CN115037381B - 概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备 - Google Patents
概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115037381B CN115037381B CN202210635194.7A CN202210635194A CN115037381B CN 115037381 B CN115037381 B CN 115037381B CN 202210635194 A CN202210635194 A CN 202210635194A CN 115037381 B CN115037381 B CN 115037381B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- received
- symbol
- frequency offset
- amplitude
- 64qam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 13
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims description 9
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 5
- 241000949477 Toona ciliata Species 0.000 claims description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 8
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 8
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/60—Receivers
- H04B10/61—Coherent receivers
- H04B10/616—Details of the electronic signal processing in coherent optical receivers
- H04B10/6164—Estimation or correction of the frequency offset between the received optical signal and the optical local oscillator
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/60—Receivers
- H04B10/61—Coherent receivers
- H04B10/612—Coherent receivers for optical signals modulated with a format different from binary or higher-order PSK [X-PSK], e.g. QAM, DPSK, FSK, MSK, ASK
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备，属于光纤通信技术领域，该方法包括：首先，对接收的PS‑16/64QAM每个符号分别进行归一化、标准化及圆环判决；再对特定圆环上的接收符号进行选取操作；然后，将选取后的多个特定圆环上的接收符号进行幅度扩增；最后，利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的一个圆环进行频偏估计。本发明能够在一定的误差允许范围内准确、稳定地实现PS‑16/64QAM系统中的盲频偏估计，具有计算复杂度较低、在中等或强整形情况下仍然适用等优点。本发明有效地解决了概率整形16/64QAM相干光通信系统中频偏估计的问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，尤其涉及一种概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备。
背景技术
互联网的快速发展推动了光通信系统的革命，推动了互联网向大容量、长距离传输方向发展。概率整形（Probabilistically Shaped，PS）正交幅度调制（M-QuadratureAmplitude Modulation，MQAM）作为一种可以有效提高光谱效率的相干光通信系统调制方式，已经得到了广泛的研究。作为一项突破性的技术，PS在光通信领域表现出具有更高传输容量和更大灵活性的优点，尤其是在光通信系统信道受到非线性功率限制时，PS技术可以在不增加传输功率的前提下，获得更长的传输距离和更高的频谱效率。
PS技术通过改变原有均匀星座点的概率而不是位置，使信号近似于高斯分布，许多原适用于均匀分布信号的数字信号处理 (Digital Signal Processing, DSP) 方法受概率分布限制，难以进行PS信号的有效恢复，为了充分发挥PS技术的优越性，后端接收机用于PS信号的DSP恢复亟需改进。由于激光器固有的频率偏移特性，导致发射机激光器与本振激光器之间中心波长不能恒定对准，引起星座图的整体旋转，最终影响接收信号的误码率。研究表明，在均匀分布系统中设计的传统FOE算法可能不适用于中等或强整形的PS系统。例如，现有的通过离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)在接收符号的四次方周期图中寻找峰值方案，进行PS系统的频偏估计时，由于整形导致幅度较大符号出现的概率减小，从而导致接收信号的平均功率下降，这种频率峰值可能被噪声淹没，以至于寻找的峰值不正确，造成频偏估计失败。因此，必须对PS系统中频偏估计(Frequency OffsetEstimation，FOE)算法进行改进。
现有技术中，首先计算出最大似然准则下的最优非线性幅度变换函数；接着，通过对此函数做出一定调整，求得DFT后接收符号的四次方周期图的最高值；最后计算得到估计的频偏值。现有技术中，半径定向四次方算法首先选取PS-MQAM中特定半径阈值的正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）形状星座点；然后通过DFT在接收符号的四次方周期图中找到峰值；最后，通过计算得到频偏的估计值。此类方案都需进行DFT操作，复杂度较高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备，可有效解决概率整形16/64QAM相干光通信系统的频偏估计的问题。
为了达到上述发明目的，第一方面，本发明采用的技术方案为一种概率整形光通信系统的频偏估计方法，包括以下步骤：
S1、预处理阶段：对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理；
S2、符号选择阶段：对PS-16/64QAM所有接收符号，筛选判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号；
S3、幅度扩增阶段：对PS-16QAM及PS-64QAM，分别将所述多个特定圆环上接收符号的幅度均扩增至同一幅度处，各自形成一个圆环；
S4、频偏估计阶段：利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计。
本发明的有益效果是：本发明对接收到的PS-16/64QAM信号进行频率偏移估计时，首先进行归一化、标准化及圆环判决，其后，对特定圆环上的接收符号进行选取操作，即选取PS-16/64QAM信号中判定为具有QPSK形状的星座点旋转所形成的圆环上的接收符号，再次，将选取后的多个特定圆环上的接收符号进行幅度扩增，最后，对PS-16/64QAM最终形成的扩环上的符号利用去除了时序间隔的4次方前馈式方法进行频偏估计。本发明能够在一定的误差允许范围内准确、稳定地实现PS-16/64QAM系统中的盲频偏估计，具有计算复杂度较低、在中等或强整形情况下此算法仍然适用等优点。本发明着眼于运用盲的FOE算法，使FOE方法针对概率整形系统在中等或强整形条件下依然适用，本方法具有较低的计算复杂度，可以随着整形强度的增加性能更加优越，在较低OSNR的情况下实现较高的估计精度。
进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、将接收到的第k时刻PS-16/64QAM每一偏振的接收符号表示为：
其中，A k表示第k时刻的符号幅度，表示所要估计的频率偏移量，/>表示符号周期，/>表示相位调制信息，/>表示激光器线宽引起的相位噪声；
S102、对接收符号进行归一化和标准化处理，得到经归一化和标准化处理后的接收符号/>：
其中，和/>分别表示PS-16/64QAM中第/>个理想星座点对应的概率和幅度，，M为PS-16/64QAM分别具有的标准星座点个数，对于PS-16QAM M取16，对于PS-64QAM M取64，/>表示取数学期望运算；
S103、根据经归一化和标准化处理后的接收符号，记录每个接收符号/>的时间顺序/>；
S104、计算每个接收符号的幅度，并将该接收符号的幅度与所属调制格式的所有圆环半径进行逐一对比，从中选出距离最近的圆环作为该接收符号的判决圆环。
上述进一步方案的有益效果是：本发明首先对进入频偏估计阶段的接收符号进行归一化、标准化并对接收符号进行了圆环上接收符号的判决，可以更加清晰明了得到每个接收符号的幅度及所属圆环，更好的区分了星座点之间的界限，为后续选环、幅度变化阶段都做出了很大贡献，是该估计方法的前期准备工作。
再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、对PS-16QAM，选择判决至半径为及/>的圆环作为该调制格式的特定参考值，并根据所述特定参考值选取所属该2个特定圆环上的接收符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的接收符号；
S202、对PS-64QAM，选择判决至半径为、/>和/>的圆环作为该调制格式的特定参考值，并根据所述特定参考值选取所属该3个特定圆环上的接收符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的接收符号。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过圆环接收符号筛选操作，降低了频偏估计方法的复杂度，使得频偏估计算法所使用的接收符号数降低，同时本发明选择QPSK形状星座点形成的圆环作为参考值，可以令PS-16/64QAM信号更加适用于后续M-PSK前馈式算法。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、对PS-16QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子3，以使所述接收符号均扩增至/>圆环上；
S302、对PS-64QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子7，将判决至半径为/>圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子/>，以使所述接收符号均扩增至圆环上。
上述进一步方法的有益效果是：由于前馈式频偏估计方法是针对于M-PSK调制格式来说的，因此通过上述方法形成一个QPSK形状圆环，圆环中的接收符号进入本发明改进的前馈式频偏估计方法会更加体现出方法的针对性和有效性，使所提方法的频偏估计精度进一步提高。
再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、根据每个接收符号的时间顺序/>以及舍弃的接收符号，形成时序编号不连续的接收符号序列，并通过所述/>或/>圆环上相邻两接收符号间的时序编号相减，得到相应的时序间隔/>，其中/>为大于等于1的整数；
S402、对形成的或/>圆环上的接收符号，利用4次方运算去除调制相位信息，得到去除调制相位信息的接收符号/>：
其中，表示经符号选择后第k时刻的接收符号，/>表示取复数共轭运算，表示经符号选择后第k-T m时刻接收符号的复共轭值，/>表示经符号选择后第k时刻接收符号的幅度，/>表示经符号选择后第k-T m时刻符号的幅度，/>表示指数运算，/>表示第k-T m时刻的相位调制信息，/>表示在第k-T m时刻激光器线宽引起的相位噪声，/>表示正整数；
S403、根据所述时间时序间隔，将去除调制相位信息的/>或/>圆环上相邻两个接收符号之间进行/>次方计算，以消除时序间隔，在忽略相位噪声影响的情况下，得到消除时序间隔后的信号/>：
S404、根据消除时序间隔后的信号，计算由频率偏移导致的相位旋转量，并根据此相位旋转量计算得到待估计的频偏值/>：
其中，表示经符号选择阶段后用于频偏估计的符号总数。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述公式对信号的调制相位以及时序间隔进行消除，从而使得前馈式频偏估计得以正常运行，通过给出的公式可以清晰明了的看到改进的前馈式频偏估计方法的原理，并且快速的得到所估计的频偏结果。本发明中的改进的前馈式频偏估计方法，让原来只适用于均匀分布的M-PSK调制格式的频偏估计方案，更适用于PS系统下的16/64-QAM调制格式的频偏估计，计算复杂度低，容易实现。
第二方面，本发明还提供了一种概率整形光通信系统的频偏估计装置，包括：
预处理模块，用于对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理；
符号选择阶段模块，用于对PS-16/64QAM所有接收符号，筛选判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号；
幅度扩增阶段模块，用于对PS-16QAM及PS-64QAM，分别将所述多个特定圆环上接收符号的幅度均扩增至同一幅度处，各自形成一个圆环；
频偏估计阶段模块，用于利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计。
本发明的有益效果是：本发明能够在一定的误差允许范围内准确、稳定地实现PS-16/64QAM系统中的盲频偏估计，具有计算复杂度较低、在中等或强整形情况下此算法仍然适用等优点。本发明着眼于运用盲的FOE算法，使FOE方法针对概率整形系统在中等或强整形条件下依然适用。该方法具有较低的计算复杂度，可以随着整形强度的增加性能更加优越，在较低OSNR的情况下实现较高的估计精度。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现所述的概率整形光通信系统的频偏估计方法的步骤。
附图说明
图1 为本发明的方法流程图。
图2 为本发明的装置结构示意图。
图3 为本实施例提供的PS-16/64QAM仿真框图。
图4 为本实施例提供的原理平面星座图。
图5 为本实施例提供的PS-16QAM估计频偏与真实频偏之间关系图。
图6 为本实施例提供的PS-64QAM估计频偏与真实频偏之间关系图。
图7 为本实施例提供的PS-16QAM光信噪比与误码率之间关系图。
图8 为本实施例提供的PS-64QAM光信噪比与误码率之间关系图。
图9 为本实施例提供的PS-16QAM中具有QPSK形状星座点的特定圆环示意图。
图10 为本实施例提供的PS-64QAM中具有QPSK形状星座点的特定圆环示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
本发明提供的一种概率整形光通信系统的频偏估计方法，计算复杂度低，且在中等或强整形情况下此算法仍然适用。如图1所示，其实现方法如下：
S1、预处理阶段：对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理，其实现方法如下：
S101、将接收到的第k时刻PS-16/64QAM每一偏振的接收符号表示为：
其中，A k表示第k时刻的符号幅度，表示所要估计的频率偏移量，/>表示符号周期，/>表示相位调制信息，/>表示激光器线宽引起的相位噪声；
S102、对接收符号进行归一化和标准化处理，得到经归一化和标准化处理后的接收符号/>：
其中，和/>分别表示PS-16/64QAM中第/>个理想星座点对应的概率和幅度，，M为PS-16/64QAM分别具有的标准星座点个数，对于PS-16QAM M取16，对于PS-64QAM M取64，/>表示取数学期望运算；
S103、根据经归一化和标准化处理后的接收符号，记录每个接收符号/>的时间顺序/>；
S104、计算每个接收符号的幅度，并将该接收符号的幅度与所属调制格式的所有圆环半径进行逐一对比，从中选出距离最近的圆环作为该接收符号的判决圆环。
本实施例中，对接收的PS-16/64QAM每个接收符号进行归一化和标准化：首先，将PS-16/64QAM每一偏振态的接收符号表示为：
其中，A k表示第k时刻符号幅度，表示所要估计的频率偏移量，/>表示符号周期，表示相位调制信息，/>表示激光器线宽引起的相位噪声；
其次，对进行归一化和标准化时，参照理想的PS-16/64QAM星座点，得到经归一化和标准化处理后的接收符号/>：
其中，和/>分别表示PS-16/64QAM中第/>个理想星座点对应的概率和幅度，，M为PS-16/64QAM分别具有的标准星座点个数，对于PS-16QAM M取16，对于PS-64QAM M取64，/>表示取数学期望运算；
本实施例中，判断每个符号属于哪个圆环：首先，记录每个接收符号的时间顺序；其次，计算每个接收符号的幅度，并将该幅度与该种调制格式所有可能的圆环半径逐一比对，从中选出距离最近的圆环作为该符号的判决圆环。具体而言，对于PS-16QAM所有可能的圆环半径分别为/>，对于PS-64QAM所有可能的圆环半径分别为/>。
即，本实施例中，对将接收到的所有PS-16/64QAM符号进行归一化和标准化处理；其次，对于PS-16QAM信号依据与理想星座点距离最近的原则依次将每个符号判决为半径为的3个圆环之一，对于PS-64QAM信号依据与理想星座点距离最近的原则依次将每个符号判决为半径为/>的9个圆环之一。
S2、符号选择阶段：对PS-16/64QAM所有接收符号，筛选判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号，其实现方法如下：
S201、对PS-16QAM，选择判决至半径为及/>的圆环作为该调制格式的特定参考值，并根据所述特定参考值选取所属该2个特定圆环上的接收符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的接收符号；
S202、对PS-64QAM，选择判决至半径为、/>和/>的圆环作为该调制格式的特定参考值，并根据所述特定参考值选取所属该3个特定圆环上的接收符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的接收符号。
本实施例中，如图9和图10所示，图9和图10是对选择QPSK形状星座点旋转而成的多个圆环进行的一个解释，图中的环为QPSK形状星座点上。
本实施例中，筛选判决为特定圆环上的接收符号：对于PS-16QAM选择半径为及的圆环作为后续特定圆环的参考值，PS-64QAM选择半径为/>、/>和/>的圆环作为后续特定圆环的参考值。全部接收符号判决后，根据所述圆环参考值对所属圆环上的符号进行选取，只选取判决为所述特定参考值的圆环上的符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的符号，最后，将所述判决为所述特定圆环的符号送入后续阶段进行频偏估计。具体来说，对PS-16QAM信号选择判决为从内向外的第1环和第3环的接收符号，对PS-64QAM信号选择判决为从内向外第1环、第3环和第9环的接收符号。
S3、幅度扩增阶段：对PS-16QAM及PS-64QAM，分别将所述多个特定圆环上接收符号的幅度均扩增至同一幅度处，各自形成一个圆环，其实现方法如下：
S301、对PS-16QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子3，以使所述接收符号均扩增至/>圆环上；
S302、对PS-64QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子7，将判决至半径为/>圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子/>，以使所述接收符号均扩增至圆环上。
本实施例中，幅度选择：PS-16/64QAM需要把所述判决为某一圆环上的接收符号调整至同一幅度，即符号直接乘以缩放因子，从而由多个幅度调整至所需的设定幅度。具体而言，对PS-16QAM将所述判决为半径分别为和/>的圆环上接收符号的幅度均扩大到处；对PS-64QAM将所述判决为半径分别为/>、/>和/>的圆环上接收符号的幅度均扩大到/>处。即，将经过所述步骤S2判决为多个特定圆环的接收符号统一进行幅度扩增：对于PS-16QAM，将判决为从内向外第1环和第3环上接收符号的幅度均统一扩增为/>，以将这些符号调整至最终扩环/>上；对于PS-64QAM，将判决为从内向外的第1环、第3环和第9环的接收符号幅度均统一扩增为/>，以将这些符号调整至最终/>上。
S4、频偏估计阶段：利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计，其实现方法如下：
S401、根据每个接收符号的时间顺序/>以及舍弃的接收符号，形成时序编号不连续的接收符号序列，并通过所述/>或/>圆环上相邻两接收符号间的时序编号相减，得到相应的时序间隔/>，其中/>为大于等于1的整数；
S402、对形成的或/>圆环上的接收符号，利用4次方运算去除调制相位信息，得到去除调制相位信息的接收符号/>：
其中，表示经符号选择后第k时刻的接收符号，/>表示取复数共轭运算，表示经符号选择后第k-T m时刻接收符号的复共轭值，/>表示经符号选择后第k时刻接收符号的幅度，/>表示经符号选择后第k-T m时刻符号的幅度，/>表示指数运算，/>表示第k-T m时刻的相位调制信息，/>表示在第k-T m时刻激光器线宽引起的相位噪声，/>表示正整数；
S403、根据所述时间时序间隔，将去除调制相位信息的/>或/>圆环上相邻两个接收符号之间进行/>次方计算，以消除时序间隔，在忽略相位噪声影响的情况下，得到消除时序间隔后的信号/>：
S404、根据消除时序间隔后的信号，计算由频率偏移导致的相位旋转量，并根据此相位旋转量计算得到待估计的频偏值/>：
其中，表示经符号选择阶段后用于频偏估计的符号总数。
本实施例中，计算时序间隔：根据记录的每个信号的时序以及舍弃的符号，形成了一系列时序编号不连续的接收符号，通过所得圆环/>或/>上相邻两符号间的时序编号相减，得到相应的时序间隔/>（/>为大于等于1的整数）。其中，接收到的不连续接收符号可以表达为/>，n和m为大于或等于零的整数，经过选环之后的符号可以表达为/>。因此，在选完圆环之后两个符号之间或许存在一定的时序间隔，且这种时序间隔是随机的。
本实施例中，去除调制相位信息：对于或/>圆环上的接收符号，采取4次方操作去除调制相位信息，具体计算公式如下：
其中，表示经符号选择后第k时刻的接收符号，/>表示取复数共轭运算，表示经符号选择后第k-T m时刻接收符号的复共轭值，/>表示经符号选择后第k时刻接收符号的幅度，/>表示经符号选择后第k-T m时刻符号的幅度，/>表示指数运算，/>表示第k-T m时刻的相位调制信息，/>表示在第k-T m时刻激光器线宽引起的相位噪声，/>表示正整数，；
本实施例中，消除时序间隔：将去除调制相位信息的或/>圆环上相邻两个接收符号之间进行/>次方计算，以消除时序间隔。在忽略相位噪声影响的情况下，这一步得到的信号/>可表示为：
本实施例中，计算所估计的频偏值：根据消除时序间隔后的信号，先经过取共轭相乘、多个符号求平均、取幅角操作，以得到频率偏移导致的相位旋转信息，再除以常量后即可得到待估计的频偏值，其具体计算表达式如下：
其中，表示待估计的频偏值，/>表示经符号选择阶段后的接收符号总数。
即，本实施例中，对于所获得的或/>圆环上的接收符号，利用消除时序间隔的4次方前馈式方法进行频偏估计。本发明中，时序间隔是指经过接收符号选择阶段，从而导致用于前馈式频偏估计方法的前后2个接收符号之间存在的时序间隔。
本发明通过以上设计，能够在一定的误差允许范围内准确、稳定地实现PS-16/64QAM系统中的盲频偏估计，具有计算复杂度较低、在中等或强整形情况下此算法仍然适用等优点。本发明着眼于运用盲的FOE算法，使FOE方法针对概率整形系统在中等或强整形条件下依然适用。该方法具有较低的计算复杂度，可以随着整形强度的增加性能更加优越，在较低OSNR的情况下实现较高的估计精度。
实施例2
如图2所示，本发明还提供了一种概率整形光通信系统的频偏的估计装置，包括：
预处理模块，用于对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理；
符号选择阶段模块，用于对PS-16/64QAM所有接收符号，筛选判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号；
幅度扩增阶段模块，用于对PS-16QAM及PS-64QAM，分别将所述多个特定圆环上接收符号的幅度均扩增至同一幅度处，各自形成一个圆环；
频偏估计阶段模块，用于利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计。
如图2所示实施例提供的概率整形相干光通信系统的前馈式频偏估计装置可以执行上述方法实施例概率整形光通信系统的频偏估计方法所示的技术方案，其实现原理与有益效果类似，此处不再赘述。
本实施例中，本申请可以根据概率整形光通信系统的频偏估计方法进行功能单元的划分，例如可以将各个功能划分为各个功能单元，也可以将两个或两个以上的功能集成在一个处理单元中。上述集成单元即可以采用硬件的形式来实现，也可以采用软件功能单元的形式来实现。需要说明的是，本发明中对单元的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑划分，实际实现时可以有另外的划分方式。
本实施例中，概率整形相干光通信系统的前馈式频偏估计装置为了实现概率整形光通信系统的频偏估计方法的原理与有益效果，其包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本发明所公开的实施例描述的各示意单元及算法步骤，本发明能够以硬件和/或硬件和计算机软件结合的形式来实现，某个功能以硬件还是计算机软件驱动的方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件，可以对每个特定的应用来使用不同的方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
本发明通过以上设计，能够在一定的误差允许范围内准确、稳定地实现PS-16/64QAM系统中的盲频偏估计，具有计算复杂度较低、在中等或强整形情况下此算法仍然适用等优点。本发明着眼于运用盲的FOE算法，使FOE方法针对概率整形系统在中等或强整形条件下依然适用。该方法具有较低的计算复杂度，可以随着整形强度的增加性能更加优越，在较低OSNR的情况下实现较高的估计精度。
实施例3
本发明提供了一种概率整形光通信系统的频偏电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如实施例1所述的概率整形光通信系统的频偏估计方法的步骤，例如，处理器执行计算机程序时可以实现如下内容：
S1、预处理阶段：对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理；
S2、符号选择阶段：筛选PS-16/64QAM中，判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号；
S3、幅度扩增阶段：将多个特定圆环上接收符号的幅度扩增至同一幅度处，形成一个圆环；
S4、频偏估计阶段：利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计。
本实施例中，电子设备可以包括：处理器，存储器，总线和通信接口，处理器、通信接口和存储器通过总线连接，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器运行该计算机程序时执行本申请前述实施例1所提供的概率整形光通信系统的频偏估计的部分或全部步骤。
本发明通过以上设计，能够在一定的误差允许范围内准确、稳定地实现PS-16/64QAM系统中的盲频偏估计，具有计算复杂度较低、在中等或强整形情况下此算法仍然适用等优点。本发明着眼于运用盲的FOE算法，使FOE方法针对概率整形系统在中等或强整形条件下依然适用。该方法具有较低的计算复杂度，可以随着整形强度的增加性能更加优越，在较低OSNR的情况下实现较高的估计精度。
实施例4
本实施例中，通过使用光通信仿真软件VPI Design Suite 11.1和MATLAB，本发明验证了所提方法的可行性。仿真系统的示意图如图3所示，其中发射机用于生成28GBaudPS-偏振复用(Polarization Division Multiplexing, PDM)-16/64QAM信号。升余弦滤波器的滚降系数设置为0.2，发射端激光器的中心波长为1550nm，激光器的线宽设置为100KHz。由于4次方运算的影响，本发明所测试的频偏范围在，仿真验证使用的波特率为28GBaud，加入频偏范围限制在[-3.5GHz,3.5GHz]，仿真通过加入放大器自发辐射（Amplifier Spontaneous Emission, ASE）噪声的方式来探索所提出的频偏估计方法的有效性。其中，设置光信噪比模块将不同的ASE噪声引入传输链路中，发射端使用恒定组成分布匹配器(Constant Composition Distribution Matching, CCDM)编码实现概率整形。在图3中仿真系统接收端中所使用的ADC与PBC分别为模数转换器和偏振分束器，对于PS-16QAM调制格式，以1 dB的步长将OSNR设置在15 dB到25 dB的范围内，对于PS-64QAM调制格式，以1 dB的步长将OSNR设置在17 dB到27 dB的范围内。
本实施例中，如图4所示，图4的(a)与图4的(e)分别为PS-16QAM和PS-64QAM加了频偏的星座图。以PS-16QAM为例来详细说明提出的方法，首先是从接收到的PS-16QAM信号中选择QPSK形状的圆环，然后选择第1和第2圆环，第二步如图4的(c)和图4的(g)所示，即为幅度变化阶段，最后，如图4的(d)和图4的(h)所示，可以获得QPSK形状的信号。
本实施例中，图5与图6为频偏估计范围的验证。图5中PS-16QAM信源熵设置为3比特/符号，图6中PS-64QAM信源熵设置为4.4比特/符号。根据调制格式的不同OSNR设置的条件也不一，对PS-16QAM设置OSNR为19dB，PS-64QAM设置OSNR为24dB。图5与图6都表明了在[-3.5GHz,3.5GHz]范围内本发明可以精确的估计出频偏，所估计出来的频偏和真实频偏之间的平均误差在1MHz以内。
本实施例中，在激光器受到300MHz频偏和100kHz线宽影响下，图7与图8分别给出了PS-16QAM和PS-64QAM的光信噪比与GMI的关系图。从图7可以看出，在信源熵为3比特/符号条件下，当OSNR从15dB逐步递增至21dB时，采用本发明进行频偏估计后，PS-16QAM的BER由0.02642下降到2e-7，且在OSNR高于21dB后一直保持为0。从图8可以发现，在信源熵为4.4比特/符号条件下，当OSNR从17dB逐步递增至25dB时，采用本发明进行频偏估计后，PS-64QAM的BER由0.29下降到9e-6，且在OSNR高于25dB之后BER一直保持为0。
Claims (6)
1.一种概率整形光通信系统的频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预处理阶段：对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理；
S2、符号选择阶段：对PS-16/64QAM所有接收符号，筛选判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号；
S3、幅度扩增阶段：对PS-16QAM及PS-64QAM，分别将所述多个特定圆环上接收符号的幅度均扩增至同一幅度处，各自形成一个圆环；
所述步骤S3包括以下步骤：
S301、对PS-16QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子3，以使所述接收符号均扩增至/>圆环上；
S302、对PS-64QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子7，将判决至半径为/>圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子/>，以使所述接收符号均扩增至圆环上；
S4、频偏估计阶段：利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计。
2.根据权利要求1所述的概率整形光通信系统的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S101、将接收到的第k时刻PS-16/64QAM每一偏振的接收符号表示为：
其中，A k表示第k时刻的符号幅度，表示所要估计的频率偏移量，/>表示符号周期，/>表示相位调制信息，/>表示激光器线宽引起的相位噪声；
S102、对接收符号进行归一化和标准化处理，得到经归一化和标准化处理后的接收符号/>：
其中，和/>分别表示PS-16/64QAM中第/>个理想星座点对应的概率和幅度，，M为PS-16/64QAM分别具有的标准星座点个数，对于PS-16QAM M取16，对于PS-64QAM M取64，/>表示取数学期望运算；
S103、根据经归一化和标准化处理后的接收符号，记录每个接收符号/>的时间顺序；
S104、计算每个接收符号的幅度，并将该接收符号的幅度与所属调制格式的所有圆环半径进行逐一对比，从中选出距离最近的圆环作为该接收符号的判决圆环。
3.根据权利要求2所述的概率整形光通信系统的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、对PS-16QAM，选择判决至半径为及/>的圆环作为该调制格式的特定参考值，并根据所述特定参考值选取所属该2个特定圆环上的接收符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的接收符号；
S202、对PS-64QAM，选择判决至半径为、/>和/>的圆环作为该调制格式的特定参考值，并根据所述特定参考值选取所属该3个特定圆环上的接收符号，舍弃未判决为所述特定参考值圆环上的接收符号。
4.根据权利要求3所述的概率整形光通信系统的频偏估计方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、根据每个接收符号的时间顺序/>以及舍弃的接收符号，形成时序编号不连续的接收符号序列，并通过所述/>或/>圆环上相邻两接收符号间的时序编号相减，得到相应的时序间隔/>，其中/>为大于等于1的整数；
S402、对形成的或/>圆环上的接收符号，利用4次方运算去除调制相位信息，得到去除调制相位信息的接收符号/>：
其中，表示经符号选择后第k时刻的接收符号，/>表示取复数共轭运算，表示经符号选择后第k-T m时刻接收符号的复共轭值，/>表示经符号选择后第k时刻接收符号的幅度，/>表示经符号选择后第k-T m时刻符号的幅度，/>表示指数运算，/>表示第k-T m时刻的相位调制信息，/>表示在第k-T m时刻激光器线宽引起的相位噪声，/>表示正整数；
S403、根据所述时序间隔，将去除调制相位信息的/>或/>圆环上相邻两个接收符号之间进行/>次方计算，以消除时序间隔，在忽略相位噪声影响的情况下，得到消除时序间隔后的信号/>：
S404、根据消除时序间隔后的信号，计算由频率偏移导致的相位旋转量，并根据此相位旋转量计算得到待估计的频偏值/>：
其中，表示经符号选择阶段后用于频偏估计的符号总数。
5.一种如权利要求1-4任一所述的一种概率整形光通信系统的频偏估计方法的估计装置，其特征在于，包括：
预处理模块，用于对接收的PS-16/64QAM每个接收符号分别进行归一化、标准化以及圆环判决处理；
符号选择阶段模块，用于对PS-16/64QAM所有接收符号，筛选判决为具有QPSK形状星座点旋转而成的多个特定圆环上的接收符号；
幅度扩增阶段模块，用于对PS-16QAM及PS-64QAM，分别将所述多个特定圆环上接收符号的幅度均扩增至同一幅度处，各自形成一个圆环，其具体为：
对PS-16QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子3，以使所述接收符号均扩增至/>圆环上；
对PS-64QAM，将判决至半径为圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子7，将判决至半径为/>圆环上接收符号的幅度乘以缩放因子/>，以使所述接收符号均扩增至/>圆环上；
频偏估计阶段模块，用于利用消除了时序间隔的4次方前馈式方法对形成的圆环进行频偏估计。
6.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如权利要求1-4中任一所述的概率整形光通信系统的频偏估计方法的步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210635194.7A CN115037381B (zh) | 2022-06-07 | 2022-06-07 | 概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210635194.7A CN115037381B (zh) | 2022-06-07 | 2022-06-07 | 概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115037381A CN115037381A (zh) | 2022-09-09 |
| CN115037381B true CN115037381B (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=83123156
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210635194.7A Active CN115037381B (zh) | 2022-06-07 | 2022-06-07 | 概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115037381B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116418411B (zh) * | 2023-06-06 | 2023-09-22 | 众瑞速联（武汉）科技有限公司 | 一种用于波分复用系统的光信号编码方法及系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3306884A1 (en) * | 2016-10-06 | 2018-04-11 | Alcatel Lucent | Frequency offset estimation for probabilistically shaped qam signal |
| CN110380786A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-25 | 华南师范大学 | 一种概率整形星座下的频差盲估计方法 |
| CN111083078A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-28 | 华中科技大学 | 一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法及系统 |
| CN112600778A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-02 | 华中科技大学 | 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 |
| US11190277B1 (en) * | 2021-05-28 | 2021-11-30 | Ciena Corporation | Blind estimation of residual chromatic dispersion and carrier frequency offset |
-
2022
- 2022-06-07 CN CN202210635194.7A patent/CN115037381B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3306884A1 (en) * | 2016-10-06 | 2018-04-11 | Alcatel Lucent | Frequency offset estimation for probabilistically shaped qam signal |
| CN110380786A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-25 | 华南师范大学 | 一种概率整形星座下的频差盲估计方法 |
| CN111083078A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-28 | 华中科技大学 | 一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法及系统 |
| CN112600778A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-02 | 华中科技大学 | 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 |
| US11190277B1 (en) * | 2021-05-28 | 2021-11-30 | Ciena Corporation | Blind estimation of residual chromatic dispersion and carrier frequency offset |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| QPSK-Partition Assisted Frequency Offset Estimation for Probabilistically Shaped Coherent Optical Communication Systems;Xue Tang 等;《2021 Asia Communications and Photonics Conference (ACP)》;第T3B.7页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115037381A (zh) | 2022-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9515742B2 (en) | System and methods for adaptive equalization for optical modulation formats | |
| US9722768B2 (en) | Received signal processing device, communication system, and received signal processing method | |
| CN115037381B (zh) | 概率整形光通信系统的频偏估计方法、装置及电子设备 | |
| CN106936513A (zh) | 一种基于卡尔曼滤波算法的载波相位恢复方法及装置 | |
| US20060209993A1 (en) | Demodulator and receiver for pre-coded partial response signals | |
| CN104365039A (zh) | 在相干光通信中减少周跳 | |
| Yu et al. | A modified PSO assisted blind modulation format identification scheme for elastic optical networks | |
| CN110278170A (zh) | 基于最大似然的短波通信频偏估计方法 | |
| CN110519201A (zh) | 一种基于ofdm发射机系统的信号峰均比抑制方法 | |
| Hu et al. | MAP detection of probabilistically shaped constellations in optical fiber transmissions | |
| Lu et al. | Frequency offset estimation for 32-QAM based on constellation rotation | |
| CN109246044B (zh) | 用于32进制正交振幅调制信号的频偏估计方法及系统 | |
| CN116389207B (zh) | 一种基于信号幅度直方图的调制格式识别方法 | |
| CN112039591A (zh) | 一种基于二分法的载波相位估计算法 | |
| CN106101044B (zh) | 一种用于相干光通信系统的基于多步插值的频偏估计方法 | |
| KR100960344B1 (ko) | 수신된 신호들의 신호 크기, 잡음 전력 및 신호 대 잡음비의 추정 방법 | |
| Hu et al. | Modified QPSK partition algorithm based on MAP estimation for probabilistically-shaped 16-QAM | |
| Liu et al. | Low-complexity frequency offset estimation for probabilistically shaped MQAM coherent optical systems | |
| JP2003143243A (ja) | 変調方式識別回路、これを備えた受信装置、無線局、及び変調方式識別方法 | |
| Chen et al. | Blind identification of the shaping rate for probabilistic shaping QAM signal | |
| JP4361514B2 (ja) | 変調型式識別方法、変調型式識別回路および復調装置 | |
| JP3983688B2 (ja) | 変調型式識別回路および復調装置 | |
| CN111988253A (zh) | 一种多载波多元差分混沌移位键控噪声抑制系统及方法 | |
| CN114629766B (zh) | 光纤通信中的符号判决方法、装置、电子设备及存储介质 | |
| US8442156B2 (en) | Adaptive IQ alignment apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |