相位受控旋轉(zhuǎn)的調(diào)制系統(tǒng)、方法及改進(jìn)型相關(guān)恒模算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及相干光通信領(lǐng)域，具體設(shè)及一種相位受控旋轉(zhuǎn)的調(diào)制系統(tǒng)、方法及改 進(jìn)型相關(guān)恒模算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相干光通信的理論和實(shí)驗(yàn)始于80年代。相干光通信系統(tǒng)被公認(rèn)為具有靈敏度高、 頻率選擇性好、頻譜效率高的特點(diǎn)，運(yùn)些特點(diǎn)有利于通信容量的提高。此外，在相干光通信 中，色散與偏振模色散對(duì)信號(hào)的損傷都為線(xiàn)性損傷，此時(shí)通信信道可建模為線(xiàn)性時(shí)不變系 統(tǒng)，故通過(guò)適度復(fù)雜的DSP(Dig;Ual Signal Processing,數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)就可W補(bǔ)償 線(xiàn)性損傷，進(jìn)而使得W前困擾業(yè)界的色散問(wèn)題變得相對(duì)容易解決。
[0003] 在40G、100G的光通信時(shí)代，相干光通信與DSP技術(shù)相結(jié)合取得了巨大商業(yè)成功。綜 合考慮譜效率與光信噪比容限的要求，IOOG商用系統(tǒng)采用的是基于相干光通信的PM-QPSK (化Iarization Multiplexed 如a化i Phase Shift Keying,偏振復(fù)用四相移鍵控)技術(shù)。
[0004] 由于電子技術(shù)的進(jìn)步，使得DSP的成本大為降低，新一代的相干光通信系統(tǒng)普遍引 入DSP技術(shù)。在使用本征光載波解調(diào)信號(hào)光后，再使用ADCUnalog-Digital Converter,模 數(shù)轉(zhuǎn)換器)采樣所得電子信號(hào)，最后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。參見(jiàn)圖1所示，相干光通信接收機(jī)的 DSP的流程一般為:色散補(bǔ)償^時(shí)鐘恢復(fù)^自適應(yīng)濾波(CMA)^載波恢復(fù)(頻差估計(jì)與補(bǔ)償） ^載波恢復(fù)(相差估計(jì)與補(bǔ)償碼元判決。
[000引自適應(yīng)濾波器為上述DSP的流程的主要組成部分，其能夠起到偏振解復(fù)用與殘余 色散補(bǔ)償作用，通常由線(xiàn)性均衡器與自適應(yīng)濾波系數(shù)更新算法組成。CMA(Constant Modulus Algorithms,恒模算法)為一種可用于PM-QPSK的自適應(yīng)濾波系數(shù)更新算法。恒模 算法因?yàn)椴恍枰?xùn)練序列，且不需要事先補(bǔ)償頻差，所W具有簡(jiǎn)單且魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)而 被主流商用系統(tǒng)采用。
[0006] 相對(duì)于被1OOG商用系統(tǒng)采用的PM-QPSK技術(shù)，另外的調(diào)制格式有其獨(dú)特特點(diǎn)與優(yōu) 勢(shì)。新提出的PS-QPSK(F*ola;rization Switched Qua化i Phase 化ift Keying,偏振開(kāi)關(guān)四 相移鍵控)雖然譜效率只有PM-QPSK的四分之S，但是PS-QPSK信號(hào)在所有可用于高速光通 信的調(diào)制格式中，具有最高的靈敏度和最高的〇SNR(Optical Signal Noise Ratio,光信噪 比）容限、且非線(xiàn)性容忍度更高，能完成更遠(yuǎn)距離的傳輸。此外，PS-QPSK在無(wú)中繼超長(zhǎng)跨距 傳輸中，性能也優(yōu)于PM-QPSK。
[0007] 但是，CMA用于PS-QPSK信號(hào)時(shí)，雖然兩個(gè)偏振態(tài)X和Y的調(diào)制都是QPSK信號(hào)，但在 任意碼元周期，其中X的調(diào)制信號(hào)怎f (好）必然等于或相反于Y的調(diào)制信號(hào)友完(打)，即 怎(打）二+旬;(W)。由于尼,打")巧(M)賄才朕肚圓雌逾瓣波離]凝如河制始授販義 點(diǎn)，例如，自適應(yīng)濾波器最后的輸出Emjt(n)可能為：二COS(C)E,（") + ./sin(a)與 其中COS (a)與sin(a)表示任意平方和等于1的系數(shù)，a為任意角度，j為虛數(shù)單位。從公式（1) 可W看出，最后的輸出中，兩個(gè)偏振的調(diào)制疊加在一起，并沒(méi)有真正解開(kāi)，但仍然滿(mǎn)足恒模 條件，此時(shí)，基于恒模算法的自適應(yīng)濾波器沒(méi)有輸出正確的結(jié)果。可W看出，經(jīng)典的恒模算 法用于PS-QPSK信號(hào)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤收斂的問(wèn)題。
[0008] 針對(duì)經(jīng)典的恒模算法錯(cuò)誤收斂的問(wèn)題，業(yè)界提出了一些改進(jìn)型恒模算法用于PS-QPSK的自適應(yīng)濾波器更新。但使用運(yùn)些算法的自適應(yīng)濾波器輸出的兩個(gè)偏振信號(hào)不是四星 座點(diǎn)的QPSK信號(hào)，且兩偏振輸出信號(hào)相互獨(dú)立，后續(xù)的載波恢復(fù)與碼元判決實(shí)施高度復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為：將普通PS-QPSK轉(zhuǎn)換成 MR-PS-QPSK時(shí)，能夠正常使用經(jīng)典的恒模算法，避免現(xiàn)有技術(shù)中普通PS-QPSK使用經(jīng)典的恒 模算法會(huì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤收斂問(wèn)題。本發(fā)明能夠保證自適應(yīng)濾波器的兩個(gè)偏振輸出信號(hào)相位相 互鎖定，還能夠采用單偏振QPSK的信號(hào)處理過(guò)程對(duì)合并后的信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理，極大簡(jiǎn)化 了后續(xù)處理過(guò)程。
[0010] 為達(dá)到W上目的，本發(fā)明提供的相位受控旋轉(zhuǎn)的調(diào)制系統(tǒng)的改進(jìn)型相關(guān)恒模算 法，包括W下步驟：
[0011] A、使用改進(jìn)型相關(guān)恒模算法更新自適應(yīng)濾波器系數(shù)，W保證自適應(yīng)濾波器輸出的 ￥偏振數(shù)字信號(hào)(；:巧)和《偏振數(shù)字信號(hào)H)的相位鎖定，具體步驟為：
[0012] 對(duì)X偏振接收信號(hào)[EinX(n-l)]和Y偏振接收信號(hào)[EinY(n-l)]進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波，時(shí)域 濾波的公式為：
[001引其中：嚴(yán)、產(chǎn)y JYX jyy為4個(gè)自適應(yīng)濾波器系數(shù)，n為序列號(hào)，L為自適應(yīng)濾波器級(jí)數(shù)， 1為自適應(yīng)濾波器級(jí)數(shù)序號(hào)；
[0016]上述時(shí)域?yàn)V波的誤差定義式為：
[0021] 根據(jù)上述誤差定義使用梯度算法，得出對(duì)應(yīng)的系數(shù)更新公式為：
[0022] 當(dāng)控制信號(hào)序列C(n)為加寸：
[0032] 上述系數(shù)更新公式中*為共輛符號(hào)，g表示第g次更新，j為復(fù)數(shù)符號(hào)，化和均為根 據(jù)需要使用的微小系數(shù)；
[0033] B、接收端根據(jù)C(n)的數(shù)值逆向旋轉(zhuǎn)Y偏振信號(hào)：當(dāng)C(n)為加寸，接收端不旋轉(zhuǎn)Y偏振 信號(hào)；當(dāng)C(n)為1時(shí)，接收端將Y偏振信號(hào)旋轉(zhuǎn)-n/2,得到反向受控旋轉(zhuǎn)的Y偏振信號(hào) 巨r(nóng)otate^ 巧^ ;
[0034]將6<。。*(11)與￡,^^/句共輛相乘，得到數(shù)字信號(hào)2<"。。*(11)，計(jì)算公式為：
[003引根據(jù)EXYnut(n)恢復(fù)開(kāi)關(guān)信號(hào)S(n):當(dāng)EXYnut(n)的實(shí)變量Real[EXYnut(n)]>0時(shí)，S(n) =0;當(dāng)Real[EXY0ut(n)]<0時(shí)，S(n) = l;
[0036] C、將與:,（H)與馬(內(nèi))合并，得到合并信號(hào)Emerge(n)，Emerge(n)的計(jì)算公式為：
[0039] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟A中所述系數(shù)更新公式中的iii和ii2可相同或者不 同。
[0040] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟A中所述系數(shù)更新公式中的m取值范圍為1~1(T9， 化的取值范圍為1~1〇一 9。
[0041 ]本發(fā)明提供的相位受控旋轉(zhuǎn)的調(diào)制方法，包括W下步驟：
[0042]步驟一、在發(fā)送端，產(chǎn)生可攜帶3bit信息的PS-QPSK信號(hào)，PS-QPSK信號(hào)中的X偏 振信號(hào)攜帶化it信息的QPSK信號(hào)，第3bit信息為開(kāi)關(guān)信號(hào)S(n)，n為序列號(hào);PS-QPSK 信號(hào)在Y偏振方向上，根據(jù)S(n)調(diào)制與X偏振信號(hào)怎^相同或相反的Y偏振信號(hào)其表達(dá) 式為：
[004引與!;（巧>=+與y (巧)，當(dāng)S(n)=0;
[0044]與巧(n) = 1;
[004引發(fā)送端定義長(zhǎng)度為N的控制信號(hào)序列C(n)，l<n<N，n、N均為正整數(shù)，C(n)為一段 長(zhǎng)為N的PRBS碼流，控制信號(hào)取值為0或1;發(fā)送端將C(n)循環(huán)移位、并使用C(n)對(duì)及^進(jìn)行受 控旋轉(zhuǎn)：當(dāng)控制信號(hào)取值為0時(shí)，發(fā)送端不旋轉(zhuǎn)必;當(dāng)控制信號(hào)取值為1時(shí)，發(fā)送端將必旋 轉(zhuǎn)V2;對(duì)進(jìn)行受控旋轉(zhuǎn)處理后，產(chǎn)生一個(gè)偽PM-QPSK信號(hào)；
[0046] 步驟二、接收端對(duì)偽PM-QPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和采樣，對(duì)采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行色散補(bǔ)償 和時(shí)鐘恢復(fù)后，使用CMA算法更新自適應(yīng)濾波器系數(shù)，得到自適應(yīng)濾波器輸出的Y偏振數(shù)字 信號(hào)每W的)和X偏振數(shù)字信」'；￡,立,,（H);
[0047] 步驟S、通過(guò)方。(W)和，將接收端和發(fā)送端的C(N)對(duì)齊；
[0048] 步驟四、采用權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的相位受控旋轉(zhuǎn)的調(diào)制系統(tǒng)的改進(jìn)型相關(guān) 恒模算法更新自適應(yīng)濾波器系數(shù)、恢復(fù)S(n)、合并偏振信號(hào)，得到合并信號(hào)Emerge(n);
[0049] 步驟五、采用單偏振QPSK的信號(hào)處理過(guò)程，對(duì)Emerge(n)進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。
[0050] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟=具體包括W下步驟：
[0051] S301:計(jì)算數(shù)字信號(hào)，計(jì)算公式為：
[00閲為了消除旬;,,(W)和怎支^如）的相位差的影響，將E。'式(《)做一階差分得到數(shù)字 信號(hào)怎。芳-Ay' (M+1)，其計(jì)算公式為：
[00財(cái) s302:將巧;;'-職(舟+1)任取長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)為一帖，得到馬芳-嘶(丹)，1 <內(nèi)< iV;
[0056] S303:對(duì)發(fā)送端和接收端的C(n)進(jìn)行循環(huán)一階差分處理和取模，得到數(shù)字信號(hào)Cdif (n)，1 < n < N:
[0057] 當(dāng) 1 <n<N-l時(shí)，C"f(n) = [C(n+l)-C(n)]M0D 2;
[0058] 當(dāng)n = l時(shí)，C"f(n) = [C(I)-C(N)]M0D 2;
[0059] 其中MOD代表取模運(yùn)算；
[0060] S304:將Cdif(n)循環(huán)移位，移位后與做相關(guān)求和運(yùn)算，計(jì)算公式為：
[006引其中洲M為相關(guān)求和函數(shù)，k為cdif(n)循環(huán)移位的位數(shù)，k為正整數(shù)，Cdif (n)循環(huán)移 位k位得到Cf(W)
[0063] 尋找SUM化)絕對(duì)值的峰值，根據(jù)峰值所對(duì)應(yīng)的k值對(duì)C(n)循環(huán)移位k位，完成接收 端、發(fā)送端控制數(shù)字序列的同步。
[0064] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟五中所述后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理的過(guò)程依次為:頻差 估計(jì)與補(bǔ)