术概述最大后验概率算法概述面向判决算法概述幂律非线性算法概述本章小结第三章传统相干接收机幂律非线性算法幂律非线性算法原理针对调制的改进的幂律非线性算法传统相干接收机传统相干接收机性能分析传统相干接收机性能优化传统相干接收机的局限性本章小结第四章相干接收机算法相干接收机相干接收机性能分析相干接收机性能优化自适应相干接收机自适应算法自适应相干接收机性能分析本章小结第五章相干接收机的启动策略传统启动方案传统启动方案原理传统启动方案存在的问题及局限性冷启动方案冷启动方案原理冷启动方案性能分析冷启动方案优化降速启动的可行性分析本章小结万方数据第六章总结与展望工作内容总结后续工作展望参考文献附录攻读硕士学位期间撰写的论文附录攻读硕士学位期间参加的科研项目致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论第章绪论下代骨干光纤通信系统正朝着超高速率超大容量和超长距离的方向发展。伴随着视频流的日趋增多，以及云计算社会化媒体与移动数据传输的激增，因特网与专线服务的带宽需求正以每年至的速度持续增长。目前已经部署的光纤传输系统，大多采用传统的强度调制直接检测，方式。尽管这种结构简单且容易集成，但其单路信道带宽很有限，远远不能满足未来更高带宽要求下传输大容量数据的需求。在此背景下，二十多年前曾蓬勃发展的相干光通信技术，再度被寄予厚望。相比于强度调制直接检测系统，相干光通信系统采用新型码型调制技术，利用灵活的信息加载方式，提高了系统的频谱利用率，进而增大了系统单信道传输容量。此外，借助于高速数字信号处理技术，能够在接收端实现链路损耗而，利用光学锁相环技术进行载波相位估计存在些缺陷，这种技术并不适合用于现代数字相干光通信系统中。而随着超大规模集成电路的发展，基于数字信号处理的相干检测技术逐渐兴起，利用各种相位估计算法在现代数字相干光通信系统中实现载波相位估计已经完全成为可能。利用载波相位估计算法进行相位估计不但能够提高激光器的线宽容忍度，并且能够有效降低系统的升级成本，具有非常广阔的商业前景。针对各种高阶调制格式的载波相位估计算法近年来有较多研究。本节将对目前应用较为广泛的几种算法进行简要介绍，包括最大后验概率，算法面向判决，算法幂律非线性算法。最大后验概率算法概述最大后验概率，算法，是种广泛应用的载波相位估计算法。其基本思想可以描述如下设接收端接收到的信号的形式如式所示，其最大后验概率函数可以表示为万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相干接收机ˆˆˆˆ能使得式取得最大值的ˆ即为该参数的最大后验概率估计值。这里，式是ˆ的联合估计。由式是不能够求出ˆ的精确值的，但是是可以通过数值模拟的方法求出其高度精准的近似值的，具体过程可以描述如下以个符号组为例，ˆ已经由上次迭代过程求出，将的总共种可能的情形代入式中，通过连续的牛顿近似求得使取最大值时相应的，比较这种情形下的的值，即可得出ˆ与ˆ。由上述分析过程可知，最大后验概率算法并不适用于实时数字信号处理。然而，它给出了最优的估计，因此可以将其作为评估其他载波相位估计算法性能的个基准。面向判决算法概述最大后验概率算法是ˆ与ˆ的联合估计，计算复杂，并不适合实时数字信号处理。对于实时数字信号处理，应该设计能够将载波相位与数据信息的估计分离的运算较为简单的算法。这样的算法包含两个步骤第步首先去除调制数据信息的影响，然后再通过平滑的方式减轻加性噪声的影响，同时跟踪相位噪声的变化。光学锁相环或者维纳滤波器都可以执行平滑的操作。有些光学锁相环，如科斯塔斯环，还能够将去除调制数据信息与平滑这两个步骤有效的结合在起。而去除调制数据信息的方法则有两种，即利用面向判决算法或者幂律非线性算法。如图所示，面向判决算法的基本思想为在接收端观测时间区间里，根据接收到的信号判决得出ˆ，将其当作已知值，反馈作用于接收到的以去除调制数据信息对其的影响。ˆˆˆ图面向判决算法原理万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相干接收机算法的具体流程可以表述如下首先，在数字信号处理器的个分支上，接收到的信号被缓存的段时间直至ˆ可用，然后将其与ˆ的共轭相乘以去除调制数据信息，如式所示ˆˆˆ假定误比特率很低，即对于大多数符号，有ˆ，那么ˆ这里，具有与相同的方差。可用利用光学锁相环等对式中的ˆ在时间上进行平滑，从而得出ˆ。执行平滑操作可以减轻加性噪声的影响以及ˆ这种罕见的符号错误事件的影响。然后，在另个分支上，即可由ˆ与最新接收到的共同得出ˆ。判决统计式表示如下ˆˆ其中，表示判决函数。对于调制，有对于调制，有。将式代入式，可得ˆˆ这里，也具有与相同的方差。上述过程中，若由式得出的ˆ较为准确，并且相位噪声在的时间里并没有明显的波动，那么由式将能够获得理想的数据信息的估计值ˆ。由上述分析过程可以知道，面向判决算法的性能受到接收端判决结果的影响，容易发生误码传播，并且当反馈路径上存在着显著的延迟时，面向判决算法的性能将大大恶化。而对于个具有并行体系结构的数字信号处理器，等价于在其每反馈路径上均存在着个延万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相干接收机迟。实际应用中，实时数字信号处理器般具有至的并行度，在这种情形下，面向判决算法的性能明显要差于幂律非线性算法。不过，与幂律非线性算法相比，面向判决算法需要更少的逻辑门，且更少受到加性噪声的影响。对于调制格式，有时候面向判决算法是比幂律非线性算法更好的选择。此外，当发送端激光器和本地振荡激光器的线宽较窄时，考虑到只需要少量的运算即可实现，面向判决算法是个很好的选择。幂律非线性算法概述非线性算法是另种去除调制数据信息的方法。由于该算法简单有效，利用该算法在其数字信号处理单元内进行载波相位估计的传统相干接收机已经成为目前相干光传输系统中应用最为广泛的接收机。本文第三章将对幂律非线性算法的原理进行系统的阐述，这里仅对该算法进行简要的介绍。利用幂律非线性算法进行载波相位估计，首先在接收机的数字信号处理单元内将接收到的信号提升至次幂以去除调制数据信息，然后使用光学锁相环或者维纳滤波器进行平滑操作。这里，有两种类型的维纳滤波器可以使用零延迟维纳滤波器和有限时滞维纳滤波器。它们都是低通滤波器，其变换函数分别如式所示ˆˆ其中，，表示滤波器延迟。这里，表示的方差，可由式给出对于调制，有对于调制，。利用幂律非线性算法进行载波相位估计，通常需要通过差分编码相位解绕等方法对可能出现的相位模糊相位跳变现象进行处理。图所示为利用幂律非线性算法进行载波相位估计时接收端的因子代价。其中，图表示调制时，图表示调制时。这里，采用了差分编码来克服相位模糊万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章相干接收机的影响。图中分别考虑了使用光学锁相环零滞后维纳滤波器，以及有限时滞维纳滤波器，进行平滑操作的情形。从图中可以看出，通常情况下，使用有限时滞维纳滤波器能够取得更好的平滑效果，此时，幂律非线性算法能够提供接近最优最大后验概率算法，的相位估计。图幂律非线性算法性能图幂律非线性算法性能本章小结本章首先介绍了相干光传输系统中的各类型接收机，包括通用的相干接收机模型平衡接收机正交接收机以及偏振复用接收机，然后重点介绍了接收机中的载波相位估计过程首先以正交接收机为例建立了载波相位估计信号模型，然后对目前广泛使用的几种载波相位估计技术进行了简要的介绍，包括最大后验概率算法面向判决算法以及幂律非线性算法，并对这几种载波相位估计技术的性能进行了比较最大后验概率算法能够提供最优的估计，然而却不适用于实时数字信号处理面向判决算法虽然只需要极少的运算量即可实现，然而却不适用于并行结构的数字信号处理器，而目前实际应用中的实时数字信号处理器都具有至的并行度而幂律非线性算法简单有效，适用于并行结构的数字信号处理器，并且能够提供接近最优的估计。目前，在其数字信号处理单元内利用幂律非线性算法进行万方数据单位代码密级硕士学位论文论文题目辅助判决式最大似然式相干接收机的冷启动翟薇薇陈健教授通信与信息系统光纤数字相干通信技术工学硕士二〇四年二月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。南京邮电大学学位论文使用授权声明本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档允许论文被查阅和借阅可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相致。论文的公布包括刊登授权南京邮电大学研究生院办理。涉密学位论文在解密后适用本授权书。研究生签名日期研究生签名导师签名日期万方数据摘要现有的强度调制直接检测光纤通信系统将不能满足将来骨干网对大量数据传输的需求。在此背景下，二十多年前曾蓬勃发展的相干光通信技术，再度引起业界关注。光载波相位估计，作为相干光通信系统中的关键技术，直是研究的热点。其中，辅助判决式最大似然光载波相位估计技术，是种完全基于线性化的相位估计算法，能够确保高速光信号实时相干检测。相干接收机已成为业界考虑试验的相干接收方式之。然而，有关这接收机的启动中可能遇到的问题尚未研究讨论，主要表现在相干接收机在光载波相位估计过程中，需要追踪当前符号之前的若干符号的发送及估计结果信息。在传统启动方案中，已考虑通过在系统启动过程中发送若干已知信息符号予以解决。然而，在具有多个接收机的系统中，各接收机并非是同时开启而