相干检测载波恢复算法的概述

相干检测载波恢复算法的概述摘要：随着互联网流量的日益增长，部署更高数据速率和大容量的光传输系统已成为势在必行。

然而，偏振模色散和信道内的非线性效应使信号质量明显变差，基于直接检测系统将不再满足高质量的接收性能要求。

前瞻性的研究进展明确指出，与数字信号处理(DSP)技术的结合将使相干检测技术更加具有吸引力。

在相干检测DSP算法中，载波恢复是必不可少的。

对调相信号,载波与本振间的频率和相位偏移会使信号产生较大的相位失真,为了保证信息的可靠传输，对载波频率偏移和相位偏移估计方法的研究与改进具有重要意义。

关键词：偏振模色散；光传输；相干检测；DSP；载波恢复1、前言在当今的信息化、网络化时代，随着社会科技水平的进步和人们生活水平的提高，人们对通信业务的需求及通信质量的要求越来越高。

第四代移动通信系统（4G）在全球范围内已经广泛应用，它是一种能够提供多种类型、高质量的多媒体业务，可以实现全球无缝隙覆盖，具有全球漫游能力，并且与固定网络相互兼容，用终端设备可以在任何时候、任何地点与任何人进行任何形式通信的移动通信系统。

然而随着技术的不断发展和用户对新业务的需求的不断提升，更高速、更高质量和超大容量成为了通信领域发展所追求的主要目标。

目前，电信正以惊人的速度在发展，而光纤通信是电信中发展最快、最具有活力的部分之一。

在当前的通信网络构架中，光通信系统，特别是光纤通信系统在容量、速率和传输距离方面表现出强大的优势，使其逐渐占据了通信舞台的主角地位。

在20世纪80年代末期和90年代初期，相干系统曾经是重要的技术，但在20世纪90年代末期，由于光放大器的出现，对相干系统的研究出现了停滞。

近年来，随着数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术的发展和低成本器件的出现，使得相干接收技术的研究又开始火热起来，这主要是因为相干系统可在高数据速率条件下降低对接收机的要求以及相干接收所具有的一些独特优势。

在相干检测中对于瞬时相位信息的保留使得在电域中对色散进行自适应补偿成为可能。

此外，相干系统的有利之处还在于，光域的所有信息都可以在电域获得，因此，可以避免使用辅助的光调制与干涉方法进行检测，而在直接检测系统中必须使用这种方法，于是光域的复杂度就被转移到了电域。

正由于相干检测的各种优势，特别是具备补偿光传输中多种损伤的能力，相干光研究曾活跃于上世纪九十年代。

然后，由于缺乏相应的高速数字信号处理芯片的支持，该项技术在上世纪九十年代中后期进入低谷期。

随着先进数字信号处理(DSP)技术、微电子技术(特别是高速的模数转换技术[36]的发展，相干光数字接收机所赖以发展的技术条件已经成熟。

它结合了相干光检测与DSP技术，将复杂的色散补偿[1]、偏振跟踪[2]、频率锁定等转移到电域中，以消除光信道和光学器件的非理想特性对信号的损伤，已经成为目前业界普遍承认的下一代传输网技术。

相干检测是一种全息检测技术,它可以允许信息被编码在光纤的所有自由度上,包括幅度、相位以及偏振。

因此,它可以提高信号功率以及系统的频谱效率。

对于相干检测后的信号,DSP算法可以对光纤信道的线性效应做到无损补偿,对调相信号,载波与本振间的频率和相位偏移会使信号产生较大的相位失真,频偏估计和相位恢复成为相干接收机中两个重要的功能模块。

载波恢复是通信系统中的一个非常重要的模块[3-4]。

如果采用相干解调，那么在接收机部分就需要与发射端信号的同频同相的一个相干载波。

载波恢复的主要过程就是获取载波信息的过[5]。

在数字通信中，同步主要指的有两部分，除了载波同步外还有定时同步这个问题。

因为接收端的信号是一个信号码元的序列，在接收过程中每个码元的起止时刻会发生变化，而在解调时需要知道每个码元的准确起止时刻。

如果通信是在发射和接收两点之间进行的,那么在经过了载波恢复，定时同步和帧同步之后，接收端不仅可以获得发射端信号的相干载波信息，并且两个通信端的时间统一问题也同时能得到解决[6]，在这种情况下接收端能够以较低的误码率解调出原始信息。

定时同步与载波恢复同步系统性能的降低会致使整个通信系统性能降低，在较严重的情况下有可能导致系统无法正常工作。

所以说，在通信系统中同步技术的好坏是保证信息传输效果好坏的前提[7]。

所以为了保证信息传输的可靠性，就要求同步系统能有更好的可靠性。

2、课题研究方向现状与发展趋势2.1国内外研究现状从上世纪50年代开始，载波恢复技术已经被了广泛的研究了。

在第一代相干光通信里,由于制造工艺限制,商用激光器的线宽较大,同时还有本振与发射端激光器的频率差存在,故常常需要在接收端进行锁频和锁相来保证链路性能。

当时,通过采用窄带激光器和优化的锁相环(PLL),实现了4Gb/s的BPSK系统和310Mb/s的QPSK系统[8-9]。

其中最早的为1956年Costas发明的Costas环。

普罗基斯等人(proakis,etal)以及纳塔利和瓦尔贝塞(Natali&chie,1981)研究了一种面向判决相位估计的算法。

普赖斯在其早期也推动了面向对象估计的研究的发展[10]。

锁相环综合性的理论论述是首先出现在维特比(Viterb,1966)和加得纳(Gardner,1979)的著作中的。

锁相环(PLL)分为模拟锁相环和数字锁相环两种,分别是用模拟和数字两种方法实现的,林塞与切(Linsay&chie,1981)研究了数字PLL 的相关理论。

另外,弗兰克斯(Franks,1980)研究了描述载波相位的相关理论[11]。

在小信噪比的条件时Monenclaey &Joghe 提出了一种P 阶功率估计法则,后来人们在这个基础上提出了一种基于P 阶功率估计的改进算法[12]。

在载波同步中,主要的处理方法分为两种:第一种是插入导频法,其方法为在频域插入一个特殊的导频序列,这种方法通过提取插入的导频,可以把本地振荡器调整为与接收信号同频同相相干载波。

第二种方法就是从接收端的信号中直接估计出载波信息。

这种方法的优点为携带信息的信号包含了全部的发送功率。

在实际载波恢复的应用中第二种方法使用的更多。

如果发射端的信号是抑制载波信号,虽然信号中不包含有载波分量,但是可以通过对它进行非线性变换来提取出其中的载波信息。

相干检测通信系统接收机的特点是利用一个本振激光器(LO)与接收到的载波调制信号进行相干以获得基带信号。

理论上,要求本振激光器的振荡频率与信号载波的频率完全相同。

但实际上,光通信系统中激光器的振荡频率高达几百THz,在目前的光器件的工艺条件下,两个激光器的振荡频率与我们所预先设置的振荡频率都不可能完全吻合,即每个激光器都肯定有一定量的振荡频率偏移。

假设每个激光器的可能的振荡频偏的范围是[-X,+X]Hz,则两个激光器的相对频偏(载波频偏)的范围就可能为[-2X,+2X]Hz。

载波频偏估计算法的目的就是通过对离散数字基带信号的处理,去除载波频偏对调相系统中符号相位的影响.2.2发展趋势在不考虑非线性效应的情况下,并且色散和偏振模色散都已经完全补偿,载波恢复单元的输入信号可以表示为{},,a exp 2k k d k p k s k A j kT f n θθπ⎡⎤=++∆+⎣⎦其中，k A 是幅度信息，,d k θ是调制相位信息，对于QPSK 调制，k A =1，{},34,4,4,34d k θππππ∈--。

对于16QAM 调制，k A 有三种取值；,p k θ是激光器的相位噪声，与激光器的线宽有关；f ∆为本振激光器与发射端激光器的频率偏移，s T 为符号周期，k n 为加性噪声[13]。

相位噪声,p k θ满足维纳过程，可表示为,0kp k i i θυ==∑其中各个i υ是独立同分布的高斯随机变量，均值为0，方差为22()line s f T υσπ=∆∙。

这里line f ∆为发射激光器与本振激光器的线宽和，一般在MHz 量级或以下。

假设符号周期120s T GHz =，频率偏移f ∆为2G ，则可计算得一个周期内由f ∆引起的相位差为36°。

假设line f ∆为5M ，算得由相位噪声引起的相位差约在4°以内。

因此，由频率偏移引起的相位变化比相位噪声引起的相位变化要大得多。

同时考虑到频率差是一个恒定的值，其在相邻符号间引起的相位差是恒定的，而相位噪声是一个随机变化的值，故在载波恢复中，一般先进行频率估计，再进行相位估计。

载波恢复在通信系统中是一个重要模块[14-15]，它的作用是通过一定的算法纠正信号在传输过程中产生的频偏和相偏，并实现稳定的锁定。

载波恢复主要分为两大部分：频偏估计和相位恢复。

频率估计的目的是借助DSP 算法来估计出频率偏移值，以实现收发端的频率同步[13]。

对于不同的频率格式，可能会采用不同的频率估计算法，这是因为不同估计算法的普适性不同。

常用的频率估计算法，应用比较广泛的载波频偏估计算法主要有共轭M 次方频偏估计算法[16]、基于预判决的频偏估计算法、四次方FFT 算法、基于相位的FFT 算法等。

其中前向四次方频偏估计算法简单且容易实现，因此比较常用，但该算法要采用M 次方来去除调制相位信息,故它只适用于MPSK 等等间距的星座图格式。

对于16QAM 等非等间距调制格式，4次方不能完全去除调制相位信息。

此外在取角度运算时会产生一定的相位模糊，因而限制了M 次方算法的频率估计范围；基于相位的FFT 算法可以在前者的基础上进一步提高估计精度，而且不需要采用复数乘法器来去除相位信息,同时还能借助FFT 来减小复杂度。

这种算法能适应于高阶调制格式[17-18]。

载波相位恢复算法的前提是载波频偏的影响已经基本被去除,所以应用在载波频偏估计模块之后。

目前,能够应用在相干光接收机中的前馈式全数字载波相位恢复(估计)算法[19-20],载波相位恢复算法主要有基于线性相位插值的的相位噪声估计、Viterbi一Viterbi相位估计算法、基于预判决的相位估计算法、基于Test Phase的盲相位搜索法等。

其中基于预判决的频偏估计算法是根据前一个输入符号的频偏估计,对当前符号做一个模拟的预判决,然后根据预判决的结果,计算出当前符号频偏估值,再通过环路滤波器抑制噪声的影响,并与前一个输入符号的频偏一起得到当前符号的最终频偏估计。

最后再从当前输入符号中减去频偏估值以去除频偏引起的相位分量。

此算法存在一个算法初始化的问题，在算法开始之前，需设置一个初始值，最先进入算法的符号从该值开始进行频偏的追踪。

可以对此进行改进来优化该算法。

对于Viterbi一Viterbi相位估计算法，简单易实现，但存在一个相位周跳现象，它适用适用于各阶调相系统的载波相位恢复，之后提到的算法里或多或少都会用到M次方算法的思想。