CN112804008A - 基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法及系统，涉及光通信应用领域,具备完成数十兆赫兹偏振旋转速率的追踪能力。包括在发射端插入三个不同偏振态的频域导频信号；在接收端；利用导频信号进行频偏估计和补偿；提取三个频域导频信号，频域导频信号下变频，利用频域导频信号分块估计偏振旋转矩阵，利用旋转矩阵的逆矩阵对偏振信号分块恢复；利用频域导频信号对信号进行相位恢复。

Description

基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复系统及方法

技术领域

本发明涉及高速偏振旋转和相位恢复技术领域，具体地，涉及一种基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复系统及方法。

背景技术

传统的光技术通过点对点的方式连接两地，每一端都需要一个相同速率的收发机。这种方式和点对多点的通信系统不匹配，产生了额外的开销。Infinera公司提出了XR技术，采用点对多点的数字子载波复用系统，将单波长高带宽的信号分成了多个低带宽的子载波，这些子载波被分配到不同的地点。XR技术主要应用场景为点到多点短距接入的系统，如5G中的前传，中传和后传系统，以及下一代接入网等。XR技术本质上是相干光通信技术，利用了强度相位和偏振等调制维度，和传统的强度调制直接检测技术不同，容易受到链路中偏振旋转的影响。

对于偏振旋转，目前在接收端DSP中常用的均衡算法(如恒模算法(constantmodulus algorithm)和最小均方误差算法(least mean square algorithm)偏振旋转追踪能力有限，所能解偏的极限偏振态速率接近1M rad/s，并且实现的代价较大，rad为弧度单位，M为单位兆，s为单位秒。在5G前传场景中，光缆接入基站时，有一段光缆暴露于空中，容易受到外部环境的干扰，当光缆附近发生雷击的时候，光纤中的偏振态会高速变化甚至到数M rad/s，使得传统的算法失效。需要采用其他的高速追踪算法，专利文献CN101931457A公开了卡尔曼滤波算法，但是卡尔曼滤波算法计算复杂度非常高，难以实际部署到芯片中。

传统的相位恢复算法有盲相位搜索算法，超标量锁相环算法，基于时域周期性插入导频信号的算法和基于频域导频信号的算法等。其中频域导频算法恢复相位噪声虽然占据少量的信号频谱，但计算复杂度低，估计精度高，且与具体的信号调制格式无关。频域导频算法位于均衡算法之前。得到的相位包括由于偏振旋转引入的相位噪声，当存在高速偏振旋转时，偏振旋转引入的相位噪声和激光器引入的相位噪声混在一起，传统先利用频域导频算法恢复相位噪声，再利用均衡算法解偏振旋转将失效。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复系统及方法。

根据本发明提供的一种基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，包括：

步骤S1：在发射端，在子载波之间的频谱间隔处，插入三个不同偏振态的频域导频信号；

步骤S2：在接收端，对接收到的信号做色散补偿；对收端子载波复用信号做FFT变换，用收端导频信号峰值对应的频点位置减去发端插入导频信号频点位置，得到估计的频偏，并对子载波复用信号频偏补偿；提取导频信号；导频信号下变频到0频点；利用三个导频信号分块计算估计偏振旋转矩阵，求偏振矩阵的逆矩阵，用逆矩阵对子载波复用信号分块恢复；相位恢复：利用偏振旋转矩阵的逆矩阵，对任一频域导频信号分块恢复偏振旋转，提取恢复偏振旋转后频域导频信号的相位信息，对子载波复用信号相位恢复；

步骤S3：获取基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复结构信息。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：在发送端，发送数据先由bit序列映射成正交振幅调制(QAM)信号；进行根升余弦脉冲整形；子载波复用产生子载波复用信号。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S1.2：在子载波复用信号的子载波频谱间隔中，插入三个不同偏振态的频域导频信号，

为发端频域导频信号对应的琼斯矢量，频域导频信号的产生方式为：

其中Δf_i为频域导频信号的频域位置，位于子载波之间的频谱空隙，fs为采样率。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：对接收到的信号进行滤波，滤波的中心频率为Δf_i，滤波的范围为频域导频信号附近，不能包含子载波信号。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S2.2：设光纤链路偏振旋转矩阵R为

其中a和b为复数，偏振旋转矩阵为酉矩阵，满足以下关系：

|a|²+|b|²＝1 (2)

光纤偏振态高速旋转时，偏振旋转矩阵不断地变化，需要对接收信号分块，依次进行偏振旋转的估计和补偿；

分块后，可以认为偏振旋转矩阵在一个信号块以内几乎不变，在一个信号块以内，接收到频域导频信号经过频偏补偿和下变频后，和发端信号有如下关系：

其中

为相位噪声,n_x和n_y为x和y偏振态累积的加性噪声。。

利用频域导频信号的Y偏振态信号除以X偏振态信号，得到以下公式：

每一个符号点都可以求一个M_i(n)，一个分块内平均得到

得到三个方程：

公式(5)结合公式(2)，对于偏振旋转矩阵四个未知数有四个方程，从而可以解出偏振旋转矩阵R；一般可以得到两组符号相反的解，任意选其中一组即可。

得到偏振旋转矩阵后，对其求逆矩阵R^-1，用逆矩阵乘以信号块，即完成当前信号块偏振旋转的恢复，对每一个信号块做相同的操作，即对整个信号完成偏振旋转的恢复。

优选地，步骤S2包括：

步骤S2.3：任选一个下变频到0频的频域导频信号，和对信号处理的方式相同，对下变频后的频域导频信号分块，用估计出的偏振旋转矩阵的逆矩阵R^-1分块恢复频域导频信号的偏振态，使其和发端的偏振态一致；

其中x_i和y_i是常数，提取频域导频信号能量较大的偏振态的相位，利用该相位对子载波复用信号做相位恢复。

优选地，步骤S2包括：

步骤S2.4：对相位恢复后的子载波复用信号解复用，之后分开处理各个子载波信号。

优选地，所述步骤S3包括：

步骤S3.1：对于每个子载波信号，用均衡算法恢复信号；用最大似然相位恢复算法恢复残余的相位噪声，再将QAM符号解映射成bit序列。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提出一种基于频域导频信号的偏振快速追踪和相位恢复的方法及系统，涉及光通信应用领域,具备完成数十兆赫兹偏振旋转速率的追踪能力；

2、本发明包括在发射端插入三个不同偏振态的频域导频信号；在接收端；利用导频信号进行频偏估计和补偿；提取三个频域导频信号，频域导频信号下变频，利用频域导频信号分块估计偏振旋转矩阵，利用旋转矩阵的逆矩阵对偏振信号分块恢复；利用频域导频信号对信号进行相位恢复；

3、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的基于频域导频信号解高速偏振旋转和相位恢复算法的收发端信号处理示意图。

图2是本发明方法应用于仿真系统中解偏性能示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出一种利用频域导频信号恢复高速偏振旋转和相位恢复的方法，包括：

在发送端：比特序列映射成QAM符号；对QAM符号根升余弦脉冲整形；各子载波复用产生子载波复用信号；在子载波的频谱间隔处，插入三个偏振态不同的频域导频信号，上一段中阐述的三个不同偏振态的频域导频0频信号的琼斯矢量为

经过上变频后：

其中Δf_i为频域导频信号的频域位置，位于子载波之间的间隔，fs为采样率。

在接收端：先对子载波复用信号做FFT变换到频域，频域导频信号在频域是一个冲击信号，具有很大的峰值，利用该峰值即可找到频域导频信号，用接收端频域导频信号的频点位置减去发射端频域导频信号原本的频点位置，即可得到频偏值，利用该频偏值对子载波复用信号和频域导频信号做频偏估计和补偿；对三个频域导频信号滤波并下变频到0频处；滤波提取频域导频信号，滤波的中心频率为Δf_i，滤波的范围为频域导频信号附近，不能包含子载波信号；将子载波复用信号和频域导频信号不重叠分块，利用三个频域导频信号分块估计出偏振旋转矩阵；得到偏振旋转矩阵后，对其求逆矩阵，用逆矩阵R^-1乘以子载波复用信号块，即可完成当前子载波复用信号块偏振旋转的恢复，对每一个信号块做相同的操作，完成整个载波复用信号的偏振旋转恢复；利用频域导频信号做相位恢复，任选一个下变频到0频的频域导频信号；用逆矩阵R^-1分块恢复频域导频信号的偏振态；提取频域导频信号功率较大偏振态的相位；子载波复用信号的相位减去提取出的相位即完成频域导频相位恢复；子载波解复用，各子载波分开处理；利用均衡算法(最小均方误差)对信号进行均衡，此时信号已经解开高速偏振旋转，普通的均衡算法能够追踪；最后利用最大似然相位恢复算法恢复残余的相位噪声；最后按照信号编码格式将QAM信号映射成bit序列。

本发明的原理在于：

光纤中偏振旋转矩阵R为

其中a和b为复数；

偏振旋转矩阵为酉矩阵，满足关系：|a|²+|b|²＝1 (2)

光纤偏振态高速旋转时，偏振旋转矩阵不断地变化，需要对接收信号分块进行偏振旋转的估计和补偿。分块后，可以认为偏振旋转矩阵R在一个信号块以内几乎不变，在一个信号块以内，接收到频域导频信号经过频偏补偿和下变频后，和发端信号有如下关系:

利用频域导频信号的Y偏振态信号除以X偏振态信号，得到以下关系：

对一个分块内取M_i(n)平均得到

得到三个方程：

公式(5)结合公式(2)，对于偏振旋转矩阵四个未知数有四个方程，从而可以解出偏振旋转矩阵。一般可以得到两组符号相反的解，任意选其中一组即可。

得到偏振旋转矩阵后，对其求逆矩阵，用逆矩阵R^-1乘以信号块，即可完成当前信号块偏振旋转的恢复，对每一个信号块做相同的操作，完成整个信号的偏振旋转恢复。

利用导频信号做相位恢复，具体步骤为：任选一个下变频到0频的频域导频信号。和对信号处理的方式相同，对下变频后的频域导频信号分块，用逆矩阵R^-1分块恢复频域导频信号的偏振态，使其和发端的偏振态一致：

公式(6)中，忽略加性噪声，x_i和y_i是常数，提取频域导频信号能量较大的偏振态的相位，子载波复用信号的相位减去提取出的相位即完成频域导频相位恢复；

本发明提供一种恢复高速偏振旋转和相位恢复的系统，包括发送端和接收端，如附图1所示。

发送端包括：

信号映射模块，用于将待发送的数据从bit位分组后映射成正交振幅调制(QAM)信号；

升余弦脉冲整形模块：用于将符号根升余弦脉冲成形产生各个子载波；

子载波复用模块：用于将各个子载波在频域上复用；

插入频域导频信号模块：用于在子载波之间的频谱间隔处插入频域导频信号，共插入三个偏振态不同的频域导频信号；

接收端包括：

色散补偿模块，用于补偿传输过程中光纤累积的色散；

频偏估计补偿模块：用于频偏估计和补偿，利用频域导频信号进行频偏估计；

提取频域导频信号模块：用于滤波提取频域导频信号，滤波的中心频率为Δf_i，滤波的范围为频域导频信号附近，不能包含子载波信号；

频域导频信号下变频模块：用于将三个频域导频信号下变频到0频；

频域导频补偿偏振旋转模块：用于分块补偿高速偏振旋转；利用三个频域导频信号得到三个有关偏振旋转矩阵的方程，结合偏振旋转矩阵是酉矩阵，分块解出当前信号块的偏振旋转矩阵，对其求逆矩阵，用逆矩阵乘以当前信号块完成偏振旋转的恢复；

频域导频信号相位恢复模块：利用偏振旋转矩阵的逆矩阵分块恢复其中一个频域导频信号，在提取频域导频信号功率较大偏振态的相位，对相位进行恢复。

子载波解复用模块：将子载波解复用；

均衡模块：用于最小均方误差均衡器对信号进行均衡；

最大似然相位恢复模块：用于最大似然方法补偿系统的残余相位噪声；

符号解映射模块：用于将QAM符号解映射成bit序列。

如附图2所示，本发明所设计的算法应用于子载波复用仿真系统中，得到的误码率性能。偏振旋转矩阵利用一个时变的琼斯矩阵

其中θ＝θ₀+wt,γ＝γ₀+wt,η＝η₀+wt,w为偏振旋转的变化速率。子载波波特率为4G Baud，共有16个子载波，子载波之间的频域间隔为4.5G，插入的频域导频信号和信号的功率比为-23dB，偏振态分别为X偏振态，Y偏振态，45°偏振态，对应的收端滤波间隔为25MHz，Hz为单位赫兹。链路长度为10km，收发端激光器线宽为100kHz，k为单位千，偏振旋转速度最高设置为10Mrad/s从附图2中可以看出，不采用频域导频算法解偏振旋转，当偏振旋转速度大于10000rad/s时，误码率为0.5，均衡算法无法追踪上；当采用频域均衡算法解偏振旋转时，对于10M rad/s以内的偏振旋转速率，误码率为0.01，能够较好地解决快速偏振旋转带来的影响。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在发射端，子载波之间的频谱间隔处，插入三个不同偏振态的频域导频信号；

步骤S2：在接收端，对接收到的信号做色散补偿；对收端子载波复用信号做FFT变换，用收端导频信号峰值对应的频点位置减去发端插入导频信号频点位置，得到估计的频偏，并对子载波复用信号频偏补偿；提取导频信号；导频信号下变频到0频点；利用三个导频信号分块计算估计偏振旋转矩阵，求偏振矩阵的逆矩阵，用逆矩阵对子载波复用信号分块恢复；相位恢复：利用偏振旋转矩阵的逆矩阵，对任一频域导频信号分块恢复偏振旋转，提取恢复偏振旋转后频域导频信号的相位信息，对子载波复用信号相位恢复；

步骤S3：获取基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复结构信息。

2.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：在发送端，发送数据先由bit序列映射成正交振幅调制信号；进行根升余弦脉冲整形；子载波复用产生子载波复用信号。

3.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

步骤S1.2：在子载波复用信号的子载波频谱间隔中，插入三个不同偏振态的频域导频信号，

为发端频域导频信号对应的琼斯矢量，频域导频信号的产生方式为：

其中Δf_i为频域导频信号的频域位置，位于子载波之间的频谱空隙，fs为采样率。

4.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

步骤S2.1：对接收到的信号进行滤波，滤波的中心频率为Δf_i，滤波的范围为频域导频信号附近，不能包含子载波信号。

5.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

步骤S2.2：设光纤链路偏振旋转矩阵R为

其中a和b为复数，偏振旋转矩阵为酉矩阵，满足以下关系：

|a|²+|b|²＝1

光纤偏振态高速旋转时，偏振旋转矩阵不断地变化，需要对接收信号分块，依次进行偏振旋转的估计和补偿；

分块后，可以认为偏振旋转矩阵在一个信号块以内几乎不变，在一个信号块以内，接收到频域导频信号经过频偏补偿和下变频后，和发端信号有如下关系：

其中

为相位噪声,n_x和n_y为x和y偏振态累积的加性噪声；

利用频域导频信号的Y偏振态信号除以X偏振态信号，得到以下公式：

每一个符号点都可以求一个M_i(n)，一个分块内平均得到

得到三个方程：

解出偏振旋转矩阵R；

得到偏振旋转矩阵后，对其求逆矩阵R^-1，用逆矩阵乘以信号块，即完成当前信号块偏振旋转的恢复，对每一个信号块做相同的操作，即对整个信号完成偏振旋转的恢复。

6.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，步骤S2还包括：

步骤S2.3：任选一个下变频到0频的频域导频信号，和对信号处理的方式相同，对下变频后的频域导频信号分块，用估计出的偏振旋转矩阵的逆矩阵R^-1分块恢复频域导频信号的偏振态，使其和发端的偏振态一致；

其中x_i和y_i是常数，提取频域导频信号能量较大的偏振态的相位，利用该相位对子载波复用信号做相位恢复。

7.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，步骤S2还包括：

步骤S2.4：对相位恢复后的子载波复用信号解复用，之后分开处理各个子载波信号。

8.根据权利要求1所述的基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S3.3：对于每个子载波信号，用均衡算法恢复信号；用最大似然相位恢复算法恢复残余的相位噪声，再将QAM符号解映射成bit序列。

9.一种基于频域导频信号的偏振快速追踪及相位恢复系统，其特征在于，包括发送端和接收端；

发送端包括：

信号映射模块，用于将待发送的bit序列映射成QAM符号；

升余弦脉冲整形模块，用于将符号根升余弦脉冲成形产生各个子载波；

子载波复用模块，用于将各个子载波在频域上复用；

插入频域导频信号模块，用于在子载波之间的频谱间隔处插入频域导频信号，共插入三个偏振态不同的频域导频信号；

接收端包括：

色散补偿模块，用于补偿传输过程中光纤累积的色散；

频偏估计补偿模块，用于频偏估计和补偿，利用频域导频信号进行频偏估计；

提取频域导频信号模块，用于提取在发端插入的三个频域导频信号；

频域导频信号下变频模块，用于将三个频域导频信号下变频到0频；

频域导频补偿偏振旋转模块，用于分块补偿高速偏振旋转；利用三个频域导频信号得到三个有关偏振旋转矩阵的方程，结合偏振旋转矩阵是酉矩阵，分块解出当前信号块的偏振旋转矩阵，对其求逆矩阵，用逆矩阵乘以当前信号块完成偏振旋转的恢复；

频域导频信号相位恢复模块，利用偏振旋转矩阵的逆矩阵分块恢复其中一个频域导频信号，再提取频域导频信号功率较大偏振态的相位，对相位进行恢复；

子载波解复用模块，将子载波解复用；

均衡模块，用于最小均方误差均衡器对信号均衡；

最大似然相位恢复模块，用于最大似然方法补偿系统的残余相位噪声；

符号解映射模块：用于将符号解映射成bit序列。

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