随着信息传输容量需求的进一步提升，基于偏振复用及高阶调制格式的数字相干传输系统是当前及未来长距离光通信系统的最佳选择。但信号会受到由收发两端的激光器中心波长漂移和相位噪声所带来的影响，因此频偏估计和载波相位恢复是数字相干光通信数字信号处理中必不可少的部分。考虑现有电子器件的速率限制，所有算法必须通过并行化实现才能被运用到实际系统中。如何同时保证算法的大频偏估计范围，高线宽容忍度以及相应的并行化处理是现有光通信系统面临的一个挑战。
付松年教授指导的硕士研究生陆佳宁针对这一问题，通过理论和实验分析，发现双偏振信号的两路偏振态的所受到的相位噪声仅相差一个常数，于是针对双偏振相干光通信系统提出了一种载波相位和频偏联合估计及其并行化实现方案。通过采用相位差预补偿的方法，将两路偏振态信号联合处理实现频偏和载波相位恢复，从而极大的提升了系统的线宽容忍度。同时，频偏的估计范围可达到±波特率/2，超过传统的频偏估计算法。此外，为了实现这种算法的实时并行处理，采用一种创新的超标量并行处理结构。这种结构可以同时容纳两路偏振信号并且在相邻缓冲区之间实现频偏信息的传递。实验证明所提出的方案具有较大的频偏估计范围和较高的线宽容忍度，并且满足实时系统并行处理的需求。该成果以论文形式发表于Optics Express上，论文题目为“Joint carrier phase and frequency-offsetestimation with parallel implementation for dual-polarization coherent receiver,”（Vol. 25, No. 5, pp. 5217-5231, 2017）。硕士生陆佳宁为第一作者，付松年教授为通讯作者。
图1.基于双偏振的载波相位和频偏联合估计方案，(a)相位预补偿结构，(b)联合估计算法结构。
图2.超标量并行处理结构
图3.背靠背传输系统中的误码率性能比较，(a)16QAM调制格式，(b)32QAM调制格式。
为了实现更高的频谱效率，光通信系统的下一代发展方向是使用更高阶的调制格式32-QAM。然而当前没有任何一种前馈式的频偏估计方法可以被有效地用在这种调制格式上。我们根据32-QAM星座图的特点，创新地提出基于QPSK环放大的快速傅里叶变换频偏估计算法，实现了在大OSNR范围和大频偏范围的无误差频偏估计。该成果以题为“Feed-forward frequency offset estimation for 32-QAM optical coherent detection,”（Vol. 25, No. 8, pp. 8828-8839, 2017）发表于Optics Express上。硕士生陆佳宁为第一作者，付松年教授为通讯作者。
图4.基于QPSK环放大的快速傅里叶变换频偏估计算法结构图。
图5.QPSK环放大的具体过程。
考虑实际使用，必须减低算法的复杂度，针对32-QAM调制格式来实现低复杂度的频偏估计算法，我们又提出了一种基于星座图旋转的差分频偏估计算法。实验证明，这种算法相比之前提出的算法，具有复杂度更低，可容忍的信噪比范围更大的特点。其中计算复杂度仅为现有算法的1/3。该成果以论文形式发表于IEEEPhotonics Technology Letters上，论文题目为“Frequency Offset Estimation for 32-QAM Based on Constellation Rotation”(Vol.29, No. 23, pp.2115-2118, 2017)。硕士生陆佳宁为第一作者，付松年教授为通讯作者。
图6.基于星座图旋转的差分频偏估计算法结构图。
图7.实验得到的误码率性能曲线图，(a)激光器频偏设置在0 GHz附近。(b):激光器频偏设置在1 GHz附近
以上项目得到了国家重点研发计划（2016YFE0121300）、国家自然科学基金面上（61575071, 61711530043）的资助，并得到下一代互联网接入系统国家工程实验室各位老师的大力支持。
