一种概率整形星座下的频差盲估计方法技术

本发明专利技术公开了一种概率整形星座下的频差盲估计方法，包括步骤：首先，根据概率整形星座的星座点的概率分布，计算最大似然准则下的最优非线性幅度变换函数；接着，根据求得的最优非线性幅度变换函数对用于频差估计的长度为L的符号的幅度和相位进行变换；然后，对经过幅度和相位变换后的符号进行离散傅里叶变换，取频谱上幅值最高的点所对应的频率作为待估计的频差，进而得到频差估计值。本发明专利技术还提出可对频差估计值进一步进行频域插值以提高准确性。本发明专利技术能够准确捕获任意概率整形星座调制系统的频差，并且无需任何的训练序列，实用性强、计算复杂度低，能够有效提升概率整形星座调制相干光通信系统对于频差的容忍度。

A blind estimation method of frequency difference under probability shaping constellation

【技术实现步骤摘要】
一种概率整形星座下的频差盲估计方法
本专利技术属于相干光通信
，特别涉及概率整形星座调制相干光通信系统中的一种概率整形星座下的频差盲估计方法。
技术介绍
随着各种各样的互联网应用的到来，每年全球的流量呈现出指数增长的态势，这使得光通信的速率、传输距离以及灵活性等方面面临着巨大的挑战。概率整形星座调制系统由于其信源具有高斯分布的特点，使得其相比于传统的均匀分布正交振幅调制(QAM)调制系统具有最高1.53dB的信噪比增益，被认为是逼近香农理论极限的一种重要手段。近年来，概率整形星座吸引了国内外研究人员的目光，D.Pilori等人实验验证了当概率整形星座调制系统速率与传统16QAM以及32QAM星座调制系统速率一致时，其传输距离提高了15.5％以及34％。具体见参考文献：D.Pilori,L.Bertignono,A.Nespola,F.Forghieri,andG.Bosco,"ComparisonofProbabilisticallyShaped64QAMwithLowerCardinalityUniformConstellationsinLong-HaulOpticalSystems,"J.LightwaveTechnol.36(2),501-509(2018)。S.L.I.Olsson等人实验验证在短距离传输(50公里)中，概率整形4096-QAM星座调制能够实现19.77b/s/Hz的超高频谱效率传输。具体见参考文献：S.L.I.Olsson,J.Cho,S.Chandrasekhar,X.Chen,P.J.Winzer,andS.Makovejs,"ProbabilisticallyshapedPDM4096-QAMtransmissionoverupto200kmoffiberusingstandardintradynedetection,"Opt.Express26(4),4522-4530(2018)。J.Cho等人演示了使用概率整形64QAM星座调制跨洋传输5523公里以及11046公里，其频谱效率为7.46b/s/Hz以及5.68b/s/Hz。具体见参考文献：J.Cho,X.Chen,S.Chandrasekhar,G.Raybon,R.Dar,L.Schmalen,E.Burrows,A.Adamiecki,S.Corteselli,Y.Pan,D.Correa,B.McKay,S.Zsigmond,P.J.Winzer,andS.Grubb,"Trans-AtlanticFieldTrialUsingHighSpectralEfficiencyProbabilisticallyShaped64-QAMandSingle-CarrierReal-Time250-Gb/s16-QAM,"J.LightwaveTechnol.36(1),103-113(2018).在现实的内差相干光通信系统中，发射端激光器和本地激光器通常存在一定量的频率漂移。为了在数字域补偿频差，研究人员针对传统QAM星座的特点设计了一系列的无需开销的频差盲估计方法，如四次方算法，具体见参考文献：M.Selmi,Y.andP.Ciblat,"AccurateDigitalFrequencyOffsetEstimatorforCoherentPolMuxQAMTransmissionSystems,"EuropeanConferenceonOpticalCommunication,Vienna,Austria(2009)，以及圆谐波展开算法，具体见参考文献：T.H.Nguyen,M.Joindot,M.Gay,L.Bramerie,J.C.Simon,P.Scalart,andO.Sentieys,"CarrierFrequencyOffsetEstimationBasedonCircularHarmonicExpansionforOpticalCoherentM-QAMCommunicationSystems,"Opto-ElectronicsandCommunicationsConference,Shanghai,China(2015)。但是这些算法在概率整形星座下不适用。为了规避上述算法在概率整形星座系统中的兼容性问题，已有报道的整形星座系统中普遍通过插入已知的训练序列来估计频差，但这样无疑会增大系统的开销，与最初引入概率整形星座的目的相悖。为此，研究一种针对概率整形星座的频差盲估计方法对于提高概率整形星座调制相干光通信系统的频谱效率具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的针对传统QAM星座的频差盲估计方法在概率整形星座下不适用的问题，提供一种概率整形星座下的频差盲估计方法，能够在任意概率整形星座下很好地估计系统的频差。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种概率整形星座下的频差盲估计方法，包括步骤：首先，根据概率整形星座的星座点的概率分布，计算最大似然(ML)准则下的最优非线性幅度变换函数；接着，根据求得的最优非线性幅度变换函数对用于频差估计的长度为L的符号的幅度和相位进行变换；然后，对经过幅度和相位变换后的符号进行离散傅里叶变换(DFT)，取频谱上幅值最高的点所对应的频率作为待估计的频差，进而得到频差估计值。本专利技术基于最大似然准则下的非线性幅度变换函数，通过快速离散傅里叶变换操作，能够准确捕获任意概率整形星座调制系统的频差，并且无需任何的训练序列，实用性强、算法计算复杂度低，能够有效提升概率整形星座调制相干光通信系统对于频差的容忍度。具体的，所述概率整形星座下的频差盲估计方法，包括以下步骤：(1)根据概率整形星座的星座点的概率分布P(ai)，计算ML准则下的最优非线性幅度变换函数A4(r)，其中r代表接收符号的幅度。(2)选取长度为L的符号序列，根据步骤(1)获得的幅度变换函数A4(r)对各符号的幅度做变换，同时将各符号的相位变换为原来四倍。(3)通过DFT操作，计算经过幅度和相位变换之后的符号的频谱。(4)找出步骤(3)中获得的频谱的峰值，将其所对应的频率作为待估计的频差，进而得到频差估计值优选的，所述步骤(1)中，最优非线性幅度变换函数计算步骤如下：设星座点ai的概率分布为P(ai)，接收符号的幅度为r，那么ML准则下的最优非线性幅度变换函数为：其中M是星座点数量；σ2是噪声的方差，跟信噪比的关系为：A4(r)可以简单地通过数值积分来获得。优选的，所述步骤(3)中，设rk和φk分别是第k个符号的幅度和相位，经过幅度和相位变换后，其频谱为：其中n＝0,1,2,…,L-1，假设当F(n)的幅度取得最大值时，n的取值为n0，系统波特率为Rs，那么频差估计输出为优选的，所述步骤(4)，在通过取频谱峰值获取频差估计后，执行频域插值操作，获得最终的频差估计。通过插值操作可提高最终的频差估计的精度。更进一步的，频域插值操作的方法是：设系统的波特率为RS，当F(n)的幅度取得最大值时，n的取值为n0，经过频域插值操作后的最终频差估计为：其中δ为频域插值的结果，其计算如下所示：本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：针对现有技术中基于QAM星座的传统频差盲估计算法在概率整形星座下不工作的问本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种概率整形星座下的频差盲估计方法，其特征在于，包括步骤：首先，根据概率整形星座的星座点的概率分布，计算最大似然准则下的最优非线性幅度变换函数；接着，根据求得的最优非线性幅度变换函数对用于频差估计的长度为L的符号的幅度和相位进行变换；然后，对经过幅度和相位变换后的符号进行离散傅里叶变换，取频谱上幅值最高的点所对应的频率作为待估计的频差，进而得到频差估计值。

【技术特征摘要】
1.一种概率整形星座下的频差盲估计方法，其特征在于，包括步骤：首先，根据概率整形星座的星座点的概率分布，计算最大似然准则下的最优非线性幅度变换函数；接着，根据求得的最优非线性幅度变换函数对用于频差估计的长度为L的符号的幅度和相位进行变换；然后，对经过幅度和相位变换后的符号进行离散傅里叶变换，取频谱上幅值最高的点所对应的频率作为待估计的频差，进而得到频差估计值。2.根据权利要求1所述的概率整形星座下的频差盲估计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据概率整形星座的星座点的概率分布P(ai)，计算ML准则下的最优非线性幅度变换函数A4(r)，其中r代表接收符号的幅度；(2)选取长度为L的符号序列，根据步骤(1)获得的幅度变换函数A4(r)对各符号的幅度做变换，同时将各符号的相位变换为原来四倍；(3)通过DFT操作，计算经过幅度和相位变换之后的符号的频谱；(4)找出步骤(3)中获得的频谱的峰值，将其所对应的频率作为待估计的频差，进而得到频差估计值。3.根据权利要求2所述的概率整形星座下的频...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪学智，严启峰，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44