CN112600778B - 一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法 - Google Patents

一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法，属于光纤通信技术领域。方法包括在光纤通信系统的接收端根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率、计算归一化星座图缩放因子、确定基准星座图、根据前述基准星座图进行盲相位搜索方法，实现载波相位恢复。本方法能够有效解决概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复问题，能够更好地去除自发辐射噪声对相位噪声估计的影响。

Description

一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法。
背景技术
随着英特网的广泛普及和一些新兴、大带宽业务运用的快速发展，特别是4K极清电视点播宽带视频业务、虚拟现实、增强现实等新兴业务的兴起，通信容量需要进一步提高。同时，由于某些特定场合的传输应用需求，需要在特定传输距离上实现特定的频谱效率，并且考虑经济效益因素，未来的光通信系统的接收机及发射机必然是速率可以灵活调整的高阶调制格式。最近被广泛研究的概率整形正交振幅调制格式可以灵活的改变星座图各点分布的概率，从而改变信号的熵，具有动态灵活大容量传输的特点。通过改变概率整形正交振幅调制格式的阶数及信号熵，可以满足未来光通信系统中的各种需求。
图1是一个典型的光纤通信系统。发送端光信号产生单元通常采用外调制。发送端DSP将需要发送的信号进行处理后，送入光信号调制模块。然后光信号调制模块将信号调制到外腔激光器发出的载波上。调制后的载波被耦合进标准单模光纤传输。经过光纤传输后的载波进入相干接收机被接收。相干接收机把本振光和接收到的载波进行干涉，从而得到4路电信号，XI、XQ、YI、YQ。接收端信号处理单元对四路电信号进行数字信号处理后得到最终的信息。接收端数字信号处理流程如图2所示。因为光网络中不同的链路的长度不尽相同，接收到的光功率是不同的，这就导致接收到的星座图功率不同。所以在接收端数字信号处理模块中第一步就是对信号进行功率归一化。由于发送端采了概率整形技术，其星座点中间概率高，外围概率低，导致概率整形正交振幅调制格式的归一化星座图相比均匀分布归一化星座图向外缩放，如图3所示。传统的盲相位搜索方法需要根据归一化星座图去判决以及计算和判决点的平方距离。如果用传统盲相位搜索方法去判决概率整形正交振幅调制格式的星座点以及计算平方距离会导致传统的盲相位搜索方法容易出现判决错误从而得到错误的平方距离，从而无法追踪相位噪声，以至于载波相位恢复性能大幅下降。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法，旨在解决传统盲相位搜索方法容易出现判决错误从而得到错误的平方距离，从而无法追踪相位噪声，以至于载波相位恢复性能大幅下降的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法，包括以下步骤：
(1)在光纤通信系统的接收端根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率；
(2)根据信号平均功率计算归一化星座图缩放因子；
(3)根据归一化星座图缩放因子确定基准星座图；
(4)根据基准星座图进行盲相位搜索，实现载波相位恢复。
进一步地，步骤(1)根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率用公式表示为：
E(λ)＝P(x)*|x|2
Figure GDA0003243780300000031
其中，λ为整形参数，x为发送符号且
Figure GDA0003243780300000032
Figure GDA0003243780300000033
Figure GDA0003243780300000034
为标准星座图，i为虚数单位，m为每符号调制比特数，P(x)为发送概率。
进一步地，步骤(2)具体包括：
(2.1)计算λ＝0时的信号平均功率E0；
(2.2)归一化星座图缩放因子计算方法如下：
Figure GDA0003243780300000035
进一步地，步骤(3)中基准星座图表示为：
Figure GDA0003243780300000036
进一步地，步骤(4)具体包括：
(4.1)设置B个测试相位角：
Figure GDA0003243780300000037
(4.2)将接收端接收到的第k个信号yk乘上B个测试相位角得到
Figure GDA0003243780300000038
并将
Figure GDA0003243780300000039
判决为基准星座图上距离点
Figure GDA00032437803000000310
最近的星座点；
(4.3)计算
Figure GDA00032437803000000311
和相应判决星座点
Figure GDA00032437803000000312
的平方距离；
Figure GDA0003243780300000041
(4.4)将同个测试相位的前N个平方距离进行平均：
Figure GDA0003243780300000042
(4.5)得到第k个信号yk的测试相位角：
Figure GDA0003243780300000043
(4.6)对所述测试相位角进行相位展开：
若
Figure GDA0003243780300000044
若
Figure GDA0003243780300000045
否则
Figure GDA0003243780300000046
展开的相位为
Figure GDA0003243780300000047
其中，
Figure GDA0003243780300000049
表示第k个相位修正项；
(4.7)得到的展开相位角作为相位噪声对信号yk进行补偿：
Figure GDA0003243780300000048
其中，rk为第k个补偿后的信号。
本发明另一方面提供了一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明由于优化了判决的基准星座图，在判决为星座图上的点时，错判为相邻星座点的概率大幅下降，得到的平均平方距离能更准确，更好的去除自发辐射噪声对相位噪声估计的影响，从而得到的相位噪声更加准确相比传统方法，由于使用了本方法，其能适用于更大范围的整形参数λ，广义互信息量(GMI)有一定的提升。同时，本发明是一种载波相位恢复方法，其在数字信号处理模块中的位置和传统载波相位恢复一样。同时，均匀分布星座图是概率整形正交振幅调制格式整型参数为0的一种特殊情况，所以该方法也适用于均匀分布星座图。
附图说明
图1为本发明光纤通信系统示意图；
图2为本发明接收端数字信号处理流程图；
图3为本发明概率整形正交振幅调制格式的归一化星座图相比均匀分布归一化星座图向外缩放的PS-16QAM示意图；
图4为PS-16QAM采用传统盲相位搜索方法和本发明提供的方法得到的信号的广义互信息。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法，包括以下步骤：
(1)在光纤通信系统的接收端根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率；
(2)根据信号平均功率计算归一化星座图缩放因子；
(3)根据归一化星座图缩放因子确定基准星座图；
(4)根据基准星座图进行盲相位搜索，实现载波相位恢复。
具体地，步骤(1)根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率用公式表示为：
E(λ)＝P(x)*|x|2
Figure GDA0003243780300000066
其中，λ为整形参数，x为发送符号且
Figure GDA0003243780300000061
Figure GDA0003243780300000062
Figure GDA0003243780300000063
为标准星座图，i为虚数单位，m为每符号调制比特数，P(x)为发送概率。
具体地，步骤(2)具体包括：
(2.1)计算λ＝0时的信号平均功率E0；
(2.2)归一化星座图缩放因子计算方法如下：
Figure GDA0003243780300000064
具体地，步骤(3)中基准星座图表示为：
Figure GDA0003243780300000065
具体地，步骤(4)具体包括：
(4.1)设置B个测试相位角：
Figure GDA0003243780300000071
(4.2)将接收端接收到的第k个信号yk乘上B个测试相位角得到
Figure GDA0003243780300000072
并将
Figure GDA0003243780300000073
判决为基准星座图上距离点
Figure GDA0003243780300000074
最近的星座点；
(4.3)计算
Figure GDA0003243780300000075
和相应判决星座点
Figure GDA0003243780300000076
的平方距离；
Figure GDA0003243780300000077
(4.4)将同个测试相位的前N个平方距离进行平均：
Figure GDA0003243780300000078
(4.5)得到第k个信号yk的测试相位角：
Figure GDA0003243780300000079
(4.6)对所述测试相位角进行相位展开：
若
Figure GDA00032437803000000710
若
Figure GDA00032437803000000711
否则
Figure GDA00032437803000000712
展开的相位为
Figure GDA00032437803000000713
其中，
Figure GDA00032437803000000714
表示第k个相位修正项；
(4.7)得到的展开相位角作为相位噪声对信号yk进行补偿：
Figure GDA00032437803000000715
其中，rk为第k个补偿后的信号。
实施例
以图1所示的光纤通信系统为例。发送端采用外调制的方式。发送端采用标准星座图调制λ＝0.2的PS-16QAM信号。信号经过标准单模光纤传输后，被相干接收机相干接收。在相干接收机后得到4路电信号，4路电信号再经过ADC采样后为数字信号。在接收端数字信号处理单元中，首先需要对信号进行能量归一化，然后进行IQ不平衡补偿、色散补偿、MIMO均衡、频偏补偿、载波相位恢复等DSP。本方法是一种载波相位恢复方法，应置于频偏补偿后。λ＝0.2的标准星座图功率E(0.2)＝4.69。λ＝0的标准星座图功率E0＝10，归一化缩放因子为Δ＝1.46。基准星座图为：
Figure GDA0003243780300000081
Figure GDA0003243780300000082
确定好基准星座图后，进行盲相位搜索。举B＝4，N＝32的为例。将接收信号
Figure GDA0003243780300000083
后判决为基准星座图上的某一点并且计算平方距离得到
Figure GDA0003243780300000084
对k-31到k个平方距离进行平均：
Figure GDA0003243780300000085
Figure GDA0003243780300000086
假设
Figure GDA0003243780300000087
则
Figure GDA0003243780300000088
然后进行补偿：
Figure GDA0003243780300000089
以PS-16QAM为例，我们对比了在信噪比为10dB，激光器线宽100KHz，波特率为28Gbaud时，使用本方法和传统方法得到信号的广义互信息(GMI)性能，如图4所示。利用传统盲相位搜索方法得到的信号(图例为30-240)的最大GMI比利用本方法的得到的信号(图例为30-240-S)的最大GMI小0.04bit/sym。达最大值后，传统的盲相位搜索方法得到的信号的GMI随着整形因子增大迅速下降，而后传统的盲相位搜索方法失效，无法正确恢复出信号。而本方法对所有整形因子的信号都工作正常。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在光纤通信系统的接收端根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率；
(2)利用所述信号平均功率计算归一化星座图缩放因子；
(3)根据所述归一化星座图缩放因子确定基准星座图；
(4)在所述基准星座图上进行盲相位搜索，实现载波相位恢复。
2.如权利要求1所述的载波相位恢复方法，其特征在于，步骤(1)根据概率整形正交振幅调制格式的整形参数计算标准星座图的信号平均功率用公式表示为：
E(λ)＝P(x)*|x|2
P(x)＝Ae-λx，
Figure FDA0003243780290000011
其中，λ为整形参数，x为发送符号且
Figure FDA0003243780290000012
Figure FDA0003243780290000013
Figure FDA0003243780290000014
为标准星座图，i为虚数单位，m为每符号调制比特数，P(x)为发送概率。
3.如权利要求2所述的载波相位恢复方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：
(2.1)计算λ＝0时的信号平均功率E0；
(2.2)归一化星座图缩放因子计算方法如下：
Figure FDA0003243780290000015
4.如权利要求3所述的载波相位恢复方法，其特征在于，步骤(3)中基准星座图表示为：
Figure FDA0003243780290000021
5.如权利要求4所述的载波相位恢复方法，其特征在于，步骤(4)具体包括：
(4.1)设置B个测试相位角：
Figure FDA0003243780290000022
(4.2)将接收端接收到的第k个信号yk乘上B个测试相位角得到
Figure FDA0003243780290000023
并将
Figure FDA0003243780290000024
判决为基准星座图上距离点
Figure FDA0003243780290000025
最近的星座点；
(4.3)计算
Figure FDA0003243780290000026
和相应判决星座点
Figure FDA0003243780290000027
的平方距离；
Figure FDA0003243780290000028
(4.4)将同个测试相位的前N个平方距离进行平均：
Figure FDA0003243780290000029
(4.5)得到第k个信号yk的测试相位角：
Figure FDA00032437802900000210
(4.6)对所述测试相位角进行相位展开：
若
Figure FDA00032437802900000211
若
Figure FDA00032437802900000212
否则
Figure FDA00032437802900000213
展开的相位为
Figure FDA00032437802900000214
其中，
Figure FDA00032437802900000215
表示第k个相位修正项；
(4.7)得到的展开相位角作为相位噪声对信号yk进行补偿：
Figure FDA00032437802900000216
其中，rk为第k个补偿后的信号。
6.一种针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至5任一项所述的针对概率整形正交振幅调制格式的载波相位恢复方法。
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