一种超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法及接收机

1.本发明涉及短距离高速率光通信信号处理技术ddftn(direct detection faster than nyquist，直接检测的超奈奎斯特)技术领域，特别涉及一种用于实现pam(pulse amplitude modulation，脉冲幅度调制)信号直接检测技术中mlse(maximum likelihood sequence estimation，最大似然序列估计)抽头系数优化的超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法及接收机。


背景技术：

2.数据中心、媒体服务和云储存等密集型应用大量增长使得光纤边缘网络中的数据流量显著增长，由于这种网络的市场规模庞大，因此光收发器在未来的发展趋势必须要经济高效。强度调制(im)/直接检测(dd)的光传输系统在成本、可靠性等方面具有显著优势，能够满足这些成本敏感型应用所需的功耗和成本效益，所以在短距离的光通信中通常考虑使用dd技术。im-dd系统中为了使传输容量提升，通常使用高阶的调制技术，im-dd系统中调制技术研究的热点主要包括基于多载波调制的dmt(discrete multi-tone，离散多音)和pam4调制方案，其中dmt技术实现复杂度高，而pam4具有实现简单等优点。
3.但pam4调制在im-dd系统中仍存在一些问题需要解决，比如在带限系统中进行pam4信号的解调、低复杂度的均衡技术等。现在主要应用的是一种基于“线性均衡器+ddftn”的信号处理技术来应对噪声和码间干扰。其中ddftn是由后滤波器postfilter加mlse组成的，postfilter主要用来对抗线性均衡器处理后增强的噪声，mlse应对剩余的码间干扰。
4.现有技术一，两抽头的后滤波器加mlse。后滤波器具有双二进制模式，可以通过两抽头的fir结构简单的实现，其中一个抽头系数为1是固定的，另一个抽头系数是不固定的，用α表示，其传递函数为h(z)＝1+αz-1
，不同的α对应的后置滤波器形状是不同的，不同的系统速率对应的最佳参数也不同，α是不需要进行计算的，通过调整α的值使得系统性能最佳。因为后滤波器具有固定的部分响应模式，所以mlse的记忆长度与postfilter对应，所以mlse此时记忆长度为一，且抽头系数即为后滤波器的抽头系数，因为记忆长度短且不需要进行信道估计来计算mlse的抽头系数，在计算复杂度上有很大优势。
5.现有技术二，多抽头的后滤波器加mlse。为了进一步提升系统的性能，提出了一种多抽头的后滤波器，后滤波器的抽头系数不再是固定的，通过噪声的自相关函数来计算后滤波器的抽头系数，通过增加后滤波器的抽头个数以此来提升系统的性能，mlse的抽头系数与前面的后滤波器同样对应，也不需要重新进行信道估计来计算mlse的抽头系数，相对于两个抽头的postfilter加mlse，多抽头的后滤波器加mlse在性能上有一定的提升，但需要重新计算后滤波器的抽头系数，而且随着抽头系数的增加mlse的计算复杂度也随之增加，因此要在系统性能和计算复杂度之间做一个权衡。
6.综上可知，在现有技术中，mlse的抽头系数与postfilter的抽头系数相对应，虽然这样省去了对mlse抽头系数的重新计算，但在性能上有很大损失，虽然通过增加后滤波器
抽头的个数可以提升性能，但效果并不明显。此外，信道响应根据postfilter设定的记忆长度截短并抛弃了记忆长度以外的传输信道响应，这使得mlse算法在补偿信号损伤的过程中缺失了部分信道响应，从而影响了算法的整体性能，所以有必要对现有技术进行进一步的改善。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法及接收机，以解决现有技术中，由于mlse的抽头系数与后滤波器postfilter的抽头系数相对应，虽然省去了对mlse抽头系数的重新计算，但在性能上有很大损失的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
9.一方面，本发明提供了一种超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法，用于超奈奎斯特直接检测系统中的接收端，所述信号处理方法包括：
10.在信号通过后滤波器后，获取后滤波器的输出以及训练序列；
11.基于训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数；
12.在获得mlse的抽头系数后，利用基于维特比算法的mlse寻找最佳路径，在获得最终的幸存路径后，路径上的信号即为判决的信号。
13.进一步地，所述基于训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数，包括：
14.在进行最小二乘法估计时，先从训练序列中取出一部分作为最小二乘法的训练序列；然后根据取出的最小二乘法的训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数。
15.进一步地，所述基于训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数的公式为：
16.w＝(x
t
x)-1
x
ty17.其中，w表示通过最小二乘法ls计算的mlse的抽头系数，y表示后滤波器的输出，x表示最小二乘法的训练序列。
18.进一步地，mlse点数不超过原始信道响应。
19.另一方面，本发明还提供了一种超奈奎斯特直接检测接收机，包括：
20.mlse抽头系数计算模块，用于在信号通过后滤波器后，获取后滤波器的输出以及训练序列；基于训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数；
21.mlse模块，用于在获得mlse的抽头系数后，利用基于维特比算法的mlse寻找最佳路径，在获得最终的幸存路径后，路径上的信号即为判决的信号。
22.进一步地，所述mlse抽头系数计算模块具体用于：
23.在进行最小二乘法估计时，先从训练序列中取出一部分作为最小二乘法的训练序列；然后根据取出的最小二乘法的训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数。
24.进一步地，所述基于训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信
道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数的公式为：
25.w＝(x
t
x)-1
x
ty26.其中，w表示通过最小二乘法ls计算的mlse的抽头系数，y表示后滤波器的输出，x表示最小二乘法的训练序列。
27.进一步地，在利用基于维特比算法的mlse寻找最佳路径时，mlse点数不超过原始信道响应。
28.再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
29.又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
30.本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
31.本发明提出了一种新型改进的ddftn，在postfilter后通过最小二乘法重新进行一次信道估计得到mlse的抽头系数，使mlse的抽头系数更加接近原始信道响应，随着mlse点数的增加，系统的性能会越来越好，但点数不能超过原始信道响应。本发明的技术方案实现了pam4信号直接检测技术中mlse抽头系数的优化，相对于之前直接以postfilter的抽头系数作为mlse的抽头系数，在重新计算mlse的抽头系数后大幅度提升了系统的性能。同时，由于ls算法是信道估计算法的基础，并且复杂度低、结构简单、性能稳定、易于实现，所以在计算复杂度方面，本发明的技术方案相比于原来的系统并没有增加很多。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例提供的超奈奎斯特直接检测系统框图；
34.图2是本发明实施例提供的postfilter的简化模型图；
35.图3是本发明实施例提供的最小二乘拟合图像；
36.图4是本发明实施例提供的基于维特比算法的mlse判决路径示意图；
37.图5是本发明实施例提供的接收端的数字信号处理流程图。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
39.第一实施例
40.本实施例提供了一种超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法，如图1所示，在超奈奎斯特直接检测系统中，在发送端，将伪随机二进制序列映射为pam4格式。预加重后，pam4信号被上传到任意波形发生器(awg)。然后使用功率放大器来增强电信号，驱动带有ecl激光器的马赫-曾德调制器(mzm)，输出的光信号发射到标准单模光纤(ssmf)。
41.在接收端，可变光衰减器(voa)在ssmf后调整接收到的光功率(rop)。然后由光电
探测器(pd)检测信号，并由实时采样示波器(rto)捕获。经过模数转换器采样后，利用数字信号处理(dsp)对pam4信号进行恢复。信号通过后滤波器postfilter，后滤波器的简化结构如图2所示。在训练序列和后滤波器的输出已知情况下，本实施例利用最小二乘法ls重新进行信道估计，最小二乘的拟合图像如图3所示。在获得mlse的抽头系数后，利用维特比算法寻找最佳路径，基于维特比算法的mlse如图4所示。接收端dsp处理流程图如图5所示。
42.具体地，接收端dsp处理流程包括以下步骤：
43.在接收端线性均衡器后，经过最小均方误差算法lms已经消除了大部分码间干扰，但与此同时噪声也被增强，为了进一步抑制增强的噪声使信号通过一个两抽头的后滤波器，后滤波器的传递函数为：
44.h(z)＝1+αz-1
ꢀꢀ
(1)
45.其中，α代表postfilter的第二个抽头系数，后滤波器的输出可表示为：
46.y(i)＝r(i)+α*r(i+1)
ꢀꢀ
(2)
47.其中，r(i)表示后滤波器接收到的信号；
48.在获得后滤波器的输出后，接下来就是利用简单的最小二乘法ls来进行信道估计。假设d＝{(x1,y1),(x2,y2),...(xn,yn)}为一个数据集，xi∈r
p
,yi∈r，
[0049][0050][0051]
其中，y表示后滤波器的输出，最小二乘的直线方程可表示为：
[0052]
f(w)＝w
t
x
ꢀꢀ
(5)
[0053]
这里，f(w)指的是训练序列的值，w指的是计算的抽头系数，最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘估计法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小，最小二乘法求抽头系数可表示为：
[0054]
w＝(x
t
x)-1
x
tyꢀꢀ
(6)
[0055]
在进行最小二乘法估计时，先从训练序列中取出一部分作为最小二乘法的训练序列，取出的序列长度也有最佳的对应值，不能太长或者太短，在最小二乘估计得到mlse的抽头系数后，从取出的序列之后开始维特比算法寻找最有可能的路径。基于维特比算法的mlse抽头个数为奇数，其抽头的个数与信号的记忆长度有关，其表达式如下：
[0056]
n＝2*k+1
ꢀꢀ
(7)
[0057]
其中，n表示mlse的点数，k表示信号的记忆长度，因为信号估计时跟前后对称的信号都有关，所以mlse的抽头个数为奇数，当k＝1，也就是mlse的点数是三个。随着点数的增加系统性能会越来越好，mlse估计时的表达式为：
[0058]
yi＝w1x
i-1
+w2xi+w3x
i+1
ꢀꢀ
(8)
[0059]
其中，yi表示的是i时刻估计的值，w表示的最小二乘得到的抽头系数，而x表示的
是pam4信号可能的值。在获得第i时刻的估计值后，就可以计算此时刻对应的最小误差，即最小欧式距离，其表达公式为：
[0060]
d＝(yi'-yi)2ꢀꢀ
(9)
[0061]
其中，d表示欧氏距离，yi'表示估计值，yi为后滤波器的输出即mlse的输入。在进行维特比算法时不同信号要计算的距离数是不同的，当信号为pam4，mlse记忆长度为1时，其对应的可能路径为42＝16，因为pam4每个时刻对应的可能状态为4种(-3，-1，1，3)，每两个状态之间就有一组对应的距离，最终保留的路径距离表示为：
[0062]di
＝min{d
i-1
+(w1x
i-1
+w2xi+w3x
i+1-yi)2}
ꢀꢀ
(10)
[0063]
在获得最终的幸存路径后，路径上的信号即为判决的信号。
[0064]
综上，本实施例的技术方案在现有的ddftn的基础上进一步优化mlse的抽头系数，使mlse的抽头系数更加接近原始的信道响应，减小了误码率，提高了系统性能。且本实施例使用ls(least squares method，最小二乘法)在两抽头postfilter后重新进行信道估计，最小二乘算法相对于其他的信道估计算法是极为简单的，但容易受到噪声的影响，因为前面的postfilter已经滤除了大部分噪声，所以这个问题也不需要担心。虽然增加了一定的计算复杂度，但可以使系统的性能有大幅的提升，在系统性能提升明显的情况下，相对应增加的计算复杂度是可以接受的，可以有效的解决mlse判决信号不够精确的问题。
[0065]
第二实施例
[0066]
本实施例提供了一种超奈奎斯特直接检测接收机，其包括：
[0067]
mlse抽头系数计算模块，用于在信号通过后滤波器后，获取后滤波器的输出以及训练序列；基于训练序列和后滤波器的输出，利用最小二乘法ls重新进行信道估计，得到最大似然序列估计mlse的抽头系数；
[0068]
mlse模块，用于在获得mlse的抽头系数后，利用基于维特比算法的mlse寻找最佳路径，在获得最终的幸存路径后，路径上的信号即为判决的信号。
[0069]
本实施例的超奈奎斯特直接检测接收机与上述第一实施例的超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法相对应；其中，本实施例的超奈奎斯特直接检测接收机中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的超奈奎斯特直接检测系统信号处理方法中的各流程步骤一一对应；故，在此不再赘述。
[0070]
第三实施例
[0071]
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。
[0072]
该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。
[0073]
第四实施例
[0074]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
[0075]
此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明
实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
[0076]
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0077]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0078]
还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
[0079]
最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。