[发明专利]M-QAM相干光通信系统中的一种基于线性啁啾z变换的频率偏移估计算法

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及相干光通信中采用M-QAM调制格式的光纤通信系统中的频率偏移估计方案。 

背景技术

光纤通信系统始于20世纪70年代初，采用强度调制的半导体激光器，接收到的光强度信号通过光电二极管转换成电信号。这种方式被称为强度调制/直接检测(intensity modulation/direct detection，IM/DD)，并在当前的商用光纤通信系统中得到广泛的应用。但是直接检测/强度调制有着其固有的不足，比如接收及灵敏度受到噪声的限制，频谱效率(spectral efficiency)不高，不能够充分利用带宽等。在早期的研究中，采用强度恒定的差分QPSK调制格式，并在接收端采用差分检测，以提高频谱效率。这种方法能够在每个符号(symbol)内传2个比特(bit)，理论上的频谱效率能够达到2bit/s/Hz。为了进一步提高频率效率同时提高信噪比(signal to noise ratio，SNR)，可以采用得到广泛关注的相干检测。 

相干检测恢复出调制信息的幅度和相位，可以提高频谱效率，同时通过本振(local oscillator)光提高接收端信号的信噪比。相干接收系统的原理如图1所示，接收光信号和本振光信号在90°混频器中混频，上之路的平衡检测器检测接收信号的同相分量，下之路检测接收信号的正交分量。为了保证符号判决的正确性，本振光的频率必须与发射机的频率保持一致。一般情况下，本振光频率f_LO与发射机频率f_T不完全相同，使得接收到的信号在星座图上相对于原始调制信号发生旋转，旋转的角度与频率差值Δf＝f_LO-f_T有关。如果不对该旋转的信号进行频率偏移补偿，直接进行符号判决，将不能够得到正确的符号。 

随着数字信号处理技术和硬件处理能力的发展，可以通过数字信号处理的方式对频率偏移值Δf进行估计，然后通过软件的方法对其进行补偿。在最 新提出的频率估计技术当中，针对不同的调制格式提出了不同的估计算法。这些频率估计算法或直接对接收信号进行处理(时域方法)，或利用接收信号的频域信息进行频率偏移Δf的估计(频域方法)。对于采用时域估计的方法，为了提高频率估计的精度，通常需要较多的符号数或采样值(sample)，进而需要较多的存储单元以及较多处理单元和较大的处理时延。 

为了尽可能的提高频谱效率，需要采用更为复杂的调制格式。正交幅度相位调制(M-ary quadrature amplitude modulation，M-QAM)将数据信息同时加载在符号的幅度和相位上，在相同的带宽内，能够传输更多比特。但是M-QAM调制系统的解调对频率精度要求更高，需要更为精确的频率估计方法，考虑到商用系统中的实时性要求，算法的复杂度不能太高。在最近的研究进展中，研究学者相继提出针对M-QAM的频率偏移补偿方案，这些方法大体上可以分为时域的方法和频域的方法。 

在时域方法中，针对不同阶数的M-QAM有着完全不同的频率估计方法。对于16-QAM的信号，可以采用相位差分的方法进行频率估计。然而这需要对16-QAM的接收符号进行分类，而且该分类方法只适用于16-QAM调制格式，不适用于其他阶数的QAM调制，同时该方法只用到了16-QAM的部分符号，且对参与频率估计的符号要求严格。 

在频率方法中，有针对M-QAM接收信号的相位信息进行处理的，也有对M-QAM接收信号本身进行处理的。对16-QAM调制格式的信号，对其部分符号进行旋转，其相位的频谱出现一个全局最大值，该最大值与16-QAM接收信号的频率偏移值Δf相关。不过该方法也有其局限性，首先是对于高阶(M＞16)的调制格式，符号的分类比较复杂，且不易于程序的设计；其次，为了能够正确地估计出频率偏移值，需要进行两次相同的快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)运算，增加系统复杂度；第三，为得到较高的估计精度，需要进行FFT的点数较大，在2¹⁴量级，导致算法的复杂度极高。