CN101877616B - 对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置和方法。该方法主要包括：检测光传输链路中的光信号的偏振态数据和光功率，根据所述光功率对所述偏振态数据进行调整，根据调整后的偏振态数据，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值调用作为搜索算法的基于抖动的粒子群优化算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。利用所述控制电压，控制补偿单元，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿。利用本发明，有效地提高了采集的偏振度信息的准确度，采用的搜索和跟踪算法不易陷入局部极值，并且搜索和跟踪时迭代的步数少，从而可以依据对光传输链路中的偏振模色算进行有效地补偿。

Description

对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法及装置。

背景技术

目前，人们对于宽带网的需求越来越大，增速迅猛，要求提升骨干网、甚至城域网、局域网、乃至接入网速度的呼声越来越大。运营商正在升级其10Gb/s的骨干网到40Gb/s。

在光纤通信系统中，由于光纤受到挤压、扭曲、及其它环境因素的影响，造成光信号的偏振态发生改变，引起偏振模色散（PMD，PolarizationMode Dispersion），而造成信息丢失。理论证明，在比特率大于40Gb/s的传输系统中，偏振模色散引起的信号损伤必须加以缓解和补偿。

目前PMD的缓解方法包括使用低偏振模色散系数光纤，其缺点是光纤贵，需要更新已经铺设的光缆，花费太大。

目前PMD的补偿方法包括电域补偿与光域补偿。光域补偿技术中较成熟的技术是采用有偏振控制器和时延线组成的多级补偿单元。对于链路中PMD的监测主要有两种反馈信号：基于斯托克斯矢量的偏振度信号和电功率信号。其中，以电功率信号作为反馈信号的补偿系统面临电信号处理速度瓶颈的问题，因此，以偏振度信号作为反馈信号的补偿系统是目前最有前景的补偿方案。

现有技术中的一种PMD的补偿系统主要包括：补偿单元、控制和算法单元以及PMD采样信号提取单元。主要工作过程为：PMD采样信号提取单元采用在线检偏器提取偏振度信号作为反馈信号，在线检偏器的输出电压进入A/D（模/数）采样后，输入到控制和算法单元。控制和算法单元通过算法计算，得到应该加到偏振控制器的电压，驱动偏振控制器动作，进行PMD补偿，使得在线检偏器检测的光信号的偏振度达到全局最大值，以保证搜索到最佳补偿电压组合，恢复由PMD引起畸变的信号质量。

在实现本发明过程中，发明人发现上述现有技术中至少存在如下问题：上述在线检偏器由于没有增益控制部分，随着不同系统输入光功率差别过大，在线检偏器的输出电压变化范围太大，给A/D芯片的要求就很高，不但要求动态范围大，而且要求采样速率高。

当系统输入光功率过低时，上述在线检偏器的输出电压值很低，噪声很大，A/D采样的动态范围不能得到发挥，这样将降低偏振度信号采样的精度，进而影响PMD补偿效果。

并且，控制和算法单元所采用的算法较易陷入局部极值而造成补偿失败。

发明内容

本发明的实施例提供了一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法及装置，实现了在输入光功率变化比较大的情况下，对光传输链路中的PMD进行有效补偿。

一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，包括：

取样监测单元，用于检测光传输链路中的光信号的偏振态数据和光功率，根据所述光功率对所述偏振态数据进行调整；

控制和算法单元，用于根据所述取样监测单元产生的偏振态数据，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值产生控制电压；

补偿单元，用于根据所述控制和算法单元传输过来的控制电压，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿。

一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，包括：

检测光传输链路中的光信号的偏振态数据和光功率，根据所述光功率对所述偏振态数据进行调整；

根据调整后的偏振态数据，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值产生控制电压；

利用所述控制电压，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过检测光传输链路中的光信号的光功率，根据该光功率对所述光信号的偏振态数据进行调整，有效地提高了采集的偏振度信息的准确度，采用的搜索算法不易陷入局部极值，并且搜索时迭代的步数少，从而可以对光传输链路中的偏振模色散进行有效地补偿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种PMD的补偿装置的结构图；

图2为本发明实施例一提供的中值滤波前后NRZ码和RZ码偏振度—DGD关系的测量曲线示意图；

图3为本发明实施例一提供的中值滤波前后信号频谱示意图；

图4为本发明实施例一提供的采用DPSO和PSO分别得到的偏振度值与迭代步数关系示意图；

图5为本发明实施例一提供的以迭代步数为横坐标，以相应迭代步数时恰好达到门限值的搜索次数为纵坐标的柱状示意图；

图6为本发明实施例二提供的一种PMD的补偿装置中的控制和算法单元的处理流程图。

具体实施方式

在本发明实施例中，检测光传输链路中的光信号的偏振态数据和光功率，根据所述光功率对所述偏振态数据进行调整，根据调整后的偏振态数据，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值调用作为搜索算法的基于抖动的粒子群优化算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。然后，利用所述控制电压，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿。

进一步地，实时地、不间断地检测光传输链路中的偏振态数据和输入光信号的功率，将所述偏振态数据转换为电压信号；

根据所述输入光信号的功率动态调整功率增益，利用该功率增益对所述电压信号进行功率调整，将功率调整后的电压信号转换为数字信号，将该数字信号进行存储。

进一步地，读取所述存储的数字信号，通过矩阵运算将该数字信号转换成相应的斯托克斯参量，根据该斯托克斯参量计算得到偏振度值

对所述偏振度值进行中值滤波处理，根据中值滤波处理后的偏振度值和预先设定的阈值，调用相关算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。

进一步地，当所述中值滤波处理后的偏振度值小于预设设定的第二阈值或者在所述装置初始化时，调用作为搜索算法的基于抖动的粒子群优化算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压；

当所述中值滤波处理后的偏振度值大于预设设定的第二阈值，小于预先设定的第一阈值，则调用作为跟踪算法的粒子群优化算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。

进一步地，采用粒子群优化算法计算出粒子群中每个粒子的当前的最佳适用度和最佳位置，利用所述粒子的当前的最佳适用度和粒子的自身历史最佳适应度值，以及粒子的原有运动速度，计算出粒子的新位置和粒子在新位置的最佳适应度值；

采用抖动算法，计算出处于所述当前的最佳位置的粒子附近给定位置的粒子的最佳适用度和最佳位置；

根据所述粒子在新位置的最佳适应度值和所述给定位置的粒子的最佳适用度，计算得到所述粒子的最终的最佳适应度值和最佳位置。

根据每个粒子的最终的最佳适应度值和最佳位置，生成使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。

进一步地，根据所述控制电压，改变光传输链路中的偏振控制器的相位，使所述偏振控制器达到最佳状态；

根据所述控制电压，将光传输链路中的可变时延模块固定在最佳时延；

利用所述处于最佳状态的偏振控制器和最佳时延的可变时延模块，使得所述光传输链路中的光信号的偏振度达到最大，从而使得所述光传输链路中的光信号的偏振模色散达到最小。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

该实施例提供的一种PMD的补偿装置的结构如图1所示，主要包括：补偿单元、控制和算法单元和取样检测单元。下面分别介绍各个单元的工作过程和主要功能。

1、取样监测单元，包括：检偏器、光功率自适应稳定模块和A/D转换模块。

1.1，检偏器，检偏器的作用是实时监测光传输链路中的偏振态数据，该偏振态数据与光传输链路中的一阶PMD，即DGD（Differential GroupDelay，差分群时延）存在单值关系，这里，偏振态数据可以是偏振度DOP，当偏振度最大时，系统总的DGD最小。检偏器将检测得到的偏振度转换为4路输出电压V1、V2、V3和V4，并传输给光功率自适应稳定模块。上述V1、V2、V3和V4对应一个偏振态。通过V1、V2、V3和V4，即可通过公式计算得到DOP。

以偏振度作为监测信号，具有以下优点：与光纤通信系统的传输速率无关，具有普遍适用性，可以适用于任何码率（10、40、100、160G）、任何码型，比如，NRZ（nonreturn to zero code，非归零码）、RZ（return tozero code，归零码）码和各种多级相位调制码；可以用于补偿大于一个比特周期的PMD。与色度色散无关，因而PMD和色度色散可以分开补偿，而不会相互影响；此外，补偿系统结构简单，因而采用偏振度作为监测信号，性能较好。

1.2，光功率自适应稳定模块，由于检偏器的精度会受进入检偏器的光功率的影响，且输出的电压数据也受到入射光功率的影响，因而本实施例在取样监测单元引入了光功率自适应稳定模块，使得检偏器输出的四路电压始终在A/D转换的合适动态范围内，避免了由于检偏器的误差对补偿效果的影响。

光功率自适应稳定模块主要由分光器，光功率探测器，可调谐增益放大器和A/D转换构成。其中，分光器将输入光信号分成两部分，一部分直接进入检偏器，另一部分作为光功率反馈信号进入光功率探测器。光功率探测器可以实时检测输入光功率，根据该输入光功率动态调整输出信号的功率增益，使用该功率增益对检偏器输出的4路输出电压V1、V2、V3和V4进行调整，使得送往A/D采样芯片的4路输出电压，有较好的A/D性信噪比。

传统的偏振检测单元由于没有增益控制部分，如果输入光功率过低，偏振检测模块输出电压过低，将被淹没在噪声中。监测的精度受限。

典型的偏振监测模块灵敏度为：0dBm输入光功率状态下，V1～V4这四个电压中，最大输出为2V。

如果系统要求的光功率输入范围为-15dBm—0，扣除前面几级光器件的损耗4dBm，因此V1—V4最大输出的范围在25mV—800mV之间，这样偏振器后面的A/D采样器件仅仅工作在一个很小的范围内，其较高的分辨率得不到体现，因为输入信号远远小于A/D参考电压（2.5V或者5V）。

有两种方案来实现光功率自适应稳定控制：

方案一，单片机定时（0.5s）轮询1次A/D芯片，检测光功率。然后根据算法，同时调整可调谐增益放大器中的4个数字电位器，控制4路模拟放大器的增益，这样V1～V4同时被放大相同的倍数（增益为G=2～80倍）。因为输入光功率是缓变的，因此A/D以及对A/D的操作都不用高速时序。需要指出的是，在单片机调整增益的时候，需要注意给CPLD（Complex ProgrammableLogic Device，复杂可编程逻辑器件）一个状态信息，目的是防止偏振态的错误采样；换句话说，CPLD在检测到单片机增益调整完毕以后给出的REDY信号后，再进行A/D采样。

方案二，采用具有数字可编程窗口比较器，单片机可以设定一个门限，当任何模拟输入超过上、下阈值门限时，无需主机干预，监视器模式即可自动产生报警中断。这样可以设定当光功率小于某个值，或者大于某个值以后，再实施增益控制。一般单片机就无需通知CPLD增益调节完毕。

根据计算，在输入光功率0--19dBm的范围内，增益控制后输出的V1--V4的最大输出电压为2.0--4.0V之间。

单片机通过A/D采样，读取输入光功率（5%反馈），得到输入到检偏器的真实光功率，通过自动增益控制算法，控制检偏器后的放大器的增益，使之在0--15dBm的输入光功率下，修正后的检偏器的输出电压保持在A/D芯片响应范围的较高信噪比处。同时，由于检偏器中的偏振度的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{S_0}^{*}\\ {S_1}^{*}\\ {S_2}^{*}\\ {S_3}^{*}\end{array}\right]=\[M\]\left[\begin{array}{c}\mathrm{Polar}-V_0\\ \mathrm{Polar}-V_1\\ \mathrm{Polar}-V_2\\ \mathrm{Polar}-V_3\end{array}\right]=G\[M\]\left[\begin{array}{c}{V}_0\\ V_1\\ V_2\\ V_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{G\·S}_0\\ G\·S_1\\ G\·S_2\\ G\·S_3\end{array}\right]$

[S*]是修正后矩阵，[M]是偏振态参数修正矩阵，G是可调增益放大器的增益值，这个值可知或者未知均可。

根据定义式：

$\mathrm{DOP}=\frac{\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2+{S_3}^2}}{S_0}=\frac{\sqrt{{(G\·S_1)}^2+{(G\·S_2)}^2+{(G\·S_3)}^2}}{G\·S_0}$

$\mathrm{DOP}=\frac{\sqrt{{S_1}^2+{S_2}^2+{S_3}^2}}{S_0}=\frac{\sqrt{{\left({S_1}^{*}\right)}^2+{\left({S_2}^{*}\right)}^2+{\left({S_3}^{*}\right)}^2}}{{S_0}^{*}}$

所以，放大器的增益G可以从中抵消掉，对偏振度的计算影响可以忽略。

1.3，A/D转换模块，接收经过光功率自适应稳定模块修正后的检偏器的4路输出电压，对该4路输出电压进行A/D采样处理后，将得到的数字信号进行存储，并传输给控制和算法单元。由于上述修正后的4路输出电压在A/D的参考电压范围内，使A/D采样的动态范围能够得到发挥，并且采样速率也要求不高，将提高偏振度信号采样的精度。

在本实施例中，检偏器对光传输链路中的偏振度进行不间断采集，在CPLD的时序控制下，A/D转换模块始终不停、快速地对光功率自适应稳定模块输出的4路输出电压进行A/D采样，将得到的数字信号实时保存在CPLD中。实现不间断采集光传输链路的偏振态数据，控制和算法单元需要偏振态数据时，可以随时读取CPLD中存储的当前偏振态数据。

2、控制和算法单元

控制和算法单元包括：数据处理模块、中值滤波模块和反馈控制模块。

2.1，数据处理模块，用于接收由A/D转换模块传递过来的数字信号，并通过矩阵运算转换成相应的斯托克斯参量，根据该斯托克斯参量计算得到偏振度值，将该偏振度值传输给中值滤波模块。

2.2，中值滤波模块，用于对数据处理模块传输过来的偏振度值进行中值滤波处理，将处理后的偏振度值传输给反馈控制模块。

光传输链路中存在着各种噪声，包括光信号噪声、数据采集卡及检偏器的电噪声，同时电压—偏振度转换的矩阵也存在偏差，这些因素都会影响检偏器测得的偏振度精度，为了提高检偏器采集到的偏振度信息的精度，本实施例引入了中值滤波技术。

中值滤波技术是一种图像平滑技术，它用一个有奇数点的滑动窗口在采集到的数据（即数据处理模块传输过来的偏振度值）上滑动，将窗口中心的数据用窗口内的中间值替代。本实施例取5点宽的窗口在16个数据点上滑动，滤波后将16个点的平均值作为结果。图2是实验测得的没有中值滤波和采用中值滤波前后遍历可变时延线得到的偏振度—DGD关系曲线。图3是中值滤波前后的信号频频谱图。

图2表明，中值滤波后，偏振度—DGD关系曲线平滑了很多，偏振度能更准确的反映链路中的DGD信息。从图3也可以看出，信号经滤波后中心频带以外的频率分量较滤波前有明显改善。

2.3，反馈控制模块，用于根据中值滤波模块传输过来的偏振度值，以及预先设定的第一阈值和第二阈值，调用搜索算法和跟踪算法，找到系统全局最佳适应度值和最佳位置，该全局最佳适应度值和最佳位置对应可变时延线的最佳值及偏振控制器的最佳状态，该最佳状态可以使得光传输链路中的偏振度达到最大。

所述反馈控制模块，包括：搜索处理模块和跟踪处理模块。其中，

搜索处理模块，用于当所述中值滤波模块传输过来的偏振度值小于预设设定的第二阈值或者在所述装置初始化时，调用作为搜索算法的基于抖动的粒子群优化算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，将该控制电压传输给补偿单元；

跟踪处理模块，用于当所述中值滤波模块传输过来的偏振度值大于预设设定的第二阈值，小于预先设定的第一阈值，则调用作为跟踪算法的粒子群优化算法基于抖动的粒子群优化算法，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，将该控制电压传输给补偿单元。

反馈控制模块根据上述全局最佳适应度值和最佳位置，生成相应的控制电压，将该控制电压传输给补偿单元。

反馈控制模块采用PSO（Particle Swarm Optimization，粒子群优化算法）与抖动相结合的混合算法作为搜索算法，该混合算法为DPSO（Dithering-Based Particle Swarm Optimization，基于抖动的粒子群优化算法）算法。采用PSO作为跟踪算法，在跟踪过程中引入了第一阈值和第二阈值的设定概念，使跟踪平滑进行。通过设定两个阈值成功地实现了对PMD的在线跟踪补偿。

反馈控制模块主要通过搜索过程和跟踪过程实现对PMD的补偿，其中，搜索过程用于装置在上电初始化时调整可变时延线和偏振控制器，跟踪算法用于在线随时补偿光传输链路中的PMD。

PSO是一种源于生物现象的计算技术，它是为模拟鸟群或鱼群搜索捕食的行为而设计的一种优化算法。该算法利用由个体（或“粒子”）组成的社会群体搜索最佳解。每个个体（或“粒子”）抽象成多维空间中的一个交汇点，通过迭代更新自己在多维空间中的位置，以寻找最佳点。在每次迭代中，粒子对自己过去的最佳位置有记忆信息，同时又与社会群体中的其它粒子相互分享最佳位置的信息。每个粒子同时评价这两个信息以决定自己下一步的移动。当群体中的任何一个粒子离最佳目标位置足够近，或者说距离最佳目标位置的距离小于预先规定的误差时，便认为粒子已经找到了最佳位置。

PSO采用N个粒子组成群体，在空间中搜索最佳位置。它定义第i个粒子为D维空间中的位置矢量，表示为X_i＝(x_i1,x_i2,...,x_id,...,x_iD)。同时定义该粒子的速度矢量为V_i＝(v_i1,v_i2,...,v_id,...v_iD)。搜索开始时，首先随机初始化N个粒子的位置和速度，使N个粒子均匀地分布在搜索空间中。在每一代中，每个粒子先反馈输出自己的当前位置，判断是否已经找到目标位置。如果是，则停止搜索；否则，等待更新自己的位置，以进入下一代的搜索。如果N个粒子在某一代中都没有找到目标位置，则进行更新。N个粒子根据自己历代搜索到的最佳位置和群体搜索到的最佳位置来更新自己的位置。其中，第i个粒子的最佳位置记为pbest_i＝(pbest_i1,pbest_i2,...,pbest_id,...pbest_iD)，群体的最佳位置记为gbest＝(gbest₁,gbest₂,...,gbest_d,...gbest_D)。粒子根据自己历代来的最佳位置进行更新称之为“个体认知”，根据群体最佳位置进行更新称之为“群体学习”。

DPSO是一种采用PSO与抖动算法结合的新算法，其中抖动算法的原理是先取定一个定点，然后对于每个维度在定点两侧对称地取两个点，计算这两个点的函数值。这样，对于D个维度的问题，就能选出2*D个点，再加上原来的定点，共有2*D+1个点。从这2*D+1个点中选出一个最优点，作为抖动算法本代找到的最优点。

下面介绍一下在DPSO中PSO与抖动算法的结合方式。假设在DPSO的某一代，找到了一个全局最优点A，然后先利用抖动原理，将这个全局最优点作为定点，找到一个新的全局最优点B。这时，以A为全局最优点时的状态作为本代PSO的开始状态进行粒子的位置更新，找到一个新的全局最优点C。最后，比较B，C两点的函数值，较优的作为DPSO本代搜索到的最优点。简而言之，DPSO的原理其实就是利用PSO与抖动算法的并行搜索来避免陷入局部极值，同时也加快了算法的收敛速度。

3、补偿单元。

补偿单元为两阶段补偿结构，包括两个电压控制的角度固定的偏振控制器、一个固定时延模块和一个可变时延模块。

补偿单元的主要处理过程包括：根据控制和算法单元传输过来的控制电压，改变偏振控制器的相位，使偏振控制器达到最佳状态，从而改变光信号的相位，实现光信号的偏振态的改变。

上述控制和算法单元传输过来的控制电压还传输给可变时延模块，根据该控制电压将可变时延模块固定在最佳时延。

上述处于最佳状态的偏振控制器和最佳时延的可变时延模块，可以使得光传输链路中的光信号的偏振度达到最大，从而使得光传输链路中的光信号的PMD达到最小，实现了对光传输链路中的光信号的PMD的补偿。

当将上述实施例一提供的PMD的补偿装置应用于10Gb/s DPSK系统中时，成功地实现了对一阶和高阶偏振模色散的补偿。

设置最大迭代步数为50代，粒子数为20，重复搜索50次，采用DPSO和PSO分别得到的偏振度值与迭代步数关系如图4所示，图4（a）代表PSO，图4（b）代表DPSO。

从图4可以得出以下结论：两种算法收敛速度由快到慢为DPSO，PSO。两种算法都没有陷入局部极值。两种算法在50步内都可以搜索到较高精度结果。

我们用柱状图来比较上述两种算法的优劣。首先设定一个门限值0.98，重复搜索50次，每次最大迭代步数为50步，当迭代到某一步时，若偏振度值大于门限值，则迭代终止，此次搜索结束，记录下此次搜索所用的迭代步数。最终以迭代步数为横坐标，以相应迭代步数时恰好达到门限值的搜索次数为纵坐标做柱状图，如图5所示，图5（a）代表PSO，图5（b）代表DPSO。

从图5可以看出：PSO在50步以内全部达到门限值，DPSO在50步以内全部达到门限值，从柱状图上还可以算出平均收敛步数，即这50次搜索中平均迭代几步恰好达到了门限值，结果为PSO的是3.54步，DPSO的是1.76步。

同时，我们也比较了PSO和DPSO用于DPSK信号PMD自适应补偿系统的耗时，对耗时进行了分析。实验中，我们分别采用两种算法重复搜索1000次，比较1000次的平均耗时及返回次数情况，根据实验结果，DPSO、PSO在搜索精度方面都差不多，但DPSO的耗时少而且返回次数少，因此，搜索算法拟采用DPSO。

该实施例提供的PMD的补偿装置对搜索和跟踪过程分别采用DPSO、PSO，充分发挥了两种算法的优点。使用这两种算法，收敛速度快，不易陷入局部极值。通过设定第一、第二阈值来选择不同的算法对链路中的偏振模色散进行实时跟踪补偿。

实施例二

该实施例提供的一种PMD的补偿装置中的控制和算法单元的处理流程如图6所示，包括如下处理步骤：

步骤61、整个PMD的补偿装置上电初始化，调用DPSO计算得到每个粒子的最终的最佳适应度值和对应的最佳位置，生成相应的控制电压，将该控制电压传输给补偿单元。

当整个PMD的补偿装置开始上电初始化，控制和算法单元中的反馈控制模块采用搜索算法，即DPSO在全空间搜索一次，找到可变时延线的最佳值及偏振控制器的最佳状态。

上述DPSO的具体处理流程如下：

1、初始化粒子群，计算粒子对应的适应度函数，该适应度函数对应光信号的偏振态数据。然后，存储当前粒子群中最佳适应度值以及对应粒子的位置。

2、判断当前最佳适应度值是否满足达到预先设定的第一阈值，若不达到则执行3；否则，算法结束；

3、采用抖动算法，计算上述最佳适应度值对应的粒子位置附近给定位置的粒子的适应度值，并记录该给定位置的粒子的最佳位置和对应的最佳适应度值。上述抖动算法的公式为：

$x{x}_i^d=g{\mathrm{best}}^d\±\mathrm{amp},$

f(gbest2)＝max(f(xx_i)),

其中

为第i个抖动粒子在第d维上的位置，gbest^d为上一代最优粒子在第d维上的位置，amp为抖动幅度，f(gbest2)为最优抖动粒子的适应度值，f(xx_i)为第i个抖动粒子的适应度值。

4、根据上述当前粒子群中最佳适应度值，每一个粒子自身历史最佳适应度值，粒子原有运动速度，为每一粒子生成新的速度；粒子的新速度为：

$v_i^{k+1}=\mathrm{\ω}*v_i^k+c_1({\mathrm{pbest}}_i-x_i^k)+c_2(\mathrm{gbest}-x_i^k),$

根据新生成的速度，计算每一粒子新的位置；粒子的新位置为：

$x_i^{k+1}=x_i^k+v_i^{k+1}.$

计算粒子在新位置时的适应度值。

上述计算粒子的新位置和在新位置时的适应度值的过程称为粒子的自我学习过程。

5、每个粒子多代的运行，多代的数据中的最佳适应度值为粒子的历史最佳位置；所有粒子所有代的最佳适应度值为全局最佳适应度值。最佳位置指的是最佳适应度值对应的粒子的对应的电压组合。根据粒子新位置的适应度值及采用抖动法得到的最佳适应度值，更新系统全局最佳适应度值和最佳位置，并得到每个粒子的最终最佳适应度值和对应的最佳位置。

根据上述粒子的最终最佳适应度值和对应的最佳位置，更新每一粒子的历史最佳适应度值，并记录历史的最佳位置。

6、在找到了全局最佳适应度值和最佳位置后，便确定了可变时延线的最佳值及偏振控制器的最佳状态。于是，反馈控制模块根据每个粒子的最终最佳适应度值和对应的最佳位置，根据该最佳位置通过DA转换后生成相应的控制电压，将该控制电压传输给补偿单元。

步骤62、从取样检测单元中的存储器中读入检偏器监测到的当前的光信号的偏振态数据，根据该偏振态数据计算得到偏振度值，并对该偏振度值进行中值滤波处理。

当控制和算法单元需要获取当前的光传输链路上的光信号的偏振态数据时，控制和算法单元从取样检测单元中的存储器中读入检偏器监测到的当前的光信号的偏振态数据。

控制和算法单元中的数据处理模块通过矩阵运算将上述偏振态数据转换成相应的斯托克斯参量，根据该斯托克斯参量计算得到偏振度值，将该偏振度值传输给中值滤波模块。

中值滤波模块对数据处理模块传输过来的偏振度值进行中值滤波处理，得到中值滤波处理后的偏振度值。

步骤63.判断上述中值滤波处理后的偏振度值是否大于预先设定的第一阈值，若大于第一阈值，则不调用任何算法，继续监测采集光信号的偏振态数据；若小于第一阈值但大于第二阈值，则调用跟踪算法，即PSO；若小于第一阈值和第二阈值，则调用搜索算法，即DPSO。

上述作为跟踪算法的PSO主要处理过程包括：

1、在上次算法找到的最优粒子的位置附近初始化粒子群（目前采用5个粒子），计算粒子对应的适应度函数；存储当前粒子群中最佳适应度值以及对应粒子位置；

2、判断当前最佳适应度值是否满足需要，若不满足则继续；否则，算法结束；

3、根据当前最佳适应度值，每一个粒子自身历史最佳适应度值，粒子原有运动速度，为每一粒子生成新的速度，粒子的新速度为：

$v_i^{k+1}=\mathrm{\ω}*v_i^k+c_1({\mathrm{pbest}}_i-x_i^k)+c_2(\mathrm{gbest}-x_i^k),$

4、根据新生成的速度，计算每一粒子新的位置；粒子的新位置为：

$x_i^{k+1}=x_i^k+v_i^{k+1}.$

计算粒子在新位置时的适应度值；

根据粒子新位置的适应度值，更新系统全局最佳适应度值并记录最佳位置；

5、根据粒子新位置的适应度值，更新每一粒子历史最佳适应度值，并记录最佳位置；

6、在找到了上述系统全局最佳适应度值和最佳位置后，便确定了可变时延线的最佳值及偏振控制器的最佳状态，该最佳状态可以使得光传输链路中的偏振度达到最大。于是，反馈控制模块根据每个粒子的最终最佳适应度值和对应的最佳位置，生成相应的控制电压，将该控制电压传输给补偿单元。

该实施例通过设定两个阈值，分别调用不同的算法，实现了对偏振模色散的自适应补偿。充分发挥了两种算法不易陷入局部极值，收敛速度快的优点。当链路中偏振模色散较大时，重新搜索提高了补偿的准确度；而当链路中偏振模色散较小时，采用跟踪算法减少了补偿时间，提高了装置的响应速度。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。

综上所述，本发明实施例提供的PMD的补偿装置和方法具有以下优点：

1、引入了光功率自适应稳定单元，使得检偏器输出的四路电压V1、V2、V3、V4保持在A/D电压转换的动态范围内，提高了A/D采集的精度，提高了偏振度信息的准确度；

2、采用的搜索和跟踪算法不易陷入局部极值，并且搜索和跟踪时迭代的步数少，因而返回操作硬件的次数少，补偿所需的时间短。通过设定第一、第二阈值来选择不同的算法对链路中的偏振模色散进行实时跟踪补偿。

3、采用中值滤波的方法优化A/D采集的数据，能避免由于进入检偏器的光功率不稳定而造成的偏振度信息“失真”；

4、A/D采集单元采取不间断采集的方案，控制单元可以随时从A/D单元读取反映光信号的当前偏振态数据，并据此计算偏振度，调用算法对PMD进行补偿，提高了补偿速度。

本发明实施例提供的PMD的补偿装置和方法，其性能与码速率无关，能适用于任何码速率（如：2.5Gb/s、10Gb/s、40Gb/s、100Gb/s等）下的单脉冲、调制信号（如：OOK、DnPSK等）的传输系统中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，其特征在于，包括：

取样监测单元，用于检测光传输链路中的光信号的偏振度和光功率，根据所述光功率对所述偏振度进行调整；

控制和算法单元，用于根据所述取样监测单元产生的偏振度，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值产生控制电压；

补偿单元，用于根据所述控制和算法单元传输过来的控制电压，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿；

所述取样监测单元包括检偏器和光功率自适应稳定模块：

检偏器，用于实时检测光传输链路中的偏振度，将该偏振度转换为电压信号；

光功率自适应稳定模块，用于实时检测光传输链路中的输入光信号的功率，根据该功率动态调整功率增益，利用该功率增益对所述检偏器传输过来的电压信号进行功率调整。

2.根据权利要求1所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，其特征在于，所述取样监测单元还包括：

A/D变换模块，用于将所述光功率自适应稳定模块传输过来的电压信号转换为数字信号，并存储该数字信号。

3.根据权利要求2所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，其特征在于，所述光功率自适应稳定模块，包括：

分光器，用于从输入光信号中分离出部分光信号；

光功率探测器，用于探测并接收所述分光器传输过来的部分光信号的功率；

可调谐增益放大器，用于根据所述光功率探测器传输过来的功率动态调整功率增益，利用该功率增益对所述检偏器传输过来的电压信号进行功率调整，将功率调整后的电压信号传输给A/D转换模块。

4.根据权利要求2或3所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，其特征在于，所述控制和算法单元，包括：

数据处理模块，用于读取所述A/D变换模块中存储的数字信号，通过矩阵运算将该数字信号转换成相应的斯托克斯参量，根据该斯托克斯参量计算得到偏振度值；

中值滤波模块，用于对所述数据处理模块传输过来的偏振度值进行中值滤波处理；

反馈控制模块，用于根据所述中值滤波模块传输过来的偏振度值和预先设定的阈值，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，将该控制电压传输给所述补偿单元。

5.根据权利要求4所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，其特征在于，所述反馈控制模块，包括：

搜索处理模块，用于当所述中值滤波模块传输过来的偏振度值小于预设设定的第二阈值或者在所述装置初始化时，调用搜索算法计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，将该控制电压传输给所述补偿单元，所述搜索算法是粒子群优化算法与抖动相结合的混合算法；

跟踪处理模块，用于当所述中值滤波模块传输过来的偏振度值大于预设设定的第二阈值，小于预先设定的第一阈值，则调用跟踪算法计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，将该控制电压传输给所述补偿单元，所述跟踪算法是粒子群优化算法。

6.根据权利要求4所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的装置，其特征在于，所述补偿单元，包括：

偏振控制器，用于根据控制和算法单元传输过来的控制电压，改变偏振控制器的相位；

可变时延模块，用于根据控制和算法单元传输过来的控制电压，将可变时延模块固定在最佳时延。

7.一种对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，其特征在于，包括：

检测光传输链路中的光信号的偏振度和光功率，根据所述光功率对所述偏振度进行调整；

根据调整后的偏振度，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值产生控制电压；

利用所述控制电压，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿；

所述检测光传输链路中的光信号的偏振度和光功率，根据所述光功率对所述偏振度进行调整，包括：实时检测光传输链路中的偏振度和输入光信号的功率，将所述偏振度转换为电压信号；根据所述输入光信号的功率动态调整功率增益，利用该功率增益对所述电压信号进行功率调整。

8.根据权利要求7所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，其特征在于，还包括：对所述电压信号进行功率调整后，将功率调整后的电压信号转换为数字信号，将该数字信号进行存储。

9.根据权利要求8所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，其特征在于，所述根据调整后的偏振度，计算得到光信号的偏振度值，根据该偏振度值产生控制电压，包括：

读取所述存储的数字信号，通过矩阵运算将该数字信号转换成相应的斯托克斯参量，根据该斯托克斯参量计算得到偏振度值；

对所述偏振度值进行中值滤波处理，根据中值滤波处理后的偏振度值和预先设定的阈值，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。

10.根据权利要求9所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，其特征在于，所述根据中值滤波处理后的偏振度值和预先设定的阈值，计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，包括：

当所述中值滤波处理后的偏振度值小于预设设定的第二阈值或者在所述装置初始化时，调用搜索算法计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，所述搜索算法是粒子群优化算法与抖动相结合的混合算法；

当所述中值滤波处理后的偏振度值大于预设设定的第二阈值，小于预先设定的第一阈值，则调用跟踪算法计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，所述跟踪算法是粒子群优化算法。

11.根据权利要求10所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，其特征在于，所述调用搜索算法计算得到使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压，包括：

采用粒子群优化算法计算出粒子群中每个粒子的当前的最佳适用度和最佳位置，利用所述粒子的当前的最佳适用度和粒子的自身历史最佳适应度值，以及粒子的原有运动速度，计算出粒子的新位置和粒子在新位置的最佳适应度值；

采用抖动算法，计算出处于所述当前的最佳位置的粒子附近给定位置的粒子的最佳适用度和最佳位置；

根据所述粒子在新位置的最佳适应度值和所述给定位置的粒子的最佳适用度，计算得到所述粒子的最终的最佳适应度值和最佳位置；

根据每个粒子的最终的最佳适应度值和最佳位置，生成使所述光传输链路中的偏振度达到最大值时所对应的控制电压。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的对光通信中的偏振模色散进行补偿的方法，其特征在于，所述利用所述控制电压，对所述光传输链路中的偏振模色散进行补偿，包括：

根据所述控制电压，改变光传输链路中的偏振控制器的相位，使所述偏振控制器达到最佳状态；

根据所述控制电压，将光传输链路中的可变时延模块固定在最佳时延；

利用所述处于最佳状态的偏振控制器和最佳时延的可变时延模块，使得所述光传输链路中的光信号的偏振度达到最大，从而使得所述光传输链路中的光信号的偏振模色散达到最小。

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