一种突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置

摘要

本发明公开了一种突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置，通过将电信道均衡与频偏估计和频偏补偿联合使用，使频偏相同条件下信道均衡需要的迭代步长减小，从而避免迭代不收敛的情况；同时在均衡抽头权值系数的自适应更新过程中，误差信号采用均衡值与去掉频偏补偿的判决值进行计算，从而消除了频偏补偿对误差信号准确度的影响，使均衡模块能够准确的发挥作用。本发明不但能够对一定范围内的突发频偏进行估计和补偿，而且能够保证电信道均衡的收敛性，让采用本发明联合均衡和频偏估计装置组建的突发相干光纤通信接收系统在频偏较大的情况下也能保持较好的性能。

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置。

背景技术

随着高速数字信号处理技术的进步以及人们对通信要求的提高，高速相干光通信成为了研究热点。当前很多相干光通信系统都处于连续工作状态，系统一旦建立，信号就连续发生。但是在有些通信系统中，信号却是间断发生甚至突然发生的，称为突发通信。这种突发模式是一种隐蔽通信，具有短暂性、不易被侦查和干扰的特点。

相干检测通信系统接收机是利用一个本振激光器与接收到的载波调制信号进行相干以获得基带信号，理论上要求本振激光器的振荡频率与信号载波的频率完全相同，但实际上每个激光器都有一定量的振荡频率偏移，假设每个激光器可能的振荡频偏范围是[-X,X]Hz，则两个激光器的相对频偏的范围就可能为[-2X,2X]Hz，所以载波频偏是影响高速相干光通信系统性能的主要因素之一，它将在很大程度上决定信号能否准确解调、信息能否完整还原。

图1是突发通信的频率漂移示意图。突发通信在开始阶段会出现频率的不稳定，突发频率的不稳定性会对后面信号的判决产生很大影响，因此需要对突发频偏进行估计和补偿。另一方面随着传输速率的提高，光纤色散对系统的影响将会更加严重，因此高速突发相干光纤通信系统中除了要进行突发频偏的估计与补偿外，信道均衡也是必不可少的。在现有连续相干光通信系统研究中，为了进行频偏估计与补偿，假设已经在光域进行了色散均衡，因此在进行频偏估计与补偿的时候不需要考虑色散的影响。

现有光纤通信系统在进行色散均衡时，电信道均衡器抽头系数采用自适应调整，不但能够实现色散补偿，还能够一定程度上实现对接收信号中由于频偏造成的相位抖动的跟踪，因此在频偏比较小的情况下不需要另外进行频偏补偿也能正确解调信号。但是，随着系统中频偏的增加，均衡器迭代步长也需要随之增大以便能够跟踪到频偏导致的信号相位的变化；可是过大的迭代步长会导致均衡器抽头系数不稳定，甚至不收敛，造成系统性能的严重劣化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置，通过将电信道均衡与频偏估计和频偏补偿联合使用，使频偏相同条件下信道均衡需要的迭代步长减小，从而避免迭代不收敛的情况，使均衡模块能够稳定地发挥作用，同时使系统能够估计和补偿较大范围的突发频偏，在频偏较大的情况下也能具有较好的性能。

为实现上述发明目的，本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置，其特征在于包括：

一均衡模块，用于接收经AD采样量化后的信号r_k进行均衡处理，即根据判决模块反馈的前一个信号r_k-1的判决值和频偏估计模块反馈的前一个信号r_k-1的累积频偏θ_k-1进行均衡抽头权值系数的迭代更新：

$>C_k=C_{k-1}-{\mathrm{\Delta ϵ}}_{k-1}{r}_{k-1}^{*}$>

其中，C_k、C_k-1分别是第k个和第k-1个信号通过均衡模块时的均衡抽头权值系数；r_k-1是第k-1个信号的接收信号样值，为信号r_k-1的共轭值，Δ是迭代步长，为正数，由用户设置，ε_k-1是第k-1个信号得到的误差信号，其计算公式为：

$>{ϵ}_{k-1}={\tilde{m}}_{k-1}-{\tilde{m}}_{k-1}·e^{{\mathrm{j\theta }}_{k-1}}$>

其中，是第k-1个信号通过均衡模块后的均衡值，是判决模块对经过频偏补偿后得到的信号的判决值，θ_k-1表示第k-1个信号通过频偏估计模块得到的累积频偏；

均衡模块根据均衡抽头权值系数C_k对信号r_k进行均衡，输出均衡值传送给判决模块和频偏模块；

一判决模块，接收均衡值并根据第k-1个信号通过频偏估计模块得到的累积频偏θ_k-1，计算均衡值的频偏补偿信号并进行判决，输出判决值传送给频偏估计模块并反馈给均衡模块；

一频偏估计模块，接收均衡模块传送的均衡值和判决模块传送的判决值均衡值信号相位表示为φ_d,k+kΔωT+φ_n,k，其中表示调制相位，kΔωT表示频偏引入的相位误差，是高斯噪声引起的相位误差，判决值信号相位为计算前k个信号的累积相位误差估计值z_tmp_k：

$>z\_t{\mathrm{mp}}_k=({\tilde{m}}_k·{{\hat{m}}_k}^{*})$>

$>={\phi }_{d,k}+\mathrm{k\Delta \omega T}+{\phi }_{n,k}-{\phi }_{d,k}$>

$>=\mathrm{k\Delta \omega T}+{\phi }_{n,k}$>

计算第k个信号的相位误差估计值α_k：

α_k=z_tmp_k·(z_tmp_delay_k-1)^*

=kΔωT+φ_n,k-[(k-1)ΔωT+φ_n,k-1]

=ΔωT+φ_n,k-φ_n,k-1

其中z_tmp_delay_k-1由前k-1个信号的累积相位误差估计值z_tmp_k-1延迟一拍得到；

对相位误差估计值α_k进行求角度操作得到角度值β_k，如果角度值β_k在[-π,π]范围内则将相位误差估计值α_k送入滤波器抑制噪声相位，否则将相位误差估计值α_k丢弃；经滤波器抑制噪声相位后得到频偏估计值ΔωT，计算前k个信号的累积频偏θ_k=θ_k-1+ΔωT；

频偏估计模块将累积频偏θ_k分别传送反馈给均衡模块和判决模块，用于下一个信号的均衡处理和判决。

其中，均衡模块为基于LMS算法的自适应均衡器，包括一系列FIR滤波器。

进一步地，频偏估计模块中包括一存储器，用于存储累积相位误差估计值z_tmp_k，先取出z_tmp_k-1进行延迟一拍处理得到z_tmp_delay_k-1使其与z_tmp_k同步，再写入z_tmp_k信号。

其中，所述均衡抽头权值系数C_k-1、误差信号ε_k-1、累积相位误差估计值z_tmp_k-1、累积频偏θ_k-1的初始值通过训练序列进行初始化得到，初始化过程为：

训练序列pilot_k，长度为L，L由用户设置，需大于频偏估计模块中滤波器滑窗的长度l，并考虑到突发频偏的发散符号个数要求，L需足够长以保证可使均衡模块收敛；训练序列pilot_k经模拟干扰处理后得到信号序列R_k；

均衡模块接收信号序列R_k，均衡抽头权值系数始终为C_k=1；信号R₁经过均衡模块生成第1个均衡值信号R₂经过均衡模块生成第2个均衡值将z_tmp₁延迟一拍生成z_tmp_delay₁，相位误差估计值α₂=z_tmp₂·(z_tmp_delay₁)^*，对α₂取角度得到第1个角度值β₂；对信号序列R_k重复进行与第2个信号相同的处理，直到信号R_l+1时，角度值累积至l个，l个角度值一起进入滤波器抑制噪声相位得到第1个频偏估计值θ_l+1，得到误差信号$>{ϵ}_{l+1}={\tilde{m}}_{l+1}-{\mathrm{pilot}}_{l+1}·e^{{\mathrm{j\theta }}_{l+1}};$>

均衡抽头权值系数开始迭代更新C_l+2=C_l+1-Δε_l+1R_l+1^*=1-Δε_l+1R_l+1^*，信号R_l+2经过均衡模块得到均衡值进行频偏估计得到第1个累积频偏θ_l+2。之后采用迭代更新的均衡抽头权值系数对信号序列R_k进行联合均衡和频偏估计，其中C_k=C_k-1-Δε_k-1R_k-1^*、直到训练序列结束完成均衡抽头权值系数的初始化，此时均衡模块收敛，用此时的C_L、ε_L、z_tmp_L、θ_L作为均衡抽头权值系数C_k-1、误差信号ε_k-1、累积相位误差估计值z_tmp_k-1、累积频偏θ_k-1的初始值。

本发明的发明目的是这样实现的：本发明在均衡抽头权值系数的自适应更新过程中，误差信号采用均衡值与去掉频偏补偿的判决值进行计算，从而消除了频偏补偿对误差信号准确度的影响，使均衡模块能够准确的发挥作用。

本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置不但能够对一定范围内的突发频偏进行估计和补偿，而且能够保证电信道均衡的收敛性，让采用本发明联合均衡和频偏估计装置组建的突发相干光纤通信接收系统在有突发频偏或者频偏较大的情况下也能保持较好的性能。

附图说明

图1是突发通信的频率漂移示意图；

图2是本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置应用于突发相干光纤通信系统的结构示意图；

图3是本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置的一种具体实施方式结构图；

图4是本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置的一种具体实施方式的突发频偏仿真结果图；

图5是采用本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置的突发相干光纤通信接收系统误符号率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图2是本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置应用于突发相干光纤通信系统的结构示意图。如图2所示，在发送端，分别对偏振方向相互垂直的两路光信号进行差分正交相移键控（QPSK）调制，偏振耦合器实现对两路光信号的偏振复用，得到PDM-QPSK的传输信号，信号在单模光纤传输时，色度色散、偏振模色散等效应会造成光脉冲的展宽，形成码间干扰。

在接收端，偏振复用信号经过偏振分束器分成两个偏振方向的信号进行独立的相干解调。相干解调后的4路电信号首先需要进行AD采样和量化，再进一步进行电信道均衡和频偏补偿。最后，相位判决恢复出所发送的数据，并进行误符号率的统计。

图3是本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置的一种具体实施方式结构图。如图3所示，本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置包括均衡模块1、判决模块2、频偏估计模块3。

由于均衡抽头权值系数更新所用误差信号计算时需使用判决信号，因此在传输信号前，需对均衡抽头权值系数C_k-1、误差信号ε_k-1、累积相位误差估计值z_tmp_k-1、累积频偏θ_k-1进行初始化。本实施方式中，采用一段训练序列进行初始化，初始化过程为：

训练序列pilot_k，长度为L，L由用户设置，需大于频偏估计模块3中滤波器5滑窗的长度l，并考虑到突发频偏的发散符号个数要求，L需足够长以保证可使均衡模块1收敛；训练序列pilot_k经模拟干扰处理后得到长度为L的信号序列R_k；

均衡模块1接收信号序列R_k，均衡抽头权值系数始终为C_k=1；信号R₁经过均衡模块1生成第1个均衡值信号R₂经过均衡模块1生成第2个均衡值将z_tmp₁延迟一拍生成z_tmp_delay₁，相位误差估计值α₂=z_tmp₂·(z_tmp_delay₁)^*，对α₂取角度得到第1个角度值β₂；对信号序列R_k重复进行与第2个信号相同的处理。由于滤波器滑窗长度为l，因此角度值需累积至l个。到信号R_l+1时，角度值累积至l个，l个角度值一起进入滤波器抑制噪声相位得到第1个频偏估计值θ_l+1，得到误差信号初始化过程中误差信号ε_k的计算并不使用判决值，而是使用训练序列pilot_k代替判决值。

均衡抽头权值系数开始迭代更新C_l+2=C_l+1-Δε_l+1R_l+1^*=1-Δε_l+1R_l+1^*，信号R_l+2经过均衡模块1得到均衡值进行频偏估计得到第1个累积频偏θ_l+2。判决模块2对根据θ_l+1进行频偏补偿得到信号判决得到判决值虽然得到判决值，但是初始化过程中并不使用。

之后的信号序列R_k采用迭代更新的均衡抽头权值系数进行联合均衡和频偏估计，其中C_k=C_k-1-Δε_k-1R_k-1^*、直到训练序列结束完成均衡抽头权值系数的初始化，此时均衡模块1收敛，用此时的C_L、ε_L、z_tmp_L、θ_L作为均衡抽头权值系数C_k-1、误差信号ε_k-1、累积相位误差估计值z_tmp_k-1、累积频偏θ_k-1的初始值。

初始化完成后，联合均衡和频偏估计装置接收经相干解调、AD采样量化后生成的信号r_k，开始进行联合均衡和频偏估计。

均衡模块1接收信号r_k进行均衡处理，首先根据判决模块2反馈的前一个信号r_k-1的判决值和频偏估计模块3反馈的前一个信号r_k-1的累积频偏θ_k-1计算本次均衡的均衡抽头权值系数：

$>C_k=C_{k-1}-{\mathrm{\Delta ϵ}}_{k-1}{r}_{k-1}^{*}$>

可见，均衡抽头权值系数是迭代更新的。其中，C_k、C_k-1分别是第k个和第k-1个信号通过均衡模块1时的均衡抽头权值系数；r_k-1是第k-1个信号的接收信号样值，为其共轭值；Δ是迭代步长，为正数，由用户设置，需设置为足够小以确保迭代过程能够收敛；ε_k-1是第k-1个信号得到的误差信号，其计算公式为：

$>{ϵ}_{k-1}={\tilde{m}}_{k-1}-{\tilde{m}}_{k-1}·e^{{\mathrm{j\theta }}_{k-1}}$>

其中，是第k-1个信号通过均衡模块1后的均衡值，是判决模块2对经过频偏补偿后得到的信号的判决值，θ_k-1表示第k-1个信号通过频偏估计模块3得到的累积频偏。由于信号判决之前进行了θ_k-1的频偏补偿，而均衡之后的估计值并没有这样的补偿，因此在计算误差信号的时候需要将判决值的频偏补偿去掉，从而使误差信号ε_k-1更为准确。

均衡模块1根据计算得到的均衡抽头权值系数C_k对信号r_k进行均衡，输出均衡值传送给判决模块2和频偏估计模块3。

本实施方式中，均衡模块1为基于LMS算法的自适应均衡器，由一系列FIR滤波器组成。

判决模块2接收均衡模块1传送的均衡值并根据第k-1个信号通过频偏估计模块得到的累积频偏θ_k-1，计算均衡值的频偏补偿信号并进行判决，输出判决值传送给频偏估计模块3，并反馈给均衡模块1用于进行下一次均衡抽头权值系数的更新。

频偏估计模块3接收均衡模块1传送的均衡值和判决模块2传送的判决值均衡值信号相位表示为φ_d,k+kΔωT+φ_n,k，其中φ_d,k表示调制相位，kΔωT表示频偏引入的相位误差，φ_n,k是高斯噪声引起的相位误差，判决值信号相位为φ_d,k。均衡值与判决值的共轭相乘，可消除调制相位的影响，得到前k个信号的累积相位误差估计值z_tmp_k：

$>z\_t{\mathrm{mp}}_k=({\tilde{m}}_k·{{\hat{m}}_k}^{*})$>

$>={\phi }_{d,k}+\mathrm{k\Delta \omega T}+{\phi }_{n,k}-{\phi }_{d,k}$>

$>=\mathrm{k\Delta \omega T}+{\phi }_{n,k}$>

计算第k个信号的相位误差估计值α_k：

α_k=z_tmp_k·(z_tmp_delay_k-1)^*

=kΔωT+φ_n,k-[(k-1)ΔωT+φ_n,k-1]

=ΔωT+φ_n,k-φ_n,k-1

其中z_tmp_delay_k-1由前k-1个信号的累积相位误差估计值z_tmp_k-1延迟一拍得到，(z_tmp_delay_k-1)^*为其共轭值。可见，α_k只包括第k个信号的频偏估计分量ΔωT以及噪声引起的相位变化分量φ_n,k-φ_n,k-1。

频偏估计模块3中的存储器用于存储累积相位误差估计值z_tmp_k，先取出z_tmp_k-1进行延迟一拍处理得到z_tmp_delay_k-1使其与z_tmp_k同步，再写入z_tmp_k信号。

频偏估计的相位分量ΔωT只能在[-π,π]之间，否则会引起相位模糊，使频偏估计具有非确定性，于是本发明限定在[-π,π]之间。频偏估计模块3对相位误差估计值α_k进行求角度操作得到角度值β_k，如果角度值β_k在[-π,π]范围内则将相位误差估计值α_k送入滤波器抑制噪声相位，否则将相位误差估计值α_k丢弃；经滤波器抑制噪声相位后得到第k个信号的频偏估计值ΔωT；由于频偏是个累积效应，要将ΔωT累积到之前k-1个信号的累积频偏上，计算得到k个信号的累积频偏θ_k=θ_k-1+ΔωT。

频偏估计模块3将累积频偏θ_k分别传送反馈给均衡模块1和判决模块2，用于下一个信号的均衡处理和判决。

实施例

对本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置进行仿真实验，参数设置为：单模光纤的衰减因子为0.2dB/km，二阶色散系数为-20ps^2/km，光纤传输距离为100km，接收机带宽设置为50GHz，频偏估计模块3中滤波器滑窗的长度是128，均衡模块1的迭代步长是传输距离为100公里时的最佳迭代步长0.001。

表1为针对频偏的不同突发范围时所采用的训练序列长度。

图4是本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置的一种具体实施方式的突发频偏仿真结果图。如图4所示，曲线表示本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置可以估计并补偿不同的突发频偏范围，突发频偏范围越大，需要的初始化训练序列的长度越长，这样才能在训练序列初始化阶段使均衡模块1收敛，使均衡模块1稳定的发挥作用。在图4中可以看到，随着频偏突发范围的变大，光纤通信接收系统性能会受到一定的影响，但是也是可以接受的。甚至当突发频偏增大到±6GHz的时候，系统性能损失也不是很大，说明本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置适用于存在突发频偏情况的光纤通信接收系统。

图5是采用本发明突发相干光纤通信中的联合均衡和频偏估计装置的接收系统误符号率仿真结果图。如图5所示，虚线表示只有均衡的情况，实线表示均衡和频偏估计联合使用的情况，每条曲线所用的均衡步长均为最佳步长。

表2为光纤传输距离为100km，不同频偏下所用的均衡模块1最佳步长。

频偏大小（Hz）1M10M100M500M均衡0.0020.050.1－均衡与频偏估计0.0010.0010.0010.001

表2

如图5所示，在只有均衡的情况下，接收系统所能容忍的频偏非常小，当频偏值增加到100M时，即使再高的光信噪比OSNR，接收系统的误符号率SER都很高；而采用联合均衡和频偏估计装置的情况下，在频偏增加到200M的时候，在最佳迭代步长下，接收系统的误符号率SER明显降低，并且随着光信噪比的增加，接收系统的误符号率SER进一步降低。可见联合均衡与频偏估计装置可以使突发相干光纤通信接收系统性能得到很大的提高。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，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。