相位受控旋转的调制系统、方法及改进型相关恒模算法
【技术领域】
[0001] 本发明设及相干光通信领域，具体设及一种相位受控旋转的调制系统、方法及改 进型相关恒模算法。
【背景技术】
[0002] 相干光通信的理论和实验始于80年代。相干光通信系统被公认为具有灵敏度高、 频率选择性好、频谱效率高的特点，运些特点有利于通信容量的提高。此外，在相干光通信 中，色散与偏振模色散对信号的损伤都为线性损伤，此时通信信道可建模为线性时不变系 统，故通过适度复杂的DSP(Dig;Ual Signal Processing,数字信号处理)技术就可W补偿 线性损伤，进而使得W前困扰业界的色散问题变得相对容易解决。
[0003] 在40G、100G的光通信时代，相干光通信与DSP技术相结合取得了巨大商业成功。综 合考虑谱效率与光信噪比容限的要求，IOOG商用系统采用的是基于相干光通信的PM-QPSK (化Iarization Multiplexed 如a化i Phase Shift Keying,偏振复用四相移键控)技术。
[0004] 由于电子技术的进步，使得DSP的成本大为降低，新一代的相干光通信系统普遍引 入DSP技术。在使用本征光载波解调信号光后，再使用ADCUnalog-Digital Converter,模 数转换器)采样所得电子信号，最后进行数字信号处理。参见图1所示，相干光通信接收机的 DSP的流程一般为:色散补偿^时钟恢复^自适应滤波(CMA)^载波恢复(频差估计与补偿） ^载波恢复(相差估计与补偿码元判决。
[000引自适应滤波器为上述DSP的流程的主要组成部分，其能够起到偏振解复用与残余 色散补偿作用，通常由线性均衡器与自适应滤波系数更新算法组成。CMA(Constant Modulus Algorithms,恒模算法)为一种可用于PM-QPSK的自适应滤波系数更新算法。恒模 算法因为不需要训练序列，且不需要事先补偿频差，所W具有简单且鲁棒性强的特点，进而 被主流商用系统采用。
[0006] 相对于被1OOG商用系统采用的PM-QPSK技术，另外的调制格式有其独特特点与优 势。新提出的PS-QPSK(F*ola;rization Switched Qua化i Phase 化ift Keying,偏振开关四 相移键控)虽然谱效率只有PM-QPSK的四分之S，但是PS-QPSK信号在所有可用于高速光通 信的调制格式中，具有最高的灵敏度和最高的〇SNR(Optical Signal Noise Ratio,光信噪 比）容限、且非线性容忍度更高，能完成更远距离的传输。此外，PS-QPSK在无中继超长跨距 传输中，性能也优于PM-QPSK。
[0007] 但是，CMA用于PS-QPSK信号时，虽然两个偏振态X和Y的调制都是QPSK信号，但在 任意码元周期，其中X的调制信号怎f (好）必然等于或相反于Y的调制信号友完(打)，即 怎(打）二+旬;(W)。由于尼,打")巧(M)贿才朕肚圆雌逾瓣波離]凝如河制始授贩义 点，例如，自适应滤波器最后的输出Emjt(n)可能为：二COS(C)E,（") + ./sin(a)与 其中COS (a)与sin(a)表示任意平方和等于1的系数，a为任意角度，j为虚数单位。从公式（1) 可W看出，最后的输出中，两个偏振的调制叠加在一起，并没有真正解开，但仍然满足恒模 条件，此时，基于恒模算法的自适应滤波器没有输出正确的结果。可W看出，经典的恒模算 法用于PS-QPSK信号时，会出现错误收敛的问题。
[0008] 针对经典的恒模算法错误收敛的问题，业界提出了一些改进型恒模算法用于PS-QPSK的自适应滤波器更新。但使用运些算法的自适应滤波器输出的两个偏振信号不是四星 座点的QPSK信号，且两偏振输出信号相互独立，后续的载波恢复与码元判决实施高度复杂。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：将普通PS-QPSK转换成 MR-PS-QPSK时，能够正常使用经典的恒模算法，避免现有技术中普通PS-QPSK使用经典的恒 模算法会出现的错误收敛问题。本发明能够保证自适应滤波器的两个偏振输出信号相位相 互锁定，还能够采用单偏振QPSK的信号处理过程对合并后的信号进行后续处理，极大简化 了后续处理过程。
[0010] 为达到W上目的，本发明提供的相位受控旋转的调制系统的改进型相关恒模算 法，包括W下步骤：
[0011] A、使用改进型相关恒模算法更新自适应滤波器系数，W保证自适应滤波器输出的 ￥偏振数字信号(；:巧)和《偏振数字信号H)的相位锁定，具体步骤为：
[0012] 对X偏振接收信号[EinX(n-l)]和Y偏振接收信号[EinY(n-l)]进行时域滤波，时域 滤波的公式为：
[001引其中：严、产y JYX jyy为4个自适应滤波器系数，n为序列号，L为自适应滤波器级数， 1为自适应滤波器级数序号；
[0016]上述时域滤波的误差定义式为：
[0021] 根据上述误差定义使用梯度算法，得出对应的系数更新公式为：
[0022] 当控制信号序列C(n)为加寸：
[0032] 上述系数更新公式中*为共辆符号，g表示第g次更新，j为复数符号，化和均为根 据需要使用的微小系数；
[0033] B、接收端根据C(n)的数值逆向旋转Y偏振信号：当C(n)为加寸，接收端不旋转Y偏振 信号；当C(n)为1时，接收端将Y偏振信号旋转-n/2,得到反向受控旋转的Y偏振信号 巨rotate^ 巧^ ;
[0034]将6<。。*(11)与￡,^^/句共辆相乘，得到数字信号2<"。。*(11)，计算公式为：
[003引根据EXYnut(n)恢复开关信号S(n):当EXYnut(n)的实变量Real[EXYnut(n)]>0时，S(n) =0;当Real[EXY0ut(n)]<0时，S(n) = l;
[0036] C、将与:,（H)与马(内)合并，得到合并信号Emerge(n)，Emerge(n)的计算公式为：
[0039] 在上述技术方案的基础上，步骤A中所述系数更新公式中的iii和ii2可相同或者不 同。
[0040] 在上述技术方案的基础上，步骤A中所述系数更新公式中的m取值范围为1~1(T9， 化的取值范围为1~1〇一 9。
[0041 ]本发明提供的相位受控旋转的调制方法，包括W下步骤：
[0042]步骤一、在发送端，产生可携带3bit信息的PS-QPSK信号，PS-QPSK信号中的X偏 振信号携带化it信息的QPSK信号，第3bit信息为开关信号S(n)，n为序列号;PS-QPSK 信号在Y偏振方向上，根据S(n)调制与X偏振信号怎^相同或相反的Y偏振信号其表达 式为：
[004引与!;（巧>=+与y (巧)，当S(n)=0;
[0044]与巧(n) = 1;
[004引发送端定义长度为N的控制信号序列C(n)，l<n<N，n、N均为正整数，C(n)为一段 长为N的PRBS码流，控制信号取值为0或1;发送端将C(n)循环移位、并使用C(n)对及^进行受 控旋转：当控制信号取值为0时，发送端不旋转必;当控制信号取值为1时，发送端将必旋 转V2;对进行受控旋转处理后，产生一个伪PM-QPSK信号；
[0046] 步骤二、接收端对伪PM-QPSK信号进行解调和采样，对采样后的数据进行色散补偿 和时钟恢复后，使用CMA算法更新自适应滤波器系数，得到自适应滤波器输出的Y偏振数字 信号每W的)和X偏振数字信」'；￡,立,,（H);
[0047] 步骤S、通过方。(W)和，将接收端和发送端的C(N)对齐；
[0048] 步骤四、采用权利要求1至3任一项所述的相位受控旋转的调制系统的改进型相关 恒模算法更新自适应滤波器系数、恢复S(n)、合并偏振信号，得到合并信号Emerge(n);
[0049] 步骤五、采用单偏振QPSK的信号处理过程，对Emerge(n)进行后续的数字信号处理。
[0050] 在上述技术方案的基础上，步骤=具体包括W下步骤：
[0051] S301:计算数字信号，计算公式为：
[00閲为了消除旬;,,(W)和怎支^如）的相位差的影响，将E。'式(《)做一阶差分得到数字 信号怎。芳-Ay' (M+1)，其计算公式为：
[00财 s302:将巧;;'-職(舟+1)任取长度为N的数据为一帖，得到马芳-嘶(丹)，1 <内< iV;
[0056] S303:对发送端和接收端的C(n)进行循环一阶差分处理和取模，得到数字信号Cdif (n)，1 < n < N:
[0057] 当 1 <n<N-l时，C"f(n) = [C(n+l)-C(n)]M0D 2;
[0058] 当n = l时，C"f(n) = [C(I)-C(N)]M0D 2;
[0059] 其中MOD代表取模运算；
[0060] S304:将Cdif(n)循环移位，移位后与做相关求和运算，计算公式为：
[006引其中洲M为相关求和函数，k为cdif(n)循环移位的位数，k为正整数，Cdif (n)循环移 位k位得到Cf(W)
[0063] 寻找SUM化)绝对值的峰值，根据峰值所对应的k值对C(n)循环移位k位，完成接收 端、发送端控制数字序列的同步。
[0064] 在上述技术方案的基础上，步骤五中所述后续数字信号处理的过程依次为:频差 估计与补