一种CO-OFDM系统相位噪声优化补偿方法技术方案

一种CO‑OFDM系统相位噪声优化补偿方法，通过减少相位噪声谱结构的约束条件，不管其信道估计精确与否，其优化算法均可有效补偿信道均衡后的残余幅度噪声，因此最终的相位噪声估计精度明显优于其他相位噪声估计算法，并取得了突破性的相位噪声补偿效果。本发明专利技术中运用了相位噪声降维模型，对于CO‑OFDM系统来说该相位噪声优化方法计算复杂度完全可以容忍。本发明专利技术该发明专利技术能极大促进CO‑OFDM系统在长距离接入网和城域网中的应用。

An Optimal Compensation Method for Phase Noise in CO-OFDM System

An optimal phase noise compensation method for CO_OFDM system can effectively compensate the residual amplitude noise after channel equalization by reducing the constraints of phase noise spectrum structure, whether the channel estimation is accurate or not. Therefore, the final phase noise estimation accuracy is obviously better than other phase noise estimation algorithms, and a breakthrough phase noise compensation effect is achieved. The phase noise dimension reduction model is used in the present invention, and the computational complexity of the phase noise optimization method is completely tolerable for CO OFDM system. The invention can greatly promote the application of CO OFDM system in long distance access network and metropolitan area network.

【技术实现步骤摘要】
一种CO-OFDM系统相位噪声优化补偿方法
本专利技术属于光通信网络
，特别涉及一种CO-OFDM系统的相位噪声优化补偿方法。
技术介绍
在相干光通信系统中结合电域正交频分复用(OFDM)调制技术，形成相干光正交频分复用(CoherentOpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,CO-OFDM)传输技术，具有对光纤色散和偏振模色散具有良好的抑制作用、用数字信号处理灵活地补偿系统损伤的能力、高频谱利用率等优点，已成为长距离高速通信系统和光接入网等领域备受关注的技术之一。CO-OFDM系统结构如图1所示，按其功能可以分为5个模块：CO-OFDM系统发射端模块101、光调制模块102、光纤传输模块103、光电检测模块104以及CO-OFDM系统接收端模块105，CO-OFDM发射端模块产生的电域信号经过电光调制的上变频变成光域的CO-OFDM信号，CO-OFDM信号经光纤传输、平衡探测器后经光电转换成电域的信号，CO-OFDM接收端再对接收到的电信号进行信号处理以期恢复原始的发送段数据。结合图1，对整个系统的工作过程进行详细表述。CO-OFDM系统串行输入的数据106经过串并转换模块107，变为并行的N路数据；按照不同的调制格式将串并转换后的信号进行数字调制108；快速傅里叶逆变换IFFT模块109实现信号从频域到时域的转换；加入循环前缀CP110；将得到的电域信号进行并串转换111。上述信号的同相分量和正交分量信号分别通过数模转换器112、113变换为模拟信号并通过低通滤波器114、115；采用放大器将信号的同相分量116和正交分量117放大并注入到I/Q调制器中实现同相分量I和正交分量Q对光信号的正交调制；I/Q调制器由3个双臂的马赫增德尔MZM调制器120、121和122组成，其中两个调制器实现对信号的调制，第三个调制器122控制光调制的同相分量I和正交分量Q的相位差；分别调节两个调制器120、121的直流偏置保证实现信号调制的调制器工作在最小功率点，而第三个控制相位差的调制器工作在正交点以保证两路信号存在90°的相位差；118表示CO-OFDM系统的发射激光器，通过分路器119分成两束同样的激光，用于驱动二个光调制器120和121。二个光调制器输出的信号通过合束器123，变成单路的光信号，接着输入到光纤信道进行传输。产生的CO-OFDM信号在光纤124中经过长距离的传输后，经过直接的光-光放大器-掺铒光纤放大器(EDFA)125补偿光纤损耗后再进行传输，表示长距离的光纤,126表示光带通滤波器。经过长距离的光纤传输后，光电检测模块将光域信号变换成电域的信号。127表示CO-OFDM系统接收端的本地激光器，通过分路器分成两束同样的激光，128表示一个90°的相移器；129和130表示两个耦合器，驱动4个光电二极管(PD)131、132、133和134。135和136表示两个减法器，分别对应输出接收信号的同相分量I和正交分量Q。得到的同相分量I和正交分量Q经过低通滤波器137、138和模数转换器139、140转换后进入CO-OFDM接收端。CO-OFDM接收端进行数字信号处理141，进行CO-OFDM发送端的逆过程，进行串并转换142，移除循环前缀CP143，然后进行FFT变换144，对CO-OFDM信号进行数字解调145，最后经过并串转换146恢复得到原始的发送端串行数据输出147。作为多载波传输系统，CO-OFDM与单载波相干光通信系统相比(如相干光正交幅度调制(QAM)系统)，由于其符号周期长、子载波间隔小，对激光器相位噪声和光纤的非线性更敏感，所以CO-OFDM传输技术的发展高度依赖于激光器相位噪声和光纤非线性损伤的补偿精度。目前机器学习已被提出用于缓和CO-OFDM系统中非线性的影响。虽然在CO-OFDM系统中非线性损伤和线性损伤可以通过神经网络等非线性均衡器同时被补偿，但是这样的方法是用大量的训练符号和巨大的计算复杂度作为代价的。本专利技术中，我们致力于在大激光器线宽和高阶调制的CO-OFDM系统中实现高精度的相位噪声补偿方法，使其能应用于一些使用大线宽、低成本激光器的城域接入网。在CO-OFDM系统中有许多用于相位噪声补偿的数字信号处理算法。传统的算法可以分为三种类型：盲相位噪声补偿算法(文献1，SonT.Le,PaulA.Haigh,AndrewD.Ellis,SergeiK.Turitsyn.BlindphasenoisecompensationforCO-OFDMtransmission.JournalofLightwaveTechnology,2016,34(2):745-753.即SonT.Le,PaulA.Haigh,AndrewD.Ellis,SergeiK.Turitsyn.CO-OFDM传输系统的盲相位噪声补偿,光波技术学报,2016,34(2):745-753.)；判决反馈算法(文献2，XuezhiHong,XiaojianHong,SailingHe.Linearlyinterpolatedsub-symbolopticalphasenoisesuppressioninCO-OFDMsystem.OpticsExpress,2015,23(4):4691-4702.即XuezhiHong,XiaojianHong,SailingHe，CO-OFDM系统中线性插值与子符号光相位噪声抑制,光学快报,2015,23(4):4691-4702.)；基于导频的算法，包括运用分散的导频结构和射频导频。当CO-OFDM系统采用大线宽激光器和高阶调制方式时，利用分散的导频子载波是现实应用中最通用和实用的相位噪声估计方法。在众多基于导频的算法中，线性插值与子符号光相位噪声补偿(LI-SCPEC)是最具代表性的算法之一(文献2，XuezhiHong,XiaojianHong,SailingHe.Linearlyinterpolatedsub-symbolopticalphasenoisesuppressioninCO-OFDMsystem.OpticsExpress,2015,23(4):4691-4702.即XuezhiHong,XiaojianHong,SailingHe，CO-OFDM系统中线性插值与子符号光相位噪声抑制,光学快报,2015,23(4):4691-4702.)，该算法先用最小二乘法估计公共相位噪声(commonphaseerror,CPE)：φn＝angle(Yn/Xn),i＝0,1,...,Ns其中Xn、Yn为第n个发送、接收符号。再线性插值得到各个子载波上的相位噪声，Ncp为循环前缀的长度：随后进行相位纠正。经过信道均衡和相位纠正的信号为：这里(·)*表示复共轭矩阵，表示共轭转置矩阵，F为FFT矩阵，相位噪声矩阵再对上述处理过的信号进行判决操作Q(·)，并做IFFT变换到时域：令信道均衡后的符号将ai、bi分割成NB个子符号，则第i个子符号可以分别表示为：bn＝[bn(il+0),bn(il+1),...,bn(il+l-1)]Tan＝[an(il+0),an(il+1),...,an(il+l本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种CO‑OFDM系统相位噪声优化补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)接收端初始信号处理，过程如下：1‑1、接收端对接收到的CO‑OFDM信号进行相干探测接收，然后进行模数转换，得到电域的信号；随后进行电域光纤色散补偿，将光纤信道频域传递函数的解析形式经傅立叶变换到时域，设计时域有限长单位冲激响应(FIR)滤波器来实现，该滤波器的阶数随色散累积而增加；1‑2、移除循环前缀CP；1‑3、采用快速傅里叶变换将信号从时域变为频域；(2)最小二乘信道估计与均衡，过程如下：2‑1、LS粗略信道估计，在发送端，设置前Np个符号为训练符号，在接收端，根据LS得：

【技术特征摘要】
1.一种CO-OFDM系统相位噪声优化补偿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)接收端初始信号处理，过程如下：1-1、接收端对接收到的CO-OFDM信号进行相干探测接收，然后进行模数转换，得到电域的信号；随后进行电域光纤色散补偿，将光纤信道频域传递函数的解析形式经傅立叶变换到时域，设计时域有限长单位冲激响应(FIR)滤波器来实现，该滤波器的阶数随色散累积而增加；1-2、移除循环前缀CP；1-3、采用快速傅里叶变换将信号从时域变为频域；(2)最小二乘信道估计与均衡，过程如下：2-1、LS粗略信道估计，在发送端，设置前Np个符号为训练符号，在接收端，根据LS得：其中即为第n个符号，第k个子载波的信道频率响应，Xn,k，Yn,k分别为发送和接收的第n个符号，第k个子载波上的数据，V′n,k为噪声项；2-2、用符号内频域平均的方法减小邻近子载波之间的干扰，得到第k个子载波的信道转移函数精确估值这里t为参与信道估计的相邻子载波信道数；2-3、信道均衡，在每个OFDM帧中，对接收端的Ns个OFDM数据符号进行信道均衡后，第n个OFDM符号第k个频域数据Y′n,k为，(3)M-GLS相位噪声估计：通过减少相位噪声谱结构的约束条件，不管其信道估计精确与否，其优化算法均可有效补偿信道均衡后的残余幅度噪声，通过构造代价函数和选择约束条件，写出对偶问题最后求出相位噪声精确估计值；(4)最终相位噪声补偿：对其频域信号进行如下的相位噪声补偿，其中Y′n即为接收端经过信道均衡后的第n个符号，表示第n个符号的相位噪声谱向量估计值。2.如权利要求1所述的一种CO-OFDM系统相位噪声优化补偿方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：3-1、相位噪声谱向量降维，假设CO-OFDM系统中，在接收端其他所需的数字信号处理算法都没有误差，则接收的时域第n个OFDM符号、第m个采样点yn,m表示为：这里xn,m，hn,m和vn,m分别为时域发送信号，信道冲击响应和噪声项；显然每个采样点的相位噪声...

【专利技术属性】
技术研发人员：田飞燕，曹婧，毛怡帆，任宏亮，卢瑾，覃亚丽，乐孜纯，胡卫生，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33