CN119814166A - 基于pd-dd-lms架构的频域均衡方法、介质及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PD‑DD‑LMS架构的频域均衡方法、介质及设备，涉及相干光通信系统数字信号处理领域，基于PD‑DD‑LMS架构的频域均衡方法主要包括：利用奇偶分离和串并转换方法将输入序列转换为多个数据块并进行快速傅里叶变换得到多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器得到频域输出块向量并进行快速傅里叶逆变换，丢弃前面的预设数量的元素得到时域输出块向量；根据时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法和梯度下降算法，更新滤波器抽头权重。实施本发明提供的基于PD‑DD‑LMS架构的频域均衡方法、介质及设备，能在不降低抗相位噪声和抗频率偏移性能的同时，降低计算复杂度。

Description

基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法、介质及设备

技术领域

本发明涉及相干光通信系统数字信号处理领域，更具体地说，涉及一种基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法、介质及设备。

背景技术

随着通信技术的快速发展，光纤通信系统因其带宽大、传输速率高、抗干扰能力强等优势，已经成为现代通信网络的主流传输方式。然而，随着光纤通信网络的规模和传输速率不断提升，系统的性能和传输质量面临越来越复杂的挑战。在相干光通信系统中，信号在经过光纤传输后会遭遇色散、非线性效应和频率偏移等问题，这些问题会导致信号质量的严重退化，特别是在高速大容量系统中，这种影响尤为明显。

为了克服相干光传输系统中各类损伤带来的负面影响，自适应FIR滤波器在相干光传输系统中起着非常重要的作用。FIR滤波器的抽头系数通过抽头自适应算法进行更新。当发射机激光器和本振激光器（LO）的相位噪声以及它们之间的频率偏移在延迟时间内引起大的载波相位波动时会严重降低了具有长延迟抽头的FIR滤波器的性能。

基于相位相关决策定向最小均方乘（phase-dependent decision-directedleast-meansquare algorithm，PD-DD-LMS）算法的数字相干光接收机有限脉冲响应（FIR）滤波器的新结构通过引入两级决策引导载波相位估计器，从更新FIR滤波器抽头系数的误差信号中去除快速相位波动，实现对高阶正交幅度调制（QAM）信号的滤波器抽头系数的稳定自适应，较传统DD-LMS方法具有更好的抗相位噪声和抗频率偏移能力。

然而FIR滤波器的计算复杂度随着延迟抽头的数量增加而增加，由于大功耗和高门密度，难以在专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）中实现具有大量延迟抽头的FIR滤波器。因此需要一种可以降低计算复杂度的新型均衡方法。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法、介质及设备，能在不降低抗相位噪声和抗频率偏移性能的同时，有效实现来降低计算复杂度。

本发明提供一种基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，包括以下步骤：S1：根据输入序列，利用奇偶分离和串并转换方法，得到多个数据块；

S2：根据所述多个数据块，利用快速傅里叶变换，得到多个频域输入块向量；S3：根据所述多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器，得到频域输出块向量；S4：对所述频域输出块向量进行快速傅里叶逆变换，并丢弃前面的预设数量的元素，得到时域输出块向量；S5：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法和梯度下降算法，更新滤波器抽头权重。

进一步地，步骤S1具体包括：S11：将输入序列进行奇偶分离，得到偏振偶数序列、奇数序列、偏振偶数序列、偏振奇数序列；所述输入序列包括偏振输入序列和偏振输入序列；S12：利用串并转换方法，按照预设数量，将所述偏振偶数序列、所述偏振奇数序列、所述偏振偶数序列、所述偏振奇数序列分别划分为多个数据块。

进一步地，步骤S2具体包括：根据所述多个数据块，利用快速傅里叶变换，得到多个频域输入块向量，如公式：

，

其中，表示第个频域输入块向量，表示快速傅里叶变换，；表示对矩阵进行转置。

进一步地，步骤S3具体包括：根据所述多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器，得到频域输出块向量，如公式：

，

，

其中，为偏振第个时域输出块向量，为偏振第个时域输出块向量，、、、、、、和分别表示多输入多输出频域均衡器中的八个子均衡器频域滤波器的抽头系数；表示频率域向量之间的点乘操作；、、、分别表示偶数序列和奇数序列各自的和偏振的第个频域输入块向量。

进一步地，步骤S5具体包括：S51：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法，得到误差向量；S52：利用预设数量的0对所述误差向量进行填充后，利用快速傅里叶变换，得到频域误差向量；S53：根据所述频域误差向量和所述多个频域输入块向量，得到梯度向量；S54：根据所述梯度向量，更新滤波器抽头权重。

进一步地，步骤S51具体包括：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法，得到误差向量，如公式：

，

，

，

，

，

其中，为误差向量，表示偏振（代表和偏振）训练模式中的期望信号或跟踪模式中的解码信号；表示偏振第一级相位估计器的抽头系数向量，表示偏振第二级相位估计器的抽头系数向量，表示均衡器偏振上的输出块向量；是步长参数，符号是指取其共轭向量，是控制第一级相位估计器的抽头系数向量的误差信号；是步长参数，是控制第二级相位估计器的抽头系数向量的误差信号。

进一步地，步骤S54具体包括：根据所述梯度向量，更新滤波器抽头权重，如公式：

，

其中，为更新后的应用于下一数据块的滤波器抽头权重，为更新前的应用于当前数据块的滤波器抽头权重，为随机梯度下降的步长参数，为梯度向量，表示用个0填充。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该程序时实现上述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

实施本发明提供的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法、介质及设备，具有以下有益效果：

本发明利用奇偶分离和串并转换方法将输入序列转换为多个数据块并进行快速傅里叶变换得到多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器得到频域输出块向量并进行快速傅里叶逆变换，丢弃前面的预设数量的元素得到时域输出块向量；根据时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法和梯度下降算法，更新滤波器抽头权重。本发明适用于偏振复用传输系统，在具备和时域均衡同样的抗相位噪声和抗频率偏移性能的同时，通过逐块信号处理和离散傅立叶变换（DFT）的有效实现来降低计算复杂度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的流程图；

图2是本发明提供的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法整体结构原理图；

图3是本发明提供的相位相关决策定向最小均方乘算法原理图；

图4是本发明提供的与时域均衡的性能对比仿真结果图；

图5是本发明提供的与时域均衡的性能对比实验结果图；

图6是本发明提供的与时域均衡的计算复杂度对比图；

图7是本发明提供的计算机设备的结构框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

图1示出了本实施例的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的示意图。在本实施例中，基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法包括以下步骤：

S1：根据输入序列，利用奇偶分离和串并转换方法，得到多个数据块；

在一种示例性的实施例中，步骤S1具体包括：

S11：将输入序列进行奇偶分离，得到偏振偶数序列、奇数序列、偏振偶数序列、偏振奇数序列；所述输入序列包括偏振输入序列和偏振输入序列；

S12：利用串并转换方法，按照预设数量，将所述偏振偶数序列、所述偏振奇数序列、所述偏振偶数序列、所述偏振奇数序列分别划分为多个数据块；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S1中，将输入序列、各自进行奇偶分离，从而得到四路奇数/偶数序列；使用串并（S/P）转换器，各支路被进一步划分成许多个点数据块，等于频域均衡器的离散频率响应，即，所述预设数量为频域均衡器的离散频率响应；如图2所示为本实施例的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的整体结构原理图，将来自与偏振的输入序列分为奇数序列和偶数序列，由于频域均衡是按块进行处理，所以将序列进一步分成长度为的数据块，用表示第个长度为的输入块向量；

S2：根据所述多个数据块，利用快速傅里叶变换，得到多个频域输入块向量；

在一种示例性的实施例中，步骤S2具体包括：根据所述多个数据块，利用快速傅里叶变换，得到多个频域输入块向量，如公式：

，

其中，表示第个频域输入块向量，表示快速傅里叶变换，；表示对矩阵进行转置；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S2中，按照50%重叠的重叠保留法对数据块进行快速傅里叶变换（FFT），即，将子均衡器（包括偶数子均衡器和奇数子均衡器）的频域输入块向量表示为，通过使用50%的重叠因子，该输入序列包括来自当前数据块的L个样本和先前数据块的L个样本；

S3：根据所述多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器，得到频域输出块向量；

在一种示例性的实施例中，步骤S3具体包括：根据所述多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器，得到频域输出块向量，如公式：

，

，

其中，为偏振第个时域输出块向量，为偏振第个时域输出块向量，、、、、、、和分别表示多输入多输出频域均衡器中的八个子均衡器频域滤波器的抽头系数；表示频率域向量之间的点乘操作；、、、分别表示偶数序列和奇数序列各自的和偏振的第个频域输入块向量；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S3中，数据块被对应送至2 × 2蝶形结构有限脉冲响应（FIR）滤波器，以实现频域自适应均衡；八个频域滤波器由偶数子均衡器和奇数子均衡器组成；四个偶数子均衡器在一个2 × 2蝶形结构中，四个奇数子均衡器在另一个2 × 2蝶形结构中；在频域中，输出块向量为：

，

，

需要说明的是，在步骤S3中，将子均衡器的L个抽头系数向量用相等数量的0填充，并进行2L点FFT，子均衡器的频域抽头系数向量表示为，其中、表示或偏振，、表示偶数序列或奇数序列；

S4：对所述频域输出块向量进行快速傅里叶逆变换，并丢弃前面的预设数量的元素，得到时域输出块向量；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S4中，执行逆FFT（IFFT）并丢弃前个元素获得时域的输出块向量、，即，对子均衡器的频域输出块向量进行快速傅里叶逆变换（IFFT），并丢弃前个元素得到时域的输出块向量；

S5：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法和梯度下降算法，更新滤波器抽头权重；

在一种示例性的实施例中，步骤S5具体包括：

S51：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法，得到误差向量；

在一种示例性的实施例中，步骤S51具体包括：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法，得到误差向量，如公式：

，

，

，

，

，

其中，为误差向量，表示偏振（代表和偏振）训练模式中的期望信号或跟踪模式中的解码信号；表示偏振第一级相位估计器的抽头系数向量，表示偏振第二级相位估计器的抽头系数向量，表示均衡器偏振上的输出块向量；是步长参数，符号是指取其共轭向量，是控制第一级相位估计器的抽头系数向量的误差信号；是步长参数，是控制第二级相位估计器的抽头系数向量的误差信号；

S52：利用预设数量的0对所述误差向量进行填充后，利用快速傅里叶变换，得到频域误差向量；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S52中，用相等数量即个0填充误差向量，并进行点FFT得到频域误差向量，表示用个0填充；

S53：根据所述频域误差向量和所述多个频域输入块向量，得到梯度向量；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S53中，根据频域误差向量，然后输入块向量取共轭，最后对进行快速傅里叶逆变换，并丢弃的后个元素得到梯度向量；

S54：根据所述梯度向量，更新滤波器抽头权重；

在一种示例性的实施例中，步骤S54具体包括：根据所述梯度向量，更新滤波器抽头权重，如公式：

，

其中，为更新后的应用于下一数据块的滤波器抽头权重，为更新前的应用于当前数据块的滤波器抽头权重，为随机梯度下降的步长参数，为梯度向量，表示用个0填充；

作为一种示例性的实施例而言，在步骤S5中，在时域中采用PD-DD-LMS算法进行误差计算，对获得的误差向量用L个0进行补充之后将其转换为长度为2L的频域向量，最后，通过使用梯度下降算法在频域中更新滤波器抽头权重。

在一种实施例中，基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法包括以下步骤：在信号接收端数字信号处理部分，将输入序列、各自进行奇偶分离，从而得到四路奇数/偶数序列。不同于时域均衡采用逐样本处理，频域均衡采用块处理的方式。使用串并（S/P）转换器，各支路被进一步划分成许多个L点数据块，L等于频域均衡器的离散频率响应，按照50%重叠的重叠保留法对数据块进行快速傅里叶变换（FFT），之后数据块被对应送至2 × 2蝶形结构有限脉冲响应（FIR）滤波器，以实现频域自适应均衡。八个频域滤波器由偶数子均衡器和奇数子均衡器组成。四个偶数子均衡器在一个2 × 2蝶形结构中，四个奇数子均衡器在另一个2 × 2蝶形结构中。在频域中，输出块向量为：

，

，

执行逆FFT（IFFT）并丢弃前L个元素获得时域的输出块向量、，在时域中采用PD-DD-LMS算法进行误差计算，对获得的误差向量用L个0进行补充之后将其转换为长度为2L的频域向量，最后，通过使用梯度下降算法在频域中更新滤波器抽头权重。如图4是本发明提供的与时域均衡的性能对比仿真结果图；图5是本发明提供的与时域均衡的性能对比实验结果图；图6是本发明提供的与时域均衡的计算复杂度对比图；

可以看出，本发明的技术方案在载波相位估计后可以实现与时域均衡一样的效果，但其计算复杂度大大降低。

在一种实施例中，基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法可以同以下方式实施。图2为本发明实施方案的整体结构原理图，将来自x与y偏振的输入序列分为奇数序列和偶数序列，由于频域均衡是按块进行处理，所以将序列进一步分成长度为L的数据块，用表示第k个长度为L的输入块向量。

将子均衡器（包括偶数子均衡器和奇数子均衡器）的频域输入块向量表示为：

，

通过使用50%的重叠因子，该输入序列包括来自当前数据块的L个样本和先前数据块的L个样本。

将子均衡器的L个抽头系数向量用相等数量的0填充，并进行2L点FFT，子均衡器的频域抽头系数向量表示为：

，

其中p、q表示x或y偏振。

对子均衡器的频域输出块向量进行快速傅里叶逆变换（IFFT），并丢弃前L个元素得到时域的输出块向量。

子均衡器的抽头系数在频域中利用梯度下降算法进行更新，其表达式为：

，

其中即梯度向量的计算方式为：首先在时域中计算误差向量，再用相等数量即L个0填充并进行2L点FFT得到：

，

然后输入块向量取共轭，最后对进行快速傅里叶逆变换，并丢弃的后L个元素得到。

误差向量利用相位相关决策定向最小均方乘算法（算法原理如图3所示），在时域中进行计算得到，其表达式为：

，

其中表示p偏振（p代表x或y）训练模式中的期望信号或跟踪模式中的解码信号。表示p偏振第一级相位估计器的抽头系数向量，表示p偏振第二级相位估计器的抽头系数向量，表示均衡器p偏振上的输出块向量。

第一级相位估计器的抽头系数的更新表达式为：

，

是步长参数，符号是指取其共轭向量，是控制第一级相位估计器的抽头系数向量的误差信号，其表达式为：

；

第二级相位估计器的抽头系数的更新表达式为：

，

是步长参数，符号是指取其共轭向量，是控制第二级相位估计器的抽头系数向量的误差信号，其表达式为：

。

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。其中，该存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）、随机存储记忆体（RandomAccess Memory，RAM）、快闪存储器（Flash Memory）、硬盘（Hard Disk Drive，HDD）或固态硬盘（Solid-State Drive，SSD)等；该存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

本实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该程序时实现上述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

如图7所示，该计算机设备120可以包括：至少一个处理器121，例如中央处理器（Central Processing Unit，CPU），至少一个通信接口123，存储器124，至少一个通信总线122。其中，通信总线122用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口123可以包括显示屏（Display）、键盘（Keyboard），可选通信接口123还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器124可以是高速随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），也可以是非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。存储器124可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器121的存储装置。其中，存储器124中存储应用程序，且处理器121调用存储器124中存储的程序代码，以用于执行上述任一方法步骤。其中，通信总线122可以是外设部件互连标准（peripheral component interconnect，PCI）总线或扩展工业标准结构（extended industry standard architecture，EISA）总线等。通信总线122可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。其中，存储器124可以包括易失性存储器（volatilememory），例如随机存取存储器（random-access memory，RAM）；存储器也可以包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如快闪存储器（flash memory），硬盘（hard diskdrive，HDD）或固态硬盘（solid-state drive，SSD）；存储器124还可以包括上述种类的存储器的组合。其中，处理器121可以是中央处理器（central processing unit，CPU），网络处理器（network processor，NP）或者CPU和NP的组合。其中，处理器121还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路（application-specific integrated circuit，ASIC），可编程逻辑器件（programmable logic device，PLD）或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件（complex programmable logic device，CPLD），现场可编程逻辑门阵列（field-programmable gate array，FPGA），通用阵列逻辑（generic array logic，GAL）或其任意组合。可选地，存储器124还用于存储程序指令。处理器121可以调用程序指令，实现如本实施例的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法。

本实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据输入序列，利用奇偶分离和串并转换方法，得到多个数据块；

S2：根据所述多个数据块，利用快速傅里叶变换，得到多个频域输入块向量；

S3：根据所述多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器，得到频域输出块向量；

S4：对所述频域输出块向量进行快速傅里叶逆变换，并丢弃前面的预设数量的元素，得到时域输出块向量；

S5：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法和梯度下降算法，更新滤波器抽头权重。

2.根据权利要求1所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

S11：将输入序列进行奇偶分离，得到偏振偶数序列、奇数序列、偏振偶数序列、偏振奇数序列；所述输入序列包括偏振输入序列和偏振输入序列；

S12：利用串并转换方法，按照预设数量，将所述偏振偶数序列、所述偏振奇数序列、所述偏振偶数序列、所述偏振奇数序列分别划分为多个数据块。

3.根据权利要求1所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，步骤S2具体包括：根据所述多个数据块，利用快速傅里叶变换，得到多个频域输入块向量，如公式：

，

其中，表示第个频域输入块向量，表示快速傅里叶变换，表示第个数据块中第个样本；表示对矩阵进行转置。

4.根据权利要求1所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，步骤S3具体包括：根据所述多个频域输入块向量，利用多输入多输出频域均衡器，得到频域输出块向量，如公式：

，

，

其中，为偏振第个时域输出块向量，为偏振第个时域输出块向量，、、、、、、和分别表示多输入多输出频域均衡器中的八个子均衡器频域滤波器的抽头系数；表示频率域向量之间的点乘操作；、、、分别表示偶数序列和奇数序列各自的和偏振的第个频域输入块向量。

5.根据权利要求1所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

S51：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法，得到误差向量；

S52：利用预设数量的0对所述误差向量进行填充后，利用快速傅里叶变换，得到频域误差向量；

S53：根据所述频域误差向量和所述多个频域输入块向量，得到梯度向量；

S54：根据所述梯度向量，更新滤波器抽头权重。

6.根据权利要求5所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，步骤S51具体包括：根据所述时域输出块向量，利用相位相关决策定向最小均方乘算法，得到误差向量，如公式：

，

，

，

，

，

其中，为误差向量，表示偏振（代表和偏振）训练模式中的期望信号或跟踪模式中的解码信号；表示偏振第一级相位估计器的抽头系数向量，表示偏振第二级相位估计器的抽头系数向量，表示均衡器偏振上的输出块向量；是步长参数，符号是指取其共轭向量，是控制第一级相位估计器的抽头系数向量的误差信号；是步长参数，是控制第二级相位估计器的抽头系数向量的误差信号。

7.根据权利要求5所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法，其特征在于，步骤S54具体包括：根据所述梯度向量，更新滤波器抽头权重，如公式：

，

其中，为更新后的应用于下一数据块的滤波器抽头权重，为更新前的应用于当前数据块的滤波器抽头权重，为随机梯度下降的步长参数，为梯度向量，表示用个0填充。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一所述的基于PD-DD-LMS架构的频域均衡方法的步骤。