CN113890666A - 一种偏振不敏感的帧同步方法及频差估计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种偏振不敏感的帧同步方法及频差估计方法，涉及相干光通信技术领域，该方法包括：接收发端发出的数据，并通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰，得到第一级均衡器输出的中间信号序列；以中间信号序列中，每两个中间信号为一组，得到与偏振无关的前后共轭相乘数据序列；以任一偏振方向的帧头码元序列中，得到共轭本地复序列；从前后共轭相乘数据序列中，依次以每个前后共轭相乘数据为起始，向后选取连续的预设长度一半的前后共轭相乘数据，得到多个短序列；将多个短序列分别与共轭本地复序列进行相关运算，并对各相关运算的值进行取模，并以最大值所在位置为帧头位置。本申请，无需偏振解复用，不受频差相差的影响，可准确定位帧头。

Description

一种偏振不敏感的帧同步方法及频差估计方法

技术领域

本申请涉及相干光通信技术领域，具体涉及一种偏振不敏感的帧同步方法及频差估计方法。

背景技术

目前，大规模商用的相干光通信技术实际是相干光通信(Coherent lightwavecommunications)与数字信号处理(Digital Signal Process，DSP)的结合体。而数字信号处理一般包括：色散补偿→时钟采样误差提取→自适应均衡(完成偏振解复用与偏振模色散补偿)→载波恢复(频差估计与补偿)→载波恢复(相位噪声估计与补偿)→码元判决→差分解码。

在数字通信系统中，若要正确恢复数据，则需要找到帧头的位置。同时，数字信号处理过程中，偏振解复用与载波恢复都可能要使用训练序列，这都需要对帧头进行准确定位。

相关技术中，可通过“自相关计算”并寻找峰值以定位帧头，即发端发送两段相同的长度为N的数据，总长度为2N。在收端，取长度为N的数据，与其后的长度为N的数据共轭相乘后求和，并找寻其峰值，即可指出帧头的位置。

但是，如图1所示，上述自相关方法的计算结果形成一缓慢上升的山峰，故在信噪比较低的情况下，无法正确找到帧头的准确位置。

另外，还可采用“本地相关”的方法，即发端发送一段已知的随机序列，在收端，与存储的同样本地序列共轭相乘，并寻找峰值，其结果如图2所示。但是该本地相关方法需要使用已经偏振解复用的数据，否则不能保证计算结果出现峰值。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种偏振不敏感的帧同步方法及频差估计方法，以解决相关技术中无法正确找到帧头准确位置的问题。

本申请第一方面提供一种偏振不敏感的帧同步方法，其包括步骤：

接收发端发出的数据，并通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰，得到上述第一级均衡器输出的中间信号序列；上述发端在发出的数据中按照预设周期插入了预设长度的帧头码元序列；

以上述中间信号序列中，每两个中间信号为一组，前后共轭相乘，并将两个偏振的相乘结果相加，得到与偏振无关的前后共轭相乘数据序列；

以任一偏振方向的帧头码元序列中，每两个帧头码元为一组，前后共轭相乘，得到共轭本地复序列；

从上述前后共轭相乘数据序列中，依次以每个前后共轭相乘数据为起始，向后选取连续的预设长度一半的前后共轭相乘数据，得到多个短序列；

将多个短序列分别与共轭本地复序列进行相关运算，并对各相关运算的值进行取模，并以最大值所在位置为帧头位置。

一些实施例中，上述中间信号序列中，中间信号的数学表达式为：

其中，

为第一级均衡器输出的X路中间信号；

为第一级均衡器输出的Y路中间信号；m为中间信号的序号；j为虚数；Δf为频差；Φ为两个偏振的公共相差；T为码元周期；TX为X偏振方向的帧头码元；TY为Y偏振方向的帧头码元；A和B为正交琼斯矩阵的系数，且满足

A×conj(A)+B×conj(B)＝1。

一些实施例中，上述前后共轭相乘数据的数学表达式为：

其中，n为序号。

一些实施例中，当以X偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列时，上述共轭本地复序列中值的数学表达式为：

Pattern(n)＝TX(2n+1)conj[TX(2n)]

其中，n为序号。

一些实施例中，当以Y偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列时，上述共轭本地复序列中值的数学表达式为：

Pattern(n)＝TY(2n+1)conj[TY(2n)]

其中，n为序号。

一些实施例中，上述第k个相关运算的值C(k)的表达式为：

其中，N为帧头码元序列的预设长度。

一些实施例中，上述最大值K max为：

K max＝MAX(abs(C(k)))。

一些实施例中，每个上述帧头码元序列整体或分散插入上述数据。

一些实施例中，通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰之前，还包括：

对接收到的数据经过解调，再进行ADC采样得到数字采样信号。

本申请第二方面提供一种基于上述帧同步方法的频差估计方法，其包括步骤：

对各相关运算的值进行取模，得到最大值后，基于该最大值对应的相关运算的值计算频差，该频差的表达式为：

Δf＝angle[C(K max)]/2πT

其中，Δf为频差，C(K max)为最大值对应的相关运算的值，T为码元周期。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的偏振不敏感的帧同步方法及频差估计方法，由于发端在发出的数据中按照预设周期插入了预设长度的帧头码元序列，接收端可以取任一偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列；当接收端接收到数据后，通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰，可得到第一级均衡器输出的中间信号序列，进而基于中间信号序列得到前后共轭相乘数据序列，且前后共轭相乘数据完全不受偏振旋转的影响；然后，从前后共轭相乘数据序列中，依次以每个前后共轭相乘数据为起始，向后选取连续的预设长度一半的前后共轭相乘数据，得到多个短序列，并将多个短序列分别与共轭本地复序列进行相关运算，以去除调制信号；最后，对各相关运算的值进行取模，以最大值所在位置为帧头位置，完成帧头定位；因此，上述方法不仅无需偏振解复用，还不受频差相差的影响，可准确定位帧头，同时还可计算得到相干光收发端的频差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中自相关运算与峰值的示意图；

图2为现有技术中本地相关运算与峰值的示意图；

图3为本申请实施例的帧同步方法的第一种流程图；

图4为本申请实施例的帧同步方法的第二种流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、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未构成冲突就可以相互组合。

本申请实施例提供了一种偏振不敏感的帧同步方法，用于相干光通信的数字信号处理，其能解决相关技术中无法正确找到帧头准确位置的问题。

如图3所示，本申请实施例的偏振不敏感的帧同步方法，包括以下步骤：

S1.接收发端发出的数据，并通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰，得到上述第一级均衡器输出的中间信号序列；上述发端在发出的数据中按照预设周期插入了预设长度的帧头码元序列。

S2.以上述中间信号序列中，每两个中间信号为一组，前后共轭相乘，并将两个偏振的相乘结果相加，得到与偏振无关的前后共轭相乘数据序列。

S3.以任一偏振方向的帧头码元序列中，每两个帧头码元为一组，前后共轭相乘，得到共轭本地复序列。

S4.从上述前后共轭相乘数据序列中，依次以每个前后共轭相乘数据为起始数据，向后选取连续的帧头码元序列预设长度一半的前后共轭相乘数据，得到多个短序列。即每个短序列的数据个数为预设长度一半。

S5.将多个短序列分别与共轭本地复序列进行相关运算，并对各相关运算的值进行取模，并以最大值所在位置为帧头位置。

本实施例的偏振不敏感的帧同步方法，由于发端在发出的数据中按照预设周期插入了预设长度的帧头码元序列，接收端可以取任一偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列；当接收端接收到数据后，通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰，可得到第一级均衡器输出的中间信号序列，进而基于中间信号序列得到前后共轭相乘数据序列，且前后共轭相乘数据完全不受偏振旋转的影响；然后，从前后共轭相乘数据序列中，依次以每个前后共轭相乘数据为起始，向后选取连续的帧头码元序列预设长度一半的前后共轭相乘数据，得到多个短序列，并将多个短序列分别与共轭本地复序列进行相关运算，以去除调制信号；最后，对各相关运算的值进行取模，以最大值所在位置为帧头位置，完成帧头定位；因此，上述方法不仅无需偏振解复用，还不受频差相差的影响，可准确定位帧头。

在上述实施例的基础上，本实施例中，在发端，每隔预设周期插入固定取值的帧头码元序列，该帧头码元序列的长度为N，其中，TX为X偏振方向的帧头码元，TY为Y偏振方向的帧头码元。

进一步地，每个上述帧头码元序列整体插入上述数据。

在其他实施例中，每个上述帧头码元序列可分散插入上述数据。

如图4所示，在收端，接收到承载数据的光信号时，对接收到的光信号经过解调，再进行ADC采样得到数字采样信号，数字采样信号由第一级均衡器对色散、光滤波器效应与电滤波器效应进行了补偿，由于已补偿了信号码元间串扰，因此，第一级均衡器输出的中间信号可看作为：发送信号乘以偏振旋转矩阵再乘以频差相差带来的复变量。其中，

为第一级均衡器的X输入；

为第一级均衡器的Y输入。

优选地，上述偏振旋转矩阵为正交琼斯矩阵。

进一步地，上述中间信号序列中，中间信号的数学表达式为：

其中，

为第一级均衡器输出的X路中间信号；

为第一级均衡器输出的Y路中间信号；m为中间信号的序号；j为虚数；Δf为频差；Φ为两个偏振的公共相差；T为码元周期；TX为X偏振方向的帧头码元；TY为Y偏振方向的帧头码元；conj表示共轭；A和B为正交琼斯矩阵的系数，即A、B构成的正交琼斯矩阵表示偏振旋转，且满足

A×conj(A)+B×conj(B)＝1。

进一步地，分别以X路中间信号序列和Y路中间信号序列中，每两个中间信号为一组，前后共轭相乘，并将两个偏振的相乘结果相加，得到与偏振无关的前后共轭相乘数据。

具体地，上述与偏振无关的前后共轭相乘数据序列中，第n个前后共轭相乘数据的数学表达式为：

其中，n为前后共轭相乘数据序列的序号。

本实施例中，与偏振无关的前后共轭相乘数据M(n)的表达式推导到最后已不含A、B两项，即M(n)完全不受偏振旋转的影响。

本实施例中，上述共轭本地复序列由预设的帧头码元序列定义。当以X偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列时，上述共轭本地复序列中值的数学表达式为：

Pattern(n)＝TX(2n+1)conj[TX(2n)]

其中，n为共轭本地复序列的序号。

可选地，当以Y偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列时，上述共轭本地复序列中值的数学表达式为：

Pattern(n)＝TY(2n+1)conj[TY(2n)]

其中，n为共轭本地复序列的序号。

本实施例中，从前后共轭相乘数据M(k)开始，取长度为N/2的前后共轭相乘数据，与本地存储的长度为N/2的共轭本地复序列做相关运算，即可去除调制信号。

上述第k个相关运算的值C(k)的表达式为：

其中，N为帧头码元序列的预设长度；前后共轭相乘数据M k+n的序号n与共轭本地复序列的序号n的数值相同。

进一步地，对C(k)取模，并求最大值所在位置，即可完成帧头的准确定位。本实施例中，上述最大值K max为：

K max＝MAX(abs(C(k)))。

其中，abs为取模运算，MAX为求最大值的位置，最大值K max(峰值)即指向帧头的准确位置。

本申请实施例还提供一种基于上述帧同步方法的频差估计方法，该方法具体包括以下步骤：

对各相关运算的值进行取模，得到最大值之后，基于该最大值对应的相关运算的值计算频差，该频差的表达式为：

Δf＝angle[C(K max)]/2πT

其中，Δf为频差，C(K max)为最大值对应的相关运算的值，T为码元周期。

本实施例中，相干光收发端频差的计算也在偏振解复用前完成，即无需偏振解复用。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，其包括步骤：

接收发端发出的数据，并通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰，得到所述第一级均衡器输出的中间信号序列；所述发端在发出的数据中按照预设周期插入了预设长度的帧头码元序列；

以所述中间信号序列中，每两个中间信号为一组，前后共轭相乘，并将两个偏振的相乘结果相加，得到与偏振无关的前后共轭相乘数据序列；

以任一偏振方向的帧头码元序列中，每两个帧头码元为一组，前后共轭相乘，得到共轭本地复序列；

从所述前后共轭相乘数据序列中，依次以每个前后共轭相乘数据为起始，向后选取连续的预设长度一半的前后共轭相乘数据，得到多个短序列；

将多个短序列分别与共轭本地复序列进行相关运算，并对各相关运算的值进行取模，并以最大值所在位置为帧头位置。

2.如权利要求1所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，所述中间信号序列中，中间信号的数学表达式为：

其中，

为第一级均衡器输出的X路中间信号；

为第一级均衡器输出的Y路中间信号；m为中间信号的序号；j为虚数；Δf为频差；Φ为两个偏振的公共相差；T为码元周期；TX为X偏振方向的帧头码元；TY为Y偏振方向的帧头码元；A和B为正交琼斯矩阵的系数，且满足

A×conj(A)+B×conj(B)＝1。

3.如权利要求2所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，所述前后共轭相乘数据的数学表达式为：

其中，n为序号。

4.如权利要求3所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，当以X偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列时，所述共轭本地复序列中值的数学表达式为：

Pattern(n)＝TX(2n+1)conj[TX(2n)]

其中，n为序号。

5.如权利要求3所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，当以Y偏振方向的帧头码元序列得到共轭本地复序列时，所述共轭本地复序列中值的数学表达式为：

Pattern(n)＝TY(2n+1)conj[TY(2n)]

其中，n为序号。

6.如权利要求4或5所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，所述第k个相关运算的值C(k)的表达式为：

其中，N为帧头码元序列的预设长度。

7.如权利要求6所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，所述最大值Kmax为：

K max＝MAX(abs(C(k)))。

8.如权利要求1所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于：每个所述帧头码元序列整体或分散插入所述数据。

9.如权利要求1所述的偏振不敏感的帧同步方法，其特征在于，通过第一级均衡器补偿信号码元间串扰之前，还包括：

对接收到的数据经过解调，再进行ADC采样得到数字采样信号。

10.一种基于权利要求1所述帧同步方法的频差估计方法，其特征在于，其包括步骤：

对各相关运算的值进行取模，得到最大值后，基于该最大值对应的相关运算的值计算频差，该频差的表达式为：

Δf＝angle[C(Kmax)]/2πT

其中，Δf为频差，C(Kmax)为最大值对应的相关运算的值，T为码元周期。

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