超奈奎斯特相干光传输系统载波恢复DSP算法研究

作     者：秦英凯 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈雪

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：超奈奎斯特 相干光传输 码间干扰 载波频偏估计 载波相位估计 

摘      要：伴随着5G等技术的迅速发展,用户对大容量通信的需求不断上升,但是由于光纤C+L波段频率资源紧张,导致传统波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统容量难以继续提升。近年来提出的超奈奎斯特(Faster-than-Nyquist,FTN)技术打破正交准则,是超高谱效、大容量相干光传输领域极具潜力的发展方向。然而超奈奎斯特强滤波引入的严重码间串扰(Inter-symbol Inference,ISI)使系统对各类损伤因素更为敏感。接收端数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)算法中频偏估计算法面临着算法有效性与复杂度矛盾突出的问题,相位估计算法则面临ISI导致的严重相位周跳(Cycle Slip,CS)等问题。目前虽然有相关研究成果见诸报道,但低复杂度高精度载波频偏估计算法、周跳抑制的载波相位估计算法等关键DSP技术难题还有待进一步研究。本文针对上述技术难题,开展的研究工作如下。1、针对FTN对高精度高可靠且低复杂度频偏估计算法的需求,提出了一种基于“训练序列相位差+调频z变换(Chirp Z-Transform,CZT)的频偏估计算法,该算法通过训练序列完成一阶粗估计,基于频偏粗估计值通过CZT完成二阶细估计,可实现低复杂度、高精度频偏估计。在三载波128GBaud PM-16QAM FTN-WDM系统中对算法进行了性能仿真分析。加速因子为0.95/0.9/0.85时,所提算法可实现[-1.6,1.6]GHz范围内的稳定频偏估计,残余频偏分别为2/2.5/3MHz左右。典型1GHz频偏下,加速因子0.95/0.9/0.85的FTN系统,在误码率为2X 10-2的软判前向纠错(Forward Error Correction,FEC)门限下需要的OSNR分别23.5/23.8/24.5dB。所提算法与相同精度量级的传统盲四次方FFT频偏估计算法相比,计算复杂度仅为后者的8%,且所需开销仅为1.56%。2、针对FTN系统载波相位估计易出现严重的相位周跳问题,提出一种基于训练序列的周跳抑制载波相位估计算法。通过在有效信号内周期性插入的训练符号估计出检测周跳的参考相位,基于参考相位对周跳进行可靠高效检测和补偿抑制。在三载波128GBaud PM-16QAM FTN-WDM系统中对算法进行性能评估。仿真结果表明,加速因子为0.95/0.9/0.85,激光器线宽为100kHz时,BER=2× 10-2的软判FEC门限下所需OSNR分别为23.4/23.7/24.3dB。加速因子为0.95/0.9/0.85时,其在1dB OSNR(与0线宽对应的OSNR相比)代价下能容忍的最大线宽分别为3.8/3.2/2.2MHz。所提算法以0.39%开销实现了 FTN系统载波相位估计周跳的可靠高效检测和补偿。相较与QPSK分割算法相比,计算复杂度的增加可以忽略不计,但是能够有效解决相位周跳的问题。3、利用三载波40GBaud PM-16QAM FTN-WDM相干光传输系统离线实验平台,实验验证了所提“基于训练序列的相位差+CZT频偏估计算法和基于训练序列的周跳抑制算法的性能。为实验验证不同频偏下的所提频偏估计算法性能,通过调节收端激光器中心频率以形成不同系统频偏;为了验证不同线宽下周跳抑制算法性能,通过MATALB编程在生成发端数据时添加等效于激光器线宽噪声的相位噪声。在[-1.6,1.6]GHz的频偏范围内,在加速因子为0.9时条件下所提频偏估计算法的最大频偏估计误差绝对值在3MHz左右。FTN系统加速因子0.9时在BER=2×10-2的软判FEC门限下的OSNR容限为20dB。通过分析对比相位噪声追踪曲线,相较于传统QPSK分割算法,所提基于训练序列的周跳抑制算法能够有效抑制周跳,加速因子为0.9时,1dB OSNR代价能容忍的最大线宽为1.6MHz。