相干光通信领域中相位受控旋转的调制系统及调制方法

摘要

本发明公开了一种相干光通信领域中相位受控旋转的调制系统及调制方法，涉及相干光通信领域，该系统包括发送端和接收端，发送端根据控制信号序列的数值对调制信号进行受控旋转，产生伪PM-QPSK信号；接收端进行色散补偿、时钟恢复后，使用自适应滤波器处理数字信号并使用恒模算法对自适应滤波器的系数进行更新，接收端使用与发送端相同的控制信号序列，并与发送端受控数字序列同步循环移位，再根据控制信号序列的数值逆向旋转自适应滤波器的输出信号，去除在发送端受控旋转的影响；后续处理流程与普通相干光信号相同。本发明将BPSK转换成MR-BPSK，将PS-QPSK转换成MR-PS-QPSK，能使用恒模算法，避免错误收敛问题。

说明书

技术领域

本发明涉及相干光通信领域，具体是涉及一种相干光通信领域中 相位受控旋转的调制系统及调制方法。

背景技术

相干光通信的理论和实验始于80年代。由于相干光通信系统被 公认为具有灵敏度高的优势，各国在相干光传输技术上做了大量研究 工作。此后，由于EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，掺 铒光纤放大器)的发明以及在产业应用上的巨大成功，相干光通信研 究转冷。

随着光通信进入40G、100G时代，相干光通信研究再度兴起。 当前人们所看重的是相干光通信频率选择性好、频谱效率高的特点， 这些特点有利于通信容量的提高。另外，在相干通信中，色散与偏振 模色散对信号的损伤都为线性损伤，此时通信信道可建模为线性时不 变系统。通过适度复杂的DSP(Digital Signal Processing，数字信号 处理)技术就可以补偿线性损伤。

由于电子技术的进步，使得数字信号处理的成本大为降低。新一 代的相干光通信系统普遍引入DSP技术，基于CMA(Constant  Modulus Algorithms，恒模算法)的自适应滤波技术为其主要组成部 分。在使用本征光载波解调信号光后，再使用ADC(Analog-Digital  Converter，模数转换器)采样所得电子信号，最后进行数字信号处理。

综合考虑谱效率与光信噪比容限的要求，基于相干光通信的 100G商用系统采用的是PM-QPSK(Polarization Multiplexed Quadri  Phase Shift Keying，偏振复用四相移键控)技术。参见图1所示，相 干光通信接收机的数字信号处理的流程一般为：色散补偿→时钟恢复 →自适应滤波(CMA)→载波恢复(频差估计与补偿)→载波恢复 (相差估计与补偿)→码元判决。自适应滤波器起到偏振解复用与残 余色散补偿作用，通常由线性均衡器与自适应滤波系数更新算法组 成，CMA(恒模算法)即为自适应滤波系数更新算法。因为恒模算 法不需要训练序列，且不需要事先补偿频差，具有简单且鲁棒性强的 特点，所以被主流商用系统采用。

相对于被100G商用系统采用的PM-QPSK技术，另外的调制格 式有其独特特点与优势。BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制 相移键控)虽然谱效率只有QPSK(Quadri Phase Shift Keying，四相 移键控)的一半，但由于BPSK星座点的相位距离高于QPSK一倍， 所以更能抗非线性效应引起的相位畸变。在频谱效率要求不高，且系 统传输距离受非线性限制的应用场景，如无中继超长跨距传输中， BPSK具有一定优势。而最新提出的PS-QPSK(Polarization Switched  Quadri Phase Shift Keying，偏振开关四相移键控)，虽然谱效率只有 PM-QPSK的四分之三，但PS-QPSK信号在所有可用于高速光通信的 调制格式中，具有最高的OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪 比)容限，且非线性容忍度更高，能完成更远距离的传输。

但是，CMA用于BPSK信号时，由于其不满足CMA算法的成 立条件，即Expected[E_m²]＝0，Expected为求统计期望，E_m为调 制信号，上标“2”为求平方，自适应滤波器的系数可能会收敛到歧 义点，例如，自适应滤波器最后的输出可能为：

E_out(i)＝cos(α)E_m(i)+jsin(α)E_m(i+g)       (1)

E_out(i)为自适应滤波器的输出，E_m(i)为第i个调制码元，i为任 意整数，E_m(i+g)为第i+g个调制码元，g为小于自适应滤波器的抽 头数的整数，cos(α)与sin(α)表示任意平方和等于1的系数，α为任 意角度，j为虚数单位。容易看出：由于E_m(i)与E_m(i+g)皆为BPSK 信号，尽管输出信号E_out(i)中二个码元叠加在一起，但仍然满足恒模 条件。正确的自适应滤波器的输出是单个码元，此时基于恒模算法的 自适应滤波器并没有输出正确的结果。经典的恒模算法用于BPSK信 号时，会出现错误收敛的问题。

同样的，对于PS-QPSK信号，虽然两个偏振态的调制都是QPSK 信号，但在任意码元周期，其中一个偏振的调制必然等于或相反于另 一个偏振的调制，即其中，表示X偏振的调 制信号，表示Y偏振的调制信号。由于调制到两个偏振态的信 号具有相关性，自适应滤波器的系数仍可能收敛到歧义点，例如，自 适应滤波器最后的输出可能为：

同样可以看出，最后的输出中，两个偏振的调制叠加在一起，并 没有真正解开，但仍然满足恒模条件，此时，基于恒模算法的自适应 滤波器同样没有输出正确的结果。经典的恒模算法用于PS-QPSK信 号时，同样会出现错误收敛的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种相干 光通信领域中相位受控旋转的调制系统及调制方法，将普通BPSK转 换成MR-BPSK，将普通PS-QPSK转换成MR-PS-QPSK，能够正常 使用经典的恒模算法，避免应用普通BPSK、PS-QPSK时使用经典的 恒模算法会出现的错误收敛问题。

本发明提供一种相干光通信领域中相位受控旋转的调制系统，包 括发送端和接收端，所述发送端根据预先确定的控制信号序列的数值 对调制信号进行受控旋转：控制信号取值为0或1，发送端将控制信 号序列循环移位：当控制信号取值为0时，发送端不旋转调制信号； 当控制信号取值为1时，发送端将调制信号旋转+π/2或者－π/2； 对调制信号进行受控旋转处理后，产生一个伪偏振复用四相移键控 PM-QPSK信号；

所述接收端进行色散补偿、时钟恢复后，使用自适应滤波器处理 数字信号，并使用恒模算法CMA对自适应滤波器的系数进行更新， 接收端使用与发送端相同的控制信号序列，并与发送端受控数字序列 同步循环移位，再根据控制信号序列的数值逆向旋转自适应滤波器的 输出信号，去除在发送端受控旋转的影响：当控制信号取值为0时， 接收端不旋转自适应滤波器的输出信号；当控制信号取值为1时，若 发送端将调制信号旋转+π/2，则接收端将自适应滤波器的输出信号 旋转－π/2；若发送端将调制信号旋转－π/2，则接收端将自适应滤 波器的输出信号旋转+π/2；后续的数字信号处理流程与普通相干光 信号的处理流程相同。

本发明还提供一种相干光通信领域中相位受控旋转的调制方 法，包括以下步骤：

A、发送端根据预先确定的控制信号序列的数值对调制信号进 行受控旋转：控制信号取值为0或1，发送端将控制信号序列循环 移位，当控制信号取值为0时，发送端不旋转调制信号；当控制 信号取值为1时，发送端将调制信号旋转+π/2或者－π/2；对调 制信号进行受控旋转处理后，产生一个伪偏振复用四相移键控 PM-QPSK信号；

B、接收端进行色散补偿、时钟恢复后，使用自适应滤波器处 理数字信号，并使用恒模算法CMA对自适应滤波器的系数进行更 新；接收端使用与发送端相同的控制信号序列，并与发送端受控 数字序列同步循环移位，再根据控制信号序列的数值逆向旋转自 适应滤波器的输出信号，去除在发送端受控旋转的影响：当控制 信号取值为0时，接收端不旋转自适应滤波器的输出信号；当控 制信号取值为1时，若步骤A中发送端将调制信号旋转+π/2，则 步骤B中接收端将自适应滤波器的输出信号旋转－π/2；若步骤A 中发送端将调制信号旋转－π/2，则步骤B中接收端将自适应滤波 器的输出信号旋转+π/2；后续的数字信号处理流程与普通相干光 信号的处理流程相同。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明提出的相位受控旋转技术，将普通BPSK转换成 了MR-BPSK(Manipulated Rotating Binary Phase Shift Keying，受控 旋转二进制相移键控)，在保留BPSK的抗非线性优点的同时，能够 正常使用经典的恒模算法，可继续沿用已用于商用100G相干通信系 统的成熟DSP架构，避免了使用普通BPSK时使用经典的恒模算法 会出现的错误收敛问题。

(2)本发明提出的相位受控旋转技术，将普通PS-QPSK转换 成了MR-PS-QPSK(Manipulated Rotating Polarization Switched Quadri  Phase Shift Keying，受控旋转偏振开关四进制相移键控)能够正常使 用经典的恒模算法，避免了使用普通PS-QPSK时使用经典的恒模算 法会出现的错误收敛问题。

附图说明

图1是现有的相干光通信接收机的数字信号处理流程图。

图2是本发明实施例中的数字信号处理流程图。

图3是本发明实施例中的BPSK信号在发送端进行受控旋转产生 MR-BPSK信号的示意图。

图4是本发明实施例中的MR-BPSK信号在接收端进行逆向受控 旋转，并进行后续信号处理的示意图。

图5是本发明实施例中的PS-QPSK信号在发送端进行受控旋转 产生MR-PS-QPSK信号的示意图。

图6是本发明实施例中的MR-PS-QPSK信号在接收端进行逆向 受控旋转并进行后续信号处理的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种相干光通信领域中相位受控旋转的调制 系统，包括发送端和接收端。

本发明实施例提供一种相干光通信领域中相位受控旋转的调制 方法，包括以下步骤：

A、发送端根据预先确定的控制信号序列的数值对调制信号进行 受控旋转：控制信号取值为0或1，发送端将控制信号序列循环移位， 当控制信号取值为0时，发送端不旋转调制信号；当控制信号取值为 1时，发送端将调制信号旋转+π/2或者－π/2；

对调制信号进行受控旋转处理后，产生一个伪PM-QPSK信号；

B、接收端进行色散补偿、时钟恢复后，使用自适应滤波器处理 数字信号，并使用恒模算法CMA对自适应滤波器的系数进行更新， 接收端使用与发送端相同的控制信号序列，并与发送端受控数字序列 同步循环移位，再根据控制信号序列的数值逆向旋转自适应滤波器的 输出信号，去除在发送端受控旋转的影响：当控制信号取值为0时， 接收端不旋转自适应滤波器的输出信号；当控制信号取值为1时，若 步骤A中发送端将调制信号旋转+π/2，则步骤B中接收端将自适应 滤波器的输出信号旋转－π/2；若步骤A中发送端将调制信号旋转 －π/2，则步骤B中接收端将自适应滤波器的输出信号旋转+π/2； 参见图2所示，后续的数字信号处理流程与普通相干光信号的处理流 程相同：载波恢复-频差估计与补偿→载波恢复-相差估计与补偿→码 元判决。

调制信号可以为BPSK信号或者PS-QPSK信号，下面分别以 BPSK信号、PS-QPSK信号为例进行详细说明。

实施例1、受控旋转二进制相移键控(MR-BPSK)

参见图3所示，对于BPSK信号，发送端定义长度为N的控制 信号序列C(n)，1≤n≤N，n、N均为正整数，控制信号序列C(n)可 以是一段长为N的PRBS(Pseudo-Random Binary Sequence，伪随机 二进制序列)码流，控制信号取值为0或1。发送端将控制信号序列 循环移位，每一码元时刻循环移位一次。对每一码元，根据对应时刻 的C(1)的值决定是否旋转BPSK信号：当C(1)＝0时，发送端不旋转 BPSK信号；C(1)＝1时，发送端将BPSK信号旋转π/2；然后使用 IQ调制器，调制光信号。

参见图4所示，接收端使用与发送端相同的控制信号序列，将接 收端与发送端的控制数字序列对齐，并与发送端受控数字序列同步循 环移位，再根据控制信号序列的数值逆向旋转自适应滤波器的输出信 号：当C(1)＝0时，接收端不旋转自适应滤波器的输出信号；C(1)＝ 1时，接收端将自适应滤波器的输出信号旋转-π/2。虽然接收端与 发送端所用的控制数字序列相同，但仍然要求将接收端、发送端的控 制数字序列对齐，以保证接收端进行与发送端相逆的操作，这实际是 接收端进行同步。

对于偏振复用的BPSK信号，发送端分别定义两个长度为N的 控制信号序列：C_X(n)与C_Y(n)，1≤n≤N，n、N均为正整数，C_X(n) 为X偏振的控制序列，C_Y(n)为Y偏振的控制序列，对两个偏振信 号分别进行受控旋转。接收端使用CMA算法更新自适应滤波器系数， 解出X偏振信号与Y偏振信号，再各自根据对应控制信号序列逆向 旋转；X偏振信号与Y偏振信号的处理是两个独立的过程，且处理 方法相同，下面统一描述，统一用E_out(i)表示X偏振信号或Y偏振 信号，统一用控制数字序列C(n)表示C_X(n)或C_Y(n)。

对于普通BPSK信号和偏振复用的BPSK信号，将接收端与发送 端的控制数字序列对齐的同步流程如下：

步骤101、接收端进行色散补偿、时钟恢复后，将自适应滤波器 的输出做二阶差分检测，消去接收端、发送端频差与相差的影响，并 进行二次方处理，消去BPSK调制数据的影响，计算公式为：

$E_{\mathrm{out}}^{\mathrm{dif}2}(i+2)={\left\{\right[E_{\mathrm{out}}\left(i\right)\left]\right[E_{\mathrm{out}}(i+2)]/{\left[E_{\mathrm{out}}(i+1)\right]}^2\}}^2---\left(3\right)$

E_out(i)、E_out(i+1)、E_out(i+2)分别为自适应滤波器的输出信号， 序号依次为i、i+1、i+2，i为正整数，为经二阶差分检测 再进行二次乘方的数字信号。

也可以直接对角度进行二阶差分运算，并对π求模：

${\theta }_r^{\mathrm{dif}2}(i+2)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{angle}\left[E_{\mathrm{out}}\left(i\right)\right]+\mathrm{angle}\left[E_{\mathrm{out}}(i+2)\right]\\ -2\mathrm{angle}\left[E_{\mathrm{out}}(i+1)\right]\end{array}\right)\mathrm{MOD\pi }.---\left(4\right)$

angle为对复信号求角度的函数，为经二阶差分检测并 求模的角度信号。

步骤102、将E_out(i)的数据分帧，每N个数据为一帧，任取一帧， 经步骤101中两种方式处理的数据分别为或

步骤103、对控制数字序列C(n)进行循环二阶差分处理，并取模：

C^dif2(n+2)＝[C(n+2)+C(n)-2C(n+1)]MOD2,1≤n≤N-2,

C^dif2(2)＝[C(2)+C(N)-2C(1)]MOD2,    (5)

得到经循环二阶差分计算的受控旋转数字序列 C^dif2(n),1≤n≤N。

步骤104、将C^dif2(n)循环移位，移位后与或做 相关运算：

$\mathrm{SUM}\left(k\right)={\Sigma }_1^N{\theta }_r^{\mathrm{dif}2}\left(n\right)C_k^{\mathrm{dif}2}\left(n\right)---\left(6\right)$

k为C^dif2(n)循环移位的位数，k为正整数，C^dif2(n)循环移位k 位得到

找到SUM(k)绝对值的峰值，再根据该峰值所对应的k值将C(n) 循环移位，产生C_k(n)；将C_k(n)与E_out(n)对齐，完成接收端与发送 端受控数字序列的同步。

后续的数字信号处理流程与普通BPSK信号处理流程相同，具体 步骤为：载波恢复-频差估计与补偿→载波恢复-相差估计与补偿→码 元判决。

实施例2、受控旋转偏振开关四进制相移键控(MR-PS-QPSK)

对于PS-QPSK信号，虽然调制的是QPSK信号，但由于两偏振 信号的相关性，即如要使用恒模算法(CMA)，仍 然要对其中的一个偏振的调制信号进行受控旋转。

参见图5所示，发送端定义长度为N的控制信号序列C(n)， 1≤n≤N，n、N均为正整数，控制信号序列C(n)是一段长为N的伪 PRBS码流，控制信号取值为0或1；发送端将控制信号序列C(n)循 环移位，并使用C(1)对Y偏振的调制信号进行受控旋转，X偏振的 调制信号不做改变。

参见图6所示，接收端进行色散补偿、时钟恢复后，使用CMA 算法更新自适应滤波器系数，解出两个偏振信号。对应地，将接收端 与发送端的控制数字序列对齐，并与发送端受控数字序列同步循环移 位，根据控制信号序列的数值逆向旋转Y偏振信号：当C(1)＝0 时，接收端不旋转Y偏振信号；C(1)＝1时，接收端将Y偏振信 号旋转-π/2。同样的，需要对接收端、发送端的控制信号序列对齐， 即接收端进行同步。

对于PS-QPSK信号，将接收端与发送端的控制数字序列对齐的 同步流程如下：

步骤201、接收端进行色散补偿、时钟恢复后，将自适应滤波器 的XY输出相除，再进行二次方处理，去除调制的影响，计算公式为：

$E_{\mathrm{out}}^{\mathrm{XY}}\left(i\right)={[E_{\mathrm{out}}^Y\left(i\right)/E_{\mathrm{out}}^X\left(i\right)]}^2---\left(7\right)$

为自适应滤波器输出的Y偏振数字信号，为自适 应滤波器输出的X偏振数字信号，为两者相除产生的数字信 号。

再将做一阶差分，消去自适应输出的两偏振信号的相位 差的影响，计算公式为：

$E_{\mathrm{out}}^{\mathrm{XY}\_\mathrm{dif}}(i+1)=E_{\mathrm{out}}^{\mathrm{XY}}(i+1)/E_{\mathrm{out}}^{\mathrm{XY}}\left(i\right)---\left(8\right)$

其中，为将做一阶差分所得的数字信号。

也可以先把复平面信号转化为角度信号，再对应计算：

${\theta }_{\mathrm{XY}}^{\mathrm{dif}}(i+1)=\left(\begin{array}{c}\mathrm{angle}\left[{E^Y}_{\mathrm{out}}(i+1)\right]-\mathrm{angle}\left[{E^X}_{\mathrm{out}}(i+1)\right]\\ -\mathrm{angle}\left[{E^Y}_{\mathrm{out}}\left(i\right)\right]+\mathrm{angle}\left[{E^X}_{\mathrm{out}}\left(i\right)\right]\end{array}\right)\mathrm{mod}\pi .---\left(9\right)$

angle为求角度计算，mod为取模运算，为x信号与y 信号求角度后相减、再做差分的角度信号。

步骤202、将E_out(i)的数据分帧，每N个数据为一帧，任取一帧， 经步骤201中两种方式处理的数据分别为或

步骤203、对控制数字序列进行循环一阶差分处理，并取模，

C^dif(n+1)＝[C(n+1)-C(n)]MOD2,1≤n≤N-1,

C^dif(1)＝[C(1)-C(N)]MOD2,    (10)

得到经循环一阶差分计算的受控旋转数字序列 C^dif(n),1≤n≤N。

步骤204、将C^dif(n)循环移位，移位后与或做 相关运算：

$\mathrm{SUM}\left(k\right)={\Sigma }_1^N{\theta }_{\mathrm{XY}}^{\mathrm{dif}}\left(n\right)C_k^{\mathrm{dif}}\left(n\right)---\left(11\right)$

k为C^dif(n)循环移位的位数，k为正整数，C^dif(n)循环移位k 位得到

寻找SUM(k)绝对值的峰值，再根据峰值所对应的k值对C(n)进 行循环移位k位，产生C_k(n)；将C_k(n)与对齐，完成接收端、 发送端控制数字序列的同步。

后续的数字信号处理流程与普通PS-QPSK信号处理流程相同， 具体步骤为：载波恢复-频差估计与补偿→载波恢复-相差估计与补偿 →码元判决。

综上所述，本发明实现简单，整个接收信号处理过程能够完全继 承偏振复用QPSK的成熟处理方式，具有很强的实用性。本发明针对 BPSK与PS-QPSK调制技术不能使用经典恒模算法的问题提出，但 本发明的使用并不限于这两种调制格式。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘 若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这 些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。