CN109450836B - 一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法，属于调制格式识别技术领域。待识别的光数字通信信号和本振激光器输出的连续激光进行相干解调输出模拟基带信号，模拟基带信号经模数转换器变为数字信号，数字信号进行色散和偏振模色散均衡后再计算相邻符号状态转换的幅度变化概率分布，最后根据概率分布识别调制格式：先计算相邻符号状态转化的幅度变化比，再计算幅度变化比的概率分布，根据概率分布的不同，识别出是QPSK、16QAM和64QAM中的哪一种。所述方法对激光器线宽引起的相位噪声和发射机激光器与本振激光器间的频率偏移不敏感，能够容忍光纤的非线性；不需训练数据或额外的硬件，具有实现简单且成本低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法，属于调制格式识别技术领域。
背景技术
调制格式识别对未来光网络发展非常重要。下一代光纤通信网络应该是弹性灵活配置的，它将能够根据网络操作需求动态地生成不同调制格式、数据速率和纠错协议的数据信号。因此，在异构弹性光网络中，数字相干接收机能自适应地对光数字通信信号的调制格式进行盲识别备受关注，这将为后续的数字信号处理提供必要的调制格式信息。
近几年中，已有一些数字相干接收机的调制格式识别技术被提出。已有文献提出了基于信号累积量和信号功率分布的调制格式识别技术，该技术需要假定接收信号的光信噪比(OSNR)已知。基于接收数据峰均功率比的调制格式识别技术，需要滤波器和功率计等额外硬件。基于Stokes空间表示和最大化可变贝叶斯期望的算法，采用迭代框架来优化特定参数集，从而识别调制格式，需要计算时间较长。一种采用数字频率偏移加载用于调制格式识别的技术，在发射端需要附加导频信号。基于机器学习的调制格式识别技术，提取格式相关的敏感特征以识别信号类型，如基于人工神经网络(ANN)、主成分分析 (PCA)、卷积神经网络(CNN)和深层神经网络(DNN)的调制格式识别方法；但机器方法需要大量的信号样本进行训练。
本申请拟通过分析待识别光数字通信信号状态转换的幅度变化概率分布特征，识别出相干光通信系统中最常用的三种格式：QPSK、 16QAM和64QAM。
发明内容
本发明的目的在于克服现有光通信信号调制格式识别方法存在的需要额外硬件以及复杂度偏高的技术缺陷，提出了一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法。
本方法的核心思想为：待识别的光数字通信信号和本振激光器输出的连续激光输入相干接收机中进行相干解调后输出模拟基带信号，模拟基带信号经模数转换器变为数字信号，数字信号进行色散和偏振模色散均衡后再计算相邻符号状态转换的幅度变化概率分布，最后根据概率分布识别调制格式，具体为：计算相邻符号状态转化的幅度变化比，计算幅度变化比的概率分布，根据概率分布的不同，识别出光数字通信调制是QPSK、16QAM和64QAM中的哪一种。
一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法所依托的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别系统的工作过程，包括如下步骤：
步骤(1)将经光纤链路输出的将待识别光数字通信信号输入相干接收机中；
其中，待识别光数字通信信号的调制格式为QPSK、16QAM和64QAM 三者中的一种；
步骤(2)相干接收机利用本振激光器将步骤(1)待识别光数字通信信号进行相干解调，输出基带模拟信号；
步骤(3)将步骤(2)输出的基带模拟信号进入模数转换器，输出数字信号；
步骤(4)将步骤(3)输出的数字信号输入数字信号处理器进行处理，识别出待识别光数字通信信号的调制格式，具体包括如下子步骤：
步骤(4.1)对步骤(3)输出的数字信号进行色散均衡和偏振模色散均衡；
步骤(4.2)将步骤(4.2)色散均衡和偏振模色散均衡后的信号下采样到每个符号一个点；
步骤(4.3)计算经过步骤(4.2)后输出信号的相邻符号状态转换的幅度变化概率分布以识别调制格式，具体为：
其中，步骤(4.2)输出的第k个符号的幅度记为Ak，k＝1,2…N， N为符号数量；
计算相邻符号状态转换的幅度变化概率分布，具体包括如下子步骤：
步骤(4.3.1)计算相邻符号状态转换的幅度变化比，具体为：
rk＝Ak+1/Ak，若rk＜1,则取其倒数作为rk的值，一共有N-1个幅度变换比，记为r1，r2...rN-2，rN-1；
步骤(4.3.2)计算rk的概率分布P1，定义为
其中，
表示幅度变化比小于等于
的概率；
步骤(4.3.3)判断步骤(4.3.2)计算的P1是否大于等于阈值0.6, 若是则待识别光数字通信信号的调制格式判定为QPSK，结束本方法；否则待识别光数字通信信号的调制格式为16QAM或64QAM，跳至步骤 (4.3.4)进行后续步骤；
步骤(4.3.4)计算rk的概率分布P2以及计算R＝1/[1-P2]；
其中，
步骤(4.3.5)判断步骤(4.3.4)计算的R是否大于阈值Rth，若是则待识别光数字通信信号的调制格式判定为16QAM，否则待识别光数字通信信号的调制格式判定为64QAM，结束本方法；
其中，阈值Rth为能够区别16QAM与64QAM的常数值，例如Rth为20。
有益效果
本发明提出的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.本方法对激光器线宽引起的相位噪声和发射机激光器与本振激光器之间的频率偏移不敏感，能够容忍光纤的非线性；
2.本方法不需要训练数据或额外的硬件，具有实现简单且成本低的优势。
附图说明
图1为本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法所基于的系统框图；
图2为本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法具体实施的流程图；
图3为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法将单信道2000km光纤数字通信系统中QPSK调制格式识别出来的P1的计算结果；
图4为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法将三信道2000km光纤数字通信系统中QPSK调制格式识别出来的P1的计算结果；
图5为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法将单信道2000km光纤数字通信系统中16QAM、64QAM调制格式识别出来的R的计算结果；
图6为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法将三信道2000km光纤数字通信系统中16QAM、64QAM调制格式识别出来的R的计算结果。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例叙述了采用本发明所述的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法的具体实施。
图1为本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法所基于的系统框图。
其中，具体实施时，步骤如下：
步骤I)经过光纤链路输出的待识别光数字通信信号输入相干接收机中；
其中，光纤链路主要包括标准单模光纤、掺铒光纤放大器A；
其中，在相干接收机中，待识别光数字通信信号与本振激光器耦合通过3dB耦合器耦合在一起，并且待识别光通信信号的调制格式为 QPSK、16QAM和64QAM三者中的一种；
步骤II)相干接收机基于本振激光器输出的本振信号对步骤I) 中的待识别光通信信号进行相干解调后输出模拟基带信号；
步骤III)模拟基带信号经模数转换器变为数字信号；
步骤IV)将步骤III)输出的数字信号进行色散和偏振模色散均衡；
其中，色散和偏振模色散均衡后的数字信号为一个采样周期两个采样点，即采样速率是符号速率的两倍；
步骤V)将步骤IV)色散和偏振模色散均衡后的数字信号进行下采样到每个符号一个点，即采样速率等于符号速率；
步骤VI)计算步骤V)输出信号的相邻符号状态转换的幅度变化比及其概率分布；
步骤VII)基于幅度变化概率分布的结果识别调制格式。
图2为本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法具体实施的流程图，如下步骤：
步骤1)将数字信号处理器中经色散、偏振模色散均衡后的信号进行重采样，使得采样率等于符号速率，即每个符号采集一个点；
步骤2)计算相邻符号状态转换的幅度变化比rk及其概率分布P1、 P2
具体为：
rk＝Ak+1/Ak，若rk＜1,则取其倒数作为rk的值，一共有N-1个幅度变换比，即r1，r2…rN-2，rN-1；
rk的概率分布P1，定义为
rk的概率分布P2,定义为
其中
表示幅度变化比小于等于
的概率；
表示幅度变化比小于等于
的概率；
步骤3)判断步骤2)计算的P1是否大于等于阈值0.6,若是则待识别光数字通信信号的调制格式判定为QPSK，结束本方法；否则待识别光数字通信信号的调制格式为16QAM或64QAM，进行后续步骤；
步骤4)计算R＝1/[1-P2]；
步骤5)判断步骤4)计算的R是否大于20，若是则待识别光数字通信信号的调制格式判定为16QAM，否则待识别光数字通信信号的调制格式判定为64QAM。
实施例2
本实施例叙述了采用本发明所述的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法识别单信道2000km光纤数字通信系统中传输的光数字信号的调制格式进行识别。本实施例中，发射激光器和本振激光器的线宽均为100kHz,本振激光器与待识别的光数字通信信号中心波长相同，为1554.0nm。QPSK、16QAM和64QAM三种调制格式的光数字信号分别输入2000km的光纤通信系统，符号速率为 28Gbaud,每种调制格式的光信号进入光纤的功率为2.0dBm，每个光纤跨段的长度为100km。在每个光纤跨段后，掺铒光纤放大器用来补偿光纤的损耗。传输2000km之后，相干光接收的信号经过两倍的采样进行色散和偏振模色散均衡，然后再进行重采样，得到每个符号一个采样点的数字信号。计算相邻符号状态转换的幅度变化比rk及其概率分布P1、P2。考虑到光纤通信系统的光信噪比由于级联使用的掺铒光纤放大器数量不同，会使得接收端光信噪比发生变化。因此在本实施例中，在接收端通过掺铒光纤放大器和衰减器获得功率可变的自发辐射噪声，并通过一个3dB耦合器与调制格式待识别的光信号耦合，从而改变接收端光信号的信噪比。图3为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法的流程计算的单信道 28Gbaud光信数字信号相邻符号幅度比的概率分布P1随着光信噪比变化的结果：由图3可以看出，QPSK格式的信号P1大于0.6,而 16QAM、64QAM格式的信号P1小于0.6,因此根据P1是大于0.6将QPSK 格式识别出来。图4为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法的流程计算的单信道28Gbaud光信数字信号相邻符号幅度比的概率分布函数R随着光信噪比变化的结果：由图 4可以看出，16QAM格式的信号R大于20,而64QAM格式的信号 R小于20,因此根据R是大于20将16QAM格式识别出来，根据R是小于等于20将16QAM格式识别出来。因此，依据P1和R的取值，可以将 QPSK、16QAM、64QAM三种调制格式识别出来，并且对噪声不敏感。
由于光纤中存在非线性效应，随着光纤传输距离的增加，累积的非线性增加。实施例2中，光纤的输入功率较大且光纤传输距离长，因此累积的信道内非线性效应较大，从图3和图4的结果可以得出本发明所述方法能容忍光纤的信道内非线性效应。
实施例3
本实施例叙述了采用本发明所述的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法识别三信道2000km光纤数字通信系统中传输的光数字信号的调制格式进行识别。本实施例中，发射激光器和本振激光器的线宽均为100kHz,三个信道的波长分别为1553.6nm、 1554.0nm、1554.4nm。本振激光器分别与待识别信道的光数字通信信号中心波长相同。QPSK、16QAM和64QAM三种调制格式的光数字信号分别输入1000km的光纤通信系统，符号速率为28Gbaud,每种调制格式的光信号进入光纤的功率为3.0dBm，每个光纤跨段的长度为 100km。在每个光纤跨段后，掺铒光纤放大器用来补偿光纤的损耗。传输1000km之后，相干光接收的信号经过两倍的采样进行色散和偏振模色散均衡，然后再进行重采样，得到每个符号一个采样点的数字信号。计算相邻符号状态转换的幅度变化比rk及其概率分布P1、P2。考虑到光纤通信系统的光信噪比由于级联使用的掺铒光纤放大器数量不同，会使得接收端光信噪比发生变化。因此在本实施例中，在接收端通过掺铒光纤放大器和衰减器获得功率可变的自发辐射噪声，并通过一个3dB耦合器与调制格式待识别的光信号耦合，从而改变接收端光信号的信噪比。图4为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法将三信道2000km光纤数字通信系统中QPSK调制格式识别出来的P1的计算结果；图5为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法的流程计算的三信道28Gbaud光信数字信号相邻符号幅度比的概率分布P1随着光信噪比变化的结果：由图5可以看出，QPSK格式的信号P1大于0.6, 而16QAM、64QAM格式的信号P1小于0.6,因此根据P1是大于0.6将 QPSK格式识别出来。图6为依据图2本发明一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法的流程计算的三信道28Gbaud光信数字信号相邻符号幅度比的概率分布函数R随着光信噪比变化的结果：由图6可以看出，16QAM格式的信号R大于20,而64QAM格式的信号R小于20,因此根据R是大于20将16QAM格式识别出来，根据R是小于等于20将16QAM格式识别出来。因此，依据P1和R的取值，可以将三信道光纤数字通信系统中QPSK、16QAM、64QAM三种调制格式识别出来。
由于光纤中存在非线性效应，随着光纤传输距离的增加，累积的非线性增加。实施例3中，光纤的输入功率较大且光纤传输距离长，因此三个信道之间累积的信道间非线性效应较大，从图5和图6的结果可以得出本发明所述方法能容忍光纤的信道间非线性效应。
由实施例2图3和图4的结果与实施例3中图5和图6的结果可以得出本发明所述方法能容忍长距离光纤传输累积的非线性效应。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤(1)将经光纤链路输出的待识别光数字通信信号输入相干接收机中；
步骤(2)相干接收机利用本振激光器将步骤(1)待识别光数字通信信号进行相干解调，输出基带模拟信号；
步骤(3)将步骤(2)输出的基带模拟信号进入模数转换器，输出数字信号；
步骤(4)将步骤(3)输出的数字信号输入数字信号处理器进行处理，识别出待识别光数字通信信号的调制格式，具体包括如下子步骤：
步骤(4.1)对步骤(3)输出的数字信号进行色散均衡和偏振模色散均衡；
步骤(4.2)将步骤(4.1)色散均衡和偏振模色散均衡后的信号下采样到每个符号一个点；
步骤(4.3)计算经过步骤(4.2)后输出信号的相邻符号状态转换的幅度变化概率分布以识别调制格式，具体为：
其中，步骤(4.2)输出的第k个符号的幅度记为Ak，k＝1，2…N，N为符号数量；
计算相邻符号状态转换的幅度变化概率分布，具体包括如下子步骤：
步骤(4.3.1)计算相邻符号状态转换的幅度变化比，具体为：rk＝Ak+1/Ak，若rk＜1，则取其倒数作为rk的值，一共有N-1个幅度变换比，记为r1，r2...rN-2，rN-1；
步骤(4.3.2)计算rk的概率分布P1，定义为
其中，
表示幅度变化比小于等于
的概率；
步骤(4.3.3)判断步骤(4.3.2)计算的P1是否大于等于阈值0.6，若是则待识别光数字通信信号的调制格式判定为QPSK，结束本方法；否则待识别光数字通信信号的调制格式为16QAM或64QAM，跳至步骤(4.3.4)进行后续步骤；
步骤(4.3.4)计算rk的概率分布P2以及计算R＝1/[1-P2]；
其中，
步骤(4.3.5)判断步骤(4.3.4)计算的R是否大于阈值Rth，若是则待识别光数字通信信号的调制格式判定为16QAM，否则待识别光数字通信信号的调制格式判定为64QAM，结束本方法。
2.根据权利要求1所述的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法，其特征在于：步骤(1)中，待识别光数字通信信号的调制格式为QPSK、16QAM和64QAM三者中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种状态转换概率分布的光数字通信调制格式识别方法，其特征在于：步骤(4.3.5)中，阈值Rth为能够区别16QAM与64QAM的常数值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20190308 Assignee: Hengshui Hanwang Electronic Technology Co.,Ltd. Assignor: BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2022990000971 Denomination of invention: A method of modulation format recognition in optical digital communication based on state transition probability distribution Granted publication date: 20200529 License type: Exclusive License Record date: 20221201 |