阅读说明：本技术 128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统 (carrier phase compensation method and system for 128-system quadrature amplitude modulation signal ) 是由 刘玉民 张雨虹 张斌 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统。首先将接收到的128进制正交振幅调制信号序列中的IV类信号、IX类信号和XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度并归一化处理,对I类信号、III类信号、V类信号、VIII类信号、XI类信号、XII类信号和XVI类信号归一化处理,将II类信号、VI类信号、VII类信号、X类信号、XIV类信号和XV类信号置零处理,获得预处理调制信号序列。根据预处理调制信号序列,采用滑动平均方法,确定接收信号序列中各元素的载波相位估计值,进而对接收信号序列进行载波相位补偿。本发明提供的载波相位补偿方法及系统,激光器线宽容限大,实用性强,具有良好的应用前景。(The invention discloses a carrier phase compensation method and a carrier phase compensation system for a 128-system quadrature amplitude modulation signal. Firstly, rotating the IV-type signal, the IX-type signal and the XIII-type signal in a 128-system quadrature amplitude modulation signal sequence by pi/4 radians in the same direction and carrying out normalization processing on the I-type signal, the III-type signal, the V-type signal, the VIII-type signal, the XI-type signal, the XII-type signal and the XVI-type signal, and carrying out zero setting processing on the II-type signal, the VI-type signal, the VII-type signal, the X-type signal, the XIV-type signal and the XV-type signal to obtain a preprocessed modulation signal sequence. And determining the carrier phase estimation value of each element in the received signal sequence by adopting a moving average method according to the preprocessed modulation signal sequence, and further carrying out carrier phase compensation on the received signal sequence. The carrier phase compensation method and the carrier phase compensation system have the advantages of large line width tolerance of the laser, strong practicability and good application prospect.)

128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及相干光通信系统领域，特别是涉及一种128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统。

背景技术

128进制正交振幅调制(128-QAM)相干光通信系统极有可能成为下一代数据速率高达400Gb/s到1Tb/s的光通信系统。这主要是因为该系统比此前正交相移键控(QPSK)、16-QAM、32-QAM和64-QAM调制格式下的传输系统具有更高的频谱效率和信道容量。载波相位补偿是数字相干接收机中重要的组成部分，主要用于补偿激光器线宽引起的相位噪声。

因128-QAM系统星座图的特殊性，导致高性能的载波相位估计方法极少。较为经典的128-QAM系统载波相位估计方法是基于QPSK分割的Viterbi and Viterbi(V&V)M次幂方法。但该方法的激光器线宽容限较小，在一定程度上限制了它的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统，激光器线宽容限大，实用性强。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法，所述载波相位补偿方法包括：

获取接收到的128进制正交振幅调制信号序列，其中，所述128进制正交振幅调制信号序列包括：I类信号、II类信号、III类信号、IV类信号、V类信号、VI类信号、VII类信号、VIII类信号、IX类、X类信号、XI类信号、XII类信号、XIII类信号、XIV类信号、XV类信号和XVI类信号；

将所述IV类信号、所述IX类信号和所述XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度并进行归一化处理，将所述I类信号、所述III类信号、所述V类信号、所述VIII类信号、所述XI类信号、所述XII类信号和所述XVI类信号进行归一化处理，将所述II类信号、所述VI类信号、所述VII类信号、所述X类信号、所述XIV类信号和所述XV类信号进行置零处理，获得预处理调制信号序列；

根据所述预处理调制信号序列，采用滑动平均方法确定接收到的所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值；

根据各所述载波相位估计值对所述128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿。

可选的，所述根据所述预处理调制信号序列，采用滑动平均方法确定接收到的所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值，具体包括：

根据公式：确定所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值；其中，表示128进制正交振幅调制信号序列中第n个元素的载波相位估计值，N为奇数，N表示滑动平均窗口长度，表示预处理调制信号序列中的第n个元素，n表示元素序号。

可选的，所述根据各所述载波相位估计值对所述128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿，具体包括：

根据公式：对所述128进制正交振幅调制信号序列中的各元素进行载波相位补偿；其中，S_n表示接收到的128进制正交振幅调制信号序列S中的第n个元素，表示载波相位补偿后信号序列中的第n个元素，e表示自然常数，j表示虚数单位。

一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿系统，所述载波相位补偿系统包括：

信号序列获取模块，用于获取接收到的128进制正交振幅调制信号序列，其中，所述128进制正交振幅调制信号序列包括：I类信号、II类信号、III类信号、IV类信号、V类信号、VI类信号、VII类信号、VIII类信号、IX类、X类信号、XI类信号、XII类信号、XIII类信号、XIV类信号、XV类信号和XVI类信号；

预处理模块，用于将所述IV类信号、所述IX类信号和所述XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度并进行归一化处理，将所述I类信号、所述III类信号、所述V类信号、所述VIII类信号、所述XI类信号、所述XII类信号和所述XVI类信号进行归一化处理，将所述II类信号、所述VI类信号、所述VII类信号、所述X类信号、所述XIV类信号和所述XV类信号进行置零处理，获得预处理调制信号序列；

载波相位估计模块，用于根据所述预处理调制信号序列，采用滑动平均方法确定接收到的所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值；

载波相位补偿模块，用于根据各所述载波相位估计值对所述128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的用于128进制正交振幅调制信号的载波相位估计方法及系统，首先将接收到的128进制正交振幅调制信号序列中的IV类信号、IX类信号和XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度并进行归一化处理，对I类信号、III类信号、V类信号、VIII类信号、XI类信号、XII类信号和XVI类信号仅进行归一化处理，并将II类信号、VI类信号、VII类信号、X类信号、XIV类信号和XV类信号进行置零处理，这样获得预处理后的调制信号序列。在此基础上根据预处理后的调制信号序列，采用滑动平均方法，确定128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值。最后，根据载波相位的估计值对接收到的128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿。本发明提供的载波相位补偿方法及系统，激光器线宽容限大，实用性强，具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿系统的结构框图；

图3为128-QAM星座图；

图4为本发明实施例提供的不同滑动平均窗口长度N和联合线宽符号持续时间乘积Δν·T下，在BER为1E-2时的SNR代价图；

图5为本发明实施例提供的在BER为1E-2时所需的SNR与Δν·T的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统，激光器线宽容限大，实用性强。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法的流程图。如图1所示，所述载波相位补偿方法包括：

步骤101：获取接收到的128进制正交振幅调制信号序列，其中，所述128进制正交振幅调制信号序列包括：I类信号、II类信号、III类信号、IV类信号、V类信号、VI类信号、VII类信号、VIII类信号、IX类、X类信号、XI类信号、XII类信号、XIII类信号、XIV类信号、XV类信号和XVI类信号；

步骤102：将所述IV类信号、所述IX类信号和所述XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度并进行归一化处理，将所述I类信号、所述III类信号、所述V类信号、所述VIII类信号、所述XI类信号、所述XII类信号和所述XVI类信号进行归一化处理，将所述II类信号、所述VI类信号、所述VII类信号、所述X类信号、所述XIV类信号和所述XV类信号进行置零处理，获得预处理调制信号序列；

步骤103：根据所述预处理调制信号序列，采用滑动平均方法确定接收到的所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值；

步骤104：根据各所述载波相位估计值对所述128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿。

具体地，所述步骤103：根据所述预处理调制信号序列，采用滑动平均方法确定接收到的所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值，具体包括：

根据公式：确定所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值；其中，表示128进制正交振幅调制信号序列中第n个元素的载波相位估计值，N为奇数，N表示滑动平均窗口长度，表示预处理调制信号序列中的第n个元素，n表示元素序号。

进一步地，所述步骤104：根据各所述载波相位估计值对所述128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿，具体包括：

根据公式：对所述128进制正交振幅调制信号序列中的各元素进行载波相位补偿；其中，S_n表示接收到的128进制正交振幅调制信号序列S中的第n个元素，表示载波相位补偿后信号序列中的第n个元素，e表示自然常数，j表示虚数单位。

图2为本发明实施例提供的一种用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿系统的结构框图。如图2所示，所述载波相位补偿系统包括：

信号序列获取模块201，用于获取接收到的128进制正交振幅调制信号序列，其中，所述128进制正交振幅调制信号序列包括：I类信号、II类信号、III类信号、IV类信号、V类信号、VI类信号、VII类信号、VIII类信号、IX类、X类信号、XI类信号、XII类信号、XIII类信号、XIV类信号、XV类信号和XVI类信号。

预处理模块202，用于将所述IV类信号、所述IX类信号和所述XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度并进行归一化处理，将所述I类信号、所述III类信号、所述V类信号、所述VIII类信号、所述XI类信号、所述XII类信号和所述XVI类信号进行归一化处理，将所述II类信号、所述VI类信号、所述VII类信号、所述X类信号、所述XIV类信号和所述XV类信号进行置零处理，获得预处理调制信号序列。

载波相位估计模块203，用于根据所述预处理调制信号序列，采用滑动平均方法确定接收到的所述128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值。

载波相位补偿模块204，用于根据各所述载波相位估计值对所述128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿。

本发明提供的用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法的实施流程如下：

(1)获取接收到的128进制正交振幅调制信号序列。

将第n个接收到的128-QAM信号表示为：

其中，C_n为所发送的128-QAM信号，星座图如图3(a)所示，L为128进制正交振幅调制信号序列的长度，n＝0,1,...,L-1,φ_n为发送激光器和本振激光器联合线宽引起的相位噪声，N_n为描述光通信链路中产生的放大的自发辐射(ASE)噪声，数学上建模为复数加性高斯白噪声。激光器相位噪声φ_n可用Wiener过程描述为其中，ν_i为独立同分布随机高斯变量，均值为0，方差为σ²＝2π(Δν·T)，Δν为发送激光器和本振激光器的联合线宽，T为符号持续时间，Δν·T为联合线宽符号持续时间乘积。

如图3(a)所示，128-QAM中共有128个不同的星座点，位于16个不同幅度的环上，幅度分别是 15个阈值为相邻环的幅度的平均值，用以划分信号类别。其中 按照幅度由小到大的顺序利用阈值R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆、R₇、R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄和R₁₅可以将128-QAM信号分成I类信号、II类信号、III类信号、IV类信号、V类信号、VI类信号、VII类信号、VIII类信号、IX类信号、X类信号、XI类信号、XII类信号、XIII类信号、XIV类信号、XV类信号和XVI类信号。

(2)对128进制正交振幅调制信号序列进行预处理。

将IV类信号、IX类信号和XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度，如同时沿顺时针方向旋转π/4弧度或者同时沿逆时针方向旋转π/4弧度；保留I类信号、III类信号、V类信号、VIII类信号、XI类信号、XII类信号和XVI类信号；去掉II类信号、VI类信号、VII类信号、X类信号、XIV类信号和XV类信号，得到预处理调制信号序列的星座图如图3(b)所示。由图3(b)可见，所有的星座点都聚集在两条斜率等于±1的对角线周围，存在的误差可视为噪声。因此，在旋转及置零处理后，所有信号均可利用4次幂运算基本将调制的数据相位移除。

为了获得更好的补偿效果，进一步提高激光器线宽容限，本实施例根据公式(2)对接收到的128进制正交振幅调制信号序列进行预处理：

其中，S_n表示接收到的128进制正交振幅调制信号序列S中的第n个元素，表示预处理后的调制信号序列中的第n个元素，n表示元素的序号。

即，将IV类信号、IX类信号和XIII类信号向同一方向旋转π/4弧度后进行归一化处理，对I类信号、III类信号、V类信号、VIII类信号、XI类信号、XII类信号和XVI类信号进行归一化处理，对II类信号、VI类信号、VII类信号、X类信号、XIV类信号和XV类信号进行置零处理，获得预处理后的调制信号序列。

(3)根据预处理后的调制信号序列，采用滑动平均方法，确定128进制正交振幅调制信号序列中各元素的载波相位估计值，具体计算公式为：

其中，表示128进制正交振幅调制信号序列中第n个元素的载波相位估计值，N为奇数，N表示滑动平均窗口长度，表示预处理调制信号序列中的第n个元素，n表示元素序号。

(4)根据载波相位估计值对接收到的128进制正交振幅调制信号序列进行载波相位补偿，补偿公式为：

其中，S_n表示接收到的128进制正交振幅调制信号序列S中的第n个元素，表示载波相位补偿后信号序列中的第n个元素，n表示元素序号。

由于滑动平均窗口长度N对载波相位估计的性能具有重要的影响，因此有必要获得最优的窗口长度N。考虑到目前最优的前向纠错编码极限，选择误码率BER的目标值为1E-2，进而衡量载波相位补偿方法的性能。系统中无相位噪声且不进行载波相位补偿的情况下，达到BER＝1E-2时所要求的信噪比SNR为23.09dB，将此值作为参考SNR。

图4给出了不同滑动平均窗口长度N和联合线宽符号持续时间乘积Δν·T下，在BER为1E-2时的SNR代价图。在1dB SNR代价，本发明所提出的基于QuasiQPSK分割的载波相位补偿方法中最优的窗口长度N应选择为1101。此时，联合线宽符号持续时间乘积Δν·T的容限可达7E-7。

图5给出了在BER为1E-2时所需的SNR与Δν·T的关系图。如图5所示，将经典的基于QPSK分割的载波相位估计方法标记为QPSK，将本发明提出的基于QuasiQPSK分割的载波相位估计方法标记为QuasiQPSK，基于QPSK分割和基于QuasiQPSK分割获得的结果不同。需说明的是基于QPSK分割和基于QuasiQPSK分割的载波相位恢复方法中，最优的窗口长度N分别为3501和1101。在1dB SNR代价时，QPSK方法和本发明提出的QuasiQPSK方法的联合线宽符号持续时间乘积Δν·T的容限分别为2.5E-7和7E-7。可见，本发明提出的QuasiQPSK方法的Δν·T的容限较QPSK方法的容限提高了180％。

可见，本发明提出的用于128进制正交振幅调制信号的载波相位补偿方法及系统，激光器线宽容限大，实用性强。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。