一种应用于dqpsk系统的线宽补偿模块及其补偿方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块及其补偿方法，方法为：对矢量信号数据的虚实部进行同比例放大的预处理；连续N个数据为一组的分组数据按先后顺序，先对相位预补偿量值初始值为0的第一组数据进行相位预补偿，然后对下组数据预补偿，每组矢量信号数据预补偿过程中采用相位放大和归一化运算计算得到残余的相位噪声大小，对N个相位数据求平均，并除以四，获得残余相位偏移值，利用残余相位偏移值对预补偿后的数据进行残余相位噪声补偿，当前数据组的残余相位偏移值与预补偿相位值相力口，作为对下一组N个数据的进行相位补偿的相位预补偿值；本发明方法和装置针对DQPSK系统由于光源的线宽效应对信号相位造成的影响进行^有效补偿，降低了计算复杂度。oo
【专利说明】-种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块及其补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于 DQPSK (Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying四相相对相移键控）系统的线宽补偿模块及其补偿方法，本方法和装置可以 降低DQPSK系统对光源线宽的要求，本发明属于通信领域。
【背景技术】
[0002] 随着通信技术的进步，偏振复用的相移键控相干光通信系统，能在符号速率一定 的情况下，实现多倍于符号速率的通信速率，同时能对现存的光传输网络及相关的光放大 器、隔离器等无源器件完全兼容。并且，对光信号的处理，全部转移到电域中进行，减少了对 光学器件要求的同时，能获得更大的信号处理和恢复质量，被普遍认为是100G光通信系统 的传输解决方案。另外，相对于强度调制（00K)方式，偏振复用的相移键控调制方式对接收 端的光信噪比要求较低，也被应用在长距传输场合。
[0003] 偏振复用的相移键控通信系统，通过混频器混频和平衡检测结合的方式，将光信 号的调制相位值转化为对应的电信号，实现光信号的接收。远端信号的调制使用一个本振 光源，近端接收机使用另一个频率一致的本振光源进行相干接收。由于制造工艺限制，以及 激光器工作环境的影响，会产生线宽效应，光源会发出含有其他波长成分的光束，对于接收 到的正交信号，会引入线宽相位噪声。必须进行线宽相位噪声补偿处理，才能恢复出最后的 调制相位。
[0004] 在已有的文献中，主要使用四次方法进行线宽相位噪声补偿，该方法存在的缺陷 在于：能补偿的相位噪声范围有限，大小必须不能超过（-Η/4，+π/4);遇到相位大小越界 时，要借助于相位跳变检测方法，由于每次对Ν个数据进行计算，当相位位于界限边缘时， 很可能造成误判，导致误码，这种方法需要较大的计算量，且计算准确度较差，对其他相位 噪声的容忍度也较低。
[0005] 本方法在常规算法的基础上，加入了相位预补偿，将需要计算的相位噪声限定在 一个很小的范围内，并根据计算结果实时更新预补偿值，计算复杂度低，具有很好的稳定性 和准确性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是克服现有技术存在的问题和不足，提供一种应用于DQPSK系统 的线宽补偿模块及其补偿方法，对因为光源的线宽效应对信号相位造成的影响进行补偿。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：
[0008] -种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块，包括如下模块设置于数字处理芯片中： 预处理模块：矢量信号数据按照时间先后顺序分组，以每组包括N个连续数据进入预处理 模块；预处理模块对组内矢量信号数据的虚实部进行2的m次方倍数同比例放大，m表示设 置宽度减去数据值表示需要的最小比特宽度值；相位计算模块：对预处理模块输出信号数 据采用cordic算法计算，获得矢量信号数据相位值在[0,2π)范围内的相位值进入预补 偿模块；相位预补偿模块：预补偿模块对每组数据进行逐组处理，当前处理组内的每一个 相位数据Pi (1 < = i < = N)，减去相位预补偿量Ppra，得到初处理后数据P/ = Pi-Ppu，PpM 是当前的相位预补偿量和上组数据的残余相位偏移值之和，第一组数据对应的预补偿相位 值PpM为零；残余相位偏移计算模块：对相位预补偿模块处理后信号的组内N个相位数据乘 以四，将其归一化到[-n，+ n)的范围内，对归一化后的相位数据平均运算，把平均值缩小 四倍获当前组数据的残余相位偏移值；残余相位补偿模块：将经相位预补偿模块处理的预 补偿相位值P/减去残余相位偏移值，完成补偿得到最终调调制相位；相位预补偿量更新模 块：为初值为零的累加模块，每次计算出一次残余相位偏移之后，进行一次累加计算，将累 加值输出作为下一组数据的相位预补偿量。
[0009] 所述相位预补偿模块内设置有移位寄存器，其深度设置为完成归一化步骤和获得 残余相位偏移值步骤在数字处理芯片中运行完成所需要的时钟周期数。
[0010] 所述每对矢量信号数据包含实部和虚部两个数据，每个数据采用补码表示，数据 宽度为16比特，数据取值范围为[-32768,32767]。
[0011] 所述每组数据中的N值由偏振复用相移键控系统中的激光器线宽变化速度和数 字处理芯片运行速度确定，与激光器线宽变化速度成反比关系，与数字处理芯片运行速度 正相关。
[0012] 所述N值优选为16或32或64。
[0013] 一种应用权利要求1所述线宽补偿模块的线宽补偿方法，对矢量信号数据的虚实 部进行同比例放大的预处理；计算矢量信号数据的相位大小；连续N个数据为一组的分组 数据按先后顺序，先对相位预补偿量值初始值为〇的第一组数据进行相位预补偿，然后对 下组数据进行预补偿，每组矢量信号数据预补偿过程中采用相位放大和归一化运算计算得 到残余的相位噪声大小，对N个相位数据求平均，并除以四，获得残余相位偏移值，利用残 余相位偏移值对预补偿后的数据进行残余相位噪声补偿，当前数据组的残余相位偏移值与 预补偿相位值相加，作为对下一组N个数据的进行相位补偿的相位预补偿值。
[0014] 所述矢量信号数据的预处理包括如下步骤：判断矢量信号数据的实虚部的正负符 号位值，实部数据和虚部数据判断同时进行；当实部位值大于等于零时，进入步骤202,预 处理模块计算1所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数R 2 ;否则进入步骤201，计算0 所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数&。当虚部位值大于等于零时，进入步骤203， 计算1所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数L ;否则进入步骤204,计算0所在的 最高比特位置，得到最高有效比特位数12 ;由步骤205对步骤201和步骤202的有效比特位 数进行比较，为当实部数据为负时，R = R2 ;否则R = & ;由步骤206对步骤203和步骤204 的有效比较特位数进行比较，为当虚部数据为负时，I = 12 ;否则I = Ii。然后比较实虚部 的有效比特位数的大小，即比较I和R，得到两者的较大值max (R，I)。，由步骤207设置的公 式E = M-l-max(R，I)得到最大可扩比特位数E，其中Μ表示每个数据在数字处理芯片中表 示时所占用的比特位数；最后，步骤209对矢量信号数据进行有效比特位扩展，将矢量信号 数据的实虚部同时左移Ε个比特位。
[0015] 所述矢量信号数据采用移动寄存器的延迟同步方法，使矢量信号数据和与其对应 的最大可扩比特位数Ε值保持同步。
[0016] 其预补偿步骤具体包括如下：步骤301 :当前组内的每一个相位数据Pjl < = i < =N)，减去相位预补偿量PpM，得到P/ = Pi-PpM，第一组数据对应的预补偿相位值PpM为 零；步骤302 :将预补偿后的相位数据P/均左移2位，保留相位数据的低32位，使相位数据 表示的相位值归一化到[0, 2 π )范围；步骤303 :将得到的相位数据均减去32768,将相位 数据的最高位取其相反值；步骤304 :将一组内经过步骤303处理的相位数据相加，然后除 以N，将平均值右移2位缩小4倍，得到残余相位偏移数据值；步骤306 :将完成预补偿后的 相位数据，减去步骤304计算得到残余相位偏移数据，获得完成了线宽相位偏移补偿的相 位数据；步骤307 :当前的预补偿相位数值PpM，加上当前组计算得到的残余相位偏移数据， 得到的结果作为下一组数据的相位预补偿值P pM。
[0017] 所述步骤306之前设置有步骤305 :相位数据后采用设置移位寄存器延迟同步方 法，使移位寄存器深度设置为步骤302、303、304在数字处理芯片中运行完成所需要的时钟 周期数，使预补偿后的一组相位数据与其对应的残余线宽相位偏移数据保持同步。
[0018] 本发明具有如下优点：
[0019] 本发明装置和方法针对偏振复用相移键控系统，对由于光源的线宽效应对信号相 位造成的影响进行补偿；通过与常规的四次方算法比较，降低了计算复杂度，提高了补偿能 力；仿真结果表明，本发明方法补偿的线宽范围大，补偿准确，性能更优。本方法和装置具有 较强相位变化跟踪能力，降低了对光源线宽的要求，适用于低速、高速相干光通信系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明方法流程图；
[0021] 图2是本发明预处理方法流程图；
[0022] 图3是本发明残余相位偏移计算方法流程图；
[0023] 图4是未采用本发明方法进行相位偏移补偿前数据的星座图；
[0024] 图5是采用本发明方法计算得到的残余相位偏移量值图示；
[0025] 图6是采用现有技术四次方算法得到的相位噪声大小图示；
[0026] 图7是采用本发明方法补偿完成后的数据星座图；
[0027] 图8是采用现有技术四次方算法补偿完成后的数据星座图；
[0028] 其中：
[0029] 101 :数据预处理模块；102 :正交数据的相位计算模块；
[0030] 103 :相位预补偿模块； 104 :残余相位偏移计算模块；
[0031] 105 :残余相位补偿模块；106 :相位预补偿量更新模块；
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述。
[0033] 图1是本发明这种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块方法实现的整体流程图，线 宽补偿模块包括有：数据预处理模块101、正交数据的相位计算模块102、相位预补偿模块 103、残余相位偏移计算模块104、残余相位补偿模块105、相位预补偿量更新模块106,本方 法可采用数字芯片实施，可以是DSP或者FPGA芯片。
[0034] 如下模块设置于数字处理芯片中：在数字芯片中，数据为并行传输，数据传输采用 对矢量信号数据按照时间先后顺序分组，每组包括N个连续数据进入预处理模块101。预 处理模块101 :对组内矢量信号数据的虚实部进行2的m次方倍数同比例放大，m表示数据 设定的比特宽度与表示该数据所需要的最小比特宽度的差值相位计算模块102 :对预处理 模块101输出信号数据采用cordic算法计算，获得矢量信号数据相位值在[0, 2 π )范围内 的相位值进入相位预补偿模块103 ;相位预补偿模块103 :对每组数据进行逐组处理，将当 前被处理组内的每一个相位数据Pi(l < = i < = Ν),减去相位预补偿量ΡρΜ,得到初步处理 后的数据Ρ/ = Pi-PpM，ΡρΜ由相位预补偿量更新模块106给出，第一组数据对应的相位预 补偿量Ρ ρΜ的初始值为零。残余相位偏移计算模块104 :对相位预补偿模块103处理后信号 的组内Ν个相位数据乘以四，将其归一化到[-31，+JI)的范围内，对归一化后的相位数据进 行平均运算，把平均值缩小四倍获当前组数据的残余相位偏移值；残余相位补偿模块105 : 将经相位预补偿模块103处理的预补偿相位值pi'减去残余相位偏移值，完成补偿得到最 终调调制相位；相位预补偿量更新计算模块106 :为初值为零的累加模块，每次计算出一次 残余相位偏移之后，进行一次累加计算，将累加值输出作为下一组数据的相位预补偿量。
[0035] 本发明方法过程如下：
[0036] 数据表示：本发明在数字处理器中实现时，采用补码对数据进行表示。每对矢量信 号数据包含实部和虚部两个数据，每个数据使用补码表示，数据宽度16比特，数据取值范 围为[-32768, 32767]。
[0037] 数据分组：由于，激光器的线宽变换较慢，连续矢量信号数据的线宽相位偏差区别 很小；随机相位白噪声存在；数字信号处理芯片运行速度有限，无法实时的对单个矢量信 号进行处理，但是能同时对多个数据进行计算处理，这些原因，因此，每连续N个数据被分 为一组，进行并行计算处理，N值取决于激光器线宽变化速度和数字处理芯片运行速度。
[0038] 对需要进行线宽补偿的矢量信号数据，按照时间先后顺序，数据线宽超成的相位 偏差相同或相近的矢量信号数据可分为一组数据内，因此每N个数据分为一组。
[0039] 本发明数据预处理、相位计算是针对一组数据进行处理，数字处理芯片可以同时 对数据分组后的同一组数据同时处理。
[0040] 对一组内的矢量信号数据进行预处理，如图2所示，预处理模块首先判断矢量信 号数据的实虚部的正负符号位值，实部数据和虚部数据判断同时进行。当实部位值大于等 于零时，进入步骤202,预处理模块计算1所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数R 2 ; 否则进入步骤201，计算0所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数&。由步骤205对 步骤201和步骤202的有效比特位数进行选择，为当实部数据为负时，R = R2 ;否则R =札。 当虚部位值大于等于零时，进入步骤203,预处理模块计算1所在的最高比特位置，得到最 高有效比特位数Ii ;否则进入步骤204,计算0所在的最高比特位置，得到最高有效比特位 数12。由步骤206对步骤203和步骤204的有效比较特位数进行选择，为当虚部数据为负 时，I = 12 ;否则I = Ii。然后预处理模块比较实部和虚部的有效比特位数的大小，即比较 I和R，得到两者的较大值max (R，I)。由预处理模块中设置的公式E = M-l-max (R，I)，由步 骤207得到最大可扩比特位数E，其中Μ表示每个数据在数字处理芯片中表示时所占用的比 特位数。最后，步骤209对矢量信号数据进行有效比特位扩展，将矢量信号数据的实虚部同 时左移Ε个比特位。预处理模块中还设置有移位寄存器，该移动寄存器实施正交数据延迟 同步208步骤，移位寄存器用于延迟矢量信号数据，使矢量信号数据和与其对应的Ε值保持 同步，该延迟同步手段用于补偿计算最大可扩比特位数Ε所占用的时间。此时完成矢量信 号数据的预处理过程，矢量信号数据进入相位计算模块。
[0041] 相位计算模块计算矢量信号数据的相位值，将相位值转化成以二进制形式表示。 本发明设定相位数据的表示宽度与实际相位的对应关系为：使用16位二进制数（取值范围 [0, 65535])表示相位值，数值0对应零相位值，数值65536对应2 π相位，因而16位相位数 据按照从小到大的顺序，映射到相位[0,2π)的区间。
[0042] 预补偿过程以组为单位，每次对属于同一组的相位数据同时进行计算，具体过程 如下：
[0043] 步骤301 :当前组内的每一个相位数据Pjl <= i < = Ν)，减去相位预补偿量ΡρΜ， 得到Pi' = Pi-PpM，第一组数据对应的相位预补偿量ΡρΜ为零。
[0044] 步骤302 :将预补偿后的相位数据Ρ/均左移2位，即扩大4倍，保留相位数据的低 16位，从而使相位数据表示的相位值归一化到[0,2π)范围，根据相位的特性，也可认为是 ^ , Ji )；
[0045] 步骤303 :然后将得到的相位数据均减去32768,也就是减去相位值π，对应的操 作为把相位数据的最高位取其相反值，例如：最高位值为〇时，取反运算后结果为1 ;
[0046] 步骤304 :将一组内，经过步骤303处理的相位数据相加，然后除以Ν，即计算Ν个 数据的平均值；将平均值右移2位，即缩小4倍，抵消步骤302的扩大4倍运算，从而得到残 余的线宽相位偏移数据P MS ;
[0047] 步骤305 :设置移位寄存器，其深度设置为步骤302、303、304在数字处理芯片中运 行完成所需要的时钟周期数。当相位数据从移位寄存器输入端移出到输出端时，其对应的 步骤302、303、304刚好计算完成，从而保证在步骤301中预补偿后的一组相位数据与其对 应的残余线宽相位偏移数据保持同步；
[0048] 步骤306 :进行残余相位偏移补偿。步骤305输出经过预补偿后的相位数据，减去 步骤304计算得到残余线宽相位偏移数据，得到完成了线宽相位偏移补偿的相位数据。
[0049] 步骤307 :步骤301中当前的相位预补偿量PpM，加上当前组计算得到的残余线宽 相位偏移数据PMS，得到的结果作为下一组数据的相位预补偿值P PM。
[0050] 本发明中步骤301中预补偿相位，就是ΡρΜ，但是第一组的Pp, e设为0,下一组的Pp,e 为前一组的ΡρΜ加上前一组的残余相位噪声，以此类推。
[0051] 本发明方法的具体实施流程到此结束。
[0052] 本发明方法可通过以下方式来证明：
[0053] 在第i组中，第k个数据的相位可以表示为
[0054]
【权利要求】
1. 一种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块，其特征在于：包括如下模块设置于数字处 理芯片中： 预处理模块（101):矢量信号数据按照时间先后顺序分组，以每组包括N个连续数据 进入预处理模块；预处理模块对组内矢量信号数据的虚实部进行2的m次方倍数同比例放 大，m表示设置宽度减去数据值表示需要的最小比特宽度值； 相位计算模块（102):对预处理模块（101)输出信号数据采用cordic算法计算，获得 矢量信号数据相位值在[〇, 2 π )范围内的相位值进入预补偿模块； 相位预补偿模块（103):预补偿模块对每组数据进行逐组处理，当前处理组内的每一 个相位数据Pi (1 < = i < = Ν)，减去相位预补偿量Ppra，得到初处理后数据P/ = Pi-Ppu， PpM是当前的相位预补偿量和上组数据的残余相位偏移值之和，第一组数据对应的预补偿 相位值PpM为零； 残余相位偏移计算模块（104):对相位预补偿模块（103)处理后信号的组内N个相位 数据乘以四，将其归一化到[-n，+ n)的范围内，对归一化后的相位数据平均运算，把平均 值缩小四倍获当前组数据的残余相位偏移值； 残余相位补偿模块（105):将经相位预补偿模块（103)处理的预补偿相位值P/减去残 余相位偏移值，完成补偿得到最终调调制相位； 相位预补偿量更新模块（106):为初值为零的累加模块，每次计算出一次残余相位偏 移之后，进行一次累加计算，将累加值输出作为下一组数据的相位预补偿量。
2. 根据权利要求1所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块，其特征在于：所述 相位预补偿模块内设置有移位寄存器，其深度设置为完成归一化步骤和获得残余相位偏移 值步骤在数字处理芯片中运行完成所需要的时钟周期数。
3. 根据权利要求1所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块，其特征在于：所述 每对矢量信号数据包含实部和虚部两个数据，每个数据采用补码表示，数据宽度为16比 特，数据取值范围为[-32768,32767]。
4. 根据权利要求1所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块，其特征在于：所述 每组数据中的N值由偏振复用相移键控系统中的激光器线宽变化速度和数字处理芯片运 行速度确定，与激光器线宽变化速度成反比关系，与数字处理芯片运行速度正相关。
5. 根据权利要求4所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿模块，其特征在于：所述N 值优选为16或32或64。
6. -种应用权利要求1所述线宽补偿模块的线宽补偿方法，其特征在于：对矢量信号 数据的虚实部进行同比例放大的预处理；计算矢量信号数据的相位大小；连续N个数据为 一组的分组数据按先后顺序，先对相位预补偿量值初始值为0的第一组数据进行相位预补 偿，然后对下组数据进行预补偿，每组矢量信号数据预补偿过程中采用相位放大和归一化 运算计算得到残余的相位噪声大小，对N个相位数据求平均，并除以四，获得残余相位偏移 值，利用残余相位偏移值对预补偿后的数据进行残余相位噪声补偿，当前数据组的残余相 位偏移值与预补偿相位值相加，作为对下一组N个数据的进行相位补偿的相位预补偿值。
7. 根据权利要求6所述的一种应用于一种应用于DQPSK系统的线宽补偿方法，其特征 在于：所述矢量信号数据的预处理包括如下步骤：判断矢量信号数据的实虚部的正负符号 位值，实部数据和虚部数据判断同时进行；当实部位值大于等于零时，进入步骤202,预处 理模块计算1所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数R2;否则进入步骤201，计算0所 在的最高比特位置，得到最高有效比特位数凡。当虚部位值大于等于零时，进入步骤203， 计算1所在的最高比特位置，得到最高有效比特位数L ;否则进入步骤204,计算0所在的 最高比特位置，得到最高有效比特位数12 ;由步骤205对步骤201和步骤202的有效比特位 数进行比较，为当实部数据为负时，R = R2 ;否则R = & ;由步骤206对步骤203和步骤204 的有效比较特位数进行比较，为当虚部数据为负时，I = 12 ;否则I = Ii。然后比较实虚部 的有效比特位数的大小，即比较I和R，得到两者的较大值max (R，I)。，由步骤207设置的公 式E = M-l-max(R，I)得到最大可扩比特位数E，其中Μ表示每个数据在数字处理芯片中表 示时所占用的比特位数；最后，步骤209对矢量信号数据进行有效比特位扩展，将矢量信号 数据的实虚部同时左移Ε个比特位。
8. 根据权利要求6所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿方法，其特征在于：所述 矢量信号数据采用移动寄存器的延迟同步方法，使矢量信号数据和与其对应的最大可扩比 特位数Ε值保持同步。
9. 根据权利要求6或7或8所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿方法，其特征在 于：其预补偿步骤具体包括如下： 步骤301 :当前组内的每一个相位数据Pjl < = i <= Ν)，减去相位预补偿量Ppra，得 到P/ = Pi-PpM，第一组数据对应的预补偿相位值PpM为零； 步骤302 :将预补偿后的相位数据P/均左移2位，保留相位数据的低32位，使相位数 据表示的相位值归一化到[〇, 2 31 )范围； 步骤303 :将得到的相位数据均减去32768,将相位数据的最高位取其相反值； 步骤304 :将一组内经过步骤303处理的相位数据相加，然后除以N，将平均值右移2位 缩小4倍，得到残余相位偏移数据值； 步骤306 :将完成预补偿后的相位数据，减去步骤304计算得到残余相位偏移数据，获 得完成了线宽相位偏移补偿的相位数据； 步骤307 :当前的预补偿相位数值PpM，加上当前组计算得到的残余相位偏移数据，得 到的结果作为下一组数据的相位预补偿值PpM。
10. 根据权利要求9所述的一种应用于DQPSK系统的线宽补偿方法，其特征在于：所述 步骤306之前设置有步骤305 :相位数据后采用设置移位寄存器延迟同步方法，使移位寄存 器深度设置为步骤302、303、304在数字处理芯片中运行完成所需要的时钟周期数，使预补 偿后的一组相位数据与其对应的残余线宽相位偏移数据保持同步。
【文档编号】H04L25/02GK104219185SQ201410422022
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】宋新明, 曹丽, 黄丽艳, 于龙, 贾小铁, 刘昭伟, 雷学义, 江毅 申请人:武汉光迅科技股份有限公司