CN111313974A - 一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，属于相干光通信中的调制格式识别技术领域。包括如下步骤：第一步，计算相干接收复数信号的幅值；第二步，将复数信号的幅值进行升序排列；第三步，利用排序后某些特定幅值的均值进行比值计算；第四步，利用计算得到的比值实现调制格式识别。所述方法基于幅度分析，对频偏与激光器线宽引起的相位噪声不敏感，无需待处理数字通信信号的OSNR作为先验信息；降低了系统的复杂度，具有实现对信号实时监测的潜力；具有进一步识别其他幅度分布有差异的调制格式的潜力，应用更加广泛。

Description

一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法

技术领域

本发明涉及一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，属于相干光通信中的调制格式识别技术领域。

背景技术

为了满足大数据，云计算和流媒体不断增长的容量需求，光纤通信系统正在朝着更大容量、更长传输距离和更高频谱效率的方向进行改进。下一代弹性和感知网络已经吸引了全世界的研究兴趣，并且变得更加动态和异构。

过去几年中，基于正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM)技术的弹性光网络技术(Elastic Optical Network,EON)已经提出。EON可以根据时变的信道条件和业务需求自适应地调整不同传输参数，例如调制格式(Modulation Format，MF)、数据的符号率、光发射功率等。

由于传输参数的动态变化，调制格式识别(Modulation Format Identification,MFI)在光接收机中是不可缺少的。比如，数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)中的载波恢复、相位噪声补偿算法与信号的解调都需要MF作为先验信息。另外在光纤通信网络的中间节点处，对传输信号的网络资源的分配也依赖于信号的调制格式信息。

目前已有很多调制格式识别方法提出，比如四阶累积量特征分析的方法、峰均功率比分析的方法、非线性功率变换分析的方法、斯托克斯空间分析的方法、基于神经网络的方法等。四阶累积量特征分析的方法需要预先校正信号的相位误差；峰均功率比分析的方法需要信噪比(Optical Signal To Noise Ratio,OSNR)作为先验信息；非线性功率变换分析的方法对于高阶调制格式不适用；斯托克斯空间分析的方法必须在跟踪极化状态并恢复初始极化状态后进行；基于神经网络的方法需要大量的训练数据和复杂的训练过程。

针对以上调制格式识别方法存在的问题，为了更简单、高效、准确地实现调制格式识别，本发明致力于基于信号幅度排序与比值计算的方法，利用接收信号按照幅度排序后提取数据进行比值计算，利用比值作为格式识别参数实现四种常用的调制格式(QPSK,16QAM,32QAM和64QAM)的准确识别。

发明内容

本发明的目的是针对现有调制格式识别的方法存在的复杂度较高的技术缺陷，提出一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法。

本发明的核心思想是：第一步，计算相干接收复数信号的幅值；第二步，将复数信号的幅值进行升序排列；第三步，利用排序后某些特定幅值的均值进行比值计算；第四步，利用计算得到的比值实现调制格式识别。

所述调制格式识别方法，包括以下步骤：

步骤1：搭建背靠背数字通信系统，将得到的待处理数字通信信号输入相干接收机中；

其中，背靠背，即Back to back,简称BTB；待处理数字通信信号的调制格式为QPSK、8PSK、16QAM、32QAM及64QAM中的一种，且该待处理数字通信信号包括I路数据和Q路数据，是复数信号；

步骤2：相干接收机基于相干接收原理，结合本振激光器将步骤1中的待处理数字通信信号进行相干解调，输出基带模拟信号；随后基带模拟信号经模数转换器转换为数字信号；

步骤3：将步骤2中转换的数字信号输入数字信号处理器，得到调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃，具体包括如下子步骤：

步骤3.1：将步骤2中经模数转换器转换的数字信号进行色散均衡、时钟恢复以及恒模算法，得到恢复信号；

步骤3.2：将步骤3.1中得到的恢复信号以每符号一个采样点为标准进行下采样，输出下采样后的信号，并计算下采样后信号的幅值，得到幅值集合A；

其中，下采样后信号，即单倍采样数字信号；

步骤3.3：将幅值集合A按照幅值升序排列得到排列后的集合A^sort，使得集合中的元素满足

其中，

为集合A中的第N个元素；

步骤3.4：计算下采样后信号的三个调制格式识别特征因子

其中，{a,b}表示包含集合A^sort中第a个元素到第b个元素之间所有元素的子集；

表示集合X中元素的均值；|Y|表示集合Y中元素的个数；

步骤4：改变步骤1中待处理数字通信信号的OSNR值，以得到不同OSNR值对应的调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃的值，从而确定三个调制格式识别阈值th₁,th₂,th₃；

其中，阈值th₁,th₂,th₃的确定步骤为：

1)根据R₁随OSNR的变化曲线，在QPSK的R₁与16QAM，32QAM，64QAM的R₁之间的空余区域取阈值th₁以实现QPSK信号与16QAM，32QAM，64QAM信号的区分；

2)根据R₂随OSNR的变化曲线，在16QAM与32QAM，64QAM的R₂之间的空余区域取阈值th₂以实现16QAM信号与32QAM，64QAM信号的区分；

3)根据R₃随OSNR的变化曲线，在32QAM与64QAM的R₃之间的空余区域取阈值th₃以实现32QAM信号与64QAM的区分；

步骤5：搭建长距离传输数字通信系统，将得到的待处理数字通信信号输入相干接收机中；

步骤6：重复步骤2、步骤3，得到长距离传输后的待处理数字通信信号的调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃，将R₁,R₂,R₃与各自的调制格式识别阈值th₁,th₂,th₃相比，实现数字信号的调制格式识别，具体包括如下子步骤：

1)若R₁≤th₁，则待处理数字通信信号判定为QPSK信号；

2)若R₁＞th₁且R₂≤th₂，则待处理数字通信信号判定为16QAM信号；

3)若R₁＞th₁，R₂＞th₂且R₃≤th₃，则待处理数字通信信号判定为32QAM信号；

4)若R₁＞th₁，R₂＞th₂且R₃＞th₃，则待处理数字通信信号判定为64QAM信号；

至此，获取了待处理数字通信信号的信号调制格式，实现了一种幅度排序与比值计算的调制格式识别方法。

有益效果

本发明一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明所述方法基于幅度分析，对频偏与激光器线宽引起的相位噪声不敏感；

2.本发明所述方法与基于峰均功率比分析的方法相比，无需待处理数字通信信号的OSNR作为先验信息；

3.本发明所述方法与基于神经网络的调制格式识别与OSNR估计联合方法相比，无需生成大量训练数据，也无需进行繁琐的对网络训练的过程，降低了系统的复杂度，具有实现对信号实时监测的潜力；

4.本发明所述方法具有进一步识别其他幅度分布有差异的调制格式的潜力，应用更加广泛。

附图说明

图1为本发明一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法依托的系统原理图；

图2为背靠背数字通信系统四种调制格式的待处理数字信号的识别特征因子R₁,R₂,R₃随OSNR变化的曲线图；

图3为本发明一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法的流程图；

图4为长距离传输数字通信系统四种调制格式的待处理数字信号的识别特征因子R₁,R₂,R₃随OSNR变化的曲线图；

图5本发明一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法调制格式正确识别概率随OSNR变化的结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明一种幅度排序与比值计算的调制格式识别方法进行详细说明。

实施例1

本实施例叙述了本发明一种幅度排序与比值计算的调制格式识别方法的具体实施过程。

以附图1的原理图搭建背靠背数字通信仿真系统，生成不同OSNR条件下的四种常用调制格式(PDM-QPSK,PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM)的信号，并在发射端通过产生完全独立的伪随机序列(pseudo-random binary sequences,PRBS)分别驱动X和Y偏振态的I和Q路信号，以得到多个模式的信号。按照步骤1、步骤2与步骤3得到背靠背的待处理数字通信信号的调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃随OSNR变化的曲线图，并且显示在附图2，并按照步骤4确定三个调制格式识别阈值分别为：th₁＝2.5,th₂＝2.3,th₃＝6.4。

执行步骤5，并以附图3中所示的流程执行步骤6，得到经过长距离传输的PDM-QPSK,PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM信号的调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃随OSNR变化的结果图，并显示在附图4。附图4a为PDM-QPSK,PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM信号的调制格式识别特征因子R₁随OSNR变化的曲线图，PDM-QPSK信号的R₁均小于th₁，而PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM信号的R₁均大于th₁；附图4b为PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM信号的调制格式识别特征因子R₂随OSNR变化的曲线图，PDM-16QAM信号的R₂均小于th₂，而PDM-32QAM,PDM-64QAM信号的R₂均大于th₂；附图4c为PDM-32QAM,PDM-64QAM信号的调制格式识别特征因子R₃随OSNR变化的曲线图，PDM-32QAM信号的R₃均小于th₃，而PDM-64QAM信号的R₃均大于th₃。

附图5为在光纤链路中传输2000km的PDM-QPSK,PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM信号，在步骤6执行后得到的正确识别概率随OSNR变化的结果，每种调制格式每个OSNR条件下有20个不同的模式。四种信号各自的7％前向纠错(Forward Error Correction,FEC)门限同样通过竖虚线表现在图中。可见，在PDM-QPSK,PDM-16QAM,PDM-32QAM,PDM-64QAM信号在OSNR分别低至5dB,13dB,13dB,10dB时(低于各自的7％FEC门限值)，不同调制格式的信号均可以通过步骤6实现正确率为100％的识别。

至此，获得了下采样信号的调制格式信息。在调制格式识别过程中，对频偏与激光器线宽引起的相位噪声的影响不敏感，体现了第1个有益效果。

在调制格式识别过程中，无需OSNR作为本方法的先验信息，体现了第2个有益效果。

与基于卷积神经网络与深度神经网络的方法相比，本发明的调制格式识别基于调制格式识别因子的阈值划分，无需大量训练数据，也无需进行繁琐的对网络训练的过程，降低了系统的复杂度、简化了方法的流程，具有实现对信号实时监测的潜力，体现了本发明的第3个有益效果。

通过改变步骤3.4中调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃的定义，具有进一步识别其他幅度分布有差异的调制格式的潜力，体现了本发明的第4个有益效果。

以上所述的实施例作为实施例之一，不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。该实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。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 (4)

1.一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：搭建背靠背数字通信系统，将得到的待处理数字通信信号输入相干接收机中；

其中，待处理数字通信信号的调制格式为QPSK、8PSK、16QAM、32QAM及64QAM中的一种；

步骤2：相干接收机基于相干接收原理，结合本振激光器将步骤1中的待处理数字通信信号进行相干解调，输出基带模拟信号；随后基带模拟信号经模数转换器转换为数字信号；

步骤3：将步骤2中转换的数字信号输入数字信号处理器，得到调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃，具体包括如下子步骤：

步骤3.1：将步骤2中经模数转换器转换的数字信号进行色散均衡、时钟恢复以及恒模算法，得到恢复信号；

步骤3.2：将步骤3.1中得到的恢复信号以每符号一个采样点为标准进行下采样，输出下采样后的信号，并计算下采样后信号的幅值，得到幅值集合A；

步骤3.3：将幅值集合A按照幅值升序排列得到排列后的集合A^sort，使得集合中的元素满足

其中，

为集合A中的第N个元素；

步骤3.4：计算下采样后信号的三个调制格式识别特征因子

其中，{a,b}表示包含集合A^sort中第a个元素到第b个元素之间所有元素的子集；

表示集合X中元素的均值；|Y|表示集合Y中元素的个数；

步骤4：改变步骤1中待处理数字通信信号的OSNR值，以得到不同OSNR值对应的调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃的值，从而确定三个调制格式识别阈值th₁,th₂,th₃；

其中，阈值th₁,th₂,th₃的确定步骤为：

其中，阈值th₁,th₂,th₃的确定步骤为：

1)根据R₁随OSNR的变化曲线，在QPSK的R₁与16QAM，32QAM，64QAM的R₁之间的空余区域取阈值th₁以实现QPSK信号与16QAM，32QAM，64QAM信号的区分；

2)根据R₂随OSNR的变化曲线，在16QAM与32QAM，64QAM的R₂之间的空余区域取阈值th₂以实现16QAM信号与32QAM，64QAM信号的区分；

3)根据R₃随OSNR的变化曲线，在32QAM与64QAM的R₃之间的空余区域取阈值th₃以实现32QAM信号与64QAM的区分；

步骤5：搭建长距离传输数字通信系统，将得到的待处理数字通信信号输入相干接收机中；

步骤6：重复步骤2、步骤3，得到长距离传输后的待处理数字通信信号的调制格式识别特征因子R₁,R₂,R₃，将R₁,R₂,R₃与各自的调制格式识别阈值th₁,th₂,th₃相比，实现数字信号的调制格式识别，具体包括如下子步骤：

1)若R₁≤th₁，则待处理数字通信信号判定为QPSK信号；

2)若R₁＞th₁且R₂≤th₂，则待处理数字通信信号判定为16QAM信号；

3)若R₁＞th₁，R₂＞th₂且R₃≤th₃，则待处理数字通信信号判定为32QAM信号；

4)若R₁＞th₁，R₂＞th₂且R₃＞th₃，则待处理数字通信信号判定为64QAM信号。

2.根据权利要求1所述的一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，其特征在于：步骤1中，背靠背，即Back to back,简称BTB。

3.根据权利要求1所述的一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，其特征在于：步骤1中待处理数字通信信号包括I路数据和Q路数据，是复数信号。

4.根据权利要求1所述的一种信号幅度排序与比值计算的调制格式识别方法，其特征在于：步骤3.2中，下采样后信号，即单倍采样数字信号。

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