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基于DSP算法的光相干检测通信MSK信号研究①

时间:2024-09-01 18:30:02 来源:网友投稿

李骏杰

(延安大学物理与电子信息学院,陕西 延安 716099)

网络化、信息化时代的到来对通信质量提出了更高的要求,这使得更高速、超大容量和超高质量成为通信发展的主要方向。在现今的通信网络架中,光纤系统在传输距离、速率和容量方面优势强大,逐渐占据了主导地位。而最小频移键控(Minimum Shift Keying,MSK)具有频谱能量集中、相位连续、边带衰弱快、包络稳定等优点,在光相干通信系统中得到了成功的应用[1-3]。但光纤通信仍然存在不足,如光纤中传输的信号引入了大量的干扰和噪声等,严重影响了传输性能,需要通过各种放大器来延伸传输距离。李鹏霞等人为使得光相干系统的两路信号相位正交,通过施密特正交算法对损失信号进行补偿,结果表明其降低了光相干系统的调制复杂度。但在近年来,数字处理技术(Digital Signal Processing,DSP)发展迅速,使得利用电信号方法减轻信号损伤成为研究热点,但对于信号损伤的均衡和补偿方法研究仍然较少[4-5]。因此,研究通过对MSK信号特点进行分析,并由此改进DSP中的常数模算法,以期提高MSK信号的传输性能。

1.1 光相干检测通信的MSK信号

对于已有的数字信号,需要将其与传输信道特性的波形相匹配,实现这个过程的方法称为数字调制。MSK则属于数字调制技术的一种。MSK信号是一种相位连续、包络恒定,具有优秀频谱特性的信号,其作为连续相位频移键控的特殊格式,调制指数最小,两个频率之间的间隔能够刚好达到正交,所以被称为最小频移键控调制。MSK是正交信号,能够通过非线性幅度饱和器件来放大,在码元转换时,其信号的波形不会发生突变[6-8]。同时,MSK信号频谱的旁瓣滚降速度较快,能够通过比较窄的带通滤波器,在光纤通信中应用广泛。将MSK应用于光相干通信系统中,能够有效提高系统的频谱利用率和性能。MSK信号的复包络模型如式(1)所示。

(1)

式(1)中,Es代表每个码元的能量,q(t)代表相位脉冲成型函数,φ(t;x)为带有信息符号的相位,N代表长度,Ts为每个码元的周期,x为发送信息符号序列,调制指数h=1/2。MSK信号是一种全响应的CPM信号,记忆长度为1,其频率脉冲成型函数是一个矩形方波,持续长度为Ts,幅度为1/2Ts,所以相位脉冲成型函数如式(2)所示。

(2)

式(2)中,Ts代表码元周期。MSK的调制具有记忆力,其相位状态会随时间推移而变化,所以能够通过网格状态转移图来描述。但MSK网格图一般是时变的,不能让网格图中的相位状态变回初始状态,因此需要利用倾斜相位来表示MSK基带复包络模型,并将其通过正交调制器调制到光载波上,如式(3)所示。

(3)

式(3)中,φ为激光器的相位噪声。MSK信号的相位在连续变化的情况下,不能对接收信号进行直接的离散傅里叶变换,需要对其进行离散性表示。选用Laurent分解法得到MSK基带复包络形式如式(4)所示。

(4)

式(4)中,c0(t)代表响应PAM信号。MSK信号在色散、光纤非线性和光纤衰减等因素的影响下,信号传输质量会降低。光纤衰减是因为光纤是在熔融SiO2下制成的,对能量有辐射损耗、吸收损耗和散射损耗的作用。色散是光信号在传输过程中的群速度不同,产生时间延迟,从而引起的物理效应。同样,在光相干通信系统中的MSK信号不仅会受到噪声的干扰,还会出现传输的损耗,导致接收信号幅值及相位失真,对系统的传输性能产生了很大抑制。MSK光相干通信系统框架如图1所示。

图1 MSK光相干通信系统框架

MSK光相干通信系统主要由基带MSK信号、电光调制、光MSK信号传输、光电解调和MSK信号处理五部分组成。发射端的基带MSK信号由MALTLAB离线产生,产生的光MSK信号在放大器的作用下放大,再由单模光纤到达接收端。接收端接收的光MSK信号由此输入到偏振分级为90o的光谱频器中,并与本振光信号相混合。然后载波相位正交的两个成分会在光混频器中分离出来,由光电二极管加以平衡接收,而模数转换器则会将PD输出的电信号转换成数字MSK信号,最后经DSP模块恢复成二进制信息。

1.2 光相干通信MSK信号的自适应盲均衡系统

光相干通信系统具有选择性高、接收灵敏度高和调制解调方式灵活等优点,同时也存在技术复杂和成本较高等问题,但DSP技术的出现推动了此系统的进一步发展。在DSP数字信号处理中,均衡和载波恢复是最为重要的两部分。均衡主要用来消除码间干扰,其分为两种,时域均衡和频域均衡。时域均衡出发点为时间域,使得系统的冲击响应能够达到无SIS的条件,频域均衡则使传递函数在频域中能够满足无失真的传输条件。时域均衡比较容易实现,应用更为广泛,其包括线性均衡和非线性均衡[9-10]。MSK信号属于CPM信号的一种,CPM信号均衡中常用的常数模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)仅用于线性调制的信号,而MSK调制是连续相位调制,即非线性调制方式,难以用传统算法来消除残余误差。同时,自适应均衡器能够根据信道特性,动态调整滤波器系数,以使其适应信道变化,但传统的自适应均衡在训练序列过程中会降低带宽利用率,从而导致频谱资源的大量浪费。而盲均衡在均衡过程中不需要外部来供给期望响应。因此,为成功实现MSK信号的均衡,研究在DSP处理过程中对常数模算法进行改进,由此得到接收信号的传输函数如式(5)所示。

ya(t)=sa(t)·ha(t)+wa(t)

(5)

式(5)中,sa(t)代表传输的MSK信号,代表加入的ASE噪声,ha(t)为时域表示函数。在接收端对信号的处理是通过由波特率抽样和数字线性均衡器进行的,在不考虑噪声的情况下,均衡器能够正常工作,其发送信号与输出满足的关系如式(6)所示。

z(n)=λsa[(n-K)Ts]

(6)

式(6)中,K为均衡器产生的时延,λ为复常数,z(n)代表离散信号序列。所以当均衡器发送和输出的序列相比较时,其相位旋转和时延在一定的情况下就能判定均衡器结果与实际相符合。由于传统的常数模算法对MSK信号进行均衡是输出的结果与事实不符,均衡器不能成功收敛,就会有残余误差,所以改进的代价函数如式(7)所示。

(7)

图2 自适应盲均衡和载波恢复流程图

DSP模块之前需要对信号进行采样,一般为两倍符号速率。然后,信号会经均衡器处理,此时的均衡器为一个分数间隔。每经过两个符号,均衡器的抽头系数得到一次更新。研究的均衡器为9阶横向抽头结构,中心抽头系数初始化为1,剩下的抽头系数为0,通过平均梯度法对抽头系数来迭代更新,其更新迭代方程如式(8)所示。

(8)

式(8)中,μg为迭代步长,,取值为0.005,g(k)代表抽头系数矢量,z(n)代表均衡器的输出,y(n)为接收信号矢量。光相干系统除了色散引起的噪声,还包括相位噪声,通常是激光源导致的。在这之中,激光线宽、频率偏移占据着相位噪声的大部分。线宽作用于信号的即时相位,而在光相干系统中,由频偏引起的相位噪声会使得信号发生相位旋转。激光源的参数中,重要的一项就是频偏,所以通过前向4次方算法对频偏进行去除。盲均衡、载波恢复项目完成时,就对硬判决之后的信号展开同步操作,通过巴克码来寻找共同点,最后调解信号以恢复到出发时的信号序列。

仿真实验中,将本振光源频率设置成189.3TH,信号光源频率与其一致,色度色散设成16.75ps/nm/km,线宽为100kHZ,波长保持在1550nm。光相干MSK通信系统的数据传输速度为10-Gb/s,同时在实验中加入了偏振模色散和色度色散的噪声影响。将光纤的差分群时延设为0.2ps/km,色散色度设为16.75ps/nm/km,得到的不同光纤长度的系统误码率如图3所示。

图3 不同光信噪比随光纤长度变化的系统误码率结果

图3为光纤长度从100km到180km误码率的变化曲线。从中可以看出,在光信噪比为10dB和激光线宽为100kHz的情况下,光纤长度为160km时,误码率为10-3,系统中的各种损伤能够基本被消除。然后比较改进前后CMA算法对MSK的作用结果。这一部分实验中,去除了载波恢复算法和所有相位噪声(包含频偏和激光器线宽),得到的改进CMA算法和经典CMA算法均衡MSK的结果如图4所示。

图4 不加入相位噪声情况下改进算法前后的信号星座图

图4(a)和(b)为经典CMA算法的星座图,图4(c)和(d)为改进CMA方法下的星座图。二者均比较了光信噪比为10dB,15dB,光纤长度为50km条件下的均衡作用效果。因为MSK信号采用的是连续相位调制,十分容易受到相位的影响,所以即使不加入相位噪声,各种色散也会引起信号发生一定的相位偏移,即传输损伤导致了相位噪声。从图4(a)和(b)可以看出,传统CMA算法对MSK信号均衡后,信号残余的相位误差难以消除,输出信号仍然存在大量的剩余误差,这是因为经典CMA算法所具有的代价函数与相位的信号并没有关联,而只与信号的幅度发生作用,所以其对光纤引起的相位噪声难以产生抑制作用,只能让MSK的幅度处于恒模状态。而要去除残余的相位噪声,需要加入额外的相位补偿,但会使系统的复杂度加深。从图4(c)和(d)可以看出,改进CMA算法在对信号进行均衡后,MSK信号的全部噪声都得到了很好的消除,说明其能够对光纤带来的传输损伤进行完全地弥补。这主要是因为优化后的CMA算法中的代价函数即包含了经典算法的恒模部分,又针对MSK的连续相位特性进行了优化,所以当其代价函数到达最小值时,即当算法收敛时,均衡器能够对所有损伤进行补偿。再对两种算法进行误码率的实验,结果如图5所示。

图5 加入相位噪声的误码率结果

图5两种算法在相同光相干MSK通信系统中的误码率结果图。实验中加入了相位噪声,光纤长度为150km,步长均为0.005,光信噪比由9dB增加至15dB,同时加入了星座图。从图5可以看出,MSK信号在经过改进的CMA算法均衡后,在光信噪比为9dB时,误码率为10-3,然后随着光信噪比的提高误码率快速减小,在光噪比为15dB时,误码率达到最小,为10-5。同时,该算法得到的信号星座图出现了明显的收敛。而传统算法在光信噪比为9dB时误码率最大,为10-2,在光噪信比为15dB时误码率最小,为10-3,而且得到的星座图虽然基本处于恒定模的状态,但由于其忽略了MSK信号的连续性,所以难以对残余误差进一步去除。两者相比可以发现,虽然经典CMA算法一定程度上去除了激光器导致的相位噪声,但难以去除光纤引入的相位噪声,导致其在光噪信比较高的情况下仍然保持较大的误码率。而改进后的CMA算法误码率大幅度下降,比传统算法效果更好,因为其能够在不需要额外补偿器的情况下对MSK信号达到完全均衡,并且不会留下任何的残余误差。

光相干MSK通信系统中,均衡部分影响着整体性能的提高。研究在分析MSK信号特性的基础上,对DSP中的常数模算法进行了相应的改进,并将其应用于光相干MSK系统中。结果表明,在不同光纤长度的系统误码率的实验中,研究提出的自适应盲均衡算法在能基本消除系统中的各种损伤;在没有相位噪声的系统中,传统的CMA算法难以消除相位误差,而改进的算法消除了全部噪声;在有相位噪声的系统中,传统算法误码率最大为10-2,最小为10-3,而改进算法的误码率随着光信噪比的上升出现了迅速下降的趋势,最低为10-5,且信号星座图发生了明显收敛,说明该方法能够有效均衡和补偿信号损伤,为提高光相干MSK系统的性能提供了可参考方法。但研究并未对DSP中的同步算法进行改进,因此有待对此进一步探究。

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