基于相位与频率联合估计的相干光通信载波恢复研究

Coherent optical communication is the significant development direction for the next generation high-speed optical communication system, in which the carrier recovery is a key technology. Due to the limits of both line width of the optical source and the elctrical processing speed, carrier recovery in a high-speed optical communication system is facing a major challenge. Around three scientific problem of carrier synchronization mechanism, phase frequency estimation and joint estimation for the carrier recovery in the coherent optical communication system and from the angle distribution law of higher order modulation format constellation point, the innovation algorithm based on phase and frequency filtering joint estimation for the carrier recovery in a coherent optical communication system and its realization is studied in this project. The main research contents include: 1) The angle distribution law of higher order modulation format constellation point. 2) The novel algorithm for frequency and phase estimation and carrier recovery realization. 3) Frequency deviation and phase deflection joint estimation. 4) Coherent optical communication system carrier recovery experiment. Some of characteristics and innovation of this project as follows: 1) carrier synchronization mechanism based on the attachment of angle among of the signal in the constellation diagram; 2) carrier recovery method based on the joint estimation. Through this project, higher-order modulation data carrier recovery hardware cost of high speed coherent optical communication will be greatly reduced, that has very important theoretical significance and application value for the next generation optical communication system.

相干光通信是未来高速光通信的重要发展方向，载波恢复是其关键技术之一。受限于光源线宽和电域处理速率，高速相干光通信中的载波恢复面临重大技术挑战。本项目围绕相干光通信中载波恢复的载波同步、相位与频率联合估计等问题，从高阶调制格式星座点之间连线的角度分布规律入手，研究基于相位与频率联合估计的新型载波恢复算法及其实现。主要研究内容包括：1）高阶调制格式星座点之间连线的角度分布规律；2）新的频率和相位估计算法及其载波恢复实现；3）频率偏差和相位偏转的联合估计；4）联合估计算法的实现及相干光通信系统载波恢复实验验证。本项目特色与创新之处在于：1) 基于信号在星座图上连线角度的载波同步机制；2）基于相位和频率联合估计的载波恢复方法。本项目可基于通用硬件实现高速相干光通信中高阶调制数据的载波恢复，将大幅降低高速相干光通信中载波恢复成本，对于相干光通信具有十分重要的理论意义和应用价值。

本项目研究针对相干光通信中的载波恢复、相位与频偏估计等问题，提出了多种新的载波恢复算法及其实现，基于通用硬件实现了高速相干光通信中高阶调制数据的载波恢复。主要研究内容包括：.1）提出基于星座点连线的角度分布规律估计载波相位和频偏算法，并以此实现相位和频率联合估计与滤波技术；.2）提出新的频率和相位估计算法及其载波恢复算法及其实现；在高速相干光通信系统中评价了算法性能和所需资源，降低了对光源线宽的要求和处理开销。.3）进行相干光通信系统载波恢复实验验证，并应用于实际设备；.取得的重要研究成果如下：.1）基于高阶调制格式星座点之间连线的角度分布规律实现了包括相位估计、频率估计、联合盲估计等一系列算法。适用于不同信噪比下高阶QAM调制格式的载波同步，多种格式通用，且相位和频偏估计性能优于已有算法。提出了基于频率与相位的联合估计算法。.2）提出了多种频率与相位的估计算法。包括基于星座旋转的32-QAM 频偏估计算法；OQAM调制格式下的载波相位估计算法；低复杂度前馈载波相位恢复算法设计等。.3）系统研究和对比了各种载波恢复算法的性能和硬件实现，指导了高速相干光通信中载波恢复环节的实现，并应用于高速光采样示波器。.课题研究的科学意义体现在如下几个方面：.1) 本研究基于星座点间连线的角度建立了新的载波同步机制，建立了连线的角度分布规律与相位偏转、频率差之间的关联，提供了相位、频差估计的新切入点。.2) 本研究探索了适用于高阶调制格式的频率和相位估计方法。特别是基于各种机制实现频率估计和相位估计，深入比较了计算结果和硬件资源，对于提升相干光通信系统的性能和具体硬件实现具有重要意义。.本项目基于通用硬件实现高速相干光通信中高阶调制数据的载波恢复，实现各方面性能均衡、硬件简单易实现的算法，降低了对光源线宽的要求和计算处理开销，可大幅降低高速相干光通信中载波恢复的硬件成本，对于相干光通信具有十分重要的理论意义和应用价值。