一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法

摘要

本发明公开了一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法，包括：接收端接收两个偏振态的数字信号；对数字信号进行色散补偿，将色散补偿以后的信号映射到斯托克斯空间进行偏振对齐操作；监测斯托克斯矢量S1，当出现矢量的值出现一级的时候，判定为相位调制信号，在通过相位调制格式识别方法进行相应的识别；当监测的斯托克斯矢量S1出现多级时，进一步判断矢量S1的值是否对称，如果对称则为正交幅度调制格式，如果不对称则为混合调制格式。本发明可实现多种调制格式的识别，提升了整个传输系统的灵活性和鲁棒性，使其更加适应于未来动态的骨干网传输系统。

说明书

技术领域

本发明涉及动态的、大容量的、多业务交换的传输网领域，尤其是一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法。

背景技术

随着云计算、互联网+、物联网等大数据时代的来临，通信容量每年急剧增长。传统的单模单芯单波长光纤传输方式，已经无法满足传输容量的要求。通过波分复用、空分复用(多模多芯)、偏振复用、时分复用、轨道角动量复用，以及先进的调制格式等方式提升光纤通信传输容量，已经得到广大科研工作者的密切关注。

其中，先进的调制格式已经成为实现大容量光传输网的关键技术之一。目前光通信网络已经趋近于更加灵活地自定义网络，对整个网络中的数据进行自判断自学习。光传输网络通常会根据传输信道的服务质量，权衡传输容量与传输信道服务质量，进而动态的调整传输的调试格式以实现最优的传输性能，对调制格式的自动识别技术将是极其重要。只有正确的识别了传输的调制格式，后端数字信号处理算法才能对应实现相应的数据解调操作。

2012年，香港理工大学的研究人员提出使用人工神经网络的方法实现调制格式的识别，该方法需要额外添加调制格式识别模块，虽然能识别多种调制格式但很大程度上增加了传输系统的复杂度，同时神经网络算法的复杂度也相对较高。2013年，澳大利亚莫纳什大学的研究人员提出在斯托克斯空间中实现调制格式的识别，该方法需要在斯托克斯三维空间中监测簇点的个数。然而该方法具有一定的限制，首先在三维空间中数据量相对较大，增加识别的复杂度；同时，该方法也具有一定的限制在高阶调制格式识别中，由于偏振复用的调制信号进入斯托克斯三维空间中后，呈现的簇点个数是呈现指数增长的。2014年，香港理工大学的研究人员提出使用信号功率分布实现调制格式的识别，该方法需要在偏振解复用以后实现调制格式的识别，偏振解复用通常跟调制格式有关，将会造成该方法具有一定的识别不稳定性；同时，该方法仅对正交幅度调制起作用。2016年，香港中文大学研究人员提出使用图像处理的方法实现调制格式的识别，该方法需要对所得到的图像进行前期的去噪处理，具有一定的复杂度。因此为了进一步提升调制格式识别的实时性、灵敏性，研究一种复杂度低的调制格式识别技术将具有很重要的实际意义和相应的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法，通过相干接收机得到传输信号的偏振、强度以及相位信息，在数字信号处理单元里面实现调制格式识别，提升整个传输网络的系统的灵活性和鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法，包括以下步骤：

步骤1：接收端接收到X偏振态信号E_x和Y偏振态信号E_y，即：

E_x＝A_xexp(jω_Δt+jθ_sx+jθ_n)

E_y＝A_yexp(jω_Δt+jθ_sy+jθ_n)

其中，A_x、A_y分别为X偏振态和Y偏振态的幅度值，θ_sx、θ_sy分别为X偏振态和Y偏振态的相位信息，θ_n为信号的相位噪声，ω_Δ为信号的频偏；

步骤2：将信号转换到斯托克斯空间，斯托克斯空间是一个三维空间，由S₁、S₂、S₃三个相互垂直的方向矢量组成，即：

s₀＝|E_x|²+|E_y|²

s₁＝|E_x|²-|E_y|²

其中，s₀、s₁、s₂、s₃分别表示为两个偏振态的总功率、矢量S₁的具体值、矢量S₂的具体值、矢量S₃的具体值，为两个偏振态的相位差；

步骤3：对齐映射到斯托克斯空间的偏振信号；

步骤4：判断信号类型

在斯托克斯空间，对齐的偏振复用信号将垂直于矢量S₁方向，同时平行于矢量S₂和S₃组成的平面；在斯托克斯空间不同的调制信号将出现不同的特征：矢量S₁的数值出现1级时，为相位调制信号；矢量S₁的数值出现多级时，如果出现正负对称，则为正交幅度调制；如果出现正负不对称，则为混合调制信号；

步骤5：根据矢量S₁的数值上的特性分别识别不同的调制格式

对相位调制信号，在简化二维平面S₂和S₃中识别簇点个数，判断出相位调制格式的类型；

对正交幅度调制信号，在二维平面S₁和S₃上通过识别调制格式出现的级数，判断出正交幅度调制格式的类型；

对混合调制信号，在二维平面S₁和S₃上通过识别调制格式出现的级数，判断出混合调制格式的类型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)可以实现多种调制格式的识别，包括多种相位调制格式、多种正交幅度调制格式等。

2)复杂度相对较低，将斯托克斯的三维空间数据降低到二维空间。

3)可以不改变现有的网络结构，直接采用相干接收的处理方式实现调制格式识别。

4)能实现多个信道调制格式识别，提升了整个传输网络的系统的灵活性和鲁棒性，使其更加适应未来动态的光传输网络，具有一定的研究价值和应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法流程示意图。

图2为一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法的结构框图。

图3为偏振复用相位调制信号mPSK调制格式识别流程图。

图4为偏振复用正交幅度调制信号mQAM调制格式识别流程图。

图5为偏振复用混合调制格式识别流程图。

图6为多种调制格式识别性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法，主要是在相干接收机的数字信号处理单元中进行斯托克斯空间二维平面的调制格式识别，包括步骤：1)接收端接收到X偏振态信号E_x和Y偏振态信号E_y进行相应的色散补偿，将色散补偿以后的信号从琼斯空间映射到斯托克斯空间，进行偏振对齐操作。2)在斯托克斯空间，对齐的偏振复用信号将垂直于矢量S₁方向，同时平行于矢量S₂和S₃组成的平面。

在斯托克斯空间中不同的调制信号将出现不同的特征，如：相位调制信号(mPSK)的幅度值都是单一恒定的值，而相位是多值的，因此可以直接在简化二维平面S₂和S₃中进行识别簇点个数，最终判断出相位调制格式的类型；正交幅度调制信号mQAM的幅度值为不恒定的多值信号，矢量S₁的数值也呈现多个值并且正负对称，可在二维平面S₁和S₃上通过识别调制格式出现的级数，最终判断出正交幅度调制格式的类型；混合调制信号是由两种不同调制格式组成的偏振复用信号，矢量S₁的数值也呈现多个值，然而将会出现不对称性，也可在二维平面S₁和S₃上通过识别调制格式出现的级数，最终判断出混合调制格式的类型。

如图1所示，本发明方法由一路或N路波长的偏振复用发射端(101₁～101_N)调制出偏振复用的相位调制/正交幅度调制m-PSK/m-QAM的信号或者两个偏振态不相同的混合调制信号，经过波分复用器(102)将多个波长的发射信号耦合到一起，通过一段或N段光纤(103₁～103_N)进行传输。相应的传输损耗由一个或N个光纤光放大器(104₁～104_N)进行补偿。在接收端通过波分解复用器(105)将多个波长的信号分别处理，通过一个或N个相干接收机(106₁～106_N)对信号进行相干解调，得到具有偏振、强度、相位等相应信息的电信号；然后将电信号通过数模转换器(107₁～107_N)将连续的模拟电信号转换为离散的数字信号；最后将接收到的数字信号放在数字信号处理单元(108₁～108_N)进行处理；本发明一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法就是在数字信号处理单元(108₁～108_N)中，对接收到的数字信号进行调制格式识别。

图2为一种斯托克斯空间二维平面的调制格式识别方法的结构框图。接收端的数字信号进入数字信号处理单元(108₁～108_N)进行相应的信号损伤补偿。数字信号首先进行色散补偿，将色散补偿以后的信号映射到斯托克斯空间中进行偏振对齐操作。对齐的偏振复用信号将垂直于矢量S₁方向，同时平行于矢量S₂和S₃组成的平面。接下来监测斯托克斯矢量S₁，当出现矢量的值出现一级的时候，判定为相位调制信号，在通过相位调制格式识别方法进行相应的识别；当监测的斯托克斯矢量S₁出现多级时，进一步判断矢量S₁的值是否对称，如果对称则为正交幅度调制格式，如果不对称则为混合调制格式。识别结束以后，将已经确定调制格式的信号进行偏振解复用和载波相位恢复，实现信号的最终解调。

图3为偏振复用相位调制信号mPSK调制格式识别流程图。首先监测斯托克斯矢量S₁，此时矢量S₁的值出现一级是被认定为相位调制格式。接下来监测斯托克斯矢量S₂与S₃组成的二维平面，通过簇点识别技术监测簇点的个数，当簇点为2是为BPSK调制格式；当簇点为4是为QPSK调制格式；簇点为8是为8PSK调制格式；簇点为m个时，调制格式为mPSK；S₂与S₃组成的二维平面中出现不同的簇点，最终识别出相位调制格式的类型。

图4为偏振复用正交幅度调制信号mQAM调制格式识别流程图。首先监测斯托克斯矢量S₁，此时矢量S₁呈现多个值，同时发现多个值呈现正负对称性。通过簇点识别技术监测二维平面S₁和S₃出现的级数。8QAM具有2级幅度值，此时二维平面S₁和S₃出现3级；16QAM具有3级幅度值，此时二维平面S₁和S₃出现5级；32QAM具有5级幅度值，此时二维平面S₁和S₃出现9级；同理可得，mQAM具有n级幅度值，此时二维平面S₁和S₃出现2n-1级。本发明中针对正交幅度调制信号，不需要在三维空间中进行识别，可以直接在二维平面S₁和S₃上通过识别调制格式出现的级数，最终识别出正交幅度调制格式的类型。

图5为偏振复用混合调制格式识别流程图。首先监测斯托克斯矢量S₁，此时矢量S₁呈现多个值，同时发现多个值呈现不对称性。通过簇点识别技术监测二维平面S₁和S₃出现的级数。当QPSK与8QAM混合调制时，二维平面S₁和S₃的数值出现全部都是非负的2个等级；当QPSK与16QAM混合调制时，二维平面S₁和S₃出现全部都是非负的3个等级；当8QAM与16QAM混合调制时，二维平面S₁和S₃出现3个非负的等级和1个负的等级；本发明中针对混合调制信号，不需要在三维空间中进行识别，可以直接在二维平面S₁和S₃上通过识别调制格式出现的不对称性的级数，最终识别出混合调制格式的类型。

图6为本发明的多种调制格式识别性能图。以相位调制格式QPSK、8PSK、16PSK，正交幅度调制格式8QAM、16QAM为例。性能测试是在符号率为28GBaud的偏振复用的相干传输系统中实现的。通过图6可知，本发明能够有效地实现多种调制格式的识别，同时在较低性噪比的情况下，仍然可是正确的识别调制格式，表明本发明提出的调制格式识别技术，能够适应动态的、长距离的、大容量的传输系统，具有一定的应用前景。