大频偏条件下相干光接收机载波同步方法技术

本发明专利技术公开了一种大频偏条件下相干光接收机载波同步方法，它涉及光通信领域频偏补偿和相差补偿。首先利用基于相位增量的频偏补偿算法对接收信号进行初步频偏补偿，补偿后可能存在残余频偏；然后利用经典相位估计算法对信号进行初步相差补偿，补偿后可能存在相位旋转；最终利用数据帧头对残余频偏和相位旋转进行补偿，实现载波同步。本发明专利技术在增加小量算法复杂度的条件下，理论上可以实现任意大频偏和载波相位的精确补偿,适用于星地高速光通信等领域。

【技术实现步骤摘要】
大频偏条件下相干光接收机载波同步方法
本专利技术涉及光通信
，尤其涉及一种大频偏条件下相干光接收机载波同步方法。
技术介绍
随着社会信息化程度的提高，对数据传输的需求急剧增加。相干光通信与强度调制通信方式相比具有通信带宽大及灵敏度高等优势，是未来高速通信研究的重点。但相位调制、相干检测的通信方式受本振光源与信号光源之间频差、相差及多普勒频移的影响严重，因此在信号解调前需要进行载波同步。相位调制相干光通信载波同步一般可以分为频偏补偿和相差补偿两步进行，当然也可以考虑两者同步进行。目前采用比较多的载波同步方法可以分为基于训练序列(数据辅助)的方法和载波盲同步方法。基于训练序列的方法利用训练序列可以消除调制信息，往往具有更大的补偿范围。但由于加入了训练序列，不可避免地增加了链路负担，且算法复杂度较高。基于相位增量的盲载波同步方法具有实现简单、计算量小等优点，备受相关技术人员的青睐。但由于采用了乘方法来消除相位调制信息，该方法的补偿范围较小。本振光源和信号光源之间的频偏和相差随时间漂移，由通信端的移动引入的多普勒频移更是高达几个G赫兹，因此需要提高现有方法的补偿范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述
技术介绍
的不足而提供一种可以实现大频偏和相差条件下载波同步的方法，通过初步的频偏补偿和相差补偿及后续的消模糊过程可以实现任意大频偏和相差的精确补偿。本专利技术的作用对象默认是经过初步处理的接收机信号，这些处理包括去倾斜、正交化、定时同步和偏振解复用。本专利技术的目的是这样实现的，一种大频偏条件下相干光接收机载波同步方法，它包括以下步骤：(1)利用基于相位增量的盲频偏估计算法对接收信号进行初步的频偏估计和补偿，经过初步的频偏补偿后，残留的频偏(2)利用V-V算法对经过初步频偏补偿后的信号进行相差补偿，经过相差补偿后，相位旋转角度(3)利用遍历的方式对经过初步频偏补偿和相差补偿后的信号进行残余频偏补偿和相位消模糊，并将每一次补偿后的信号和帧头进行匹配，能够实现帧头完整匹配的一组即为残余频偏和相位旋转角被正确补偿的一组，完成相干光接收机载波同步。其中，步骤(3)具体为：利用帧头消除步骤⑴和⑵中的残留的频偏和相位旋转角度，补偿公式为：补偿公式需要进行多次，每一次选取不同的频偏Δfre和旋转角度进行组合，得到补偿后的数据，利用帧头依次和补偿后的数据块进行匹配，匹配正确则完成补偿，完成相干光接收机载波同步；其中，X″k为经过初步频偏补偿和相差补偿后的信号，Ts为相邻码元的时间间隔。其中，进行补偿时，选取X″k的长度至少为两个帧的长度。本专利技术与
技术介绍
相比具有如下优点：本专利技术将相干光接收机载波同步过程整体分为两个阶段，首先利用典型的频偏估计和相差估计方法对接收信号进行初步的频偏补偿和相差补偿，然后利用搜索帧头的方法实现残余频偏和相位旋转的补偿，最终实现大频偏和相差的精确补偿。本专利技术解决了已有算法的频偏补偿范围小、相位展开方法只适用于相差由小变大情况下的问题，可以实现任意大小频偏和载波相位的精确补偿。附图说明图1是本专利技术提出的载波同步方法流程图。图2是本专利技术采用的初步频偏补偿流程图。图3是本专利技术采用的初步相差补偿流程图。图4是本专利技术采用的数据帧结构示意图。图5是本专利技术进行帧头匹配过程示意图。具体实施方式下面将结合附图及实施例对本专利技术的技术方案进行更加清楚、详细的描述，但本专利技术的保护范围并不局限于此。QPSK调制方式具有较高的频谱效率，是目前和未来光通信应用的主流调制方式。本专利技术以单载波QPSK调制信号为例对本专利技术的技术方案进行详细描述，其调制阶数M＝4。流程图如图1所示；⑴首先对经过前期处理的接收信号进行初步的频偏补偿，这一步是利用基于相位增量的频偏估计算法实现，其工作流程图如图2。相对于数据传输速率来说，频偏是慢变信号，因此采用块处理的方式。将每一个数据块中的前一个码元取共轭后与后一个码元作乘积；对所得乘积进行4次方运算；将乘方后的码元幅度进行归一化，求码元块的平均值；取上一步所得平均值的相位并除以4，得到相邻码元间的相位增量；对该数据块进行频偏补偿。⑵对经过初步频偏补偿的信号进行初步的相差补偿，其工作流程图如图3。激光器的相位抖动同样可以认为是慢变信号，采用块处理以减小随机误差。依次对数据块中的每个码元进行4次方运算；将码元的振幅归一化，求取每一块中码元的平均值；取平均值的相位并除以4；对激光器引入的相位抖动进行补偿。⑶利用已知的帧头对残留的频偏和相位模糊进行补偿。残余频偏的可能取值集合为残余相差的可能取值集合为对接收数据按帧进行处理，本专利技术的采用的数据结构如图4所示。选取数据块的长度为两帧数据的长度，依次按照残余频偏和残余相差的不同组合对其进行补偿；对每一种补偿得到的序列进行帧头的匹配，匹配过程如图5所示，将匹配度最好的一组作为最终补偿后的数据。步骤⑴中，取共轭乘积运算可以和取4次方运算互换顺序，但先进行共轭乘积运算可以减少一次乘方运算；步骤⑴中，取码元均值运算可以和取相位运算互换顺序，先取均值需要进行幅度归一化，先取相位可以不进行幅度归一化。步骤⑴和⑵均是利用多个元素求平均的方法来减弱随机噪声的干扰。步骤⑴的具体算法过程如下：具有频偏和相位旋转的信号一般可以表示为其中，Xk是接收信号的码元序列，Ak是Xk的幅度，Δf是频偏，Ts是相邻码元的时间间隔，dk是相位调制信息，或是由激光器线宽引入的相位抖动，θk是光电接收机等引入的随机噪声。相邻码元共轭相乘的结果为星号表示取共轭，为前后两个码元调制相位的差值，和Δθk＝θk+1-θk均是随机分布的小量。这样可以利用4次方运算消除调制相位信息的影响通过多个元素求平均的方法基本可以消除随机干扰的影响，最终求得相邻码元相位增量的期望值，最终得到频偏的估计值并对其进行补偿由于先对相位增量进行了乘4操作，又对其进行了除以4的操作，因此最终求得的相位增量与原始相位增量间不一定相差2π的整数倍，即存在频偏模糊或有残余频偏，步骤⑵不需考虑频偏的部分，其具体算法如下：经过初步频偏补偿的码元为同样利用4次方运算消除相位调制信息的影响，其中是由激光器线宽引入的相位抖动，是慢变信号，θk是光电接收机等引入的随机噪声，是随机干扰信号。利用多个码元求平均的方法削弱随机干扰信号的影响，得到相位误差的期望值为由于同样利用4次方运算来消除相位调制信息，最终得到的相位误差期望值与真实的相位误差期望值之间的差值不一定是2π的整数倍，即存在相位模糊，步骤⑶利用帧头消除步骤⑴和⑵残留的频偏和相位模糊，补偿公式为其中，X″k为经过初步频偏补偿和相差补偿的信号。由步骤⑴和⑵可知，式(9)所示的补偿公式需要进行多次，每一次选取不同的Δfre和的组合，共有16种可能的情况。利用帧头依次和补偿后的数据块进行匹配，直至得到完美匹配的结果。为了确保每次匹配的序列中至少包含一个完整的帧头序列，处理的数据块长度选取为两个帧的长度。在本专利技术中帧头的作用有三个：确定每一帧的位置(帧同步)，消除残余频偏和消除相位模糊。以上所述仅为本专利技术在实施例中的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本专利技术保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大频偏条件下相干光接收机载波同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用基于相位增量的盲频偏估计算法对接收信号进行初步的频偏估计和补偿，经过初步的频偏补偿后，残留的频偏

【技术特征摘要】
1.一种大频偏条件下相干光接收机载波同步方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用基于相位增量的盲频偏估计算法对接收信号进行初步的频偏估计和补偿，经过初步的频偏补偿后，残留的频偏(2)利用V-V算法对经过初步频偏补偿后的信号进行相差补偿，经过相差补偿后，相位旋转角度(3)利用遍历的方式对经过初步频偏补偿和相差补偿后的信号进行残余频偏补偿和相位消模糊，并将每一次补偿后的信号和帧头进行匹配，能够实现帧头完整匹配的一组即为残余频偏和相位旋转角被正确补偿的一组，完成相干光接收机载波同步。2.根据权利要求1所述的大频偏条件下相干光接收机载波同...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华贵，高峰，刘旭东，李晶，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13