CN109495183B - 一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法及系统，涉及相干光通信应用领域，方法包括：以每个参考星座点为中心设定相同的信号范围，所有信号范围内的信号点作为初始信号集，每个信号范围内的信号点作为信号子集，确定各信号子集的中心点；计算所有接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，以此进行聚类计算，得到新信号集、新信号子集以及新信号子集的中心点；通过调整计算信号空间距离的参数，保证接收信号总的EVM最低，且各新信号子集的中心点均位于初始信号集内，此时各子集中心点为实际参考星座点。本发明使求得的星座点中心和符号判决更准确，进而有效减少链路噪声和残余相差对信号判决的影响，适用于高阶相干光通信系统。

Description

一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法及系统
技术领域
本发明涉及相干光通信应用领域，具体来讲涉及一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法及系统。
背景技术
在相干光通信系统中，通信质量受到多方面的影响，其中线性损伤包括色散和偏振色散，非线性损伤包括非线性效应等。数字信号处理算法能很好的补偿各种线性损伤，但仍难以完全克服非线性损伤的影响。尤其在高速光通信系统中，为了提高通信容量广泛采用了高阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)格式，更密集的信号点需要更高的信噪比，由此带来的光纤非线性效应是高速传输系统中性能劣化的主要因素。
已有多种信号均衡算法用于消除相干光通信系统中非线性损伤的影响，比如数字反向传播、反向伏尔泰拉，但这些算法计算量巨大且适用性窄。随着机器学习方法的出现，新出现一类基于DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)算法的密度中心追踪(density-centroid tracking，DCT)算法，其原理是基于信号在星座图中分布的密度准确寻找出分布的中心，使用实际的星座分布而不是理想的星座分布来归类和判决各信号，这样能降低包括非线性效应的各类噪声影响，从而降低误码率。
现有DCT均衡方法类似于机器学习中的K均值方法(K-means),其具体实现是找出数据的中心进而归类数据，本质是一种无监督的聚类方法。K均值方法的聚类结果非常依赖于初始的簇分布中心，因此易于收敛到局部最优值，而且由于聚类判决使用非凸平方差函数，算法搜寻全局最优解时通常超出范围。因此当K值增加时，K均值方法难以发现全局最优解，难以适用于高阶调制格式。另一方面，DCT均衡方法假定接收信号已精确的完成了相位恢复，假定信号在星座图上的簇分布为简单的圆形散点。但实际上由于接收信号存在残余相位差，接收信号在星座图上总带有相位偏转，簇分布会带有围绕星座原点的拖尾。这决定了实际系统中不能简单采用K均值方法，而要将残余相位因素考虑进来。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法及系统，考虑到信号在星座图上的相位偏转因素，使求得的星座点中心和符号判决更准确，进而有效减少链路噪声和残余相差对信号判决的影响，适用于高阶相干光通信系统。
为达到以上目的，一方面，采取的技术方案是一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，包括步骤：
以每个参考星座点为中心设定相同的信号范围，所有信号范围内的信号点作为初始信号集，每个信号范围内的信号点作为信号子集，确定各信号子集的中心点；
计算所有接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，以此进行聚类计算，得到新信号集、新信号子集以及新信号子集的中心点；
通过调整计算信号空间距离的参数，保证接收信号总的EVM(Error VectorMagnitude，误差向量幅度)最低，且各新信号子集的中心点均位于初始信号集内，此时各子集中心点为实际参考星座点。
优选的，所述信号范围根据接收信号的信噪比设定，且每个信号范围内的信号点到参考星座点的欧式距离小于0.1×参考星座点间最短欧式距离。
优选的，所述各信号子集的中心点为信号子集的重心，基于求平均值计算获得。
优选的，所述接收信号的信号点实际围绕各信号子集的中心点呈椭圆形分布。
优选的，所述星座图上，计算各接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离的函数为：
Figure GDA0002484569760000031
其中，I为所述信号集的一个信号子集中心点，P为任意接收信号的信号点，IJ方向为所述椭圆的短轴方向，IK方向为所述椭圆的长轴方向，J和K分别为椭圆的长轴和短轴在坐标系上的交点，β表示IP与IK的夹角，rIP、rIJ和rIK分别表示I点到P点、J点和K点的欧式距离。
优选的，所述rIJ和rIK为调整的参数，由接收信号的调制格式和信噪比决定，调制阶数越高，rIJ和rIK越小；信噪比越小，rIJ和rIK越大；且相位噪声越大，rIK越大。
优选的，每次调整所述函数的参数后，进行聚类计算得到扩大后的新信号集及新信号子集，重新计算新信号子集的中心点。
优选的，得到所述实际参考星座点后，以所述椭圆形为界进行符号判决。
另一方面，采取的技术方案是相干光通信系统中星座点中心的跟踪系统，包括：
控制模块，其用于设置所述信号范围、确定初步信号集、调整所述函数的参数，以及通过判断得出实际参考星座点；
计算模块，其用于计算星座图上所有接收的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，并以此完成聚类计算，还用于计算各新信号子集的中心点的位置和接收信号总的EVM。
优选的，所述控制模块根据信噪比和调制格式设置信号范围，根据以下函数计算各接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离：
Figure GDA0002484569760000041
其中，I为所述信号集的一个信号子集中心点，P为任意接收信号点，IJ方向为椭圆的短轴方向，IK方向为椭圆的长轴方向，J和K分别为椭圆的长轴和短轴在坐标系上的交点，β表示IP与IK的夹角，rIP、rIJ和rIK分别表示I点到P点、J点和K点的欧式距离，且rIJ和rIK为调整的参数。
上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
1、考虑到信号在星座图上的相位偏转因素，基于信号空间的信号空间距离函数，对接收的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离进行了折算，求得的实际参考星座点更准确，使后续的符号判断更准确。
2、在机器学习的聚类过程中多次扩大信号集，并通过比较信号子集的中心点来进行检验，由于符合条件的子集中心点为实际参考星座点，保证求得的星座点中心的有效性。
附图说明
图1为本发明实施例相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法流程图；
图2为本发明实施信号到各信号集中心点的距离函数示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例中相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，具体包括步骤：
S1.以每个参考星座点为中心，根据接收信号的信噪比设定相同的信号范围，所有信号范围内的信号点作为初始信号集，每个信号范围内的信号点作为信号子集，确定上述各信号子集的中心点，所述信号子集的中心点，即为信号子集的重心，可以通过求平均值获得。
其中，信号范围是信号点到参考星座点的距离范围，以参考星座点为圆心划圆圈定。每个信号范围内的信号点到该信号范围内的参考星座点的欧式距离＜0.1×参考星座点间最短欧式距离。
S2.计算星座图上所有接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，并以此进行聚类计算，得到扩大后的新信号集及新信号子集，计算新信号子集的中心点。
由于存在未纠正的相位残余，接收信号在星座图上会有围绕原点的偏转；例如：理想的4-QAM信号在星座图上应该是位于45度、135度、225度和315度的4个圆形区域，但由于对应同一星座点的不同信号有相位偏差，实际信号在星座图上幅度大致相同但角度略有偏转。因此信号空间距离的计算需要考虑残余相位造成的拖尾因素，设定接收信号的信号点围绕各信号子集的中心点呈椭圆形分布。
如图2所示，星座图上，计算各接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离的函数为：
Figure GDA0002484569760000061
其中，I为所述信号集的一个信号子集中心点，P为任意接收信号点，IJ方向为所述椭圆的短轴方向，IK方向为所述椭圆的长轴方向，J和K分别为椭圆的长轴和短轴在坐标系上的交点，β表示IP与IK的夹角，rIP、rIJ和rIK分别表示I点到P点、J点和K点的欧式距离。上述rIJ和rIK为可调整的参数，由接收信号的调制格式和信噪比决定，调制阶数越高，rIJ和rIK越小；信噪比越小，rIJ和rIK越大；且rIK受相位噪声影响，相位噪声越大，rIK越大。
通过K类聚合方法进行聚类计算，即对所有信号进行分类并归入新信号集。然后基于求平均值，得到各新信号子集的重心，该重心即为新信号子集的中心点。
S3.判断所有接收信号总的EVM是否最低，若是，进入S5；若否，进入S4。
S4.调整信号空间的距离函数的参数rIJ和rIK，转入S2。
S5.判断各新信号子集的中心点是否均位于初始信号集内，若是，进入S6；若否，转入S4。
S6.以此时得到的新信号集为最优信号集，以最优信号集的各子集中心点为实际参考星座点，后续以上述椭圆为界进行符号判决。
基于上述方法，本实施例中提供一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪系统，包括控制模块和计算模块。
控制模块用于根据信噪比和调制格式设置信号范围、确定初步信号集、调整计算信号空间距离的参数，以及通过判断得出实际参考星座点。其中，判断条件为保证接收信号总的EVM最低，且各新信号子集的中心点均位于初始信号集内，否则更新调整计算信号空间距离的参数rIJ和rIK。
计算模块用于计算星座图上所有接收的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，并以此完成聚类计算，还用于计算各新信号子集的中心点的位置和接收信号总的EVM。具体的，对于接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，根据调整的参数rIJ和rIK重新进行计算。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于，包括步骤：
以每个参考星座点为中心设定相同的信号范围，所有信号范围内的信号点作为初始信号集，每个信号范围内的信号点作为信号子集，确定各信号子集的中心点；所述各信号子集的中心点为信号子集的重心，基于求平均值计算获得；
计算所有接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，以此进行聚类计算，得到新信号集、新信号子集以及新信号子集的中心点；
通过调整计算信号空间距离的参数，保证接收信号总的误差向量幅度EVM最低，且各新信号子集的中心点均位于初始信号集内，此时各子集中心点为实际参考星座点。
2.如权利要求1所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于：所述信号范围根据接收信号的信噪比设定，且每个信号范围内的信号点到参考星座点的欧式距离小于0.1×参考星座点间最短欧式距离。
3.如权利要求1所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于：所述接收信号的信号点实际围绕各信号子集的中心点呈椭圆形分布。
4.如权利要求3所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于，星座图上，计算各接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离的函数为：
Figure FDA0002484569750000011
其中，I为所述信号集的一个信号子集中心点，P为任意接收信号的信号点，IJ方向为所述椭圆的短轴方向，IK方向为所述椭圆的长轴方向，J和K分别为椭圆的长轴和短轴在坐标系上的交点，β表示IP与IK的夹角，rIP、rIJ和rIK分别表示I点到P点、J点和K点的欧式距离。
5.如权利要求4所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于：所述rIJ和rIK为调整的参数，由接收信号的调制格式和信噪比决定，调制阶数越高，rIJ和rIK越小；信噪比越小，rIJ和rIK越大；且相位噪声越大，rIK越大。
6.如权利要求5所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于：每次调整所述函数的参数后，进行聚类计算得到扩大后的新信号集及新信号子集，重新计算新信号子集的中心点。
7.如权利要求3-6任一项所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪方法，其特征在于：得到所述实际参考星座点后，以所述椭圆形为界进行符号判决。
8.一种基于权利要求1所述跟踪方法的相干光通信系统中星座点中心的跟踪系统，其特征在于，包括：
控制模块，其用于设置所述信号范围、确定初步信号集、调整函数的参数，以及通过判断得出实际参考星座点；
计算模块，其用于计算星座图上所有接收的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离，并以此完成聚类计算，还用于计算各新信号子集的中心点的位置和接收信号总的EVM。
9.如权利要求8所述的相干光通信系统中星座点中心的跟踪系统，其特征在于：所述控制模块根据信噪比和调制格式设置信号范围，根据以下函数计算各接收信号的信号点到各信号子集中心点的信号空间距离：
Figure FDA0002484569750000031
其中，I为所述信号集的一个信号子集中心点，P为任意接收信号点，IJ方向为椭圆的短轴方向，IK方向为椭圆的长轴方向，J和K分别为椭圆的长轴和短轴在坐标系上的交点，β表示IP与IK的夹角，rIP、rIJ和rIK分别表示I点到P点、J点和K点的欧式距离，且rIJ和rIK为调整的参数。
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