相干光通信中的改進型二階載波相位估計算法

趙 倫,余建國,王任凡,羅 飚

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京 100876; 2.武漢光迅科技股份有限公司,武漢430205)

相干光通信中的改進型二階載波相位估計算法

趙 倫1,余建國1,王任凡2,羅 飚2

(1.北京郵電大學電子工程學院,北京 100876; 2.武漢光迅科技股份有限公司,武漢430205)

針對現有的BPS(盲相位搜索)算法計算復雜度過高的問題,提出了一種基于改進型QPSK(正交相移鍵控)分區算法的二階載波相位估計算法,該算法的第一階采用傳統基于部分星座點的P3算法進行粗估計,第二階采用作者提出的改進型QPSK分區算法補償剩余的相位噪聲。仿真結果表明,該算法的性能與BPS算法相近,但計算復雜度較BPS算法降低了約1/13。

相干光通信;載波相位估計;正交相移鍵控分區

0 引 言

在相干光通信系統中,相位噪聲對系統性能的影響非常大,特別是在高速光通信系統中。采用高階調制格式會導致星座點之間的歐氏距離減小,即星座點分布會更加密集,對相位噪聲也會更加敏感,因而CPE(載波相位估計)算法是相干光通信中DSP(數字信號處理)算法的主要組成部分。對于QPSK(正交相移鍵控)等相位調制信號,能夠采用經典的M次方算法估計相位噪聲。但16QAM(正交幅度調制)同時采用了幅度調制和相位調制,且相位分布不均勻,采用M次方算法無法完全移除相位調制信息,因而其不能用于16QAM格式。針對16QAM格式的相位噪聲估計,TimoPfau在2009年提出了BPS(盲相位搜索)算法[1],該算法是目前常用的16QAM信號相位噪聲估計算法,能夠較好地估計16QAM格式的相位噪聲,理論上可以用于更高階QAM格式,但其計算復雜度太大,難以實現實時處理。針對BPS算法的不足,AT&T實驗室的Zhou Xiang提出了一種基于BPS和最大似然法的二階算法[2],第一階仍采用BPS算法,但只測試少量的相位,即第一階采用粗估計,第二階采用最大似然法提高算法的精確度。文獻[2]還證明了每增加一個最大似然法估計器所需的開銷與單階BPS算法中增加兩個測試相位所需的開銷相當。Irshaad Fatadin在2010年提出了一種基于QPSK分區的算法[3](該算法采用了16QAM格式的所有星座點,記為P123算法),基于QPSK的算法計算復雜度遠低于BPS算法,但其線寬容忍度較低。針對16QAM格式的CPE算法還有很多,但主要都是基于上述以及它們的改進和組合[4-8]。

本文針對現有的BPS算法計算復雜度過高的問題,提出了一種基于改進型QPSK分區算法的二階CPE算法。該算法的第一階采用傳統的基于部分星座點的P3算法進行粗估計,第二階采用本文提出的改進型QPSK分區算法補償剩余的相位噪聲。仿真結果表明,該算法的性能與BPS算法相近,但計算復雜度較BPS算法降低了約1/13。

1 二階CPE算法的基本原理

圖1所示為偏振復用16QAM相干光通信系統框圖。在發射端,對激光器發出的光(同時具有X和Y兩個偏振方向)進行偏振復用16QAM后送入單模光纖中傳輸,并對光信號進行放大。在接收端,偏振分束器接收到的光信號被分成X方向和Y方向兩路光信號,因此接收端需要準備一個本地激光器并使用偏振分束器將本地激光器發出的光信號分成X方向和Y方向兩路光信號。對于X方向的兩路光信號采用90°混頻器進行混頻,并使用兩個平衡探測器進行探測,以消除直流成分。對Y方向的兩路光信號采取與X方向兩路光信號相同的處理方法。隨后采用4個模/數轉換器將4個平衡探測器輸出的模擬電信號轉換成數字信號,最后使用DSP算法對4路數字信號進行處理,以補償信號傳輸中的損失。DSP算法包括隔直流、歸一化、低通濾波、重抽樣、正交化、色散補償、非線性補償、定時恢復、自適應均衡、頻偏估計和相位估計等。本文主要考慮相位估計算法,因此假設已經對除相位噪聲外的各種損傷進行補償。

圖1 偏振復用16QAM相干光通信系統框圖

圖2所示為本文所提用于相干光通信系統中16QAM信號載波相位估計的二階CPE算法框圖。第一階采用常規方法補償部分相位噪聲,記為P3算法,第二階采用基于改進的QPSK分區算法補償剩余的相位噪聲,記為IP(改進分區)算法。因而將提出的二階CPE算法記為P3+IP算法。

圖2 P3+IP算法框圖

第一階的處理流程如下:首先將輸入信號分為若干個大小為N1的數據塊,對于每個數據塊,根據半徑將其分為C1、C2、C33個區,選擇屬于C3分區中的數據符號進行四次方操作,從而移除相位調制信息,然后將四次方后的數據取相位并除以4得到相位噪聲,并采用相位解擾來降低周跳的影響(所謂周跳就是相位劃過±π時由于相位周期特性的限制。而發生的大小為2π的相位跳變),最后用估計得到的值對輸入數據進行補償。

第二階的處理流程如下:將第一階的輸出作為第二階的輸入,第二階處理的數據塊長度N2與第一階的長度N1相同,首先根據半徑將該數據塊分為C1、C2、C33個區,由于第一階僅進行了相位旋轉,并沒有改變信號的幅度,因此可將第一階中數據分區的結果用于第二階。相位分區圖如圖3所示,將[0,π]等分為1～4四個區間,將[―π,0]等分為5～8四個區間,C2中的每個數據符號的相位值都位于這8個區間中的一個。選取屬于C2分區中的數據計算sign(I)·sign(Q)·sign(|I|―|Q|),其中I、Q分別為分區C2中數據的實部和虛部。

圖3 相位分區圖

表1所示為每個區間sign(I)·sign(Q)·sign(|I|―|Q|)的計算值。由表1可知,區間1、3、5和7中的sign(I)·sign(Q)·sign(|I|―|Q|)值為正,而區間2、4、6和8中的值為負。sign(I)·sign(Q)·sign(|I|―|Q|)為正值的區間中的數據符號對應的相位旋轉為―θ,為負值的區間中的數據符號對應的相位旋轉為θ。

表1 sign(I)·sign(Q)·sign(|I|―|Q|)的計算值

因此,可根據sign(I)·sign(Q)·sign(|I|―|Q|)的計算值正負判斷C2分區中的相位旋轉的方向,并對C2進行相應的旋轉,使得C2分區中的數據也位于QPSK的4個星座點附近,然后用常規的

2 仿真結果及分析

采用OptiSystem軟件搭建仿真平臺對改進的二階CPE算法性能進行仿真分析。圖4所示為偏振復用16QAM傳輸系統仿真平臺的系統框圖,BER Test Set器件的功能是產生二進制比特序列,并將該二進制比特序列與電域處理后的二進制比特序列進行對比,從而計算系統的BER(誤碼率)等參數,產生的二進制比特被復制成兩份,一份送到判決器中作為判決參考值,另一份送入發射機中,發射機的作用是產生偏振復用16QAM的光信號,在送入光纖前使用OA(光放大器)調整入纖光功率,在光纖傳輸后通過Set OSNR器件設置OSNR(光信噪比),然后送入基于相位分集和偏振分集的相干接收機對光信號進行處理,得到的4路電信號分別對應X偏振方向的同相、正交分量以及Y偏振方向的同相、正交分量。之后使用DSP模塊對接收到的電信號進行補償,DSP模塊的功能包括隔直流、歸一化、低通濾波、重抽樣、正交化、色散補償、非線性補償、定時恢復、自適應均衡和頻偏估計。為了驗證所提P3+IP算法的性能,在DSP中沒有進行CPE操作,而是用DSP后面的Matlab器件完成二階CPE的功能,該器件提供OptiSystem和Matlab的接口。在相位恢復后使用Decision模塊進行星座判別并進行QAM序列解調,然后將數據送入BER Test Set統計傳輸后的錯誤比特數及BER等參數。

圖4 偏振復用16QAM傳輸系統仿真平臺的系統框圖

由于是偏振復用16QAM系統,112 Gbit/s的比特率對應的符號率為14 Gbaud,其他仿真參數設定如下:序列長度為524 288;每個符號抽樣數為4;保護比特為100;發射機激光器波長為1 550 nm,功率為0 dBm;接收機激光器波長為1 550.001 nm,功率為10 d Bm;光纖長度為160 km;色散系數為16.75 ps/(nm·km);PMD(偏振模色散)系數為0.05 ps/km。

本文首先將P3+IP算法與BPS、P3和P123算法的性能進行對比分析,圖5所示為在仿真平臺上采用不同的CPE算法進行相位噪聲估計時BER與OSNR的關系曲線。將收發激光器的線寬均設為100 k Hz,對應激光器的線寬和碼元周期乘積(即ΔL·Ts)約為1.4×10―5。圖中,N表示對應的CPE算法每次處理數據塊的長度,N1和N2分別表示二階CPE算法第一階和第二階處理的數據塊的長度,由圖可以看出,P3算法的性能最差,P123算法次之,BPS算法的性能最好,而本文所提的P3+IP算法的性能介于BPS和P123算法之間。圖中幾種算法的性能差距不大是由于ΔL·Ts的值較小。從圖中還可以看出,OSNR約為17.85 dB時,采用IP3+IP算法可以達到1×10―3的BER。

圖5 采用不同CPE算法時BER與OSNR的關系曲線

圖6 和圖7分別為OSNR為18 d B時使用P3+IP算法估計出的相位噪聲的相位值以及進行相位噪聲補償后的星座圖(X偏振方向)。由圖6可知,相位噪聲值沒有出現跳變,這是由于本文采用了相位解擾。圖7的星座圖總體來說還比較清晰。

圖6 P3+IP算法的相位噪聲

圖8 為OSNR為18 d B時采用不同的CPE算法得到的線寬符號持續時間乘積與BER的關系曲線。其中線寬符號持續時間為1/14 ns,而圖中的7個測試點對應的收發激光器的總線寬分別為7、70、

210、490、700、840和1 000 k Hz。從圖中可以看出,P3+IP算法的性能介于P123算法和BPS算法之間,且線寬符號持續時間乘積較大時,所提算法的BER性能相對P3算法有一定的優勢。

圖7 P3+IP算法的星座圖

圖8 線寬符號持續時間乘積與BER關系曲線

算法復雜度也是衡量CPE算法的重要指標之一,過于復雜的算法難以在硬件上實現。已有文獻對算法復雜度的統計方法進行了研究[7-9],據此得到數據塊長度為N的4種CPE算法的計算復雜度如表2所示,其中B表示BPS算法的測試相位個數。如果用實數乘法器、實數加法器、比較器的總個數以及查表、判決的總次數的和表示算法復雜度,那么當N=100時,4種算法的總運算復雜度分別為1 354、3 354、3 204和42 302。據此可知,與P3算法相比,P3+IP算法復雜度增加了2.3倍;與P123算法相比,P3+P123算法復雜度略低,性能更好;與BPS算法相比,性能略差,但算法復雜度降低了約1/13。

表2 4種CPE算法的復雜度

3 結束語

本文提出了一種P3+IP算法,在第一階使用傳統的P3算法進行粗估計,在第二階使用簡單的符號乘法就可以判斷16QAM星座中間圈上點的位置并進行相應的相位旋轉,使得16QAM星座成為普通的QPSK星座,能夠方便地估計相位噪聲。該算法的復雜度比P123算法略低,但性能比P123算法更好。所提算法的性能比BPS算法略差,但在復雜度上卻比BPS算法降低了約1/13。

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[9]鐘康平.DP-16QAM相干光通信系統關鍵技術的研究[D].北京:北京交通大學,2014.

An Improved Two-Stage Carrier Phase Estimation Algorithm in Coherent Optical Communication

ZHAO Lun1,YU Jian-guo1,WANG Ren-fan2,LUO Biao2
(1.School of Electronic Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China; 2.Accelink Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430205,China)

Aiming at the problem of high computational complexity of existing Blind Phase Search(BPS)algorithm,the thesis proposes a two stage carrier phase estimation algorithm based on improved QPSK partition algorithm.The first stage of the algorithm is based on traditional P3algorithm,which is used to realize rough estimation.The second stage of the algorithm is based on the proposed improved QSPK partition algorithm,which is used to compensate the residual phase noise.The simulation results show that the performance of this algorithm is similar to that of BPSalgorithm.However,the computational complexity is about 13 times lower than that of the BPS algorithm.

coherent optical communication;carrier phase estimation;QPSK partition

TN914

A

1005-8788(2016)06-0001-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.001

2016-06-14

國家“八六三”計劃資助項目(2015AA016901);國家自然科學基金面上資助項目(61377079)

趙倫(1987―),男,湖北孝感人。博士研究生,主要研究方向為相干光通信、無線通信及光載無線通信。