一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法与流程

本发明涉及光通信，尤其涉及一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法。

背景技术：

随着云计算，物联网以及无人驾驶等技术和业务的发展和快速部署，网络流量需求已呈现突发式、不可预测式的发展模式。为了适应这种高度动态化的网络流量需求，能够实现调制格式和传输速率自适应调整的可变带宽发射机成为支撑这一需求的主要技术。然而，调制格式进行动态切换的同时给接收端的数字信号处理部分带来了一系列的挑战，例如：如何在未知任何调制信息的前提下实现载波相位恢复。载波相位噪声主要来源于信号光和本振光的相位差异，这将会导致信号产生严重的畸变。

因此，为了适应下一代弹性光网络发展，提供一种调制格式透明且大线宽容忍度的载波恢复方案是很有必要的。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法。

本发明提供了一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法，在色散、偏振旋转、频偏等效应都被完全补偿之后，接收的信号表示下：

r(n)＝s(n)e^jθ(n)+ξ(n)(1)

其中，r(n)和s(n)分别代表接收信号和理想发射信号，θ(n)代表载波相位噪声，相位噪声描述为一种均值为0和方差为2π△νts的累积随机高斯噪声，△ν和ts分别代表激光线宽和相邻符号之间的时间间隔，除此之外,ξ(n)是额外的高斯加性白噪声：

如公式(1)所示，载波相位噪声描述为发射信号的iq分量的线性叠加，表示如下：

其中，i和q分别表示信号的实部和虚部，y和x分别代表接收和发射信号的iq分量矩阵，w是线性混合矩阵，ξ是白噪声的iq分量矩阵，因此，补偿方案通过公式(3)来进行描述，即：将接收到的y信号乘以逆线性混合矩阵:

其中，z是恢复信号,m逆混合矩阵，是估计的载波相位噪声，通过最小化恢复信号的峭度来实现信号的载波相位恢复，由于m是一个酉矩阵，接收到信号的方差为常数c,基于最小化峭度的代价函数表示如下：

其中，e()代表一段时间窗口内的期望，为了实现动态的载波相位噪声跟踪，一个长度为l的滑动窗口来代替期望操作来计算信号的4阶统计量，因此，代价函数j进一步简化如下:

通过对公式(5)对于估计相位噪声进行求导，估计的载波相位噪声更新如下:

其中μ是更新步长。

本发明的有益效果是：通过上述方案，提供了一种调制格式透明载波恢复方法，具有调制格式透明且大线宽容忍度的优点。

附图说明

图1是本发明一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法的相干光通信的仿真模型图。

图2是本发明与已有方案的误码率vs光信噪比的比较图。

图3是本发明与已有方案的光信噪比代价vs激光线宽的比较图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法，在色散、偏振旋转、频偏等效应都被完全补偿之后，接收的信号可以表示下：

r(n)＝s(n)e^jθ(n)+ξ(n)(1)

其中，r(n)和s(n)分别代表接收信号和理想发射信号，θ(n)代表载波相位噪声。通常情况下，相位噪声一般都描述为一种均值为0和方差为2π△νts的累积随机高斯噪声，△ν和ts分别代表激光线宽和相邻符号之间的时间间隔，除此之外,ξ(n)是额外的高斯加性白噪声。

如公式(1)所示，载波相位噪声也可以描述为发射信号的iq分量的线性叠加，表示如下：

其中i和q信号的实部和虚部,y和x分别代表接收和发射信号的iq分量矩阵，w是线性混合矩阵，ξ是白噪声的iq分量矩阵。

因此补偿方案可以通过公式(3)来进行描述，即：将接收到的y信号乘以逆线性混合矩阵:

其中z是恢复信号,m逆混合矩阵，是估计的载波相位噪声。

基于盲源分离理论,混合的信号往往都会趋向峭度为0的归一化高斯分布，然而，光通信系统中常用调制格式的峭度往往是负数，因此，可以通过最小化恢复信号的峭度来实现信号的载波相位恢复，由于m是一个酉矩阵，接收到信号的方差为常数c,基于最小化峭度的代价函数可以表示如下：

其中，e()代表一段时间窗口内的期望。

为了实现动态的载波相位噪声跟踪,一个长度为l的滑动窗口来代替期望操作来计算信号的4阶统计量，因此，代价函数j可以进一步简化如下:

通过对公式(5)对于估计相位噪声进行求导,估计的载波相位噪声可以更新如下:

其中μ是更新步长。

图1为本发明实施例提供的是一个相干光通信的仿真模型，具体过程如下：

任意波形生成器中生成28gs/sqpsk/16qam/64qam等常用的电平信号，然后将其导入到iq调制器进行光电调制。接下来，通过一个功率可变的噪声源产生高斯白噪声，并且将白噪声和调制的光信号通过光耦合器进行混合。经过带通光滤波器后，信号光和本振光通过数据采集示波器进行数据采集，采集的电信号经过后续的离线的数字信号处理模块。数字信号处理模块主要包括低通滤波、重采样、时钟恢复、信号均衡、频偏估计、载波恢复和误码判决。然后，将已公开的已有方案和本发明方案用于信号的载波恢复，并且通过调节激光器线宽和噪声源功率的方式来对比两种方案的光信号比代价和激光线宽容忍度。

如图2、3所示，在图2中(a)qpsk，(b)16qam以及(c)64qam，在图3中，(a)qpsk，(b)16qam以及(c)64qam，两种方案的误码率是光信噪比的函数。信号在背靠背场景下的光信噪比灵敏度用于计算两种方案的光信噪比实施代价。在目标误码为7％fec时，对于16qam和64qam信号来说，已有方案大约需要0.4db和2.12db的光信噪比代价。在相同的误码要求下，本发明所需要的osnr代价仅仅为0.2db和1.1db的光信噪比代价。对比已有方案，对于16qam和64qam来说，本发明节约了0.2db和1.02db光信噪比。

其次，两种方案的光信噪比代价随着激光器线宽的变化而变化。当激光线宽较小时，两种方案都具有比较小的光信噪比代价。随着激光线宽的增大，两种方案的光信噪比代价出现明显的差异性。在1db光信噪比代价的条件下，对于qpsk/16qam/64qam信号来说，本发明分别可以容忍的激光线宽最大可达4mhz,1mhz以及100khz，这是已有方案的4倍。已有方案在极大激光线宽条件下性能较差的原因主要是其代价函数也是基于信号的统计特性，使用单个符号进行相位噪声估计对于快速时变的相位噪声来说会出现很大的估计误差，并且相位噪声的估计精度很容易受到ase噪声的影响。

本发明提供的一种基于4阶统计量最小化的调制格式透明载波恢复方法，具有光信噪比代价小和较大线宽容忍度的优点，是一种调制格式透明且较大线宽容忍度的载波相位恢复方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。