CN111083078A - 一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法及系统，属于光纤通信技术领域，包括：对发送端数字信号中的调制格式制定频偏码表；每种调制格式对应一个码表中的一个码字；根据频偏码表，在发送端数字信号上加载频偏后调制至光载波上；经调制后的光载波经过标准单模光纤传输后，在接收端被相干接收机接收后转化为电信号；接收端DSP模块将电信号转换为数字信号并对接收端数字信号进行数字频偏估计；对数字频偏判决，获取发送端加载在频偏上的数据；对照频偏码表，通过发送端加载在频偏上的数据识别发送端数字信号的调制格式。本发明能够有效解决目前高阶概率整形正交振幅调制格式的盲识别问题，并且不引入额外的开销。

Description

一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法及系统

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种概率整形正交振 幅调制格式盲识别方法及系统。

背景技术

随着英特网的广泛普及和一些新兴、大带宽业务运用的快速发展，特 别是4K极清电视点播宽带视频业务、虚拟现实、增强现实等新兴业务的兴 起，光纤通信容量需要进一步提高。同时，由于某些特定场合的特殊要求， 传输信号的频谱效率或是传输距离有特别要求，再考虑到应用的经济效益， 未来的光纤通信的接收机以及发射机必然是可以灵活调整信号的调制格式 及熵的。而最近被广泛研究的概率整形正交振幅调制格式可以灵活调整星 座图上点的发送概率，进而改变信号的熵，从而具有更加灵活，并且逼近 香农传输极限的特点。通过改变概率整形正交振幅调制格式的阶数以及信 号熵，可以满足未来光纤通信系统中的各种传输需求。

如图1所示是一个典型的光纤通信系统。发送端光信号产生单元通常 采用外调制。发送端DSP模块将需要发送的信号进行数字处理后，送入光 信号调制模块。然后光信号调制模块将信号调制到激光器发出的光载波上。 调制后的光载波被耦合进标准单模光纤传输。经过光纤传输后的载波进入 相干接收机被接收。相干接收机把本振光和接收到的载波进行干涉，从而 得到4路电信号：XI、XQ、YI、YQ。接收端DSP模块首先将四路电信号 转换为数字信号，然后对数字信号进行处理后得到最终的信息。如图2(a) ～2(c)所示是3个不同阶概率整形正交振幅调制星座图，星座点的亮度表 示了该发送端发送该星座点的概率，亮度越高，星座点出现的概率也越高。 星座点的概率满足麦克斯韦玻尔兹曼分布。发送端通过调整麦克斯韦玻尔 兹曼分布的整形参数，就可以改变星座点的发送概率，从而调整信号的熵， 从而调整传输信息的速率。采用不同的调制格式，可以满足不同的熵的调 节范围。当发送端根据需求调制不同的概率整形正交振幅调制格式时，在 接收端需要在得到数字信号后，需要对数字信号进行调制格式识别，来重 构接收端DSP模块，因为多数DSP算法是调制格式敏感的。现有的调制格 式识别的方法主要分别两类，一类是利用星座图的某些特征，例如振幅分 布直方图，斯托克斯域的聚类数量等，该类调制格式识别的方法是盲的，但是不适用于识别概率整形正交振幅调制格式。概率整形正交振幅调制格 式的星座图的振幅分布直方图都是麦克斯韦玻尔兹曼分布，基于振幅分布 直方图的盲调制格式识别不能提取不同概率整形正交振幅调制格式的特 征，不具有识别此调制格式的能力。而基于斯托克斯域的聚类方法，首先 需要将星座图变换到斯托克斯域，再根据各个类的中心点对星座点进行聚 类。这类方法在识别概率整形正交振幅调制格式时，无法找到各类的中心 点，并且对高阶调制格式来说，聚类的复杂度太高，实际中无法实现。另 一类是利用训练数据辅助的方法来完成调制格式识别，这一类方法需要格 外开销，会降低信息传输的净速率。为了不引入额外开销，一种可以实现 高阶概率整形正交振幅调制格式的盲识别方法是下一代光纤通信系统迫切 需要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种概率整形正交振幅 调制格式盲识别方法及系统，旨在实现高阶概率正交振幅整形调制格式的 盲识别。

为实现上述目的，本发明提供了一种概率整形正交振幅调制格式盲识 别方法，包括：

(1)制定频偏码表；

(2)根据频偏码表，在发送端对数字信号加载频偏后，再将加载频偏 的数字信号调制至发送端激光器发出的光载波上；

(3)被调制的光载波通过光纤传输，被相干接收机接收后转换为接收 端数字信号；

(4)对接收端数字信号进行频偏估计；

(5)对估计的频偏值进行判决，获取发送端加载在频偏上的数据；

(6)对照频偏码表，通过(5)中得到的数据，识别发送端数字信号 的调制格式。

优选地，步骤(1)具体包括：

(1.1)根据发送端数字信号的调制格式的总数，计算编码比特数M；

(1.2)根据编码比特数，对发送端数字信号的调制格式进行二进制编码， 使得每一个码字对应一种调制格式，所有的码字的集合构成频偏码表。

优选地，步骤(2)具体包括：

(2.1)对发送端数字信号分块；

其中，将每个调制格式对应数字信号中每X个分为一个块,记为B^j， j＝1,2,...,n_k，每个调制格式的数字信号所分的块的数量n_k是M的整数倍；

(2.2)从分块后发送端的第一块数字信号B¹开始，每M块划为一帧；

(2.3)根据各帧数字信号的调制格式，将每帧的各块数字信号B^j依据 频偏码表进行频偏加载；

(2.4)将加载频偏后的数字信号调制至光载波上；

其中，B^j为发送端每个调制格式的数字信号按块划分后第j个块对应的 数字信号；n_k为发送端第k个调制格式的数字信号的总块数。。

优选地，步骤(4)具体包括：

(4.1)对接收端的数字信号分块；

接收端的数字信号分块与发送端的数字信号分块一致，且每M块数字 信号划为一帧；

(4.2)利用FFT-FOE(快速傅里叶频偏估计)计算方法估计接收端每 个块数字信号的频偏大小。

优选地，步骤(5)具体包括：

(5.1)根据接收端估计的每块数字信号的频偏，计算频偏门限值；

(5.2)根据频偏门限值，判决频偏估计值，获取发送端频偏上的数据。

优选地，频偏门限值为：

δ＝0.5*(F_di+F_lo)

其中，接收端每个块数字信号的频偏包括发送端加载的频偏值F_di和误 差频偏值F_lo；误差频偏值F_lo为发送端激光器和接收端本振激光器的中心频 率差引入的频偏值；

另一方面，本发明提供了一种概率整形正交振幅调制格式盲识别系统， 包括：依次连接的发送端激光器、发送端数字信号处理(DSP)模块、光信 号调制模块、传输模块、接收模块和接收端数字信号处理(DSP)模块；

发送端激光器用于发射光载波；

发送端DSP模块用于制定频偏码表，且根据所述频偏码表，在发送端 对数字信号加载频偏；

光信号调制模块用于将加载频偏的发送端数字信号调制至光载波上；

传输模块用于将经调制后的光载波从发送端传输至接收端；

接收模块用于将传输到接收端的光载波转换为电信号并传输至所述接 收端DSP模块；

接收端DSP模块用于将电信号转换为数字信号，对接收端数字信号进 行数字频偏估计及判决，并对照频偏码表识别发送端数字信号的调制格式。

优选地，发送端数字信号上加载频偏的方法为：

t(k)＝m(k)exp(j·2πk·Δf·T) k＝1,...,n

其中，t(k)为加载频偏的发送端数字信号；m(k)为未加载频偏的发送端 数字信号；Δf为发送端数字信号上加载的频偏值；T为符号持续时间；n为 每个块的符号数；k为目标符号在其所处块中的位置。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下 有益效果：

本发明由于采用一种频偏加载技术，将调制格式的信息编码后加载在 频偏上，接收端通过对频偏上加载的信息解码，就可以识别接收数字信号 调制格式，与现有技术中基于振幅分布直方图、斯托克斯域聚类的盲识别 方法相比，能够实现概率整形正交振幅调制格式，与现有技术中基于训练 序列的方法相比，能够不引入额外开销，提高频谱效率。

附图说明

图1是本发明提供的典型的光纤通信系统图；

图2(a)是本发明提供的概率整形正交振幅调制格式为PS-16QAM的 星座图；

图2(b)是本发明提供的概率整形正交振幅调制格式为PS-64QAM的 星座图；

图2(c)是本发明提供的概率整形正交振幅调制格式为PS-256QAM 的星座图；

图3是本发明提供的接收端得到的频偏信息图示例。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，包括：

(1)制定频偏码表；

(2)根据频偏码表，在发送端数字信号上加载频偏后调制至光载波上；

(3)被调制的光载波通过光纤传输，被相干接收机接收后转换为接收 端数字信号；

(4)对接收端数字信号进行频偏估计；

(5)对估计的频偏值进行判决，获取发送端加载在频偏上的数据；

(6)对照频偏码表，通过发送端加载在频偏上的数据识别发送端数字 信号的调制格式。

优选地，步骤(1)具体包括：

(1.1)根据发送端数字信号的调制格式的总数，计算编码比特数M；

具体地，编码比特数M为：

其中，

表示向上取整；

(1.2)根据编码比特数，对发送端数字信号的调制格式进行二进制编码， 使得每一个码字对应一种调制格式，所有的码字的集合构成频偏码表。

优选地，步骤(2)具体包括：

(2.1)对发送端数字信号分块；

其中，将每个调制格式对应数字信号中每X个分为一个块，记为B^j， j＝1,2,...,n_k，每个调制格式的数字信号所分的块的数量n_k是M的整数倍；

(2.2)从分块后发送端的第一块数字信号B¹开始，每M块划为一帧；

(2.3)根据各帧数字信号的调制格式，将每帧的各块数字信号B^j依据 频偏码表进行频偏加载；

其中，B^j为发送端每个调制格式的数字信号按块划分后第j个块对应 的数字信号；n_k为发送端第k个调制格式的数字信号的总块数。

比特1表示块数字信号加载数字频偏，比特0表示块数字信号无数字 频偏，数字频偏加载的方式是对数字信号乘以一个复相位；

t(k)＝m(k)exp(j·2πk·Δf·T) k＝1,...,n

其中，t(k)为加载频偏的发送端数字信号；m(k)为未加载频偏的发送端 数字信号；Δf为加载频偏值；T为符号持续时间；n为每个块的符号数；k 为目标符号在其所处块中的位置；

(2.4)将加载频偏后的数字信号调制至光载波上。

优选地，步骤(4)具体包括：

(4.1)对接收端的数字信号分块；

接收端的数字信号分块与发送端的数字信号分块一致，且每M块数字 信号划为一帧；

(4.2)利用FFT-FOE(快速傅里叶频偏估计)计算方法估计接收端每 个块数字信号的频偏大小；

具体地，接收端第i个块数字信号的离散频谱以及频偏值分别为：

其中，

为接收端第i个块数字信号的4次方的离散频谱，m为离散 谱的自变量；r⁴(k)为接收端第i个块第k个位置处的数字信号的4次方；n 为每个块的符号数；T_sa为接收端采样间隔；f_FO为接收端估计的第i个块数 字信号的频偏值。

优选地，步骤(5)具体包括：

(5.1)根据接收端估计的每块数字信号的频偏，计算频偏门限值；

(5.2)根据频偏门限值，获取发送端频偏上的数据。

优选地，频偏门限值为：

δ＝0.5*(F_di+F_lo)

其中，接收端每个块数字信号的频偏包括发送端加载的频偏值F_di和误 差频偏值F_lo；误差频偏值F_lo为发送端激光器和接收端本振激光器的中心频 率差引入的频偏值；

另一方面，本发明提供了一种概率整形正交振幅调制格式盲识别系统， 包括：依次连接的发送端激光器、发送端DSP模块、光信号调制模块、传 输模块、接收模块和接收端DSP模块；

发送端激光器用于发射光载波；

发送端DSP模块用于制定频偏码表，且根据所述频偏码表，在发送端 对数字信号加载频偏；

光信号调制模块用于将加载频偏后的数字信号调制至光载波上；

传输模块用于将经调制后的光载波从发送端传输至接收端；

接收模块用于将传输到接收端的光载波转换为电信号传输至接收端 DSP模块；

接收端DSP模块用于将电信号转换为数字信号，对接收端数字信号进 行数字频偏估计及判决，并对照频偏码表识别发送端数字信号的调制格式。

优选地，发送端数字信号上加载频偏的方法为：

t(k)＝m(k)exp(j·2πk·Δf·T) k＝1,...,n

其中，t(k)为加载频偏的发送端数字信号；m(k)为未加载频偏的发送端 数字信号；Δf为加载频偏值；T为符号持续时间；n为每个块的符号数；k 为目标符号在其所处块中的位置。

实施例

以图1所示的光纤通信系统为例，发送端采用外调制的方式。原始发 送端数字信号首先经过发送端DSP模块处理，表1给出了频偏码表的一个 例子，提供了3种概率整形正交振幅调制格式分别为PS-16/64/256QAM， 所以编码比特数M＝2，对三种调制格式编码得到其对应的二进制码为 00/01/10，另外有一个二进制码的余量。首先对每种调制格式的信号进行分 块，每512个数字信号分为一块。然后对分块后的发送端数字信号进行频 偏加载，如果该帧的调制格式为PS-16QAM，则该帧的两个块内的发送端 数字信号不乘以复数项；如果该帧的调制格式为PS-64QAM，则该帧的两 个块内的发送端数字信号不乘以复数项；第二个块的发送端数字信号按加 载频偏的方法(t(k)＝m(k)exp(j·2πk·Δf·T)k＝1,...,n)乘以复数项，加载频 偏值；如果该帧的调制格式为PS-256QAM，则该帧的第一块内的发送端数 字信号按加载频偏的方法(t(k)＝m(k)exp(j·2πk·Δf·T)k＝1,...,n)乘以复数 项；第二个块的发送端数字信号不乘以复数项；依次对所有需要发送的所 有帧的发送端数字信号处理完后，将经过频偏加载后的发送端数字信号通 过光信号调制模块调制到光载波上；光载波通过标准单模光纤传输后，被 相干接收，在相干接收机后得到4路电信号，4路电信号再经过ADC采样 后为接收端数字信号；在接收端DSP模块中，首先需要对接收端数字信号 进行色散补偿，预均衡；然后在对接收端数字信号进行分块，依据发送端 的分块方法将接收端数字信号分为12块，6个帧，如图3所示；对每个帧 的每个块进行FFT-FOE；得到如图3所示的频偏值；图3是估计的6个帧 的接收端数字信号的频偏值；根据步骤(5)所述步骤，将频偏值判决为二 进制码：10/10/10/00/10/01；所以可以得到6帧发送端数字信号的调制格式 分别为PS-256QAM、PS-256QAM、PS-256QAM、PS-16QAM、PS-256QAM、 PS-64QAM。

表1

Code	Modulation format
		0 0	PS-16QAM
0 1	PS-64QAM
		1 0	PS-256QAM
1 1	User-defined

总的来说，本发明所提供的概率整形正交振幅调制格式盲识别方法， 能够有效解决目前高阶概率整形正交振幅调制格式的盲识别问题，并且不 引入额外的开销。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，其特征在于，包括：

(1)根据所述频偏码表，在发送端对数字信号加载频偏后，将加载频偏的数字信号调制至光载波上；

(2)将被调制的光载波转换为接收端数字信号；

(3)对所述接收端数字信号进行频偏估计；

(4)对估计的频偏值进行判决，获取发送端加载在频偏上的数据；

(5)对照所述频偏码表，通过(4)中得到的数据，识别发送端数字信号的调制格式。

2.根据权利要求1所述的概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，其特征在于，所述频偏码表的获取方法，包括：

根据发送端数字信号调制格式的总数，计算编码比特数M；

根据编码比特数，对发送端数字信号的调制格式进行二进制编码，使得每一个码字对应一种调制格式，所有码字的集合构成频偏码表。

3.根据权利要求2所述的概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

(1.1)对发送端数字信号分块；

其中，将每个调制格式对应数字信号的每X个分为一个块，记为B^j，j＝1,2,...,n_k，每个调制格式的数字信号所分块的数量n_k是M的整数倍；

(1.2)从分块后发送端的第一块数字信号B¹开始，每M块划为一帧；

(1.3)根据各帧数字信号的调制格式，将每帧的各块数字信号B^j依据频偏码表进行频偏加载；

(1.4)将加载频偏后的数字信号调制至光载波上；

其中，B^j为发送端每个调制格式的数字信号按块划分后第j个块对应的数字信号；n_k为发送端第k个调制格式的数字信号的总块数。

4.根据权利要求3所述的概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：

(3.1)对接收端的数字信号分块；

接收端的数字信号分块与发送端的数字信号分块一致，且每M块数字信号划为一帧；

(3.2)利用快速傅里叶频偏估计计算方法估计接收端每个块数字信号的频偏大小。

5.根据权利要求4所述的概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括：

(4.1)根据接收端估计的每块数字信号的频偏，计算频偏门限值；

(4.2)根据频偏门限值，判决频偏估计值，获取发送端频偏上的数据。

6.根据权利要求5所述的概率整形正交振幅调制格式盲识别方法，其特征在于，所述频偏门限值为：

δ＝0.5*(F_di+F_lo)

其中，所述接收端每个块数字信号的频偏包括发送端加载的频偏值F_di和误差频偏值F_lo；所述误差频偏值F_lo为发送端激光器和接收端本振激光器的中心频率差引入的频偏值。

7.一种概率整形正交振幅调制格式盲识别系统，其特征在于，包括依次连接的发送端激光器、发送端DSP模块、光信号调制模块、传输模块、接收模块和接收端DSP模块；

所述发送端激光器用于发射光载波；

所述发送端DSP模块用于制定频偏码表，且根据所述频偏码表，在发送端对数字信号加载频偏；

所述光信号调制模块用于将所述加载频偏后的数字信号调制至光载波上；

所述传输模块用于将经调制后的光载波从发送端传输至接收端；

所述接收模块用于将传输到接收端的光载波转换为电信号并传输至所述接收端DSP模块；

所述接收端DSP模块用于将电信号转换为数字信号，对所述接收端数字信号进行数字频偏估计及判决，并对照频偏码表识别发送端数字信号的调制格式。

8.根据权利要求7所述的概率整形正交振幅调制格式盲识别系统，其特征在于，所述发送端数字信号上加载频偏的方法为：

t(k)＝m(k)exp(j·2πk·Δf·T) k＝1,...,n

其中，t(k)为加载频偏的发送端数字信号；m(k)为未加载频偏的发送端数字信号；Δf为发送端数字信号上加载的频偏值；T为符号持续时间；n为每个块的符号数；k为目标符号在其所处块中的位置。

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