[发明专利]极低光信噪比下的相干光通信终端的时间同步方法与系统

说明书

本发明提出一种极低光信噪比下的相干光通信终端的时间同步方法与系统。该系统包含时钟同步和帧同步模块。时钟同步模块中采用一种新的无需乘法运算的，输出特性对光信噪比变化不敏感的时钟误差检测器。帧同步模块中采用一种基于Q‑chu导引序列和新型定时度量函数的多功能帧同步方法。两个模块配合能够在光信噪比极低，且变化动态范围极大的条件下实现发射和接收端的时间同步，或多个空间分集相干光接收机间的时间同步，同时还能够实现本振激光器的频偏估计。本发明能够显著改善时间同步系统的噪声容限和稳定性，降低对数字信号处理芯片处理能力的要求，减少其功耗。在空间光通信系统和光纤通信系统都有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及光纤通信，自由空间光通信，相干检测和数字信号处理技术领域，更具体地，涉及一种极低光信噪比下的相干光通信终端的时间同步方法。

背景技术

随着通信对速度和容量要求的提高，相干探测技术成为下一代光通信系统中的关键技术，得到了广泛的应用。

由于终端的大尺度相对运动，大气信道条件的变化和较大的传输损耗，与光纤通信信号相比，自由空间光通信(FSOC)信号通常具有更大的动态范围和更低的OSNR。因此，能够适应不同信道条件的灵活数字相干接收机(DCR)在FSOC领域引起了广泛关注。FSOC系统是光子匮乏的系统，因此输入到光接收机中的光信号通常具有非常低的OSNR和很大的OSNR变化动态范围，并且FSOC系统对功耗也有严格的要求。时钟同步和帧同步模块对于DCR来说是必不可少的，因此能够处理此类FSOC信号的时钟恢复算法(TRA)、帧同步算法(FSA)的发展在FSOC领域尤为重要。

时钟恢复算法(TRA)用于使光接收机与输入数据流重新同步，因此对于DCR来说是必不可少的。TRA的性能取决于TED。到目前为止，已经提出了各种TED方案，比较常用的有Oerder和Meyr等人(“OM”)提出的“平方滤波”方案，以及Gardner，Godard和Lee等人提出的其它方案。“OM”方案通常需要每个符号四次采样(4 samples per symbol：SPS＝4)，因为该方案中平方非线性运算会使信号带宽加倍。其它方案仅需要SPS＝2，因此更具吸引力，尤其是在硬件处理速度受到限制的情况下。就计算复杂度而言，Gardner算法中的TED在处理每个符号需要2次实数乘法，“OM”算法中的TED需要16次实数乘法，Lee算法中的TED的需要12次实数乘法，Godard算法中的TED需要4次实数乘法(在使用FFT计算得到信号频谱之后)。关于时序相位估计的准确性，Lee和Gardner算法中TED的抖动比其它两个算法TED的抖动低约1dB。现在提出的TRA具有两种工作模式：反馈和前馈。“OM”和Lee算法中的TED通常与前馈TRA一起使用，而Gardner和Godard算法中的TED通常在反馈TRA中使用。考虑到计算的复杂性和准确性，基于Gardner TED的反馈TRA被认为是DCR的理想选择。

然而，到目前为止，对于基于Gardner TED的TRA的研究仅仅限于光纤通信系统中传输的光信号，由于光纤通信系统良好的信道条件和中继光放大器的使用，光纤通信信号的OSNR约为10dB，OSNR的动态范围小于10dB。但是对于FSOC系统，DCR需要接收的光信号的OSNR可能远低于0dB，且OSNR动态范围可能远大于30dB，传统的TRA并不适用与FSOC信号。因此开发适用于FSOC信号的，且具有较低计算复杂性的TRA。