一种提高光通信信道估计精度的方法与系统与流程

本发明涉及光通信信道研究领域，尤其涉及一种提高光通信信道估计精度的方法与系统。

背景技术：

信道估计是光通信系统中颇具挑战性的研究方向之一，对于高速长距离光纤通信系统，由于光纤传输信道随机变化的特性，发送端发送的光信号会受到色散、偏振模式色散、相位噪声和非线性效应等的影响，从而导致信号发生一定程度的时域、频域畸变，限制了通信系统的性能。为了准确地在接收端均衡恢复发送端发送的数据，就需要使用信道估计技术以准确且及时地获取信道的变化状态。因此，实现高精度、计算复杂度低的信道估计算法对光通信系统至关重要。

光通信系统中的信道估计方法，目前已有的主要研究成果可根据是否需要依赖额外的数据信息分为三类：基于导频辅助的信道估计、盲信道估计和基于隐含导频的半盲信道估计。

基于导频辅助的信道估计是获得信道冲击响应的最简单和可靠的方式，计算复杂度低且估计精度高，但需要占用额外的时隙或带宽以插入时域或频域的导频，牺牲系统的频谱效率。盲信道估计直接利用接收的数据携带的信道状态来实现信道估计，不需要额外插入导频，充分利用系统的频谱资源，但计算复杂度高，长时间迭代才可估计出较精准的信道状态，不利于对估计的信道状态进行及时更新，因此在应用中有所局限。基于隐含导频的半盲信道估计也被称为叠加隐含导频信道估计，它兼具二者优点，将导频算术叠加到传输数据码元上，在接收端通过提取信号的统计特征来获得信道冲击响应。这种方法与盲信道估计相比，可以降低接收端的计算复杂度，同时与基于导频辅助的信道估计相比，不占用额外的时隙或带宽，叠加的导频与数据信号的相互干扰可控并可通过迭代进行消除，有利于提高系统的频谱效率。

目前，在光通信系统中的叠加隐含导频信道估计方法可应用于采用多载波和单载波调制技术的系统。对于采用多载波如正交频分复用(ofdm)技术调制的系统，直接基于隐含导频的信道估计方法实现较为简单，即传输数据码元不作预处理，隐含导频信号直接算术叠加到传输数据码元上。假设在发射端将数据串并转换成一个大小为m×n的数据块dm×n，即每次用于求统计平均的数据块数为m，每块数据的长度为n，对应多载波调制n即为子载波个数。在dm×n的每个数据块上都叠加特定信号功率的长度为n的隐含导频序列c，则在发射端叠加后的信号可以写为

其中为隐含导频序列的功率。在接收端，信号经过处理后求统计平均

其中wk为噪声，hk为信道频率响应参数。在假定数据块dk满足独立同分布，且用于统计平均的数据足够多(即m很大)时，此时上式可近似等效于

利用上式即可得到信道频率响应参数的估计hest以均衡恢复数据，但只要m为有限大时，数据的统计平均对导频信道估计的影响就存在，因此无论是信道估计精度还是接收数据的信干比(信号与干扰的功率比)都受到影响，需要迭代判决反馈以提高接收数据的信噪比。

针对数据与导频相互影响的问题，目前采用正交码矩阵作为编码对数据进行扩频预编码，同时隐含导频序列与数据的编码矩阵相互正交的方法。扩频预编码后的数据与导频在发射端进行算术叠加，在接收端将接收信号分别用导频序列和编码矩阵进行解码，即可提取导频和数据码元进行信道估计均衡。这一方法可有效降低数据码元与隐含导频的相互影响，但为保证导频与数据的正交性，导频与编码矩阵须取自同一正交矩阵，从而引入了编码冗余，特别的在多进多出(mimo)的无线通信系统，或对应光通信偏振复用系统中将引入较多的冗余，降低频谱效率。此外，由于隐含导频是正交矩阵的某一列，它在时域或频域可能存在极小值点，不利于提高信道估计的精度。而在单载波(如脉冲幅度调制，pam)信号中，可采用数据相关隐含导频信道估计方法(ddst)，即在叠加隐含导频前对数据码元作预处理：在导频所在频率将数据信号功率置零。这一方法可以避免数据对导频的干扰，信道估计精度高，但数据受影响较大，需要迭代反馈以提高接收数据的信噪比。

综上所述，如何在光通信系统中实现高频谱效率、高信道估计精度、低计算复杂度的信道估计算法，是目前光通信系统信道估计技术所面临的一个挑战，具有较大的研究潜力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种信道估计精度高、频谱效率高、实时性好、数据传输质量高的光通信信道估计精度的方法与系统。

为了解决上述技术问题，本发明一种提高光通信信道估计精度的方法，包括步骤：

s1：发射端用户发射数据后，将数据串并转换为数据块；

s2：在每个数据块相应的数据之间进行数据块预编码；

s3：数据块预编码后，进行叠加隐含导频；

s4：叠加隐含导频后，用隐含导频进行信道估计均衡，然后进行数据块解编码。

具体的，所述步骤s2之后还包括依次连接的子载波映射、反傅里叶变换、添加循环前缀、并串转换、数模转换、电光调制、光电转换、模数转换、串并转换、去除循环前缀、傅里叶变换以及子载波映射。

具体的，所述数据块预编码的方法有两种：第一种数据块预编码的方法，在发射端将数据串并转换成一个大小为m×m的数据块dm×n，取预编码矩阵为pm×m，预编码之后得到的数据块为xm×n＝pm×mdm×n，其统计平均比预编码前显著减小；第二种数据块预编码的方法，在发射端将数据串并转换成一个大小为m×n的数据块dm×n，取预编码矩阵为o(m+k)×m，其中k＝1,2,3,…。预编码之后得到的数据块为x(m+k)×n＝o(m+k)×mdm×n，此方法引入最小至1/(m+1)，即1个数据块的冗余，但其统计平均为零。

作为本发明的一种优选，所述叠加隐含导频是在数据块x上算术叠加特定功率的隐含导频序列c，得到预编码后的数据码元和叠加隐含导频的混合信号。特别的，本发明所述方法可根据实际情况采用各类导频序列以优化信道估计效果。经过这一步骤，在发射端得到预编码后的数据码元和叠加隐含导频的混合信号。

其中，所述特定功率可以通过优化接收端信噪比、误码率等传输性能加以确定。

具体的，所述信道估计均衡是通过信号经过信道传输后，提取解编码前的数据码元和叠加隐含导频的混合信号的统计特征，得到信道响应参数的估计，从而对信号作均衡恢复，然后去除隐含导频得到解编码前数据块的估计xest。

具体的，所述数据块解编码的方法有两种：对于第一种数据块预编码的方法，利用上述预编码矩阵pm×m的转置矩阵，即进行接收端数据块的解编码，得到大小为m×n的原始数据的估计dest＝pm×m^txest；对于第二种数据块预编码的方法，利用上述预编码矩阵的转置矩阵，即进行接收端数据块的解编码，得到大小为m×n的原始数据的估计

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

1、本发明所述数据预编码隐含导频信道估计方法，与目前已广泛应用的基于导频辅助的信道估计方法相比，减少了用于导频信号的时隙/带宽开销，因此，提高了系统的频谱效率。

2、本发明对数据块间逐列预编码，令数据的统计平均降到很小的值或归零，叠加在编码后的数据上的导频信号所受的数据干扰被降低或消除，相比现有的隐含导频信号直接算术叠加到传输数据码元上的方案，信道估计的精度更高。

3、本发明与现有采用正交码矩阵作为编码对数据扩频预编码，同时隐含导频序列必须与数据的编码矩阵相互正交以解码解耦的方法相比，可根据实际情况灵活采用各类导频序列，导频适应性好，信道估计的精度更高，对于mimo系统或光偏振复用系统，只需要求隐含导频间满足正交条件即可，引入的编码冗余仍可控制到1/(m+1)，拥有更高的频谱效率。

4、本发明所述方法提高了信道估计的精度，不需要对数据进行迭代判决反馈，算法的计算复杂度较低，有利于提高信道估计的实时性。

附图说明

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为本发明中实际应用中信号处理流程图。

图2为预编码之后数据的统计平均的分布图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明提出一种提高光通信信道估计精度的方法，发射端用户发射数据后，将数据串并转换为数据块；在每个数据块相应的数据之间进行数据块预编码；数据块预编码后，进行叠加隐含导频；叠加隐含导频后，用隐含导频进行信道估计均衡，然后进行数据块解编码。通过在系统发送端和接收端信号处理模块增加数据块预编码、叠加引含导频、信道估计均衡和数据块解编码流程实现。从而提高系统频谱效率，同时获得良好的信道估计均衡效果和数据传输质量。

本发明的具体实施过程如下：

如图1和图2所示，在发送端将用户数据发送后，进行数据块预编码，采用矩阵对发送端的数据块进行块间逐列预编码，数据块预编码的方法有两种：第一种数据块预编码的方法，在发射端将数据串并转换成一个大小为m×n的数据块dm×n，取预编码矩阵为pm×m，预编码之后得到的数据块为xm×n＝pm×mdm×n，其统计平均比预编码前显著减小，得到图2中第一种预编码方案；第二种数据块预编码的方法，在发射端将数据串并转换成一个大小为m×n的数据块dm×n，取预编码矩阵为o(m+k)×m，其中k＝1,2,3,…。预编码之后得到的数据块为x(m+k)×n＝o(m+k)×mdm×n，此方法引入最小至1/(m+1)，即1个数据块的冗余，但其统计平均为零，得到图2中第二种预编码方案。通过数据块间逐列预编码，使得数据的统计平均降到很小的值或归零。

数据块预编码后，进行叠加隐含导频，在预编码后的数据块x上算术叠加特定功率的隐含导频序列c，得到预编码后的数据码元和叠加隐含导频的混合信号。叠加在编码后的数据上的导频信号所受的数据干扰被降低或消除，相比现有的隐含导频信号直接算术叠加到传输数据码元上的方案，信道估计的精度更高。

通过光纤传输将预编码后的数据码元和叠加隐含导频的混合信号进行调制和传输，其流程可包括但不限于子载波映射、反傅里叶变换、添加循环前缀、并串转换、数模转换、电光调制、信道传输、光电转换、模数转换、串并转换、去除循环前缀、傅里叶变换、子载波映射等。

然后在接收端进行信道估计均衡，信号经过信道传输后，提取解编码前的数据码元和叠加隐含导频的混合信号的统计特征，得到信道响应参数的估计，从而对信号作均衡恢复，然后去除隐含导频得到解编码前数据块的估计xest。需要说明的是，若采用第一种预编码方案，xest的大小为m×n，若采用第二种预编码方案，xest的大小为(m+k)×n，一般取k＝1。

信道估计均衡结束后，进行数据块解编码，所述数据块解编码的方法有两种：对于第一种数据块预编码的方法，利用上述预编码矩阵pm×m的转置矩阵，即进行接收端数据块的解编码，得到大小为m×n的原始数据的估计dest＝pm×m^txest；对于第二种数据块预编码的方法，利用上述预编码矩阵的转置矩阵，即进行接收端数据块的解编码，得到大小为m×n的原始数据的估计对数据解码后的数据进行并串转换把数据传送到接收端得到原始数据。

具体的，已通过实验证明：本发明提出的第一种数据块预编码方法可显著减小数据对隐含导频信道估计的影响，从而信道估计效果优于直接叠加隐含导频的方法，且不引入冗余，不需要进行迭代判决反馈；本发明提出的第二种数据块预编码方法可完全消除数据对隐含导频信道估计的影响，信道估计效果优于第一种数据块预编码的方法和直接叠加隐含导频的方法，不需要进行迭代判决反馈，但引入了最小至1/(m+1)的冗余，但对于近似时不变的系统，m取值可以很大，因而预编码造成的冗余可以忽略。

基于同一构思，本实施例还提供一种提高光通信信道估计精度的系统，包括：用于与用户数据发送端连接的发送端信号处理模块；用于与用户数据接收端连接的接收端信号处理模块，还包括依次连接在发送端信号处理模块和接收端信号处理模块之间的数模转换模块、电光调制模块、光纤、光电转换模块及模数转换模块，其特征在于，所述发送端信号处理模块包括：第一串并转换模块，与用户数据发送端连接，用于将发送端用户发出的数据串并转换为数据块；数据块预编码模块，用于将转换后的数据块相应的数据之间进行数据块预编码；叠加隐含导频模块，用于在数据块预编码后，进行叠加隐含导频；第一并串转换模块，用于将叠加隐含导频的数据并串转换为数字信号；所述第一串并转换模块、数据块预编码模块、叠加隐含导频模块、第一并串转换模块依次连接，所述第一并串转换模块与数模转换模块连接，所述接收端信号处理模块包括依次连接的依次连接的第二并串转换模块、用于用隐含导频进行信道估计均衡的信道估计均衡模块、数据块解编码模块和第二串并转换模块，所述信道估计均衡模块，所述第二串并转换模块与用户数据接收端连接。

优选的，所述发送端信号处理模块还包括子载波映射模块、反傅里叶变换模块、添加循环前缀模块，所述叠加隐含导频模块与子载波映射模块连接、所述子载波映射模块、反傅里叶变换模块、添加循环前缀模块依次连接，所述添加循环前缀模块与第一并串转换模块连接。

优选的，所述接收端信号处理模块还包括依次连接的去除循环前缀模块、傅里叶变换模块、第二子载波映射模块，所述第二串并转换模块与去除循环前缀模块连接、所述第二子载波映射模块与信道估计均衡模块连接。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。