[發明專利]極低光信噪比下的相干光通信終端的時間同步方法與系統

有效

• 申請號: 201911163942.0
• 申請日: 2019-11-25
• 公開（公告）號: CN111010238B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 崔晟;唐劍威;谷云峰;程前;劉德明
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H04B10/61
• 分類號: H04B10/61;H04J3/06;H04L27/26;H04B10/25;H04B10/11
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 劉杰

本發明提出一種極低光信噪比下的相干光通信終端的時間同步方法與系統。該系統包含時鐘同步和幀同步模塊。時鐘同步模塊中采用一種新的無需乘法運算的，輸出特性對光信噪比變化不敏感的時鐘誤差檢測器。幀同步模塊中采用一種基于Q?chu導引序列和新型定時度量函數的多功能幀同步方法。兩個模塊配合能夠在光信噪比極低，且變化動態范圍極大的條件下實現發射和接收端的時間同步，或多個空間分集相干光接收機間的時間同步，同時還能夠實現本振激光器的頻偏估計。本發明能夠顯著改善時間同步系統的噪聲容限和穩定性，降低對數字信號處理芯片處理能力的要求，減少其功耗。在空間光通信系統和光纖通信系統都有良好的應用前景。

技術領域

本發明涉及光纖通信，自由空間光通信，相干檢測和數字信號處理技術領域，更具體地，涉及一種極低光信噪比下的相干光通信終端的時間同步方法。

背景技術

隨著通信對速度和容量要求的提高，相干探測技術成為下一代光通信系統中的關鍵技術，得到了廣泛的應用。

由于終端的大尺度相對運動，大氣信道條件的變化和較大的傳輸損耗，與光纖通信信號相比，自由空間光通信(FSOC)信號通常具有更大的動態范圍和更低的OSNR。因此，能夠適應不同信道條件的靈活數字相干接收機(DCR)在FSOC領域引起了廣泛關注。FSOC系統是光子匱乏的系統，因此輸入到光接收機中的光信號通常具有非常低的OSNR和很大的OSNR變化動態范圍，并且FSOC系統對功耗也有嚴格的要求。時鐘同步和幀同步模塊對于DCR來說是必不可少的，因此能夠處理此類FSOC信號的時鐘恢復算法(TRA)、幀同步算法(FSA)的發展在FSOC領域尤為重要。

時鐘恢復算法(TRA)用于使光接收機與輸入數據流重新同步，因此對于DCR來說是必不可少的。TRA的性能取決于TED。到目前為止，已經提出了各種TED方案，比較常用的有Oerder和Meyr等人(“OM”)提出的“平方濾波”方案，以及Gardner，Godard和Lee等人提出的其它方案。“OM”方案通常需要每個符號四次采樣(4 samples per symbol：SPS＝4)，因為該方案中平方非線性運算會使信號帶寬加倍。其它方案僅需要SPS＝2，因此更具吸引力，尤其是在硬件處理速度受到限制的情況下。就計算復雜度而言，Gardner算法中的TED在處理每個符號需要2次實數乘法，“OM”算法中的TED需要16次實數乘法，Lee算法中的TED的需要12次實數乘法，Godard算法中的TED需要4次實數乘法(在使用FFT計算得到信號頻譜之后)。關于時序相位估計的準確性，Lee和Gardner算法中TED的抖動比其它兩個算法TED的抖動低約1dB。現在提出的TRA具有兩種工作模式：反饋和前饋。“OM”和Lee算法中的TED通常與前饋TRA一起使用，而Gardner和Godard算法中的TED通常在反饋TRA中使用。考慮到計算的復雜性和準確性，基于Gardner TED的反饋TRA被認為是DCR的理想選擇。

然而，到目前為止，對于基于Gardner TED的TRA的研究僅僅限于光纖通信系統中傳輸的光信號，由于光纖通信系統良好的信道條件和中繼光放大器的使用，光纖通信信號的OSNR約為10dB，OSNR的動態范圍小于10dB。但是對于FSOC系統，DCR需要接收的光信號的OSNR可能遠低于0dB，且OSNR動態范圍可能遠大于30dB，傳統的TRA并不適用與FSOC信號。因此開發適用于FSOC信號的，且具有較低計算復雜性的TRA。