CN107359941B - 一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，包括以下步骤：首先，假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡，其次，只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复，在MAKF算法中，信号先经过EKF做频偏和相位的估计，通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz，最小判决误差dz进入锁定检测模块。本发明的有益效果是：可以同时处理相干光通信***的频偏和相位噪声损伤，在不同的追踪阶段使用不同的调优参量Q来保证算法的跟踪速度和精度。运用频偏周跳实时监测和恢复模块从而可以实时监测AKF估计出来的频偏值，并且对于周跳的频偏进行修正，从而最大限度的降低误码。

Description

一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法
技术领域
本发明涉及光通信，尤其涉及一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法。
背景技术
在云计算、大数据以及5G等技术的迅猛发展下，人们对于通信容量和速率的要求越来越大，而具有高速、大容量等优势的相干光通信技术是满足这一需求的关键性技术。然而随着信号调制格式阶数提高和传输的比特率的不断增长，激光相位噪声和载波频偏(本振光和信号光的频率偏差)已经成为限制这一发展的重要因素。针对于上述损伤，现已有各种各样算法来进行估计和补偿。然而，它们本身却存在自身的局限性。
本振光和信号光的频率和相位的不一致将会在光接收端引入信号的频偏和相位噪声。相干光通信中的频偏和相位噪声现已成为限制其传输距离和容量进一步提升的关键损伤之一。对所述频偏与相位噪声损伤，传统的线下处理算法主要有：VV(Viterbi-Viterbi)算法，FFT(Fast Fourier Transformation)算法，BPS(Blind Phase Search)算法以及EKF(Extended Kalman Filter)算法。然而它们有其自身的局限性，例如VV算法的估计精度低并且不适应于高阶调制格式，FFT算法计算复杂度高以及其估计精度对于信号长度的依赖性大，BPS的计算法复杂度较高。EKF算法具有快速收敛、高精度和适用于各种调制格式等优势，但是它的估计精度和跟踪速度受到调优参量Q值的影响较大，并且传统的EKF算法难以在估计精度和跟踪速度两方面给出一个最优化的解。在此同时，在不同跟踪阶段(快速跟踪阶段和精准跟踪阶段)使用不同的调优参量Q的AKF(Adaptive Kalman Filter)可以很好的解决上述问题。然而，在***频偏较大的情况下，AKF在快读跟踪阶段使用较大Q值将会导致频偏周跳，从而增加***的误码。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法。
本发明提供了一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，包括以下步骤：
首先，假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡，在数学上将其表示为：
Figure BDA0001368547840000021
其中，rn代表第n个接收的信号,mn代表第n个发射的信号，Ts代表相邻符号间隔，f代表***频偏,
Figure BDA0001368547840000022
代表***相位噪声，wn代表***高斯白噪声；
其次，只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复，在MAKF算法中，信号先经过EKF做频偏和相位的估计，通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz，最小判决误差dz进入锁定检测模块，锁定检测模块通过计算一段数据长度的最小判决误差dz后，判决出此刻EKF应该使用的最佳调优参数Q，从而实现算法的自适应；在此同时，EKF估计出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000023
通过频偏周跳检测和补偿估计，判决此时EKF算法估算出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000024
是否超出预设的边界；一旦超出预设的边界，即刻判定频偏周跳，并且立马进行补偿；从而保证自适应EKF算法的稳定性和消除频偏周跳对算法误码的影响，最终实现对于光通信***中频偏和相位噪声损伤的协同估计和补偿。
作为本发明的进一步改进，所述MAKF算法主要包括三个部分：EKF、锁定检测和频偏周跳检测与补偿，EKF负责接收信号的频偏和相位的估计和补偿，锁定检测来自适应的选择对应的最佳调优参数Q，频偏检测和恢复用于实时监测EKF估计出来的频偏，并且进行对应的补偿。
作为本发明的进一步改进，采用锁定检测的方式来自适应的选定当前时刻的最佳调优参量Q来实现快速、高精度的估算。
作为本发明的进一步改进，在快速跟踪阶段，使用较大的调优参量Q实现对于估算参量的快速估计和收敛，在精准跟踪阶段，使用较小的调优参量Q来实现高精度的估计参量估计。
作为本发明的进一步改进，在MAKF算法中采取频偏实时监测和修正技术，预设一个频偏的估计范围，从而实时监测EKF估算出来的频偏值，当估算的频偏值超出预设范围时，直接判定频偏周跳，根据相应的频偏周跳值来进行实时修正，从而实现频偏周跳的检测和修正。
作为本发明的进一步改进，在实施MAKF算法进行频偏和相位协同估计时，其基本方程归纳如下：
Figure BDA0001368547840000031
Figure BDA0001368547840000032
Figure BDA0001368547840000033
Figure BDA0001368547840000034
Figure BDA0001368547840000035
Figure BDA0001368547840000036
Figure BDA0001368547840000037
其中，方程(2)～(8)分别描述的是状态空间转移，先验协方差估计，Kalman增益，后验协方差，状态空间更新，频偏检测和频偏补偿方程；
其中θn,
Figure BDA0001368547840000038
分别代表估计的相位和频偏，A为状态转移方程；
Figure BDA0001368547840000039
为EKF的调优参量；β和λ分别是锁定检测的临界参数；
Figure BDA00013685478400000310
和Pn分别为先验协方差和后验协方差；K为Kalman增益；dz为测量余量；
Figure BDA00013685478400000311
ρ，
Figure BDA00013685478400000312
分别为估计频偏，频偏周跳系数和修正频偏。
本发明的有益效果是：通过上述方案，可以同时处理相干光通信***的频偏和相位噪声损伤，在不同的追踪阶段使用不同的调优参量Q来保证算法的跟踪速度和精度。运用频偏周跳实时监测和恢复模块从而可以实时监测AKF估计出来的频偏值，并且对于周跳的频偏进行修正，从而最大限度的降低误码。
附图说明
图1是本发明一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法的MAKF算法的流程图。
图2是本发明一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法的MAKF算法的12GS/s QPSK相干光通信***示意图。
图3是MAKF算法的实验结果中的估计误差Vs预设频偏示意图。
图4是MAKF算法的实验结果中的不同频偏下的算法收敛速度示意图。
图5是1.5GHz***频偏，信号恢复前的星座图。
图6是1.5GHz***频偏，信号恢复后的星座图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，首先，假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡，在数学上将其表示为：
Figure BDA0001368547840000041
其中，rn代表第n个接收的信号,mn代表第n个发射的信号，Ts代表相邻符号间隔，f代表***频偏,
Figure BDA0001368547840000042
代表***相位噪声，wn代表***高斯白噪声；
其次，只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复，在MAKF算法中，信号先经过EKF做频偏和相位的估计，通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz，最小判决误差dz进入锁定检测模块，锁定检测模块通过计算一段数据长度的最小判决误差dz后，判决出此刻EKF应该使用的最佳调优参数Q，从而实现算法的自适应；在此同时，EKF估计出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000043
通过频偏周跳检测和补偿估计，判决此时EKF算法估算出来的频偏值
Figure BDA0001368547840000044
是否超出预设的边界；一旦超出预设的边界，即刻判定频偏周跳，并且立马进行补偿；从而保证自适应EKF算法的稳定性和消除频偏周跳对算法误码的影响，最终实现对于光通信***中频偏和相位噪声损伤的协同估计和补偿。
MAKF算法的具体原理如下所述：
MAKF算法主要包括三个部分：EKF、锁定检测和频偏周跳检测与补偿。EKF部分负责接收信号的频偏和相位的估计和补偿，锁定检测来自适应的选择对应的调优参量Q，频偏检测和恢复用于实时监测EKF估计出来的频偏，并且进行对应的补偿。MAKF的流程图如图1所示。
为了降低EKF算法对于Q值的依赖性，并且能够实现高速、高精度的变量估计。采用锁定检测的方式来自适应的选定当前时刻的调优参量Q来实现快速、高精度的估算。在快速跟踪阶段，使用较大的调优参量Q实现对于估算参量的快速估计和收敛。在精准跟踪阶段，使用较小的Q值来实现高精度的估计参量估计，从而在传统EKF算法的基础上进一步提高算法的跟踪速度和估计精度。
由于EKF算法利用直接判决的方式计算滤波器的测量残差，从而指导EKF的估计参量进行更新修正。当***存在较大频偏，EKF使用快速跟踪阶段使用较大的Q值造成频偏周跳。频偏周跳的直接表现为恢复后的星座图完整良好，但是与理想星座点直接偏转90°，而最根本原因在于在星座图遭受大角度偏转的情况下，使用较大的调优参量Q值，容易在直接判决的时造成理想星座点的误判，从而导致EKF迭代更新出错。为了妥善的解决这个问题，MAKF算法中采取频偏实时监测和修正技术。预设一个频偏的估计范围，从而实时监测EKF估算出来的频偏值，当估算的频偏值超出预设范围时，直接判定频偏周跳，根据相应的频偏周跳值来进行实时修正，从而实现频偏周跳的检测和修正。最终保证算法的收敛速度、估计精度以及算法的稳定性。
在实施MAKF算法进行频偏和相位协同估计时，其基本方程归纳如下：
Figure BDA0001368547840000051
Figure BDA0001368547840000052
Figure BDA0001368547840000053
Figure BDA0001368547840000054
Figure BDA0001368547840000055
Figure BDA0001368547840000061
Figure BDA0001368547840000062
其中，方程(2)～(8)分别描述的是状态空间转移，先验协方差估计，Kalman增益，后验协方差，状态空间更新，频偏检测和频偏补偿方程；
其中θn,
Figure BDA0001368547840000063
分别代表估计的相位和频偏，A为状态转移方程；
Figure BDA0001368547840000064
为EKF的调优参量；β和λ分别是锁定检测的临界参数；
Figure BDA0001368547840000065
和Pn分别为先验协方差和后验协方差；K为Kalman增益；dz为测量余量；
Figure BDA0001368547840000066
ρ，
Figure BDA0001368547840000067
分别为估计频偏，频偏周跳系数和修正频偏。
图2为本发明实施例提供的是一个相干光通信的实验模型，具体流程图如下：
AWG(arbitrary waveform generator)生成12GS/s的电信号来驱动I/Q调制器生成对应的调制信号。本振激光器和发射端激光器输出的激光都被分成两部分：95％和5％，95％发射端激光器输出激光承载调制的光信号，95％本振激光器输出的激光输入到90o光学混频器进行相干光学检测。剩余的本振光和发射端激光在PD上进行拍频，得到拍频信号。接收信号经过一系列的离线数字信号处理，其中包括时钟恢复，信号均衡以及基于MAK算法的频偏和相位估计。对应的拍频信号通过FFT算法来计算信号的真实频偏。
如图3至图6所示，实验验证了三个不同频偏情况下的算法性能，实验结果表明：MAKF算法具有超快的算法收敛速度(50个符号内实现算法收敛)，并且收敛精度很高(频偏误差小于200KHz)。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，其特征在于，包括以下步骤:
首先，假设接收到的信号经过完美的时钟恢复、解偏以及信道均衡，在数学上将其表示为：
Figure FDA0001368547830000011
其中，rn代表第n个接收的信号,mn代表第n个发射的信号，Ts代表相邻符号间隔，f代表***频偏,
Figure FDA0001368547830000012
代表***相位噪声，wn代表***高斯白噪声；
其次，只剩频偏和相位噪声的信号进行MAKF算法进行追踪和恢复，在MAKF算法中，信号先经过EKF做频偏和相位的估计，通过直接判决的方式计算出恢复信号和理想星座点的最小判决误差dz，最小判决误差dz进入锁定检测模块，锁定检测模块通过计算一段数据长度的最小判决误差dz后，判决出此刻EKF应该使用的最佳调优参数Q，从而实现算法的自适应；在此同时，EKF估计出来的频偏值
Figure FDA0001368547830000013
通过频偏周跳检测和补偿估计，判决此时EKF算法估算出来的频偏值
Figure FDA0001368547830000014
是否超出预设的边界；一旦超出预设的边界，即刻判定频偏周跳，并且立马进行补偿；从而保证自适应EKF算法的稳定性和消除频偏周跳对算法误码的影响，最终实现对于光通信***中频偏和相位噪声损伤的协同估计和补偿。
2.根据权利要求1所述的光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，其特征在于：所述MAKF算法主要包括三个部分：EKF、锁定检测和频偏周跳检测与补偿，EKF负责接收信号的频偏和相位的估计和补偿，锁定检测来自适应的选择对应的最佳调优参数Q，频偏检测和恢复用于实时监测EKF估计出来的频偏，并且进行对应的补偿。
3.根据权利要求2所述的光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，其特征在于：采用锁定检测的方式来自适应的选定当前时刻的最佳调优参量Q来实现快速、高精度的估算。
4.根据权利要求3所述的光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，其特征在于：在快速跟踪阶段，使用较大的调优参量Q实现对于估算参量的快速估计和收敛，在精准跟踪阶段，使用较小的调优参量Q来实现高精度的估计参量估计。
5.根据权利要求4所述的光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，其特征在于：在MAKF算法中采取频偏实时监测和修正技术，预设一个频偏的估计范围，从而实时监测EKF估算出来的频偏值，当估算的频偏值超出预设范围时，直接判定频偏周跳，根据相应的频偏周跳值来进行实时修正，从而实现频偏周跳的检测和修正。
6.根据权利要求1所述的光通信***中频偏周跳实时监测和纠正的方法，其特征在于：
在实施MAKF算法进行频偏和相位协同估计时，其基本方程归纳如下：
Figure FDA0001368547830000021
Figure FDA0001368547830000022
Figure FDA0001368547830000023
Figure FDA0001368547830000024
Figure FDA0001368547830000025
Figure FDA0001368547830000026
Figure FDA0001368547830000027
其中，方程(2)～(8)分别描述的是状态空间转移，先验协方差估计，Kalman增益，后验协方差，状态空间更新，频偏检测和频偏补偿方程；
其中θn,
Figure FDA0001368547830000031
分别代表估计的相位和频偏，A为状态转移方程；
Figure FDA0001368547830000032
Q1>>Q2为EKF的调优参量；β和λ分别是锁定检测的临界参数；
Figure FDA0001368547830000033
和Pn分别为先验协方差和后验协方差；K为Kalman增益；dz为测量余量；
Figure FDA0001368547830000034
ρ，
Figure FDA0001368547830000035
分别为估计频偏，频偏周跳系数和修正频偏。
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