解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法及系统
阅读说明：本技术 解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法及系统 (Method and system for solving frequency offset aliasing of pulse amplitude modulation signal ) 是由 范芸芸 诸葛群碧 胡卫生 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法及系统,涉及脉冲幅度调制的混叠信号的频偏估计补偿和相位恢复技术领域,该方法包括：在发射端及脉冲幅度调制信号的载波频谱边缘插入频域导频信号；各载波频谱被调制到不同频段的光域上,载波频谱在光域上耦合复用；在接收端对子载波复用信号解复用,分开处理各个子载波信号,对分开的子载波分别做色散补偿,利用频域导频信号进行频偏估计以及频偏补偿,从分开后的数据里提取出导频信号；对信号进行相位恢复；再对信号进行频域共轭,并镜像翻转恢复混叠受损的信号；对信号进行均衡模块的运算,并解调均衡后的信号。本发明能够易于实现,且使用方便,节省成本,能够克服现有技术的缺陷。(The invention provides a method and a system for solving the frequency offset aliasing of a pulse amplitude modulation signal, which relate to the technical field of frequency offset estimation compensation and phase recovery of the pulse amplitude modulation aliasing signal, and the method comprises the following steps: inserting frequency domain pilot signals at the transmitting end and the edge of a carrier frequency spectrum of the pulse amplitude modulation signal; each carrier spectrum is modulated to an optical domain of different frequency bands, and the carrier spectrums are coupled and multiplexed on the optical domain; demultiplexing the subcarrier multiplexing signals at a receiving end, separately processing each subcarrier signal, respectively performing dispersion compensation on the separated subcarriers, performing frequency offset estimation and compensation by using frequency domain pilot signals, and extracting the pilot signals from the separated data; performing phase recovery on the signal; then, carrying out frequency domain conjugation on the signals, and carrying out mirror image overturning to recover the aliasing damaged signals; and carrying out operation of an equalization module on the signal, and demodulating the equalized signal. The invention is easy to realize, convenient to use, cost-saving and capable of overcoming the defects of the prior art.)
技术领域
本发明涉及脉冲幅度调制的混叠信号的频偏估计补偿和相位恢复技术领域，具体地，涉及一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法。
背景技术
点对多点相干架构为未来聚合网络的升级提供了较为优越的方案，传统的光网络中采用点对点架构，即使在聚合网络中每一条链路都需要一对收发机，而采用点 对多点架构可以节省整个网络对收发机的数量需求，极大的节省网络的建设运维成 本，并且可以做多子载波的联合处理和调配，充分利用链路的资源。相干检测相比 于直调直检接收灵敏度高，可以双偏振传输，是实现大容量、高频谱利用的关键技 术，并且更为重要的是利用其天然的传输解调方式，可以直接通过拍频的方式解调 各个子载波，不需要额外使用光滤波器分开各子载波。Infinera公司提出的XR技 术(Infinera Corporation,"XR Optics:Game-Changing Innovation for Next- Generation Networks,"https://www.infinera.com/innovation/xr-optics.)是一 个典型案例，通过数字子载波复用技术以及一个大容量的相干收发机，将单波长高 带宽的信号分成了多个低带宽的子载波，从而通过不同链路传输到不同用户。
点对多点相干架构具有以下优点：灵活、低成本、低功耗的优点，其应用场景 为点到多点接入的系统，如5G中的前传，中传和后传系统，以及下一代接入网等。 由于成本控制的需求，尤其在短距接入场景中，不会采用频偏精度很高的激光器， 因此频偏问题在点对多点的上行传输中是一个关键问题，因为频偏会导致载波间的 信号混叠，从而难以提取出干净的载波信号，随之而来的是频偏估计，信号恢复后 续一系列算法的失效。
公开号为CN110535532A的发明专利，公开了一种偏振无关的脉冲幅度调制信 号相干接收方法及系统，该方法包括以下步骤：在发送端对脉冲幅度调制PAM信号 进行双极性预编码和偏振时间编码，得到两个正交偏振的信号。将两个正交偏振的 信号转换成两个偏振的光信号，并进行耦合得到耦合光信号。将该耦合光信号直接 与本振光在光混频器中进行混频，经过两个平衡探测器进行转换以得到I、Q两路电 流信号。将I、Q两路电流信号转换成数字信号后进行数字信号处理，以得到同步接 收信号。对同步接收信号进行信道均衡、偏振时间解码和双极性解码，以恢复出发 送端的PAM信号。本发明能简化相干接收系统的架构，降低相干接收系统的成本。
对于频偏混叠，处理方案主要是预防频偏混叠，将载波间的频谱间隔留至足够 最大频偏的情况下也没有任何混叠，但是这种方案的致命缺陷是牺牲了带宽，随着 通信技术的不断更新，未来频谱资源的势必愈加稀缺，采用这种方案本质上也是牺 牲了潜在的速率提升空间。也有对处理频偏混叠的方案的时候在发端采用数据预处 理算法，一些进性数据压缩的算法以及频谱整形的算法本质也是预防混叠。或者还 有些采用抗混叠滤波器来抵抗减轻混叠带来的一部分损伤，这些算法没有能力在混 叠很严重的时候依然能恢复信号，并且算法的复杂度代价也很高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法及系统。
根据本发明提供的一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法，所述方法包括：
步骤S1：在发射端及脉冲幅度调制信号的载波频谱边缘插入频域导频信号；
步骤S2：各载波频谱被调制到不同频段的光域上，统一选择相邻载波频谱间的右侧 或者左侧导频位置处频带留有满足大于器件最大频偏的间隙，载波频谱在光域上耦合复 用；
步骤S3：在接收端对子载波复用信号解复用，分开处理各个子载波信号，对分开的子载波分别做色散补偿，利用频域导频信号进行频偏估计以及频偏补偿，从分开后的数 据里提取出导频信号；
步骤S4：利用频域导频的相位信息对信号进行相位恢复；再对信号进行频域共轭，并镜像翻转恢复混叠受损的信号；
步骤S5：对信号进行均衡模块的运算，并解调均衡后的信号。
优选的，所述步骤S1包括：
在发送端发送数据先由bit序列映射成脉冲幅度调制信号，进行根升余弦脉冲整形。
优选的，所述步骤S1还包括：
在脉冲幅度调制信号的载波频谱两个边缘，左右边缘插入两个频域导频信号，频域 导频信号表示为：
其中，C为常数矩阵，代表频域导频的幅度；Δfp为频域导频信号的距离载波中心的 频域距离，频域导频位于载波边缘的频谱空隙；fs为采样率；j表示虚部符号；t表示时间序列。
优选的，所述步骤S2包括：不同发射端信号经过光电转换成光信号传输，相邻光载波一组，每组的频率间隔需保证相对侧的频域导频信号的间隙大于激光器的频偏最大值，记激光器的频偏最大值为FOmax，信号在光域上耦合复用。
优选的，所述步骤S3包括：
在接收端分开处理各个子载波信号，将要处理的载波下变频到基频，用低通滤波进 行载波的解复用，滤波带宽要大于Δfp+FOmax，滤波后的信号做色散补偿。
优选的，所述步骤S3还包括：
对色散补偿后的子载波信号做FFT变换，找到峰值即频域导频所在的频点位置，比较发端插入频域导频点位置之差即能够获得频率偏移的估计值；
对信号进行频移，频偏恢复；
对载波中的频域导频进行提取，滤波的中心频率为Δfp，滤波的带宽300MHz左右，既不能损伤频域导频能量，又不能包含子载波信号。
优选的，所述步骤S4包括：
激光器收发端的相位噪声对解复用后的子载波表示为：
其中，St表示调制的基带信号；t表示时间序列；φ(t)表示相位噪声；算出滤波后频 移到基频得到的频域导频信号Peφ(t)的相位，从而提取出相位噪声的信息，对信号进行相位噪声的补偿。
优选的，所述步骤S4还包括：
设脉冲幅度调制后的信号时域为x，在频域上表示为：
频域脉冲幅度调制信号的实部：
Re(-ω)＝Re(ω)
频域脉冲幅度调制信号的虚部：
Im(-ω)＝-Im(ω)
其中，t表示时间序列；j表示虚部符号；ω表示频率序列；脉冲幅度调制信号在频域 是关于0频共轭对称的。因此利用相位恢复后的信号的未混叠的一边进行共轭的镜像翻转。
优选的，所述步骤S5包括：对于每个子载波信号，用均衡算法恢复信号，再将脉 冲幅度调制信号符号解映射成bit序列。
第二方面，提供了一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的系统，所述系统包括：
发送端和接收端；
其中，发送端包括：
比特映射模块，用于将待发送的bit序列映射成脉冲振幅调制符号；
脉冲整形模块，用于将符号根升余弦脉冲成形产生各个子载波；
频域导频插入模块，用于在子载波两边的频谱间隔处分别插入频域导频信号；
子载波复用模块，用于子载波的复用；
而接收端包括：
子载波解复用模块，用于子载波的解复用；
色散补偿模块，用于补偿传输过程中光纤累积的色散；
频偏估计补偿模块，用于频偏估计和补偿，利用频域导频信号进行频偏估计；
提取频域导频信号模块，用于对相位噪声的估计；
频域导频恢复信号相位模块，提取导频信号的相位噪声，对信号进行相位恢复；
共轭镜像翻转模块，混叠后的信号共轭镜像翻转恢复；
均衡模块，用于最小均方误差均衡器对信号均衡；
符号解映射模块，用于将符号解映射成bit序列。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明涉及光通信应用领域，具备恢复混叠一半信号频谱的能力；
2、本发明在接收端充分利用了利用频域导频信号的信息，进行频偏估计和补偿；利用频域导频信号对信号进行相位恢复；实现共轭镜像翻转没有带来额外算法复杂 度代价；
3、本发明易于实现，使用方便，节省成本，能够克服现有技术的缺陷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的基于频域导频信号解高速偏振旋转和相位恢复算法的发送端和接收端信号处理示意图；
图2为本发明方法应用于仿真系统中频偏恢复性能示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法，具体包括：在发送端，发送数据先由bit序列映射成脉冲幅度调制信号，并进行根升余弦脉冲整形； 在脉冲幅度调制信号的载波频谱两个边缘，左右边缘插入两个频域导频信号，频域导频 信号表示为：
其中，C为常数矩阵，代表频域导频的幅度，Δfp为频域导频信号的距离载波中心的 频域距离，频域导频位于载波边缘的频谱空隙，fs为采样率；j表示虚部符号；t表示时间序列。不同发射端信号经过光电转换成光信号传输，相邻光载波一组，每组的频率间 隔需保证相对侧的频域导频信号的间隙大于激光器的频偏最大值，记激光器的频偏最大 值为FOmax；信号在光域上耦合复用。
在接收端，分开处理各个子载波信号，将要处理的载波下变频到基频，用低通 滤波进行载波的解复用，滤波带宽要大于Δfp+FOmax；滤波后的信号做色散补偿； 对色散补偿后的子载波信号做FFT变换，找到峰值即频域导频所在的频点位置，比 较发端插入频域导频点位置之差即可获得频率偏移的估计值；对信号进行频移，频 偏恢复；对载波中的频域导频进行提取，滤波的中心频率为Δfp，滤波的带宽300MHz 左右，既不能损伤频域导频能量，又不能包含子载波信号；激光器收发端的相位噪 声对解复用后的子载波表示为：
其中，St表示调制的基带信号；t表示时间序列；φ(t)表示相位噪声；算出滤波后频 移到基频得到的频域导频信号Peφ(t)的相位，从而提取出相位噪声的信息，对信号进行相位噪声的补偿。脉冲幅度调制信号在频域是关于0频共轭对称的。因此利用相位 恢复后的信号的未混叠的一边进行共轭的镜像翻转；对于每个子载波信号，用均衡 算法恢复信号；再将脉冲幅度调制信号符号解映射成bit序列。
本发明的原理在于：
设脉冲幅度调制后的信号时域为x，在频域上表示为：
频域脉冲幅度调制信号的实部：
Re(-ω)＝Re(ω)
频域脉冲幅度调制信号的虚部：
Im(-ω)＝-Im(ω)
其中，t表示时间序列；j表示虚部符号；ω表示频率序列；脉冲幅度调制信号在频域是关于0频共轭对称的。在补偿掉频偏和相位噪声后，加性噪声影响对共轭对称 的关系可以忽略，因此利用相位恢复后的信号的未混叠的一边进行共轭的镜像翻转。
本发明还提供了一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的系统，包括发送端和接收端，参照图1所示。
发送端包括：
比特映射模块，用于将待发送的bit序列映射成脉冲振幅调制符号；
脉冲整形模块，用于将符号根升余弦脉冲成形产生各个子载波；
频域导频插入模块，用于在子载波两边的频谱间隔处分别插入频域导频信号；
子载波复用模块，用于子载波的复用。
接收端包括：
子载波解复用模块，用于子载波的解复用；
色散补偿模块，用于补偿传输过程中光纤累积的色散；
频偏估计补偿模块，用于频偏估计和补偿，利用频域导频信号进行频偏估计；
提取频域导频信号模块，用于对相位噪声的估计；
频域导频恢复信号相位模块，提取导频信号的相位噪声，对信号进行相位恢复；
共轭镜像翻转模块，混叠后的信号共轭镜像翻转恢复；
均衡模块，用于最小均方误差均衡器对信号均衡；
符号解映射模块，用于将符号解映射成bit序列。
参照图2所示，本发明所设计的算法应用于子载波复用仿真系统中，得到的误 码率性能。子载波调制格式为双偏振PAM4(Pulse Amplitude Modulation)，波特率 为15GBaud，G为单位吉，Baud为单位波特，共有6个子载波，滚降系数为0.1， 频域导频滤波带宽设置为200MHz，M为单位兆，Hz为单位赫兹，插入的频域导频信 号和信号的功率比为-20dB，dB为单位分贝，收发端激光器线宽为500kHz，k为单 位千。频偏混叠部分高达7GHz，不采用镜像翻转算法恢复，系统是无效的，信号无 法解调，信息无法传输。而采用本发明的方法，可以较好地恢复信号，频偏混叠问 题可以高效地解决。
本发明实施例提供了一种解决脉冲幅度调制信号频偏混叠的方法，涉及光通信应用领域，具备恢复混叠一半信号频谱的能力；在接收端充分利用了利用频域导频 信号的信息，进行频偏估计和补偿；利用频域导频信号对信号进行相位恢复；实现 共轭镜像翻转没有带来额外算法复杂度代价；同时，本发明易于实现，使用方便， 节省成本，能够克服现有技术的缺陷。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及 其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制 器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装 置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、 模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、 单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。