一种相干光纤通信系统中的相位恢复方法

摘要

一种相干光纤通信系统中的相位恢复方法，涉及通信技术领域，包括：对频偏恢复后的复数信号进行分块，根据幅值不同，将其分为C1、C2和C3三类；在各数据块中，对每个属于C1和C3的原始数据均做四个角度旋转，旋转角分别为‑π/4、‑π/8、0和π/8，对旋转后的数据进行信号恢复判决；将判决前和判决后的数据带入误差函数，计算出各数据在各旋转角度的误差值；在每个旋转角度，对各数据块得到的误差值求和，得到总误差值，分别记为s1、s2、s3和s4；根据不同取值情况，计算每个数据块的相位估计值，对不同的相位估计值进行解扰，再补偿到每个数据块的原始数据中，实现相位恢复，本发明总体复杂度很低，易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体来讲是一种相干光纤通信系统中的相位恢复方法。

背景技术

为了实现传输速率为100Gbps及以上的信号传输，目前最为理想的解决方式，就是采用偏振复用的16QAM调制格式的相干光纤通信技术，并与数字信号处理(digital signal processing，DSP)技术相结合，在系统的接收端采用DSP处理技术来恢复相位。

在DSP中，需要采用载波相位估计(carrier phase estimation，CPE)的方法估计出信号中相位噪声的大小，然后补偿回去，就得到相位恢复的信号。载波相位恢复(carrier phase recovery，CPR)是在数据判决前尤为关键的一步。

目前，已存在许多相位估计方法，广泛使用的是盲相位搜寻法(blind phase search，BPS)，这种算法可以适用于多种调制格式的信号，而且只要测试角个数取的足够多，可以获得很高的估计精度，但是，且缺点在于复杂度很高，不易于实现。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种相干光纤通信系统中的相位恢复方法，总体复杂度很低，易于实现，适合实时相干光纤通信系统中接收端DSP处理算法。

为达到以上目的，本发明采取一种相干光纤通信系统中的相位恢 复方法，包括步骤：

步骤1.对频偏恢复后的16QAM复数信号进行分块，每个数据块具有N₁个数据，根据复数信号的幅值不同，将其分为C₁、C₂和C₃三类；

步骤2.在每个数据块中，对每个属于C₁和C₃的原始数据，均做四个角度的旋转，旋转角分别为-π/4、-π/8、0和π/8，对旋转后的数据进行信号恢复判决；

步骤3.将判决前和判决后的数据带入误差函数，计算出各数据在四个旋转角度的误差值；

步骤4.在每个旋转角度，对每个数据块中，得到的所述误差值求和，得到总误差值，分别记为s1、s2、s3和s4；

步骤5.计算每个数据块的相位估计值，当s1＜s3且s2≤s4时，(s1，-π/4)和(s4，-3π/8)所在直线与(s2，-π/8)和(s3，0)所在直线的交点对应的角度，即为相位估计值；当s1≥s3且s2＜s4时，(s1，-π/4)和(s2，-π/8)所在直线与(s3，0)和(s4，π/8)所在直线的交点对应的角度，即为相位估计值；当s1＞s3且s2≥s4时，(s2，-π/8)和(s3，0)所在直线与(s4，π/8)和(s1，π/4)所在直线的交点对应的角度，即为相位估计值；当s1≤s3且s2＞s4时，(s1，π/4)和(s2，3π/8)所在直线与(s3，0)和(s4，π/8)所在直线的交点对应的角度，即为相位估计值；

步骤6.对不同数据块的相位估计值进行解扰，再将解扰后的相位估计值补偿到每个数据块的原始数据中，实现相位恢复。

在上述技术方案的基础上，步骤1中，对于归一化信号，小于第一阀值的数据为C₁，大于第二阀值的数据为C₃，大于第一阀值且小于第二阀值的数据为C₂。

在上述技术方案的基础上，步骤2中，每个数据块内，属于C₁和C₃的原始数据为y_k，角度旋转后的数据为其中k表示第几个数据，且0＜k＜N₁，j表示虚数单位，φ_b表示旋转角，b表示第几个旋转角，且1≤b≤4。

在上述技术方案的基础上，步骤3中，分别取判决前复数信号的实部R_k和虚部I_k，分别取判决后复数信号的实部[R_k]_D和虚部[I_k]_D，根据e_k＝|R_k-[R_k]_D|+|I_k-[I_k]_D|，得到误差值e_k。

在上述技术方案的基础上，所述判决前复数信号的实部虚部判决后复数信号的实部虚部φ_b表示旋转角。

在上述技术方案的基础上，步骤4中，通过公式得到总误差值s_b，其中b代表第几个旋转角，k表示第几个数据，N表示每个数据块中C₁和C₃的数据个数。

在上述技术方案的基础上，

s1＜s3且s2≤s4时，相位估计值

s1≥s3且s2＜s4时，相位估计值

s1＞s3且s2≥s4时，相位估计值

s1≤s3且s2＞s4时，相位估计值

在上述技术方案的基础上，在步骤6之后，进行如下步骤，步骤7.对步骤6恢复的数据再次分块，使每个数据块具有N₂个数据，且N₂为大于1的整数；步骤8.将每个数据快中属于C₂的数据均旋转角度uθ_rot，旋转后得到的数据其中u＝sign(I)·sign(Q)·sign(|I|-|Q|)，θ_rot＝π/4-atan(1/3)，I、Q分别为属 于C₂每个数据的实部和虚部；步骤9.对C₁、C₂′和C₃的每个数据均做4阶绝对值操作，对每个数据块得到的4阶绝对值结果求和，再取求和后的相位角，除以4后得到每个数据块的相位估计值；步骤10.对每个相位估计角做解忧操作后，得到最终的相位估计值，补偿到步骤6恢复的数据中，恢复出原始相位。

在上述技术方案的基础上，所述N₂的取值由仿真测试得到，N₂＝16。

在上述技术方案的基础上，对C₁、C₂′和C₃的每个数据r_K做4阶绝对值操作，得到r_4,K，其中K表示第几个数据点，且0＜K＜N₂。

本发明的有益效果在于：只需要做四次角度的旋转测试，并且通过误差函数的公式计算，误差函数的计算公式非常简单，不需要乘法器，大大降低了复杂度，易于实现，适合实时相干光纤通信系统中接收端DSP处理算法。另外，在此基础上，还可以再次分块，使用改进的V&V算法，在保证低复杂度的前提下，有效地提高估计精度。

附图说明

图1为本发明相干光纤通信系统中的相位恢复方法的示意图；

图2为本发明方法联合改进V&V算法的相位相位恢复方法示意图；

图3为28-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，本发明数据块长度N₁与线宽码元周期积的关系曲线图；

图4为28-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，本发明方法、本发明与改进V&V算法级联、V&V算法和BPS算法，分别用于相位估计所得信噪比与线宽码元周期积的关系曲线图；

图5为28-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，本发明方法、本发明与改进V&V算法级联、V&V算法和BPS算法，分别用于相位估 计所得误码率与信噪比的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明中相干光纤通信系统中的相位恢复方法，具体包括如下步骤：

步骤1.对频偏恢复后的16QAM复数信号进行分块，每个数据块具有N₁个数据，即块长为N₁，N₁为大于1的整数，由图3可知，在1dB的信噪比代价下，最佳块长N₁取32。然后根据复数信号的幅值不同，将其分为C₁、C₂和C₃三类。具体的，对于归一化信号，小于第一阀值的数据为C₁，大于第二阀值的数据为C₃，大于第一阀值且小于第二阀值的数据为C₂。

步骤2.在每个数据块中，对每个属于C₁和C₃的原始数据y_k，均做四个角度旋转，旋转角分别为-π/4、-π/8、0和π/8，相当于每个原始数据复制四份，分别旋转四个角度，角度旋转后的数据为其中k表示第几个数据，且0＜k＜N₁，j表示复数信号，φ_b表示旋转角，b表示第几个旋转角，且1≤b≤4。再对旋转后的数据进行信号恢复判决，得到判决后的信号其中用下脚标D表示判决后的信号。

步骤3.分别取判决前复数信号的实部R_k和虚部I_k，分别取判决后复数信号的实部[R_k]_D和虚部[I_k]_D，虚部将判决前和判决后的数据带入误差函数，根据误差值e_k＝|R_k-[R_k]_D|+|I_k-[I_k]_D|，得到各数据在四个旋转角度的 误差值。

步骤4.在每个旋转角度，对每个数据块中，得到的N个误差值求和，通过公式得到总误差值s_b，其中b代表第几个旋转角，k表示第几个数据，N表示每个数据块中C₁和C₃的数据个数，每个属于C₁和C₃的数据都对应一个e_k,b。并且，将旋转角为-π/4得到的总误差值s_b记为s1，旋转角为-π/8得到的总误差值s_b记为s2，旋转角为0得到的总误差值s_b记为s3，旋转角为π/8得到的总误差值s_b记为s4。

步骤5.计算每个数据块的相位估计值

当s1<s3且s2≤s4时，(s1，-π/4)和(s4，-3π/8)所在直线与(s2，-π/8)和(s3，0)所在直线的交点对应的角度，为相位估计值；即，

当s1≥s3且s2<s4时，(s1，-π/4)和(s2，-π/8)所在直线与(s3，0)和(s4，π/8)所在直线的交点对应的角度，为相位估计值；即，

当s1>s3且s2≥s4时，(s2，-π/8)和(s3，0)所在直线与(s4，π/8)和(s1，π/4)所在直线的交点对应的角度，为相位估计值；即，

当s1≤s3且s2>s4时，(s1，π/4)和(s2，3π/8)所在直线与(s3，0)和(s4，π/8)所在直线的交点对应的角度，为相位估计值；即，

步骤6.对不同数据块的相位估计值进行解扰，再将解扰后的相位估计值补偿到每个数据块的原始数据中，得到补偿后的数据实现相位恢复。

上述步骤计算公式非常简单，不需要乘法器，大大降低了复杂度，易于实现。

如图2所示，在上述步骤基础上，还可以进一步级联改进V&V算法，级联的改进V&V算法具体步骤如下：

步骤7.对步骤6恢复的数据再次分块，使每个数据块具有N₂个数据，且N₂为大于1的整数；具体的，所述N₂的取值由仿真测试得到，最佳块长N₂＝16。

步骤8.将属于C₂的每个数据旋转角度uθ_rot，旋转后得到其中，θ_rot＝π/4-atan(1/3)，u＝sign(I)·sign(Q)·sign|I|-|Q|)，I、Q分别为属于C₂每个数据的实部和虚部。

步骤9.对C₁、C₂′和C₃的每个数据r_K，均做4阶绝对值操作，得到r_4,K，0＜K＜N₂，对每个数据块得到的4阶绝对值结果求和，减小噪声的影响，再取求和后的相位角，除以4后得到每个数据块的相位估计值。

步骤10.对每个相位估计角做解忧操作后，得到最终的相位估计值，补偿到步骤6恢复的数据中，恢复出原始相位。

步骤7至步骤10，可以在保证低复杂度的前提下，有效地提高估计精度。本方法也可以推广到高阶QAM调制格式中，类似16QAM的过程，只需要采用QPSK分割技术，选出QPSK位置处的星座点，用作相位估计即可。

如图4所示，在28-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，本发明方法、本发明与改进V&V算法级联、V&V算法和BPS算法，分别用 于相位估计所得信噪比与线宽码元周期积(Δν·T_s)的关系曲线图。仿真时，目标误码率为10^-3，所有块长都为各算法的最佳长度。由图3可以看出，本发明的方法使用时，性能和V&V算法接近，本发明方法和改进的V&V算法联用时，性能和32个测试角的BPS算法接近。

如图5所示，在28-Gbaud 16QAM相干光通信系统下，本发明方法、本发明与改进V&V算法级联、V&V算法和BPS算法，分别用于相位估计所得误码率与信噪比的关系曲线图。仿真时，线宽码元周期积Δν·T_s＝1×10^-4。由图4可以看出，本发明方法单独使用时，性能和V&V算法接近，本发明方法和改进的V&V算法联用时，性能和32个测试角的BPS算法接近。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。