基于蝶形线性卡尔曼滤波器的相干光接收机动态均衡方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通信领域，进一步地说，设及相干光通信系统中动态均衡的方案。
【背景技术】
[0002] 随着互联网、物联网通信数据业务的扩展，W及网络电视和高清视频等多媒体业 务量的快速增长，基于波分复用、渗巧光纤放大器W及强度调制直接检测等技术的10加 /s 和40加/s传统商用光纤通信系统带宽已经逐渐被人们日益增长的信息通信需求所消耗殆 尽。由于光纤通信可用波段带宽的限制人们重新将目光转向了具有更高频谱利用率的相干 光通信技术，W期使光纤通信传输速率增加到400G/S甚至ITb/s。相干光通信中由于信号在 发射、传输W及接收过程中不可避免的会产生各种的损耗与噪声，因此需要在接收端通过 DSP算法对其进行补偿。
[0003] 提高相干接收机性能的主要手段之一就是改善DSP算法的性能，简单并有效的算 法不仅可W在相同的硬件接收环境下降低接收误码率(BER)，改善接收机灵敏度曲线，而且 可W极大的节省DSP资源，从而降低成本，减少功耗。同时，为了满足光通信领域测量检测的 需求，具有高噪声容忍特性，宽测量范围，高估计精度的相干光通信信号处理算法也是相干 光通信信号处理算法领域的研究热点之一。本专利所提出的算法主要基于W上研究背景的 考虑，对相干光通信系统中的偏振态旋转、偏振模色散、残余色散、电带宽限制等信号损耗 进行补偿、统称为动态均衡。
[0004] 目前最常用的相干光通信动态恢复方法是20世纪八十年代由Godard提出的恒模 算法(CMA)，但是算法存在奇异性的风险，并且收敛速度慢，可跟踪的偏振态旋转速度慢，而 且对于高阶调制格式信号，CMA算法的收敛精度不足，其后的改进CMA算法对CMA性能的改善 能力有限。在高阶调制格式的信号传输系统中多模算法（简写为MMAs,包括一般的多模算 法、半径判决辅助的最小二乘算法、级联多模算法等)确实能够获得比CMA方法更好的接收 机灵敏度表现，但是其收敛速度较CM更慢。
[0005] 而随着光通信行业的发展，光通信技术不断向着节约性，灵活可调性，软件自定义 性，数据传输突发性的特点发展再加上光纤链路铺设环境复杂，寻求能够改善CMA/MMAs及 其改进方法收敛速度慢、跟踪性能较差、码型适应性差缺点的解偏振方案是十分必要的。目 前斯托克斯空间分析法W及卡尔曼滤波方法是解决CMA/MMAs算法缺陷的主要方案，可W实 现信号偏振态的快速跟踪，避免奇异性，算法与信号的码型不相关，卡尔曼方法还具有较强 的偏振态跟踪能力，但是二者往往只能用于信号的偏振解复用，不能同时用于信号偏振模 色散、剩余色散、电带宽限制等引起的码间串扰，也就是说在码间串扰较大时，二者是几乎 不能工作的，或者存在非常大的实现代价。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种基 于蝶形线性卡尔曼滤波器的相干光接收机动态均衡方法，既能解决传统CMA/MMAs及其改进 方法收敛速度慢，码型相关，偏振态跟踪性能差，奇异性等缺点，又可W同时对码间串扰进 行均衡的算法是十分必要的。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种基于蝶形线性卡尔曼滤波 器的相干光接收机动态均衡方法，该方法实现结构类似于蝶形，主体为四个有限长冲激响 应滤波抽头向量，
[0008] T(n) = [Wii(n) Wi2(n);W2i(n)化2(n)]，其中T(n)为抽头系数矩阵，首先通过卡尔 曼滤波器根据约束条件更新抽头，再利用抽头向量进行动态均衡，所述动态均衡具体包括 W下的实现步骤：
[0009] (a)根据预测方程，求出预测抽头系数，利用预测抽头对输入信号进行动态均衡， 得到测量预测值，即输出信号；
[0010] (b)构建约束条件；
[0011] (C)计算约束条件下，预测值的偏差量；
[0012] (d)将偏差量代入卡尔曼更新方程中，修正抽头向量的预测值，作为下一时刻更新 的预测值。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述步骤(a)包括构建预测方程，规则为：当前时刻的 抽头系数向量预测值是上一时刻抽头系数向量卡尔曼滤波修正值。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述抽头系数向量构建规则:Wii(n)、Wi2(n)、W2i(n)及 W22(n)是N长度冲激响应滤波器(FIR)窗口函数，脚旨窗口函数长度，一般动态均衡中称为化P 数。
[001引作为本发明的进一步改进，所述滤波器(FIR)的约束条件为:Wii(n)，W22(n)中屯、抽 头共辆，和中屯、抽头反共辆;其目的是为了避免滤波器出现奇异性。
[0016] 作为本发明的进一步改进，所述利用抽头向量进行动态均衡包括使用蝶形FIR滤 波器对信号进行动态均衡，实现解复用和码间串扰补偿。
[0017] 作为本发明的进一步改进，所述步骤(b)构建的约束条件是:使均衡后的输出信号 收敛到一个固定半径的圆上。
[0018] 作为本发明的进一步改进，所述约束条件适用于偏振复用(PDM)的M-PSK调制格式 信号W及M-QAM调制格式信号，也适用于M-PSK/M-QAM混合调制信号，其中M为任意大于等于 2的整数。
[0019] 作为本发明的进一步改进，所述步骤(C)包含预测量偏差值的计算:求取根据权利 要求6所述约束圆上最靠近测量预测值的点，求运个点与测量预测值的差即预测值的偏差 量。
[0020] 作为本发明的进一步改进，所述步骤(d)包括根据系统传输信号调制格式，选取滤 波器调优参量约束。
[0021] 本发明的有益效果:本发明提供了一种可用于相干光通信系统接收机中，对接收 信号进行快速动态均衡的数字信号处理算法。与传统的CMA/MMAs动态均衡算法不同，本发 明提出的动态均衡方法基于具有蝶形结构的线性卡尔曼滤波器，具有收敛速度快、偏振态 跟踪性能强，码型无关，抑制奇异性的优点；与只用来进行偏振态跟踪的斯托克斯空间分析 法、扩展卡尔曼偏振态和载波相位同时跟踪方法W及快速偏振态跟踪的线性卡尔曼滤波方 法不同，本发明提出的动态均衡方法使用了蝶形的横向滤波器结构并使用卡尔曼滤波更新 抽头，可W同时实现对信号偏振态的快速恢复和对偏振模色散、剩余色散、电带宽限制等引 起的型号损耗的补偿，同时相比于基于扩展卡尔曼滤波的偏振态和载波相位跟踪方法具有 频偏不依赖的特点。
【附图说明】
[0022] 图1基于蝶形线性卡尔曼滤波器的光信号动态均衡算法基本结构
[0023] 图2线性卡尔曼滤波更新抽头系数过程示意图
[0024] 图3约束条件示意图W及预测误差值计算示意图
[0025] 图4根据本发明一个实施例的单一码型传输系统的数字信号处理流程图
[0026] 图5根据本发明一个实施例的多种调制格式或者混合调制格式信号系统的通用数 字信号处理方案
[0027] 图6不考虑相位噪声和频偏时使用本发明一个实施例进行QPSK信号动态均衡前后 星座图对比
[0028] 图7考虑相位噪声和频偏时使用本发明一个实施例进行QPSK信号动态均衡前后星 座图对比
【具体实施方式】
[0029] 本发明一种基于蝶形线性卡尔曼滤波器的相干光接收机动态均衡方法，该方法实 现结构类似于蝶形，主体为四个有限长冲激响应滤波抽头向量，首先通过卡尔曼滤波器根 据约束条件更新抽头，再利用抽头向量进行动态均衡，所述动态均衡具体包括W下的实现 步骤：
[0030] (a)根据预测方程，求出预测抽头系数，利用预测抽头对输入信号进行动态均衡， 得到测量预测值，即输出信号；
[0031] (b)构建约束条件；
[0032] (C)计算约束条件下，预测值的偏差量；
[0033] (d)将偏差量代入卡尔曼更新方程中，修正抽头向量的预测值，作为下一时刻更新 的预测值。
[0034] 所述步骤(a)包括构建预测方程，规则为：