基于GSOP的正交不平衡损伤估计算法研究

周娴，高天宇，霍佳皓，申晓杰，卢东旭，皇甫伟，涂佳静，隆克平



基于GSOP的正交不平衡损伤估计算法研究

周娴，高天宇，霍佳皓，申晓杰，卢东旭，皇甫伟，涂佳静，隆克平

（北京科技大学计算机与通信工程学院人工智能研究院，北京 100083）

为实现高速光通信系统高效低成本测试的目标，基于施密特正交化过程（GSOP，Gram-Schmidt orthogonalization procedure），提出了一种适用于偏振复用—多进制正交幅度调制（PDM-MQAM）相干光通信系统的正交不平衡损伤估计（IQ-ImEstimation, IQ imbalance estimation）算法。根据同相信号和正交信号两路信号功率关系及相关性，设计幅度失配估计和相位失配估计2种方案。通过对34 GBaud PDM-MQAM相干光通信系统进行仿真与实验，验证了IQ-ImEstimation算法的正确性和有效性。

正交不平衡损伤估计；多进制正交幅度调制；相干光通信系统；数字信号处理

1 引言

近年来，研究人员对高速光通信系统的研究如火如荼，取得了一系列突破性进展。依靠成熟的数字信号处理技术和相干检测方案，光通信系统传输速率得到了快速提升。然而随着传输速率的提升和调制码型的复杂化，系统损伤测试复杂度和校准难度呈指数级增加趋势。其中，系统中IQ两路信号偏置点的设置不正确、3 dB耦合器分光比不对称、PD（photo detector）响应度的变化、混频器各路信号之间的不平衡等环节引入的正交不平衡（IQ imbalance）损伤会使系统性能恶化，还会影响后续DSP模块正常工作[1-2]。针对这一现状，对于不同模型，研究人员提出了不同的解决方案，包括基于GSOP的IQ补偿算法[3]、基于最大信噪比估计（MSEM，maximum SNR estimation method）的IQ补偿算法[4]、复值—多进多出（MIMO，multiple input multiple output）自适应均衡器[5]、Löwdin正交化算法[6]等，均可有效地对IQ imbalance进行补偿。但是目前缺少针对IQ imbalance损伤的估计算法，在系统进行损伤估计时缺少衡量标准，若使用传统的仪器仪表进行损伤测试，测试成本高，不适合进行大规模部署。

针对上述研究现状，本文基于GSOP原理，通过分析信号IQ分支的功率变化及其相关性变化，提出了一种幅度与相位正交不平衡检测估计算法。该算法估计性能与调制格式无关，在仿真与实验中分别对QPSK、8QAM、16QAM等调制方式进行了验证。实验结果表明，该算法对以上3种调制方式均可有效估计系统中存在的IQ imbalance损伤，且估计精度优良、误差较小。

2 针对PDM-MQAM相干光通信系统的正交不平衡损伤估计

PDM-MQAM相干光通信系统整体框架如图1所示。其中，图1(a)为系统结构框架，包含发射机、背靠背（BTB，back to back）信道以及接收端，图1(b)为接收端DSP处理流程。

2.1 正交不平衡效应的理论模型

图1 PDM-MQAM相干光通信系统整体框架

在整个传输系统中，一些环节有可能会引入IQ imbalance损伤，例如，IQ 2路偏置点的设置不正确、3 dB耦合器分光比不对称、PD响应度的变化、混频器各路之间的不平衡等。经过90°混频器平衡接收后的输出信号，存在IQ imbalance损伤模型可等效为[7]

2.2 正交不平衡损伤估计算法原理

PDM-MQAM系统接收机DSP处理流程如图1(b)所示。DSP处理核心算法主要包括IQ- ImEstimation算法、IQ imbalace补偿算法、重采样过程、时钟同步算法、自适应均衡偏振解复用、频偏估计算法及载波相位恢复算法。

1) IQ幅度失配估计原理

随后求出信号正交分量（Q路）功率的均值为

2) IQ相位失配估计原理

3 基于GOSP的正交不平衡估计算法的仿真与实验

3.1 正交不平衡损伤估计仿真结果与分析

本文设计的34 GBaud PDM-MQAM相干光通信系统由Matlab软件和VPI软件搭建。系统中主要器件的参数如表1所示。

表1 34 GBaud PDM-MQAM仿真系统主要参数

1) 数据长度对算法估计性能影响

在进行仿真及实验之前，本文就数据长度对算法精度的影响进行了仿真实验。3种调制方式双偏振态下光信噪比（OSNR, optical signal noise ratio）取=10−4时对应的理论值，QPSK对应OSNR理论值取为16 dB，8QAM对应理论值取为19 dB，16QAM对应理论值取为22 dB。IQ相位失配设置为60°，IQ幅度失配设置为3 dB，仿真结果如图2所示。

图2 数据长度与算法估计性能关系

2) IQ幅度失配估计仿真结果

本文对3种调制方式进行了IQ幅度失配仿真实验，包括IQ幅度失配估计与IQ幅度失配估计误差，仿真结果如图3所示，其中，IQ幅度失配估计误差换算为dB值表示。

图3 IQ幅度失配仿真结果

3) IQ相位失配估计仿真结果

本文对3种调制方式进行了IQ相位失配仿真实验，包括IQ相位失配估计与IQ相位失配估计误差，仿真结果如图4所示。

图4 IQ相位失配仿真结果

图5 34 GBaud PDM-MQAM相干光通信实验平台系统框架

图6 IQ幅度失配估计实验结果

3.2 正交不平衡损伤估计实验结果与分析

在联合仿真平台VPI与Matlab中验证了原理的正确性后，搭建了34 GBaud MQAM通信实验平台，整体实验系统框架如图5所示。利用PRBS产生长度为215数据，使用任意波形发生器（AWG，arbitrary waveform generator）（实验设备型号：keysight M9502A）将数据上采样到85 GSample/s，升余弦滚降系数为0.2，输入IQ调制模块（实验设备型号：Fujitsu FTM7962EP）进行调制，激光器采用外腔半导体激光器（ECL，external cavity laser）（实验设备型号：N7714A）。在接收端通过光相干接收机（实验设备型号：Fujitsu FIM24706EB）将信号与本振光耦合，最后用示波器（实验设备型号：Agilent DSA-X-96204Q）对数据进行实时采集，采样率为80 GSample/s。采集后的离散样值，交由Matlab离线处理。由于实验设备中难以引入精确的正交不平衡损伤及调整精确，因此本文在进行DSP处理之前引入损伤及调整（QPSK信号对应为13 dB，8QAM信号对应为16 dB，16QAM信号对应为19 dB），引入损伤形式如式(2)所示。

图7 IQ相位失配估计实验结果

4 结束语

为了满足高速光通信系统高效低成本测试的需求，对于目前相干光通信系统中信号所受到的IQ Imbalance损伤进行了研究，基于GSOP提出了一种IQ-ImEstimation算法。该接收机损伤估计算法可有效评估相干光通信系统中的IQ Imbalance损伤，与传统的仪器仪表测试比较而言，可大幅度降低测试成本。通过搭建34 GBaud PDM-MQAM仿真与实验平台，对本文提出的IQ-ImEstimation算法进行验证，根据仿真与实验结果可知，该正交不平衡损伤估计算法可有效估计IQ幅度失配损伤以及IQ相位失配损伤。通过进一步仿真实验及原理分析，该IQ-ImEstimation算法估计性能受噪声影响较大，但与调制方式无关。该算法估计范围广，估计误差较低，有望成为未来相干光通信系统性能测试的优选方案之一。

[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 Löwdin's method of symmetric orthogonalization[J]. International Journal of Quantum Chemistry, 2002, 90(1):63–65.

[7] 周娴. 100 Gbps PM-(D)QPSK相干光传输系统DSP算法研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 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

周娴（1982−），女，重庆人，北京科技大学教授，主要研究方向为数字信号处理、光通信系统理论与结构、高速光传输理论与技术。

高天宇（1993−），男，河北石家庄人，北京科技大学硕士生，主要研究方向为数字信号处理、高速相干光通信系统性能检测。

霍佳皓（1989−），男，河北邢台人，北京科技大学博士生，主要研究方向为数字信号处理、短距离光传输。

申晓杰（1993−），男，北京人，北京科技大学硕士生，主要研究方向为数字信号处理、短距离光传输。

卢东旭（1991−），男，山东泰安人，北京科技大学博士生，主要研究方向为数字信号处理、短距离光传输。

皇甫伟（1975−），男，河南开封人，北京科技大学副教授，主要研究方向为无线自组网、网络测量技术。

涂佳静（1986−），女，江西南昌人，北京科技大学讲师，主要研究方向为空分复用技术、特种光纤设计、光纤传感。

隆克平（1968−），男，四川成都人，北京科技大学教授，主要研究方向为光互联网络及交换技术、新一代网络理论与技术、无线移动通信、网络新业务与安全。

2018−05−02；

2018−09−03

周娴，zhouxian219@gmail.com

国家自然科学基金资助项目（No.61671053, No.61871030）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（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)