[发明专利]一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置。

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，简称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。相干检测受到人们的广泛关注，一方面是因为相干检测允许系统采用更高阶的调制格式，提高频谱利用率，另外一方面相干检测能够提高信噪比(Signal to Noise Ratio，简称SNR)。

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，上支路的平衡检测器检测接收信号的同相分量，下支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_L0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_L0-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。

作为下一代光通信系统中极具前景的调制技术之一，MPSK(Multi-level Phase Shift Keying，多电平相位调制键控)相干光通信系统得到学者的广泛研究。数字信号处理技术的发展，使得接收端可以不再采用频率锁相环的技术，能够对更大的频率偏差进行正确的估计。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MPSK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。

时域的方法主要利用MPSK接收信号的符号间的特性进行估计，频域的方法基于的原理是MPSK信号经过预处理后，其频谱的峰值将与待估计的频率偏移值相关。

在频域估计的方法中，MPSK信号的相位信息可以看成是周期三角波叠加上调制信息，可以将调制信息看成噪声，因此呈周期特性的相位信息的频谱在与频率偏移相关的位置产生冲击(在数值计算中，是频域最大值)。另外一方面，由于MPSK调制格式的信号是幅度恒定的信号，经过M次方去除调制信息之后，将是正弦信号，其频率是待估计的频率偏移值的M倍，可以直接通过搜寻其频谱的最大值而得到。但是频域估计的方法往往需要用到FFT(快速付立叶变换)运算，其复杂度为0(N log₂ N)，且其需要的存储单元也比较的多，这限制了频域估计方法在实时商用系统中的处理速率和效率。

在时域估计的方法中，主要利用相邻的MPSK信号之间相位差进行估计。由于频率偏移的存在，相邻采样值之间除了调制相位，还包含有由频差引起的相位，且该频差引起的相位为恒定值。学者提出直接对接收到的MPSK信号进行复数的乘法和共轭运算，最后通过平均的方法消除高斯噪声的影响。但是这样的方法涉及到复数的运算，在硬件实现的过程中实际上是通过实数乘法和加法实现，每次复数乘法需要4次实数乘法和2次实数加法，在实际的操作过程中，需要大量的硬件资源和大量的计算时间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种MPSK相干光通信系统中频率偏移估计方法及装置，以降低频率偏移估计的复杂度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种M电平相位调制键控(MPSK)相干光通信系统中频率偏移估计方法，包括：

通过查表获得MPSK信号经过下采样后的信号的相位信息；

对所述相位信息进行差分运算，得到相邻的符号相位差；

对所述相位差进行处理后，求相位；

根据求得的相位估计MPSK信号的频率偏移。