相干光通信的载波恢复数字信号处理算法研究

【摘要】：随着人们对通信速率需求的日益增加,具有高灵敏度和高频谱利用率的相干光通信技术受到人们的日益关注。数字信号处理作为相干光通信系统的重要组成部分,为了减少对硬件的要求,需要对数字信号处理算法进行优化,本文主要对数字信号处理部分的载波恢复算法进行研究。本文先对相干光通信发展的历史背景做了介绍。然后对相干光通信中的调制方式、相干检测原理及数字信号处理流程做了简要介绍。接着本文详细介绍了数字信号处理部分的载波恢复算法。本文对传统的4次方频偏估计算法进行优化改进,得出了一种基于求余的优化频偏估计算法。该算法以求余运算代替传统的四次方运算来去除调制相位,具有比4次方频偏估计算法更低的算法复杂度。之后继续对其优化改进得到了基于求余运算的2级频偏估计算法,并将该算法拓展到适用于16QAM信号。仿真结果表明,通常信噪比情况下,基于求余运算的频偏估计及2级频偏估计分别比基于四次方运算的频偏估计及2级频偏估计具有更高的估计精度。在16QAM信号中,2级求余算法对信号星座点的利用率为2级4次方算法的4倍。本文对传统的4次方载波相位估计算法进行优化改进,得出了一种高精度的4次方载波相位估计算法,该算法将由残余频偏、加性高斯噪声和相位噪声总的引起的相位偏移量看作一个整体,直接估计出每个符号由这三个因素总的引起的相位偏移,之后再恢复出调制相位。该算法减少了传统4次方相位估计算法中求和取平均这一步,降低了算法复杂度。仿真结果表明,用本文算法相位补偿后信号的相位同原来调制相位之的误差只有10~(-16)rad量级,而用传统4次方相位估计算法进行相位补偿之后信号的相位与原来调制相位的误差可达0.3rad。并且该相位估计算法可以在不进行频偏补偿的前提下完成对QPSK信号的相位恢复。但在相位估计算法的相位解扰过程中引入了一个限制条件,即相邻两信号的相位偏移量之差不超过一定值,这使得相位估计算法的准确性也受到残余频偏、加性高斯噪声和相位噪声的限制,对于QPSK信号,当线宽为200KHz时,在进行频偏补偿与不进行频偏补偿的情况下满足条件的最低SNR分别为为14.58dB和16.8dB。对于16QAM信号,线宽为200KHz时满足相位解扰限制条件的最低SNR为24.66dB。