基于GSOP的正交不平衡損傷估計算法研究

周嫻，高天宇，霍佳皓，申曉杰，盧東旭，皇甫偉，涂佳靜，隆克平

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基于GSOP的正交不平衡損傷估計算法研究

周嫻，高天宇，霍佳皓，申曉杰，盧東旭，皇甫偉，涂佳靜，隆克平

（北京科技大學計算機與通信工程學院人工智能研究院，北京 100083）

為實現高速光通信系統高效低成本測試的目標，基于施密特正交化過程（GSOP，Gram-Schmidt orthogonalization procedure），提出了一種適用于偏振復用—多進制正交幅度調制（PDM-MQAM）相干光通信系統的正交不平衡損傷估計（IQ-ImEstimation, IQ imbalance estimation）算法。根據同相信號和正交信號兩路信號功率關系及相關性，設計幅度失配估計和相位失配估計2種方案。通過對34 GBaud PDM-MQAM相干光通信系統進行仿真與實驗，驗證了IQ-ImEstimation算法的正確性和有效性。

正交不平衡損傷估計；多進制正交幅度調制；相干光通信系統；數字信號處理

1 引言

近年來，研究人員對高速光通信系統的研究如火如荼，取得了一系列突破性進展。依靠成熟的數字信號處理技術和相干檢測方案，光通信系統傳輸速率得到了快速提升。然而隨著傳輸速率的提升和調制碼型的復雜化，系統損傷測試復雜度和校準難度呈指數級增加趨勢。其中，系統中IQ兩路信號偏置點的設置不正確、3 dB耦合器分光比不對稱、PD（photo detector）響應度的變化、混頻器各路信號之間的不平衡等環節引入的正交不平衡（IQ imbalance）損傷會使系統性能惡化，還會影響后續DSP模塊正常工作[1-2]。針對這一現狀，對于不同模型，研究人員提出了不同的解決方案，包括基于GSOP的IQ補償算法[3]、基于最大信噪比估計（MSEM，maximum SNR estimation method）的IQ補償算法[4]、復值—多進多出（MIMO，multiple input multiple output）自適應均衡器[5]、L?wdin正交化算法[6]等，均可有效地對IQ imbalance進行補償。但是目前缺少針對IQ imbalance損傷的估計算法，在系統進行損傷估計時缺少衡量標準，若使用傳統的儀器儀表進行損傷測試，測試成本高，不適合進行大規模部署。

針對上述研究現狀，本文基于GSOP原理，通過分析信號IQ分支的功率變化及其相關性變化，提出了一種幅度與相位正交不平衡檢測估計算法。該算法估計性能與調制格式無關，在仿真與實驗中分別對QPSK、8QAM、16QAM等調制方式進行了驗證。實驗結果表明，該算法對以上3種調制方式均可有效估計系統中存在的IQ imbalance損傷，且估計精度優良、誤差較小。

2 針對PDM-MQAM相干光通信系統的正交不平衡損傷估計

PDM-MQAM相干光通信系統整體框架如圖1所示。其中，圖1(a)為系統結構框架，包含發射機、背靠背（BTB，back to back）信道以及接收端，圖1(b)為接收端DSP處理流程。

2.1 正交不平衡效應的理論模型

圖1 PDM-MQAM相干光通信系統整體框架

在整個傳輸系統中，一些環節有可能會引入IQ imbalance損傷，例如，IQ 2路偏置點的設置不正確、3 dB耦合器分光比不對稱、PD響應度的變化、混頻器各路之間的不平衡等。經過90°混頻器平衡接收后的輸出信號，存在IQ imbalance損傷模型可等效為[7]

2.2 正交不平衡損傷估計算法原理

PDM-MQAM系統接收機DSP處理流程如圖1(b)所示。DSP處理核心算法主要包括IQ- ImEstimation算法、IQ imbalace補償算法、重采樣過程、時鐘同步算法、自適應均衡偏振解復用、頻偏估計算法及載波相位恢復算法。

1) IQ幅度失配估計原理

隨后求出信號正交分量（Q路）功率的均值為

2) IQ相位失配估計原理

3 基于GOSP的正交不平衡估計算法的仿真與實驗

3.1 正交不平衡損傷估計仿真結果與分析

本文設計的34 GBaud PDM-MQAM相干光通信系統由Matlab軟件和VPI軟件搭建。系統中主要器件的參數如表1所示。

表1 34 GBaud PDM-MQAM仿真系統主要參數

1) 數據長度對算法估計性能影響

在進行仿真及實驗之前，本文就數據長度對算法精度的影響進行了仿真實驗。3種調制方式雙偏振態下光信噪比（OSNR, optical signal noise ratio）取=10?4時對應的理論值，QPSK對應OSNR理論值取為16 dB，8QAM對應理論值取為19 dB，16QAM對應理論值取為22 dB。IQ相位失配設置為60°，IQ幅度失配設置為3 dB，仿真結果如圖2所示。

圖2 數據長度與算法估計性能關系

2) IQ幅度失配估計仿真結果

本文對3種調制方式進行了IQ幅度失配仿真實驗，包括IQ幅度失配估計與IQ幅度失配估計誤差，仿真結果如圖3所示，其中，IQ幅度失配估計誤差換算為dB值表示。

圖3 IQ幅度失配仿真結果

3) IQ相位失配估計仿真結果

本文對3種調制方式進行了IQ相位失配仿真實驗，包括IQ相位失配估計與IQ相位失配估計誤差，仿真結果如圖4所示。

圖4 IQ相位失配仿真結果

圖5 34 GBaud PDM-MQAM相干光通信實驗平臺系統框架

圖6 IQ幅度失配估計實驗結果

3.2 正交不平衡損傷估計實驗結果與分析

在聯合仿真平臺VPI與Matlab中驗證了原理的正確性后，搭建了34 GBaud MQAM通信實驗平臺，整體實驗系統框架如圖5所示。利用PRBS產生長度為215數據，使用任意波形發生器（AWG，arbitrary waveform generator）（實驗設備型號：keysight M9502A）將數據上采樣到85 GSample/s，升余弦滾降系數為0.2，輸入IQ調制模塊（實驗設備型號：Fujitsu FTM7962EP）進行調制，激光器采用外腔半導體激光器（ECL，external cavity laser）（實驗設備型號：N7714A）。在接收端通過光相干接收機（實驗設備型號：Fujitsu FIM24706EB）將信號與本振光耦合，最后用示波器（實驗設備型號：Agilent DSA-X-96204Q）對數據進行實時采集，采樣率為80 GSample/s。采集后的離散樣值，交由Matlab離線處理。由于實驗設備中難以引入精確的正交不平衡損傷及調整精確，因此本文在進行DSP處理之前引入損傷及調整（QPSK信號對應為13 dB，8QAM信號對應為16 dB，16QAM信號對應為19 dB），引入損傷形式如式(2)所示。

圖7 IQ相位失配估計實驗結果

4 結束語

為了滿足高速光通信系統高效低成本測試的需求，對于目前相干光通信系統中信號所受到的IQ Imbalance損傷進行了研究，基于GSOP提出了一種IQ-ImEstimation算法。該接收機損傷估計算法可有效評估相干光通信系統中的IQ Imbalance損傷，與傳統的儀器儀表測試比較而言，可大幅度降低測試成本。通過搭建34 GBaud PDM-MQAM仿真與實驗平臺，對本文提出的IQ-ImEstimation算法進行驗證，根據仿真與實驗結果可知，該正交不平衡損傷估計算法可有效估計IQ幅度失配損傷以及IQ相位失配損傷。通過進一步仿真實驗及原理分析，該IQ-ImEstimation算法估計性能受噪聲影響較大，但與調制方式無關。該算法估計范圍廣，估計誤差較低，有望成為未來相干光通信系統性能測試的優選方案之一。

[1] SUN H C, CHUNG H S, KIM K, et al. Impact of quadrature imbalance in optical coherent QPSK receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2009, 21(11):709-711.

[2] CHUNG H S, SUN H C, KIM K, et al. Effect of IQ mismatch compensation in an optical coherent OFDM receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2010, 22(5):308-310.

[3] FATADIN I, SAVORY S J, IVES D, et al. Compensation of quadrature imbalance in an optical QPSK coherent receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(20):1733-1735.

[4] NGUYEN T H, GOMEZ-AGIS F, GAY M, et al. IQ imbalance compensation based on maximum SNR estimate in coherent QPSK systems[C]// International Conference on Transparent Optical Networks. 2014:1-4.

[5] FARUK M S, KIKUCHI K. Compensation for in-phase/quadrature imbalance in coherent-receiver front end for optical quadrature amplitude modulation[J]. IEEE Photonics Journal, 2013, 5(2): 7800110-7800110.

[6] MAYER I. On L?wdin's method of symmetric orthogonalization[J]. International Journal of Quantum Chemistry, 2002, 90(1):63–65.

[7] 周嫻. 100 Gbps PM-(D)QPSK相干光傳輸系統DSP算法研究[D]. 北京: 北京郵電大學, 2011.

ZHOU X. Research on DSP algorithms of 100 Gbps PM-(D)QPSK optical coherent transmission system[D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011.

Research on IQ imbalance estimation algorithm based on GSOP

ZHOU Xian, GAO Tianyu, HUO Jiahao, SHEN Xiaojie, LU Dongxu, HUANGFU Wei, TU Jiajing, LONG Keping

Institute of Artificial Intelligence School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

In order to satisfy the demand of the efficiency and low cost measurement for high rate optical communication system, the IQ-ImEstimation algorithm was proposed for IQ imbalance estimation in the PDM-MQAM cohernt optical communication system based on GSOP. Two estimation schemes include amplitude impairment and phase impairment were designedby utilizing the power and correlation. Finally, a 34 GBaud PDM-MQAM system was simulated and experimentalized. The results indicate that the IQ-ImEstimation algorithm is accuracy and effective.

IQ-ImEstimation, MQAM , cohernt optical communication system, digital signal processing

TN911.6

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018157

周嫻（1982?），女，重慶人，北京科技大學教授，主要研究方向為數字信號處理、光通信系統理論與結構、高速光傳輸理論與技術。

高天宇（1993?），男，河北石家莊人，北京科技大學碩士生，主要研究方向為數字信號處理、高速相干光通信系統性能檢測。

霍佳皓（1989?），男，河北邢臺人，北京科技大學博士生，主要研究方向為數字信號處理、短距離光傳輸。

申曉杰（1993?），男，北京人，北京科技大學碩士生，主要研究方向為數字信號處理、短距離光傳輸。

盧東旭（1991?），男，山東泰安人，北京科技大學博士生，主要研究方向為數字信號處理、短距離光傳輸。

皇甫偉（1975?），男，河南開封人，北京科技大學副教授，主要研究方向為無線自組網、網絡測量技術。

涂佳靜（1986?），女，江西南昌人，北京科技大學講師，主要研究方向為空分復用技術、特種光纖設計、光纖傳感。

隆克平（1968?），男，四川成都人，北京科技大學教授，主要研究方向為光互聯網絡及交換技術、新一代網絡理論與技術、無線移動通信、網絡新業務與安全。

2018?05?02；

2018?09?03

周嫻，zhouxian219@gmail.com

國家自然科學基金資助項目（No.61671053, No.61871030）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（No.FRF-BD-17-015a）

The National Natural Science Foundation of China (No.61671053, No.61871030), The Central University Basic Business Expenses Special Fording for Scientific Research Project (No.FRF-BD-17-015a)