及Ty；所述训练序列Tx及Ty具体形式为[AN AN AN –AN]和[BN BN BN –BN]；所述AN和BN是由QPSK信号映射而成的伪随机序列且长度为N。参见图2，图2是本发明实施例中训练序列Tx及Ty的示意图，包括：OFDM框架201、Tx训练序列202及Ty训练序列203。由图2中可见，快速傅里叶变换的数据大小为128点。
S103：将接收机得到的来自发射机的偏振态训练序列rBt_x及rBt_y分别作为CMA均衡器的输入信号。
S104：所述输入信号经过CMA均衡之后得到输出信号x_Pol及y_Pol；所述CMA均衡器的抽头系数为hxx、hxy、hyx及hyy；所述抽头系数的长度为13；所述抽头系数由误差量εx＝1-|x_Pol(k)|2、εy＝1-|y_Pol(k)|2及调整系数μ(0.001)决定；所述x_Pol的表达式为x_pol(k)＝h* xx(k)rBt_xin(k)+h* yx(k)rBt_yin(k)；所述y_Pol的表达式为y_pol(k)＝h* xy(k)rBt_xin(k)+h* yy(k)rBt_yin(k)；上述表达式中，hxx(k+1)＝hxx(k)+μεxx_pol(k)rBt_x(k)*、hyx(k+1)＝hyx(k)+μεxPol_x(k)rBt_y(k)*、hxy(k+1)＝hxy(k)+μεyPol_y(k)rBt_x(k)*且hyy(k+1)＝hyy(k)+μεyPol_y(k)rBt_y(k)*。
S105：将输出信号x_Pol及y_Pol与训练序列Tx及Ty做自相关运算得到两个相关向量tmp_x及tmp_y；所述相关向量tmp_x及tmp_y的具体表达式为：tmp_x(i)＝Tx(i)Pol_x(i)*及tmp_y(i)＝Ty(i)Pol_y(i)*；所述i＝1,2,…,4N。
S106：将全频段频偏以0.001个载波频偏的间隔分别补偿给相关向量tmp_x及tmp_y得到结果Ψx及Ψy；其中， 所述μ取值为间隔为0.001；所述ΔfN是载波频率间隔。
S107：重复上一步骤直到全频段的频偏都被用到，得到所有结果Ψx及Ψy。
S108：所述Ψx及Ψy中模值最大的载波频偏即为频偏实际估计值；所述Ψx及Ψy取最大模值的μ和ε记为和x偏振方向频偏估计值为y偏振方向频偏估计值为
参见图3，图3是本发明实施例的设备系统工作示意图。具体地，301、302表示仿真的比特数据流输入到发射端。然后303符号映射模块对两个偏振态上的伪随机比特序列进行映射，本实施例中采用的是QPSK调制格式。304表示在IFFT前插入导频，用于相位噪声恢复和信道估计。308表示在305IFFT处理之后、306插入循环前缀以及307并/串转换之后，插入由QPSK信号映射而成的伪随机序列作为训练序列。然后通过309DACs(数/模转换)把数字信号转换成模拟信号，用来驱动311和312的I/Q调制器中的马赫增德尔调制器(MZM)。310表示相干光通信系统中的发送端激光器，与317本地激光器相对应。由于工作频率不能完全一致的原因，导致载波频偏的产生。313、314和315分别表示光的分束器和耦合器，主要是用来分离和耦合光的两个偏振态。316表示单模光纤的信道传输。318表示两个90°混频器，用来进行光混频，使光产生一个90°的相移。319表示光电二极管，共有四个，主要用来平衡探测，对光信号进行接收。320表示整个的接收机数字信号处理。321表示在接收端进行的第一步工作，找到OFDM框架起始点的位置，然后根据321找到的起始点的位置提取出训练序列，对接收端提取的训练序列进行322的恒模算法均衡。根据322恒模算法的输出结果，进行323的载波频偏估计。最后进行324去循环前缀、325串/并转换、326FFT处理、327信道估计以及328相位噪声的估计等对信号进行恢复。最后，根据发送端的比特数据和接收端恢复出来的信号进行329误码率计算。330表示存储设备，用来存储指令及数据。图3中所示的设备系统用来实现所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法。
参见图4，图4是本发明实施例载波频偏估计误差和实际频偏值之间的关系曲线图，包括：OSNR为8dB的曲线401、OSNR为16dB的曲线402、实际载波频偏轴403及归一化载波频偏估计误差轴404。为了验证统计结果的正确性，每个数据点都进行了超过200次的仿真求均值。由图4可知，OSNR为8dB时，在-6GHz到+6GHz的实际频偏下，归一化载波频偏估计误差在6×10-3左右；在OSNR为16dB时，在-6GHz到+6GHz的实际频偏下，归一化载波频偏估计误差不超过7×10-3。
参见图5，图5是本发明实施例中误码率和实际频偏值之间的关系曲线图，具体包括：OSNR为8dB的曲线501、OSNR为12dB的曲线502、OSNR为16dB的曲线503、实际载波频偏轴504及误码率(log10(SER))曲线505。由图5可见，在OSNR为16dB时，误码率可以达到1×10-3以下，基本满足实际应用的需求
通过执行本发明的实施例，本发明权利要求里的所有技术特征都得到了详尽阐述。
区别于现有技术，本发明的实施例提供了一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法及系统，通过将CMA应用到OFDM中可以有效去除偏振模色散以及光纤的非线性损耗等因素，再结合频偏估计算法，最后得出高精度的频偏估计值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，所述方法由一种光纤通信中精确估计载波频偏的系统实现，其特征在于：包括以下步骤：在发射端对光信号做快速傅里叶逆变换和并/串转换得到OFDM信号；在OFDM中的偏振态光信号中插入由QPSK信号构成的训练符号作为训练序列Tx及Ty；将接收机得到的来自发射机的偏振态训练序列rBt_x及rBt_y分别作为CMA均衡器的输入信号；所述输入信号经过CMA均衡之后得到输出信号x_Pol及y_Pol；将输出信号x_Pol及y_Pol与训练序列Tx及Ty做自相关运算得到两个相关向量tmp_x及tmp_y；将全频段频偏以0.001个载波频偏的间隔分别补偿给相关向量tmp_x及tmp_y得到结果Ψx及Ψy；重复上一步骤直到全频段的频偏都被用到，得到所有结果Ψx及Ψy；所述Ψx及Ψy中模值最大的载波频偏即为频偏实际估计值。
2.如权利要求1所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所述训练序列Tx及Ty具体形式为[AN AN AN –AN]和[BN BN BN –BN]；所述AN和BN是由QPSK信号映射而成的伪随机序列且长度为N。
3.如权利要求1所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所述CMA均衡器的抽头系数为hxx、hxy、hyx及hyy；所述抽头系数的长度为13。
4.如权利要求3所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所述抽头系数由误差量εx＝1-|x_Pol (k)|2、εy＝1-|y_Pol (k)|2及调整系数μ(0.001)决定。
5.如权利要求1所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所述x_Pol的表达式为x_pol(k)＝h* xx(k)rBt_xin(k)+h* yx(k)rBt_yin(k)；所述y_Pol的表达式为y_pol(k)＝h* xy(k)rBt_xin(k)+h* yy(k)rBt_yin(k)；其中，hxx(k+1)＝hxx(k)+μεxx_pol(k)rBt_x(k)*、hyx(k+1)＝hyx(k)+μεxPol_x(k)rBt_y(k)*、hxy(k+1)＝hxy(k)+μεyPol_y(k)rBt_x(k)*且hyy(k+1)＝hyy(k)+μεyPol_y(k)rBt_y(k)*。
6.如权利要求1所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所述相关向量tmp_x及tmp_y的具体表达式为：tmp_x(i)＝Tx(i)Pol_x(i)*及tmp_y(i)＝Ty(i)Pol_y(i)*；所述i＝1,2,…,4N。
7.如权利要求1所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所诉Ψx及Ψy的表达式为：及
所述μ取值为间隔为0.001；所述ΔfN是载波频率间隔。
8.如权利要求7所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法，其特征在于：所述Ψx及Ψy取最大模值的μ和ε记为和x偏振方向频偏估计值为y偏振方向频偏估计值为
9.一种存储设备，其特征包括：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～8所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法。
10.一种光纤通信中精确估计载波频偏的系统，其特征在于：包括：处理设备及所述存储设备；所述处理设备加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～8所述的一种光纤通信中精确估计载波频偏的方法。
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WW01 Invention patent application withdrawn after publication

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