数字信号处理算法在相干光通信系统中的应用研究

【摘要】随着通信技术在不断的更新，在当前，相干光通信时下一代光通信主干网的关键技术，在应用的过程中该技术能够在相干探测中通过信号光裕本振的拍频获得更多的信号信息并且能够借助于高速数字信号处理技术，保障信号的重建以及失真补偿放在系统接收端进行，因此本文主要研究了数字信号处理算法，通过具体的工作原理，在采用一种新的降低硬件复杂程度的方式中，降低了接收机的复杂程度，并且稳态收敛了误差。

【关键词】数字信号;算法;相干通信系统

信息时代中，为了维持信息的持续流通，光纤通信系统应用了当前比较先进的技术，因此本文通过研究相干接收机的结构，以及将相干接收机算法部分各个子系统的技术以及光纤色散补偿，进一步提高了数字信号处理算法技术的创新。

一、相干通信系统的研究

在相干通信系统的研究中，它主要分为发送端、光纤信道以及接收端几个方面，在使用的过程中相干通信系统不仅可以工作与时分复用和波分复用系统，而且能够工作与偏振复用系统。

其中在发送端部分中：它是在光通信系统中的作用下包含的信源编码、比特到符号映射、光载波调制以及一定的预补偿等，在使用中采用的是高阶调制格式的通信系统，其可以在保持硬件速率与占用宽带不变的状况下，进行成倍的增加通信系统的总容量。在光通信系统中常常采用的是所谓的IQ调制器进行复杂矢量信号的调制;光纤模型，为了提高通信相干系统中数字信号处理的作用，在整个系统中必须要对信号在光纤中传输的这种现象进行具体的研究，其中该种现象时从物理模型以及数学模型中入手的，在研究相应的补偿与均衡技术中更好的发挥数字信号处理技术，当时光信号作为一种电磁波，具体的解是在麦克斯韦方程组导出的波动方程中进行的，表达式是：

其中是信号偏振方向的单位向量，是初始振幅的傅立叶表示，是常数，最终将光信号基态模式分布成F（x，y）看成是近似高斯函数。最后在接收端的研究中，一般是光相干接收机的重要组成部分，它可以直接的测探接收机，增强检测信号的强度信息，并且可以对强度调制的信号进行光电转换之前除了匹配滤波之外的处理。但是在该环节的应用下增加了接收机的复杂程度并且提高了稳定性的要求。

对于相干光通信系统中数字信号处理技术的研究主要表现在：由于信号是通过光纤信道传输时产生的不同失真或者是损伤，在结合中形成了线性失真和非线性失真。其中由于线性失真补偿之间没有因果关系，这就不需要考虑顺序，但是在具体的算法中，需要遵循相应的原则：将需要估计的线性失真分离成单独的变量，优先估计并补偿静态，算法相对简单的变量，然后进行随机变量的补偿，最终将所有的变量补偿完整。其中在算法流程中：将每一个方框代表的是相干接收机的数字信号处理系统的子系统，并且将各个子系统之间可能的反馈线路使用具体的图表进行表示，在预处理算法的研究中，它是指在进行实质的信道均衡、载波恢复之前，对采样后的信号进行一定程度的预先处理，为形成数字信号处理算法做出充分的准备。

二、光纤色散补偿

色散作为光通信系统中最重要的引起信号损伤的因素之一，其中决定光纤色散程度的参数是GVD参数，它分为材料色散和波导色散两部分，在使用中它与硅材料折射率随频率的变化和光纤的波导结构有着绝大的关系，其中光纤色散补偿的算法有两种：基于色散扫描和基于非色散扫描，最终将适应色散补偿算法在寻找到代价函数的最大或者是最小值来确定具体的色散估计值。

三、采样时钟恢复

采样时钟恢复中主要是基于奈奎斯特采样定理，来降低对采样硬件的要求，将实际的相干系统中多采用于两倍符号率的采样速率，其中在数字信号处理中，应对的是相位恢复问题的一般做法，采用的方法是使用数字锁相环，具体的算法是：

频域采样误差检测器，根据该算法的研究，它主要适用于带通信号的采样相位恢复算法，并且适用于相干光通信系统中被下转换到基带的信号，该算法的思想表现在：在假设了接收到的信号模型后，采用数字锁相环来确保相位恢复，然而锁相环分为开环和闭环两种，其应于前馈和反馈两种硬件方式进行，按照适用信号的过采样率不同，基本的算法有：SPS≥2和SPS≤4，另外这些算法主要来源于经典的无线通信领域以及相干光通信系统，但是在SPS=2的算法中，一般得到了TED算法的最优修正权重。如表1所示：

表1 LeeTED的最优修正权重

脉冲形状 NRZ 33%RZ 50%RZ 68%RZ Nyquist

权重系数 1.4 0.46 0.54 0.67 0.8

其中该符号采用的非线性运算，直接在检测运算后信号在其波特率处的频谱分量中，降低信号的损伤。

四、偏振解复用及自适应信道均衡

由于受到外界的影响，光信号的偏振态、偏振度以及偏振模式损耗和传播速度都是随着传输的具体过程变化的，因此就得到光纤的偏振相关特性是随着时间变化或者是随着传输的距离变化的。其算法模式是：偏振复用系统的信道模型可以写为：

在算法的收敛速度以及计算复杂度的折中中，采用的是二阶CMA，其中CMA是对信号的旋转或者是信号的相位噪声来大大降低。

五、总结

通过研究相干光通信系统中应用的数字信号处理算法，能够对数字相干接收机经过光电转换和数字模型进行失真补偿的算法研究，具体的分析了色散补偿、采样时钟恢复、偏振解复用及自适应信道均衡等，降低了信号的复杂程度，提高了数字信号的处理技术。

参考文献

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作者简介：侯兆然（1983―），男 ，河南许昌人，2008年毕业于上海大学通信与信息系统专业，工学硕士，许昌学院讲师，研究方向：电子、通信、信号处理、计算机、物理电子等相关领域。