基于导频和二维投影直方图的CO-OFDM系统中的CPE补偿方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于导频和二维投影直方图的CO‑OFDM系统中的CPE补偿方法，首先采用较少的几个子载波作为导频得到导频对应的相位噪声值，对其平均得到每个OFDM符号CPE相位噪声的大致取值范围，并在每个OFDM符号对应的星座图上做初步的相位噪声补偿。然后，对初步补偿后的星座图在同相分量和正交分量分别投影，对同相和正交两个维度上做投影直方图算法得到的相位噪声值求平均值得到更精细的相位噪声估计值，并结合初始补偿值得到最终的CPE相位噪声补偿值。本发明专利技术解决了CO‑OFDM系统中的CPE相位噪声补偿问题，以及传统导频辅助CPE补偿方法的频谱效率问题和传统CPE盲估计方法的判决误差和以π/2为周期的相位偏差问题。

CPE Compensation Method in CO-OFDM System Based on Pilot and Two-Dimensional Projection Histogram

【技术实现步骤摘要】
基于导频和二维投影直方图的CO-OFDM系统中的CPE补偿方法
本专利技术涉及光传输
，具体涉及一种用于相干光正交频分复用系统(CoherentOpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,CO-OFDM)的基于导频(Pilots-aided,PA)和二维投影直方图(2-dimensionalProjectionHistogram,2PH)的相位噪声补偿方法。
技术介绍
相干光正交频分复用(CO-OFDM)系统结合了相干光通信以及OFDM的优点，抗色散能力强、接收机灵敏度以及频谱效率高。相位噪声是CO-OFDM系统的主要损伤，主要来自于激光器的线宽，由发送端和接收端的相位不匹配导致。首先，OFDM是一种多载波调制技术，与单载波调制技术相比，其符号周期较大，对相位噪声更加敏感，相位噪声会破坏子载波间的正交性，引起公共相位误差(CommonPhaseError,CPE)和子载波间干扰(Inter-carrierInterference,ICI)从而恶化系统性能，且激光器相位噪声在色散光纤种传输后会转换为强度噪声，制约最大传输距离。其次，CO-OFDM的调制方式通常为多进制正交幅度调制(MultipleQuadratureAmplitudeModulation,MQAM)，而MQAM作为一种高阶调制极易受到相位噪声的影响。最后，CO-OFDM系统中的相干检测技术需要精确跟踪传输信号和本地振荡器输出之间的相位和频率，而激光器相位噪声会对其造成干扰。经对现有文献检索发现，目前相位噪声抑制算法主要分为CPE补偿算法和ICI补偿算法。CO-OFDM系统中，CPE相位噪声使得频域OFDM符号内各个子载波具有相同的相位噪声分量，在星座图上表现为星座点的整体旋转；ICI相位噪声是不同子载波具有的随机相位旋转，在星座图上表现为星座点的旋转。当激光器线宽较小时，ICI可以等价为零均值的高斯噪声处理，只需估计CPE就能有较好的补偿效果；当激光器线宽较大时，则需要将ICI作为维纳过程处理。CPE补偿算法包括数据辅助算法和盲补偿算法。例如XingwenYi等人发表的《PhaseEstimationforCoherentOpticalOFDM》中提出的导频辅助(Pilot-Aided,PA)算法，其主要思想是通过计算一个OFDM符号上所有导频的相位噪声均值来估计CPE。PA算法使用较广泛且准确率较高，但额外的导频开销降低了频谱利用率。MohammadE.Mousa-Pasandi等人发表的《Zero-overheadphasenoisecompensationviadecision-directedphaseequalizerforcoherentopticalOFDM》中提出的判决引导(Decision-Directed,DD)算法，其主要思想是利用当前符号的初始判决来重新估计和补偿相位噪声，并逐个更新均衡参数，但该算法增加了系统的时间复杂度高。此外，JunjieMa等人发表的《ProjectionHistogramAssistedCommonPhaseEstimationAlgorithminCoherentOpticalOFDMSystem》中提出一种基于投影直方图(ProjectionHistogramAssisted,PH)的CPE忙补偿算法，其主要思想是将M-QAM星座图看作二维平面中的图像，使CO-OFDM系统中的相位估计问题转换为求图像倾斜角度的问题，通过对星座点坐标旋转确定一个能使投影直方图出现log2M个最大峰值的角度作为最优CPE值进行补偿。DD算法和PH不需要任何导频，频谱效率高，但只适用于CPE足够小，并不足以导致判决误差的情况。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供了一种基于导频和二维投影直方图的CO-OFDM系统中的CPE补偿方法，包括如下步骤：步骤1：带有导频子载波和训练序列的OFDM数字信号经过电光调制转换为光信号经光链路传输，在接收端采用相干光检测将接收光信号转换为电信号。步骤2：利用训练序列计算每个OFDM子载波的信道传输函数估计值，并进行基于时域平均的信道均衡。步骤3：对信道均衡后的OFDM信号计算每个OFDM符号在导频子载波位置的相位噪声值并求平均值，将其作为每个OFDM符号的初始CPE相位噪声估计值。步骤4：将步骤3中补偿后的每个OFDM符号的星座图映射到二维数字图像并利用Radon变换进行坐标旋转，根据图像在同相和正交两个方向上的投影直方图得到更精细的CPE相位噪声估计值。步骤5：结合步骤3中的初始CPE相位噪声估计值和步骤4中更精细的公共相位噪声估计值，得到最终每个OFDM符号的相位噪声估计值并补偿。优选地，所述步骤1中，导频子载波的插入形式为梳状导频，且搭载导频数据的子载波数量是少量的。优选地，所述步骤3中，首先利用少量的导频子载波进行粗略的相位噪声估计，并将此估计值用于相位噪声的初补偿，以解决用二维投影直方图做CPE盲估计时，以π/2为周期的偏差问题。优选地，所述步骤4中，对于M-QAM调制的OFDM信号，通过同相和正交两个方向上的投影直方图，将能分别使同相和正交方向的投影直方图的出现log2M个最明显的高斯分布时的两个公共相位噪声估计值的平均值作为更精细的CPE相位噪声估计值。优选地，所述步骤5中，最终的相干光OFDM系统公共相位噪声估计值由步骤2中的初始估计值和步骤4中更精细的估计值两部分组成。初始估计值用于将CPE估计值于CPE实际值的偏差控制在[-π/4,π/4]范围内，更精细的估计值用于进一步将CPE估计值调整至CPE实际值附近。二维投影直方图CPE盲估计的具体步骤如下：1)、将利用少量导频得到的粗略公共相位噪声估计值作为CPE的初始补偿值进行补偿，保证初始补偿后的星座图与理想星座图的旋转角度偏差在[-π/4,π/4]范围内。2)、在[-π/4,π/4]范围内以一定步长取值，作为CPE测试值，在一个OFDM符号中用上述所有测试值作为补偿值进行补偿，并将补偿后的星座图采样成二维数字图像，再通过Radon变换得到这些二维数字图像在同相和正交两个维度的投影直方图。3)、挑选出步骤2中能使同相或正交两个维度上的投影直方图出现log2M个最明显的高斯分布的尖峰，且在log2M个投影中心一定领域内的像素点数量之和最大时的测试值，并将这两个测试值求均值作为一个OFDM符号上更精细的CPE估计值。4)、对于每一个接收的OFDM符号，经过信道均衡后重复上述步骤1、步骤2、步骤3，得到每个OFDM的最优的更精细的CPE估计值。优选地，所述步骤1)中，所使用的导频数量是少量的，其用途是作为CPE的初始补偿值，避免基于二维投影直方图的CPE盲估计时存在的判决误差以及以π/2为周期的偏差问题。优选地，所述步骤2)中，对于每一个测试相位，将其转换为星座图上的偏转角度，并利用Radon变换以及极坐标系与直角坐标系之间的坐标转换关系，完成二维数字图像的旋转。相对于直接对数字图像做旋转操作或者直接将每个测试相位代入均衡后的接收信号再进行补偿而言，减少了计算复杂度。优选地，所述步骤3)，由于某些情况下，如信道均衡不够理想时导致的接收端I、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于导频和二维投影直方图的CO‑OFDM系统中的CPE补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：带有导频子载波和训练序列的OFDM数字信号经过电光调制转换为光信号发送，在接收端采用相干光检测将接收光信号转换为电信号；步骤2：利用训练序列计算每个OFDM子载波的信道传输函数估计值，并进行信道均衡；步骤3：对信道均衡后的OFDM信号计算每个OFDM符号在导频子载波位置的相位噪声值并求平均值，作为每个OFDM符号的初始CPE估计值；步骤4：将步骤2中补偿后的每个OFDM符号的星座图映射到二维数字图像并进行图像旋转，根据图像在同相和正交两个方向上的投影直方图得到更精细的CPE估计值；步骤5：结合步骤3中的初始CPE估计值和步骤4中更精细的CPE估计值，得到最终每个OFDM符号的CPE估计值并补偿。

【技术特征摘要】
1.基于导频和二维投影直方图的CO-OFDM系统中的CPE补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：带有导频子载波和训练序列的OFDM数字信号经过电光调制转换为光信号发送，在接收端采用相干光检测将接收光信号转换为电信号；步骤2：利用训练序列计算每个OFDM子载波的信道传输函数估计值，并进行信道均衡；步骤3：对信道均衡后的OFDM信号计算每个OFDM符号在导频子载波位置的相位噪声值并求平均值，作为每个OFDM符号的初始CPE估计值；步骤4：将步骤2中补偿后的每个OFDM符号的星座图映射到二维数字图像并进行图像旋转，根据图像在同相和正交两个方向上的投影直方图得到更精细的CPE估计值；步骤5：结合步骤3中的初始CPE估计值和步骤4中更精细的CPE估计值，得到最终每个OFDM符号的CPE估计值并补偿。2.根据权利要求1所述的补偿...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕美华，叶玮胜，杨国伟，周雪芳，池灏，滕旭阳，胡淼，李齐良，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33