周嫻，高天宇，霍佳皓，申曉杰，盧東旭，皇甫偉，涂佳靜，隆克平

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基于GSOP的正交不平衡損傷估計(jì)算法研究

周嫻，高天宇，霍佳皓，申曉杰，盧東旭，皇甫偉，涂佳靜，隆克平

（北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院人工智能研究院，北京 100083）

為實(shí)現(xiàn)高速光通信系統(tǒng)高效低成本測(cè)試的目標(biāo)，基于施密特正交化過(guò)程（GSOP，Gram-Schmidt orthogonalization procedure），提出了一種適用于偏振復(fù)用—多進(jìn)制正交幅度調(diào)制（PDM-MQAM）相干光通信系統(tǒng)的正交不平衡損傷估計(jì)（IQ-ImEstimation, IQ imbalance estimation）算法。根據(jù)同相信號(hào)和正交信號(hào)兩路信號(hào)功率關(guān)系及相關(guān)性，設(shè)計(jì)幅度失配估計(jì)和相位失配估計(jì)2種方案。通過(guò)對(duì)34 GBaud PDM-MQAM相干光通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了IQ-ImEstimation算法的正確性和有效性。

正交不平衡損傷估計(jì)；多進(jìn)制正交幅度調(diào)制；相干光通信系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理

1 引言

近年來(lái)，研究人員對(duì)高速光通信系統(tǒng)的研究如火如荼，取得了一系列突破性進(jìn)展。依靠成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和相干檢測(cè)方案，光通信系統(tǒng)傳輸速率得到了快速提升。然而隨著傳輸速率的提升和調(diào)制碼型的復(fù)雜化，系統(tǒng)損傷測(cè)試復(fù)雜度和校準(zhǔn)難度呈指數(shù)級(jí)增加趨勢(shì)。其中，系統(tǒng)中IQ兩路信號(hào)偏置點(diǎn)的設(shè)置不正確、3 dB耦合器分光比不對(duì)稱(chēng)、PD（photo detector）響應(yīng)度的變化、混頻器各路信號(hào)之間的不平衡等環(huán)節(jié)引入的正交不平衡（IQ imbalance）損傷會(huì)使系統(tǒng)性能惡化，還會(huì)影響后續(xù)DSP模塊正常工作[1-2]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)于不同模型，研究人員提出了不同的解決方案，包括基于GSOP的IQ補(bǔ)償算法[3]、基于最大信噪比估計(jì)（MSEM，maximum SNR estimation method）的IQ補(bǔ)償算法[4]、復(fù)值—多進(jìn)多出（MIMO，multiple input multiple output）自適應(yīng)均衡器[5]、L?wdin正交化算法[6]等，均可有效地對(duì)IQ imbalance進(jìn)行補(bǔ)償。但是目前缺少針對(duì)IQ imbalance損傷的估計(jì)算法，在系統(tǒng)進(jìn)行損傷估計(jì)時(shí)缺少衡量標(biāo)準(zhǔn)，若使用傳統(tǒng)的儀器儀表進(jìn)行損傷測(cè)試，測(cè)試成本高，不適合進(jìn)行大規(guī)模部署。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文基于GSOP原理，通過(guò)分析信號(hào)IQ分支的功率變化及其相關(guān)性變化，提出了一種幅度與相位正交不平衡檢測(cè)估計(jì)算法。該算法估計(jì)性能與調(diào)制格式無(wú)關(guān)，在仿真與實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)QPSK、8QAM、16QAM等調(diào)制方式進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法對(duì)以上3種調(diào)制方式均可有效估計(jì)系統(tǒng)中存在的IQ imbalance損傷，且估計(jì)精度優(yōu)良、誤差較小。

2 針對(duì)PDM-MQAM相干光通信系統(tǒng)的正交不平衡損傷估計(jì)

PDM-MQAM相干光通信系統(tǒng)整體框架如圖1所示。其中，圖1(a)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，包含發(fā)射機(jī)、背靠背（BTB，back to back）信道以及接收端，圖1(b)為接收端DSP處理流程。

2.1 正交不平衡效應(yīng)的理論模型

圖1 PDM-MQAM相干光通信系統(tǒng)整體框架

在整個(gè)傳輸系統(tǒng)中，一些環(huán)節(jié)有可能會(huì)引入IQ imbalance損傷，例如，IQ 2路偏置點(diǎn)的設(shè)置不正確、3 dB耦合器分光比不對(duì)稱(chēng)、PD響應(yīng)度的變化、混頻器各路之間的不平衡等。經(jīng)過(guò)90°混頻器平衡接收后的輸出信號(hào)，存在IQ imbalance損傷模型可等效為[7]

2.2 正交不平衡損傷估計(jì)算法原理

PDM-MQAM系統(tǒng)接收機(jī)DSP處理流程如圖1(b)所示。DSP處理核心算法主要包括IQ- ImEstimation算法、IQ imbalace補(bǔ)償算法、重采樣過(guò)程、時(shí)鐘同步算法、自適應(yīng)均衡偏振解復(fù)用、頻偏估計(jì)算法及載波相位恢復(fù)算法。

1) IQ幅度失配估計(jì)原理

隨后求出信號(hào)正交分量（Q路）功率的均值為

2) IQ相位失配估計(jì)原理

3 基于GOSP的正交不平衡估計(jì)算法的仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 正交不平衡損傷估計(jì)仿真結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)的34 GBaud PDM-MQAM相干光通信系統(tǒng)由Matlab軟件和VPI軟件搭建。系統(tǒng)中主要器件的參數(shù)如表1所示。

表1 34 GBaud PDM-MQAM仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

1) 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)算法估計(jì)性能影響

在進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)之前，本文就數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)算法精度的影響進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。3種調(diào)制方式雙偏振態(tài)下光信噪比（OSNR, optical signal noise ratio）取=10?4時(shí)對(duì)應(yīng)的理論值，QPSK對(duì)應(yīng)OSNR理論值取為16 dB，8QAM對(duì)應(yīng)理論值取為19 dB，16QAM對(duì)應(yīng)理論值取為22 dB。IQ相位失配設(shè)置為60°，IQ幅度失配設(shè)置為3 dB，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與算法估計(jì)性能關(guān)系

2) IQ幅度失配估計(jì)仿真結(jié)果

本文對(duì)3種調(diào)制方式進(jìn)行了IQ幅度失配仿真實(shí)驗(yàn)，包括IQ幅度失配估計(jì)與IQ幅度失配估計(jì)誤差，仿真結(jié)果如圖3所示，其中，IQ幅度失配估計(jì)誤差換算為dB值表示。

圖3 IQ幅度失配仿真結(jié)果

3) IQ相位失配估計(jì)仿真結(jié)果

本文對(duì)3種調(diào)制方式進(jìn)行了IQ相位失配仿真實(shí)驗(yàn)，包括IQ相位失配估計(jì)與IQ相位失配估計(jì)誤差，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 IQ相位失配仿真結(jié)果

圖5 34 GBaud PDM-MQAM相干光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框架

圖6 IQ幅度失配估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 正交不平衡損傷估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在聯(lián)合仿真平臺(tái)VPI與Matlab中驗(yàn)證了原理的正確性后，搭建了34 GBaud MQAM通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架如圖5所示。利用PRBS產(chǎn)生長(zhǎng)度為215數(shù)據(jù)，使用任意波形發(fā)生器（AWG，arbitrary waveform generator）（實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：keysight M9502A）將數(shù)據(jù)上采樣到85 GSample/s，升余弦滾降系數(shù)為0.2，輸入IQ調(diào)制模塊（實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：Fujitsu FTM7962EP）進(jìn)行調(diào)制，激光器采用外腔半導(dǎo)體激光器（ECL，external cavity laser）（實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：N7714A）。在接收端通過(guò)光相干接收機(jī)（實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：Fujitsu FIM24706EB）將信號(hào)與本振光耦合，最后用示波器（實(shí)驗(yàn)設(shè)備型號(hào)：Agilent DSA-X-96204Q）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣率為80 GSample/s。采集后的離散樣值，交由Matlab離線(xiàn)處理。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備中難以引入精確的正交不平衡損傷及調(diào)整精確，因此本文在進(jìn)行DSP處理之前引入損傷及調(diào)整（QPSK信號(hào)對(duì)應(yīng)為13 dB，8QAM信號(hào)對(duì)應(yīng)為16 dB，16QAM信號(hào)對(duì)應(yīng)為19 dB），引入損傷形式如式(2)所示。

圖7 IQ相位失配估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足高速光通信系統(tǒng)高效低成本測(cè)試的需求，對(duì)于目前相干光通信系統(tǒng)中信號(hào)所受到的IQ Imbalance損傷進(jìn)行了研究，基于GSOP提出了一種IQ-ImEstimation算法。該接收機(jī)損傷估計(jì)算法可有效評(píng)估相干光通信系統(tǒng)中的IQ Imbalance損傷，與傳統(tǒng)的儀器儀表測(cè)試比較而言，可大幅度降低測(cè)試成本。通過(guò)搭建34 GBaud PDM-MQAM仿真與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)本文提出的IQ-ImEstimation算法進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該正交不平衡損傷估計(jì)算法可有效估計(jì)IQ幅度失配損傷以及IQ相位失配損傷。通過(guò)進(jìn)一步仿真實(shí)驗(yàn)及原理分析，該IQ-ImEstimation算法估計(jì)性能受噪聲影響較大，但與調(diào)制方式無(wú)關(guān)。該算法估計(jì)范圍廣，估計(jì)誤差較低，有望成為未來(lái)相干光通信系統(tǒng)性能測(cè)試的優(yōu)選方案之一。

[1] SUN H C, CHUNG H S, KIM K, et al. Impact of quadrature imbalance in optical coherent QPSK receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2009, 21(11):709-711.

[2] CHUNG H S, SUN H C, KIM K, et al. Effect of IQ mismatch compensation in an optical coherent OFDM receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2010, 22(5):308-310.

[3] FATADIN I, SAVORY S J, IVES D, et al. Compensation of quadrature imbalance in an optical QPSK coherent receiver[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(20):1733-1735.

[4] NGUYEN T H, GOMEZ-AGIS F, GAY M, et al. IQ imbalance compensation based on maximum SNR estimate in coherent QPSK systems[C]// International Conference on Transparent Optical Networks. 2014:1-4.

[5] FARUK M S, KIKUCHI K. Compensation for in-phase/quadrature imbalance in coherent-receiver front end for optical quadrature amplitude modulation[J]. IEEE Photonics Journal, 2013, 5(2): 7800110-7800110.

[6] MAYER I. On L?wdin's method of symmetric orthogonalization[J]. International Journal of Quantum Chemistry, 2002, 90(1):63–65.

[7] 周嫻. 100 Gbps PM-(D)QPSK相干光傳輸系統(tǒng)DSP算法研究[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2011.

ZHOU X. Research on DSP algorithms of 100 Gbps PM-(D)QPSK optical coherent transmission system[D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2011.

Research on IQ imbalance estimation algorithm based on GSOP

ZHOU Xian, GAO Tianyu, HUO Jiahao, SHEN Xiaojie, LU Dongxu, HUANGFU Wei, TU Jiajing, LONG Keping

Institute of Artificial Intelligence School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

In order to satisfy the demand of the efficiency and low cost measurement for high rate optical communication system, the IQ-ImEstimation algorithm was proposed for IQ imbalance estimation in the PDM-MQAM cohernt optical communication system based on GSOP. Two estimation schemes include amplitude impairment and phase impairment were designedby utilizing the power and correlation. Finally, a 34 GBaud PDM-MQAM system was simulated and experimentalized. The results indicate that the IQ-ImEstimation algorithm is accuracy and effective.

IQ-ImEstimation, MQAM , cohernt optical communication system, digital signal processing

TN911.6

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018157

周嫻（1982?），女，重慶人，北京科技大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、光通信系統(tǒng)理論與結(jié)構(gòu)、高速光傳輸理論與技術(shù)。

高天宇（1993?），男，河北石家莊人，北京科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、高速相干光通信系統(tǒng)性能檢測(cè)。

霍佳皓（1989?），男，河北邢臺(tái)人，北京科技大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、短距離光傳輸。

申曉杰（1993?），男，北京人，北京科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、短距離光傳輸。

盧東旭（1991?），男，山東泰安人，北京科技大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、短距離光傳輸。

皇甫偉（1975?），男，河南開(kāi)封人，北京科技大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)。

涂佳靜（1986?），女，江西南昌人，北京科技大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)榭辗謴?fù)用技術(shù)、特種光纖設(shè)計(jì)、光纖傳感。

隆克平（1968?），男，四川成都人，北京科技大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)楣饣ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)及交換技術(shù)、新一代網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)與安全。

2018?05?02；

2018?09?03

周嫻，zhouxian219@gmail.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61671053, No.61871030）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（No.FRF-BD-17-015a）

The National Natural Science Foundation of China (No.61671053, No.61871030), The Central University Basic Business Expenses Special Fording for Scientific Research Project (No.FRF-BD-17-015a)