CN106101044B - 一种用于相干光通信***的基于多步插值的频偏估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多步插值的频偏估计方法，包含步骤：对一定长度的采样值L进行4次方MQAM调制格式或M次方MPSK调制格式运算，然后从中选取少量的一段数据N0作FFT，求得最大频谱值对应的频率，作为粗频偏估计值；在相距粗频偏估计值±0.5处，用N0个采样点分别进行DFT，得到两个频谱值，利用这两个值计算出频偏估计误差，对粗频偏估计值作修正，得到一步插值后的频偏估计值；在相距一步插值后的频偏估计值±0.5处，用2N0个采样点分别进行DFT，得到两个频谱值，利用这两个值计算出估计误差，对粗频偏估计值作修正，得到两步插值后的频偏值；依次类推，直到用L个采样点进行DFT插值得到最后的频偏估计值。该算法复杂度低，适用于所有相干光通信***。

Description

一种用于相干光通信***的基于多步插值的频偏估计方法
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及相干光通信***中的基于多步插值的频率偏移估计方案。
背景技术
为了提高频谱利用率和通信容量，在光通信中采用了高阶调制格式调制信号，同时利用了光载波的幅度和相位信息。这种采用高阶调制格式的信号需要采用相干解调才能将信号恢复。所以在接收端需要配备相干接收机。相干接收机中设置有本地激光器，用于对接收信号进行相干解调。
对于零差相干探测方式，要求接收端的本地激光器要和发射端激光器同波长。然而由于激光器的制作工艺及激光器自身的不稳定性，很难制作出两个完全同波长的激光器，所以在接收端需要进行载波恢复，得到和发射端一样波长的光源，或对这种频率偏差产生的影响进行补偿。
若采用光器件进行波长矫正，可以采用光锁相环来对接收的光信号进行锁相，使得本地光和发射端光源具有相同的波长。然而，这种方式采用了光锁相环，费用昂贵。另一种方式是采用数字相干接收机，即先将相干接收后的信号变为电信号，然后进行模数转换，变为数字信号，用数字信号处理(DSP)技术，对信号进行补偿。这种方式，不仅可以补偿频率偏移，还可以补偿色散、相位噪声等，而且价格低廉，所以这种方法已被广泛采用。
频偏，即频率偏移或频率偏差，是指发射端光源波长和接收端光源波长之差，数字接收机中的频偏补偿一般分为两个步骤，即先作频偏估计，估计出频偏值，再进行频偏补偿，将频偏值补偿到信号中。
利用FFT运算和插值DFT算法对频率进行估计，已在无线通信领域被广泛使用。它具有抗噪能力强，估计精度高等优点。本发明是对这种算法进行了改进，提出了逐步增加采样点，进行多步插值的思想，这种算法可以达到和原来传统DFT插值算法相同的估计精度，但复杂度被大大的降低了。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于相干光通信***的基于多步插值的频偏估计方法，用不同的采样点进行了多次DFT插值计算，逐步得到精确的频偏值，包括步骤：
(1)对一段长度为L的采样值进行4次方或M次方运算，得到去调制信号的数据值；
(2)选取前N0个去调制信号的数据值，作FFT运算，得到其频谱值；
(3)对各频谱值取模，并搜寻其最大值，得到其对应的频率，作为粗频偏估计值f0；
(4)在相距粗频偏估计值f0的±0.5处，即f0±0.5处，对前N0个去调制信号的数据值用DFT计算出两个幅值的大小，并用这两个幅值计算出估计误差δ；
(5)用估计误差δ对粗频偏估计值f0进行修正，得到一步插值后的频偏估计值f1；
(6)用f1代替f0，用2N0代替N0，重复步骤(4)、(5)，到的f2；
(7)依次类推，直到L个采样值都被用到，得到最终的频偏估计值。
在上述技术方案中，所述步骤(1)中对MQAM信号，采用4次方运算，对于MPSK信号采用M次方运算；采样值长度L为2的整数次幂。
在上述技术方案中，所述步骤(2)中N0为2的整数次幂。
在上述技术方案中，所述步骤(4)、(5)进行了多次插值，插值次数可以通过下面公式进行计算：m＝log2(L/N0)+1。
本发明取得了以下技术效果：
算法复杂度低，适用于所有相干光通信***。
附图说明
图1为用于相干光通信***的基于多步插值的频偏估计方法的流程图；
图2为对多步插值算法进行仿真得到的归一化均方误差与信噪比SNR的关系曲线图；
图3为多步插值算法的频偏估计范围图(信噪比10dB，总数据点个数为1024)；
图4为多步插值算法在不同总数据长度情况下，MSE与SNR的关系图；
图5为多步插值算法的频偏估计范围图(信噪比12dB，总数据点个数为2048)；
图6为多步插值算法的归一化均方误差与信噪比SNR的关系曲线图；
图7为传统DFT插值算法和本专利提出的多步插值算法进行频偏估计，所需要的复数乘法个数的对比图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
本发明提供了一种频偏估计算法，用于具有MQAM和MPSK调制格式的相干光通信***，该算法具有较高的估计精度和较低的运算复杂度。图1为本发明提供的频偏估计算法的流程图，其包括以下步骤：
1)对接收到的长度为L的采样点yk作幂次方运算，其中对于MPSK调制格式的信号做M次方运算，对于MQAM调制格式的信号做四次方运算，得到去调制信号的数据点：
2)取前N0个去调制信号的数据点，作FFT变换，得到其频谱值。
3)对各频谱值取模值，搜寻其频谱幅值的最大值，得到最大值对应的频率值fpeak，则粗频偏估计值可以表示为下面都以MQAM为例进行说明，对于MPSK信号，只要将下面出现的系数4代换为M即可。
4)作第一步插值运算：设其中Ts为符号周期，k表示第k个数据点，先在n0左右相距0.5处，用前N0(N0为2的整数次幂)个去调制数据点计算其频谱值，即：然后计算粗估计频偏的误差值：
5)用粗估计频偏的估计误差对粗频偏估计值进行修正，得到一步插值的频偏估计值：
6)作第二步插值运算：设在n1左右相距0.5处，用前2N0个去调制数据点计算其频谱值，即：然后计算一步插值的频偏估计误差值：得到两步插值的频偏估计值：
7)依次类推，第m步插值运算，在nm-1左右相距0.5处，用前Lm个去调制数据点计算其频谱值，即：然后计算第m-1步插值运算的频偏估计误差值：得到第m步插值的频偏估计值：其中，m＝1,2,3...，代表了多步插值的阶次或步数，它决定了算法的估计精度和所需总的数据点个数Lm(Lm＝N0·2m-1)。
图2为28-Gbaud QPSK相干光通信***下，对多步插值算法进行仿真得到的归一化均方误差(MSE，定义为))与信噪比SNR的关系曲线图。仿真时，激光器线宽设为100kHz，频偏值从[-3.4GHz,3.4GHz]范围内随机选取，每个SNR都进行了2000次仿真，总数据点长度为L＝1024。图2中对比了不同步数插值的性能。N0＝1024、N0＝512、N0＝256、N0＝128分别对应于m＝1、m＝2、m＝3、m＝4。N0的选取是根据实际中所需要的信噪比门限值来确定的，由图2可知，N0值选取的越大，信噪比门限越低，当N0＝L时信噪比门限最低，此时由于只做了一次插值计算，所以多步插值算法已退变为传统的DFT插值算法。而总点数Lm(或迭代步数m)的选取是根据实际中所需要达到的估计精度所决定的，更具体地，只要满足下一步相位估计算法所能容许的工作范围即可。
图3展示了28-Gbaud QPSK相干光通信***下，多步插值算法的频偏估计范围。仿真中，信噪比为10dB，总的数据点个数为L＝1024，每个频偏值都进行了2000次仿真，N0取256(即m＝3)。从图中可以看到，该多步插值算法的估计范围可以达到[-3.4GHz,3.4GHz]。
图4展示了28-Gbaud QPSK相干光通信***下，当N0＝256时，多步插值算法在不同总数据长度L＝1024和L＝2048的情况下，MSE与SNR的关系。从图中可以看出，L越大，该算法的估计精度越高，但因为采用的N0值在L＝1024和L＝2048情况下都为256，所以信噪比门限相同，都为7dB。
图5展示了28-Gbaud 16QAM相干光通信***下，多步插值算法的频偏估计范围。仿真中，信噪比为12dB，总的数据点个数为L＝2048，每个频偏值都进行了2000次仿真。从图中可以看到，对于28-Gbaud 16QAM相干光通信***，该多步插值算法的估计范围可以达到[-3.4GHz,3.4GHz]。
图6展示了28-Gbaud 16QAM相干光通信***下，多步插值算法的归一化均方误差与信噪比SNR的关系曲线图。仿真时，频偏值从[-3.4GHz,3.4GHz]范围内随机选取，每个SNR都进行了2000次仿真，总数据点长度为L＝2048。从图中可以看到，该多步插值算法在相同总数据点长度L、不同N0下，具有相同的估计精度，N0决定了信噪比门限，N0值选取的越大，信噪比门限越低，当N0＝L时信噪比门限最低，此时由于只做了一次插值计算，所以多步插值算法已退变为传统的DFT插值算法。
图7展示了去调制信号之后，在采用相同的总数据点L的情况下，用传统DFT插值算法和本专利提出的多步插值算法进行频偏估计，所需要的复数乘法个数的对比图。从图中可以看出，随着总数据点L的增加，多步插值算法所需的复数乘法个数较传统DFT插值算法有明显的减少。
本发明不局限于上述用于频偏估计方式，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，应用于其他环境，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于相干光通信***的基于多步插值的频偏估计方法，用不同的采样点进行了多次DFT插值计算，逐步得到精确的频偏值，其特征在于包括步骤：
(1)对一段长度为L的采样值作幂次方运算，得到去调制信号的数据值，其中：对MQAM信号，采用4次方运算，对于MPSK信号采用M次方运算；采样值长度L为2的整数次幂；
(2)选取前N0个去调制信号的数据值，作FFT运算，得到其频谱值；
(3)对各频谱值取模，并搜寻其最大值，得到其对应的频率fpeak，作为粗频偏估计值则粗频偏估计值可以表示为
(4)设其中Ts为符号周期，k表示第k个数据点，先在n0左右相距0.5处，用前N0个去调制数据值计算其频谱值，然后计算粗估计频偏的估计误差δ；
(5)用估计误差δ对粗频偏估计值进行修正，得到一步插值后的频偏估计值
(6)用代替用2N0代替N0，重复步骤(4)、(5)，得到两步插值的频偏估计值：
(7)依次类推，直到L个采样值都被用到，得到最终的频偏估计值。
2.根据权利要求1所述的基于多步插值的频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(2)中N0为2的整数次幂。
3.根据权利要求1所述的基于多步插值的频偏估计方法，其特征在于：所述步骤(4)、(5)进行了多次插值，插值次数可以通过下面公式进行计算：m＝log2(L/N0)+1。
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