一種適用于co-ofdm系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，該方法將每個CO-OFDM符號切割成若干個子塊符號，從而對每個子塊符號的光相位噪聲分別進行估計，提高了光相位噪聲的估計精度和時間分辨率。同時，選擇信道均衡后的信號作為切塊的輸入，在子塊相位噪聲估計過程中無需采用復雜的殘余符號間串擾補償算法，降低了算法的復雜度。本發(fā)明方法實用性強，能有效地降低CO-OFDM系統(tǒng)對激光光源線寬的要求，對CO-OFDM系統(tǒng)在下一代高速光纖通信網(wǎng)絡中的應用具有的重要意義。
【專利說明】—種適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光通信【技術領域】，特別涉及一種適用于C0-0FDM(相干光正交頻分復用)系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法。
【背景技術】
[0002]相干光正交頻分復用(CO-OFDM)作為一種多載波相干光通信技術在近幾年得到學者的廣泛關注。
[0003]CO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示，按其功能可以分為5個模塊:C0_0FDM發(fā)射端模塊101、電光調(diào)制模塊102、光纖傳輸模塊103、光電檢測模塊104以及CO-OFDM接收端模塊105，CO-OFDM發(fā)射端模塊產(chǎn)生的電域信號經(jīng)過電光調(diào)制的上變頻變成光域的CO-OFDM信號，CO-OFDM信號經(jīng)光纖傳輸、平衡探測器后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換成電域的信號，CO-OFDM接收端再對接收到的電域信號進行信號處理以期恢復原始的發(fā)送端數(shù)據(jù)。結(jié)合圖1，對整個系統(tǒng)的工作過程進行詳細表述。CO-OFDM系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)106經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換模塊107，變?yōu)椴⑿械腘路數(shù)據(jù)；按照不同的調(diào)制格式將串并轉(zhuǎn)換后的信號進行108數(shù)字調(diào)制；快速傅里葉逆變換IFFT模塊109實現(xiàn)信號從頻域到時域的轉(zhuǎn)換；加入110循環(huán)前綴CP，解決信道衰落引起的ISI和ICI ;將得到的電域的信號進行并串轉(zhuǎn)換111。上述信號的同相分量和正交分量信號分別通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器112、113變換為模擬信號并通過低通濾波器114、115 ;采用放大器將信號的同相分量1116和正交分量Q117放大并注入到I/Q調(diào)制器中實現(xiàn)同相分量I和正交分量Q對光信號的正交調(diào)制；I/Q調(diào)制器由3個雙臂的馬赫增德爾MZM調(diào)制器120、121、122組成，其中兩個調(diào)制器120、121實現(xiàn)對信號的調(diào)制，第三個調(diào)制器122控制光調(diào)制的同相分量I和正交分量Q的相位差；分別調(diào)節(jié)兩個調(diào)制器120、121的直流偏置保證實現(xiàn)信號調(diào)制的調(diào)制器工作在最小功率點，而第三個控制相位差的調(diào)制器122工作在正交點以保證兩路信號存在η /2的相位差；118表示CO-OFDM系統(tǒng)的發(fā)射激光器，通過分路器119分成兩束同樣的激光，用于驅(qū)動120和121。120和122輸出的信號通過耦合器123，變成單路的光信號，接著輸入到光纖信道進行傳輸中。產(chǎn)生的CO-OFDM信號在光纖中經(jīng)過長距離的傳輸后，經(jīng)過直接的光-光放大器一摻鉺光纖放大器(EDFA) 124補償光纖損耗后再進行傳輸，125表不長距離的傳輸光纖。經(jīng)過長距離的光纖傳輸后，光電檢測模塊104將光域信號變換為電域的信號。126表示CO-OFDM系統(tǒng)接收端的本地激光器，通過分路器分成兩束同樣的激光，127表不一個的π /2相移器；128和129表不兩個稱合器,驅(qū)動4個光電二極管(PD) 130、131、132、133。134和135表示兩個減法器，分別對應輸出接收信號的同相分量I部分和正交分量Q。得到的同相分量I和正交分量Q經(jīng)過低通濾波器136、137和模數(shù)轉(zhuǎn)換器138、139轉(zhuǎn)換后進入CO-OFDM接收端。CO-OFDM接收端進行CO-OFDM發(fā)送端的逆過程，進行串并轉(zhuǎn)換140，移除循環(huán)前綴CP141，然后進行FFT變換142，對CO-OFDM信號進行數(shù)字解調(diào)143，最后經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換144恢復得到原始的發(fā)送端數(shù)據(jù)145。
[0004]上述是多載波相干光通信系統(tǒng)的一般結(jié)構，其相比于單載波的相干光通信技術(如目前100Gb/S工業(yè)標準采用的PDM-QPSK) ,CO-OFDM能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光譜效率(即帶寬利用率)、更靈活的頻譜使用、更高效的信道均衡和更高頻譜擴展性，被學者廣泛地認為是下一代400Gb/s及l(fā)Tb/s(lT = 1000G)光纖通信系統(tǒng)的重要解決方案。
[0005]但是CO-OFDM在高速光纖通信系統(tǒng)中的應用仍然存在一些技術上的挑戰(zhàn)。CO-OFDM系統(tǒng)其中一個主要缺陷是對光相位噪聲的容忍度較單載波的相干光通信系統(tǒng)要低。CO-OFDM系統(tǒng)采用了多個正交子載波通道并行傳輸相互獨立的數(shù)據(jù)，而光相位噪聲將導致這些通道間產(chǎn)生互擾。在CO-OFDM系統(tǒng)中，光相位噪聲主要源至發(fā)射機及接收機中的光源。由于實際系統(tǒng)所使用的激光器并非理想的單頻(非零線寬)光源，其輸出的光載波的相位隨著時間有一個隨機的變化，即光相位噪聲。光相位噪聲中的高階頻譜分量在CO-OFDM系統(tǒng)中各子載波間引入串擾(ICI)，從而劣化系統(tǒng)解調(diào)后信號質(zhì)量，同時也增加了 CO-OFDM系統(tǒng)的信道估計誤差，加大了系統(tǒng)的誤碼率。
[0006]為了抑制CO-OFDM系統(tǒng)中光相位噪聲的這些影響，研究人員提出了多種不同的相位噪聲估計補償方法。研究人員提出了利用檢測疊加的射頻導頻(RFP)來估計光相位噪聲的方案。具體見參考文獻:S.Randel, S.Adhikari, and S.L.Jansen, “Analysis ofRF-pilot-based phase noise compensat1n for coherent optical OFDM systems,，’IEEEPhotonics Technology Letters, vol.22, n0.17, pp.1288-1290, 2010.但是這種方法中，光相位噪聲估計的精度受射頻導頻與承載數(shù)據(jù)子載波帶間的互擾影響，RFP與承載數(shù)據(jù)的子載波頻帶兩者間都需要加入保護間隔，并保持合適的功率比，方案實現(xiàn)起來比較復雜。研究人員還提出數(shù)據(jù)輔助(data-aided)估計方案。方案利用了待傳輸數(shù)據(jù)的相位的有限取值特性，通過將接收端受相位噪聲污染的數(shù)據(jù)取M次方，從而從信號相位中分離出光相位噪聲引入的隨機相位量。具體見參考文獻:X.Yi, W.Shieh, and T.Yan, “Phase Estimat1n forCoherent Optical OFDM, ” IEEE Photonics Technology Letters, vol.19, n0.12, pp.919-921，2007.但是這種方法存在相位模糊問題，同時由于常用的方型mQAM信號的相位在m>4時沿圓周方向并非均勻分布，因此上述方法不能直接用到方型mQAM調(diào)制的多載波通信系統(tǒng)中。另一類估計方案采用在發(fā)射端將部分子載波設為導頻子載波，通過在接收端檢測承載了已知信息的導頻子載波的相位與預期相位的差值，從而估計出光相位噪聲引入的相位增量。具體見參考文獻:X.Yi, ff.Shieh, and Y.Ma, “Phase Noise Effects on High SpectralEfficiency Coherent Optical OFDM Transmiss1n,，，J Lightwave Technol, vol.26, n0.10, pp.1309-1316，2008.但是這種方案只能估計出單個C0-0FDM符號內(nèi)的相位噪聲均值CPE，光相位噪聲引起的ICI被近似為高斯噪聲忽略掉了，所以這種方法不能夠準確地描述光相位噪聲在整個符號內(nèi)的變化情況。
[0007]上述的技術方法大部分都是將單個C0-0FDM符號當作一個整體來估計相位噪聲，即共同相位噪聲估計(CPE)。單個C0-0FDM符號的估計方案只能估計出整個C0-0FDM符號的相位噪聲的均值，其在原理上不能夠準確地描述相位噪聲隨時間在符號內(nèi)的變化情況。這類相位噪聲估計方案的誤差會隨光相位噪聲的增加而增加。在大的光相位噪聲情況下，單個C0-0FDM符號相位噪聲的估計方案的估計誤差將會嚴重限制C0-0FDM系統(tǒng)的整體性能。因此，為了提升系統(tǒng)對光相位噪聲的容忍度，有必要對單個C0-0FDM符號內(nèi)的光相位噪聲的變化情況進行相應的估計與補償。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，該方法使CO-OFDM系統(tǒng)能夠更精準的估計和補償光相位噪聲，且具有算法復雜度低、對硬件要求低的優(yōu)點。
[0009]本發(fā)明通過以下的技術方案實現(xiàn):一種適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，將每個CO-OFDM符號切割成若干個子塊符號，對每個子塊符號的光相位噪聲分別進行估計和補償。
[0010]包括步驟:
[0011](I)接收端對接收到的CO-OFDM信號進行相干探測接收，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到電域的信號；
[0012](2)對電域的信號進行串并轉(zhuǎn)換，移除循環(huán)前綴CP并進行頻率偏移估計和補償；
[0013](3)采用快速傅里葉變換(FFT)將信號從時域變?yōu)轭l域；
[0014](4)進行光纖信道估計和補償，得到信道均衡后的信號；
[0015](5)對信道均衡后的信號進行IFFT變換，得到假設的僅受相位噪聲污染的“接收端”的時域信號；
[0016](6)估計每個CO-OFDM符號的共同相位噪聲CPE的值并完成CPE補償；初始化迭代計數(shù)器:κ = O ;
[0017](7)判斷迭代計數(shù)器中的K值是否超過設定的迭代次數(shù)？若是，則轉(zhuǎn)到步驟(12)；若否，則執(zhí)行步驟(8);這里，采用迭代技術的目的在于:更新估計出的各個子塊符號所對應的共同相位噪聲，以提高光相位噪聲估計的精度，從而提高整個CO-OFDM系統(tǒng)的性能；
[0018](8)若K = 0，則對步驟(6)得到的相位噪聲補償后的信號進行判決，將判決后的信號當作“發(fā)送端”信號；若1(>0，則對步驟(11)得到的相位噪聲補償后的信號進行判決，將判決后的信號當作“發(fā)送端”信號；
[0019](9)對步驟⑶的“發(fā)送端”信號進行IFFT變換，得到假設的“發(fā)送端”的時域信號;
[0020](10)對步驟(9)得到的假設的“發(fā)送端”時域信號、步驟(5)得到的假設的僅受相位噪聲污染的“接收端”時域信號分別進行切塊處理，即將單個的CO-OFDM符號切割成若干個子塊符號；
[0021](11)利用切塊得到的“發(fā)送端”和僅受相位噪聲污染的“接收端”各子塊符號來估計所對應子塊的共同相位噪聲CPE ;并在時域上，分別對每個子塊符號的共同相位噪聲進行補償；同時迭代計數(shù)器K值加上I ;然后轉(zhuǎn)入步驟(7)；
[0022](12)對數(shù)據(jù)進行判決，去導頻，反映射，輸出最終的數(shù)據(jù)。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟(4)光纖信道估計采用基于訓練序列的估計方法，在CO-OFDM發(fā)射端模塊加入循環(huán)前綴CP后，在得到的信號的開始處插入若干個用于信道估計的訓練序列，步驟⑷包括:
[0024](4-1)提取用于信道估計的訓練序列進行光纖信道的估計；
[0025](4-2)利用單抽頭頻域濾波器進行信道均衡。
[0026]更進一步的，所述步驟(4-1)通過依次采用多個訓練序列后均值方法和基于頻域內(nèi)的滑動平均方法完成光纖信道的估計，具體如下:
[0027](4-1-1)多個訓練序列后均值方法，步驟是:設發(fā)送端加入的訓練序列的個數(shù)為Nt，利用這Nt個訓練序列估計出Nt個信道傳遞函數(shù)，記通過第i個訓練序列估計出的第i個信道傳遞函數(shù)中的第k個值為:
[0028]
【權利要求】
1.一種適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，將每個CO-OFDM符號切割成若干個子塊符號，對每個子塊符號的光相位噪聲分別進行估計和補償。
2.根據(jù)權利要求1所述的適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，包括步驟: (1)接收端對接收到的CO-OFDM信號進行相干探測接收，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到電域的信號； (2)對電域的信號進行串并轉(zhuǎn)換，移除循環(huán)前綴CP并進行頻率偏移估計和補償； (3)采用FFT變換將信號從時域變?yōu)轭l域； (4)進行光纖信道估計和補償，得到信道均衡后的信號； (5)對信道均衡后的信號進行IFFT變換，得到假設的僅受相位噪聲污染的“接收端”的時域信號； (6)估計出每個CO-OFDM符號的共同相位噪聲CPE的值并完成CPE補償；初始化迭代計數(shù)器:κ = O ; (7)判斷迭代計數(shù)器中的K值是否超過設定的迭代次數(shù)？若是，則轉(zhuǎn)到步驟(12);若否，則執(zhí)行步驟⑶； (8)若K= 0，則對步驟(6)得到的相位噪聲補償后的信號進行判決，將判決后的信號當作“發(fā)送端”信號； 若1(>0，則對步驟(11)得到的相位噪聲補償后的信號進行判決，將判決后的信號當作“發(fā)送端”信號； (9)對步驟(8)的“發(fā)送端”信號進行IFFT變換，得到假設的“發(fā)送端”的時域信號； (10)對步驟(9)得到的假設的“發(fā)送端”時域信號、步驟(5)得到的假設的僅受相位噪聲污染的“接收端”時域信號分別進行切塊處理，即將單個的CO-OFDM符號切割成若干個子塊符號； (11)利用切塊得到的“發(fā)送端”和僅受相位噪聲污染的“接收端”各子塊符號來估計所對應子塊的共同相位噪聲CPE ;并在時域上，分別對每個子塊符號的共同相位噪聲進行補償；同時迭代計數(shù)器K值加上I ;然后轉(zhuǎn)入步驟(7)； (12)對數(shù)據(jù)進行判決，去導頻，反映射，輸出最終的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，所述步驟(4)光纖信道估計采用基于訓練序列的估計方法，在CO-OFDM發(fā)射端模塊加入循環(huán)前綴CP后，在得到的信號的開始處插入若干個用于信道估計的訓練序列；步驟(4)包括: (4-1)提取用于信道估計的訓練序列進行光纖信道的估計； (4-2)利用單抽頭頻域濾波器進行信道均衡。
4.根據(jù)權利要求3所述的適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，所述步驟(4-1)，通過依次采用多個訓練序列后均值方法和基于頻域內(nèi)的滑動平均方法來完成光纖信道的估計，具體如下: (4-1-1)多個訓練序列后均值方法，步驟是:設發(fā)送端加入的訓練序列的個數(shù)為Nt，利用這Nt個訓練序列估計出Nt個信道傳遞函數(shù)，記通過第i個訓練序列估計出的第i個信道傳遞函數(shù)中的第k個值為:
5.根據(jù)權利要求3所述的適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，所述步驟(4-2)利用單抽頭頻域濾波器進行信道均衡，均衡的公式為:
6.根據(jù)權利要求2所述的適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，所述步驟(6)中，利用導頻輔助來估計每個CO-OFDM符號的共同相位噪聲CPE的值，并利用單抽頭頻域濾波器完成CPE補償，步驟如下: (6-1)采用最小二乘估計法估計出第m個CO-OFDM符號的CPE的值?
7.根據(jù)權利要求2所述的適用于CO-OFDM系統(tǒng)的多子塊相位噪聲估計補償方法，其特征在于，步驟(11)，設假設的“發(fā)送端”時域信號的第m個CO-OFDM符號的第η個子塊符號中的第k個值為Xm,nk，假設的僅受相位噪聲污染的“接收端”時域信號的第m個CO-OFDM符號的第η個子塊符號中的第k個值為ym,n,k，切割成的每一個子塊符號的長度為S，則第m個CO-OFDM符號中的第η個子塊符號的共同相位噪聲表不為:
【文檔編號】H04L27/38GK104038465SQ201410301152
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】洪學智, 洪曉建, 何賽靈 申請人:華南師范大學