CN103312645A - 一种数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法及系统，在发射端，向信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号。在接收端，首先利用傅立叶变换获得输入信号功率谱，并在接收信号功率谱中对导频信号进行定位和滤波提取；由导频频率计算本振激光器频偏大小并进行补偿；其次利用反傅立叶变换获得导频时域波形并计算两个导频光脉冲间的时延Δτ，由Δτ计算色散大小并进行补偿；最后提取两导频相位噪声从信号相位中减去以消除激光器相位噪声与光纤非线性损伤。本发明能够实现多种损伤的自适应补偿，具有精度高，复杂度低，占用带宽小，响应速度快的优点。

Description

一种数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤通信，相干检测和数字信号处理技术领域。

背景技术

近年来高级调制格式，相干探测和数字信号处理技术的结合极大地提高了传统WDM光传输系统的性能。高级调制格式通过对光信号幅度，相位和偏振全场信息多维度多进制调制有效提高了系统的频谱效率；数字相干探测技术则可以将信号光全场信息转换为数字信号，兼容各种高级调制格式信号，具有较高的灵敏度，并可通过DSP算法对信号的各种损伤，包括传输光纤中的色度色散（CD）、相位调制（SPM）和交叉相位调制（XPM）造成的非线性损伤（NLD）、接收机本振激光器频偏（LFO）以及发射端激光器相位噪声（LPN）等进行补偿，极大地提高了系统的传输距离和带宽。因此数字相干光传输被认为是未来骨干光纤通信系统发展的必然趋势。

数字相干光传输系统虽然具有许多优势，但是其发展应用中仍然有一些亟待解决的关键技术问题。首先是如何在以往DSP补偿算法的基础上实现自适应损伤补偿。我们知道上述信号损伤并不是静止不变的，而是会由于外界环境温度变化，器件老化或线路维护而发生变化，特别是在动态光网络中还会由于光链路重构或周围信道的上下链路而发生瞬时大幅度变化，因此为了保证系统在整个寿命周期内正常工作，以及满足未来动态可重构网络的要求，就需要对各种损伤进行自适应补偿。另外一个关键技术问题是如何大幅降低算法的复杂度以解决目前DSP计算速率不能满足实时处理要求的问题，这也是相干光传输系统实用化的关键。

目前已经提出的信号损伤补偿方法有很多种。对于CD补偿可以采用过TDE（时域均衡）或FDE（频域均衡）算法。FDE算法由于在补偿长距离大色散时具有更小的计算量而在实时系统中得到了大量的应用。但FDE算法进行色散补偿首先必须知道信号CD大小。目前已提出的基于DSP的CD监测方法一般分为全盲和数字辅助算法。其中全盲算法由于计算量较大，对DSP硬件系统要求高，收敛速度慢，无法满足动态光网络对补偿模块响应速度的要求。数字辅助算法由于是通过时分复用在固定时间间隔插入导引序列用于监测信号损伤的，因此无法全时监测链路NLD的变化，实现NLD自适应补偿。对于非线性损伤补偿最为广泛使用的主要是基于分布傅里叶（SSF）算法逆向求解非线性薛定谔方程的数字反向传输（DBP）技术。DBP可以同时补偿CD，SPM和XPM等多种损伤，但是DBP补偿精度与步数有关，需要反复进行FFT/IFFT变换，计算量非常大，远超目前的DSP处理能力，只能采用离线处理方式，不能满足实际应用的要求。最近还有人提出了基于导频的NLD补偿方法，但此方法无法实现CD的自适应补偿，仍然无法满足动态光网络的要求。

相位噪声的补偿和LFO估计中目前应用最多的是Viterbi-Viterbi算法。该算法原理是通过M次方消除符号相位调制信息，再通过比较前后符号相移估计LFO的影响（对于LPN则是通过若干前后相邻符号相位的均值估计其大小），因此要求符号相位均匀分隔。对于m级正交幅度调制（mQAM）信号需要事先知道信号调制格式并采用阈值法区分具有不同相位间隔的符号子集。其缺点是需要先验知识，且对于阈值比较敏感，不合适的阈值设置会严重影响算法性能。此外该方法需要首先对信号色散进行补偿，否则无法有效计算出LFO。此外，Viterbi-Viterbi算法需要进行对大量高次方运算，计算量较大，不利于减少DSP资源占用率和降低系统能耗。

最后以往提出的导频或数字辅助自适应补偿算法都只针对单个或两种损伤，而不同损伤也要基于不同的辅助信号进行补偿，因此无法满足CD，NLD，LFO和LPN的同时自适应补偿，而如果简单的综合几种不同的自适应补偿算法，即通过插入各种导频和数字辅助信号实现上述功能又会造成系统频谱效率的降低和收发机结构的更加复杂化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种计算量小，占用频谱资源少，响应速度快，满足动态光网络，并可以适用于各种调制格式而无需先验信息的信号损伤自适应补偿方法，能够对主要信号损伤包括CD、NLD、LFO和LPN进行补偿，从而有效提高相干光通信系统的可靠性，实用性和灵活性。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

在发射端，在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号；将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中；

在接收端，首先利用傅立叶变换获得输入信号功率谱，并在接收信号功率谱中对导频信号进行定位和滤波提取；由导频频率计算本振激光器频偏LFO大小并进行补偿；其次利用反傅立叶变换获得导频时域波形并计算两个导频光脉冲间的时延Δτ，由Δτ计算色散CD大小并进行补偿；最后提取两导频相位噪声

从信号相位中减去以消除激光器相位噪声LPN与光纤非线性损伤NLD。

作为一种优选方式，所述在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号，将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中，包括以下步骤：首先将频率为f_c的输入光载波分为两路，一路通过光调制器进行调制以承载传输数据，另一路经过分别由频率为Δf的正弦波和调制指数为M的方波驱动的2个级联的光强度调制器OIM产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M的光导频脉冲信号，光导频脉冲信号频率为f_c±Δf，M<1；最后通过光耦合器将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中。

作为另一种优选方式，所述在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号，将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中，包括以下步骤：首先将频率为f_c的输入光载波分为两路，一路通过光调制器进行调制以承载传输数据，另一路通过将频率为Δf的正弦波和调制指数和占空比为M的方波电信号在电域相乘后，再驱动单个OIM产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M的光导频脉冲信号，光导频脉冲信号频率为f_c±Δf，M<1；最后通过光耦合器将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中。

作为再一种优选方式，所述在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号，将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中，包括以下步骤：首先通过DSP进行符号映射形成所要发射的信号，接着对信号进行滤波，防止导频和信号间的相互干扰，然后在数字域插入两个对称分布的具有一定幅度调制指数M的电信号导频，电信号导频频率为±Δf，M<1；最后DSP输出信号经由数模转换器DAC转换为模拟电信号，利用模拟电信号驱动光调制器同时产生光信号和导频，发射到传输光纤中。

所述导频信号的定位和滤波提取，采用频域功率谱最大值搜索算法，或谱形状特征识别算法实现。

所述计算两个导频脉冲到达时延Δτ，以及计算色散CD大小并进行补偿，包括：通过导频波形间的互相关算法，或者通过两导频脉冲峰值间隔计算Δτ；得到Δτ后由Δτ和CD的关系式Δτ=cΔf(CD)/f_c ²，其中c为光速，计算得到CD大小；求出CD大小后再通过频域均衡FDE或时域均衡TDE算法对CD进行自适应补偿。

优选之一，所述LPN和NLD补偿过程包括：提取单侧导频相位噪声或

对信号乘以

或

以从信号相位中消除LPN和NLD噪声；

更优选的，所述LPN和NLD补偿过程包括：提取两侧导频相位噪声

和对信号乘以以从信号相位消除LPN和NLD噪声。这种方式由于更加准确的反映了左右两侧信道对信号的NLD影响，因而具有更高精度。

本发明同时提出了一种数字相干光通信系统中的损伤自适应补偿系统，其特征在于，包括附加于光发射机的导频插入和调制模块，以及接收端基于相干光接收机中数字信号处理器（DSP）的自适应补偿模块；

所述导频插入和调制模块，用于在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号；

所述自适应补偿模块：用于，首先利用傅立叶变换获得输入信号功率谱，并在接收信号功率谱中对导频信号进行定位和滤波提取；由导频频率计算本振激光器频偏（LFO）大小并进行补偿；其次利用反傅立叶变换获得导频时域波形并计算两个导频光脉冲间的时延Δτ，由其计算色散（CD）大小并进行补偿；最后提取两导频相位噪声

从信号相位中减去以消除激光器相位噪声（LPN）与光纤非线性损伤（NLD）。

优选的，所述的数字相干光通信系统中的损伤自适应补偿系统，还包括分光器、光调制器和光耦合器，所述分光器，用于将激光器输出的频率为f_c的光载波分为两路，一路通过所述光调制器调制以承载传输数据，另一路产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M的光导频脉冲信号，光导频脉冲信号的频率为f_c±Δf，M<1；所述光耦合器，用于将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中。

本发明提出的仅基于光导频的CD、NLD、LFO和LPN的同时自适应补偿方法，该方法能够实现光纤传输系统中多种主要信号损伤的同时自适应补偿，其补偿精度高，占用频谱资源少，计算复杂度低适合于DSP实时处理，且响应速度快满足动态光网络要求，并可以适用于不同调制格式信号且无需任何先验信息，能够有效提高相干光通信系统的可靠性，实用性和灵活性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明具体实施的基于光导频的信号损伤自适应补偿系统结构示意图。

图2为接收端DSP模块中NLD及LPN补偿算法流程示意图。

图3-5分别为发射端光导频产生和调制模块的三种实现方式结构原理图。图3中光导频的发生和调制模块可以采用分别由正弦（频率为Δf）和方波（调制指数和占空比为M和DR）驱动的2个级联的光强度调制器（OIM）。图4中上述正弦波和方波电信号在电域相乘后再驱动单个OIM。图5中光导频的发生和调制模块由发射机中的DSP模块实现，此时要求发射机具有DSP和数模转换器（DAC），通过DSP算法进行符号映射形成所要发射的信号，接着对信号进行滤波防止导频和信号间的相互干扰，然后在数字域插入导频并进行脉冲调制，最后DSP输出信号经由DAC转换为模拟电信号，利用模拟电信号驱动光调制器同时产生光信号和导频，最后输入传输光纤。

图6为发射端与接收端频谱对比图，通过导频位移（导频相对零频率距离与Δf的差值）即可求出相干接收机本振光与发射机光源间频偏LFO。

图7为频偏补偿前后信号星座图变化。

图8-12为发射端光导频脉冲波形以及传输距离分别为0km，500km、1000km和1500km时接收机探测到的两个导频的脉冲波形。接收机获得的波形由于传输和探测中的损伤会发生一定程度畸变，但不影响对CD的计算。其中粗虚线和实线分别为导频f_c+Δf和f_c-Δf波形图，细虚线波形表示导频f_c+Δf波形为与实线波形的最大互相关位置。粗细虚线相对位移量即为脉冲延时Δτ，通过Δτ=cΔf(CD)/f_c ²,即计算出链路累积CD大小。

图13为计算得到的CD大小和真实CD大小的比较图，误差较小，满足实际应用要求。

图14为发射端信号LPN与导频LPN变化的对比图，两者基本相同。

图15为接收端信号NLD噪声和导频NLD噪声的对比图，两者非常接近。

图16为补偿后系统品质因子（Q）值随输入信号光功率的变化曲线。可以看出对各种损伤逐个进行补偿后Q值得的了有效提升，提取双导频相位补偿NLD后Q值提高更多。

具体实施方式

本发明提出的基于光导频的CD、NLD、LFO和LPN的同时自适应补偿系统，如图1所示。包括附加于光发射机2中的导频插入和调制模块，以及接收端基于数字信号处理器9的自适应补偿模块。

在发射端：激光器1产生的信号光进入光发射机2中，光发射机2中附加导频插入和调制模块。导频插入和调制模块用于插入两个对称于信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号（f_c±Δf）；光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤6中。

在接收端：光接收机7将光信号转变为电信号输出，再经数模转换器8进入数字信号处理器9的自适应补偿模块，自适应补偿模块首先利用傅立叶变换获得输入信号功率谱，并在接收信号功率谱中对导频信号进行定位和滤波提取。由导频频率计算本振激光器频偏（LFO）大小并进行补偿。其次利用反傅立叶变换获得导频时域波形并计算两个导频光脉冲间的时延Δτ，由其计算色散（CD）大小并进行补偿。最后提取两导频相位噪声

从信号相位中减去以消除激光器相位噪声（LPN）与光纤非线性损伤（NLD）。

如图3所示，导频插入和脉冲调制模块4由2个级联的光强度调制器构成。首先利用分光器2将激光器1输出的光载波（频率为f_c）分为两路，一路通过光调制器调制以承载传输数据，另一路经过分别由正弦波（频率为Δf）和方波（调制指数为M）驱动的2个级联的光强度调制器（OIM）产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M（M<1）的光导频脉冲信号（频率为f_c±Δf）。最后通过光耦合器5将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中6。

如图4所示，光导频发生和调制模块4仅仅采用单一的光强度调制器OIM实现。首先利用分光器2将激光器1输出的光载波（频率为f_c）分为两路，一路通过光调制器调制以承载传输数据，另一路通过将正弦波（频率为Δf）和方波（调制指数和占空比为M）电信号在电域相乘后再驱动单个OIM产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M（M<1）的光导频脉冲信号（频率为f_c±Δf）。最后通过光耦合器5将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中6。

光导频插入和脉冲调制模块还可以采用如图5所示方法，借助发射机中的DSP和数模转换器（DAC）。通过DSP算法进行符号映射形成所要发射的信号，接着对信号进行滤波防止导频和信号间的相互干扰，然后在数字域插入两个对称分布的具有一定幅度调制指数M（M<1）的电信号导频（频率为±Δf），最后DSP输出信号经由DAC转换为模拟电信号，利用模拟电信号驱动光调制器3同时产生光信号和光导频，最后发射到传输光纤。

接收端基于相干光接收机中DSP的自适应补偿模块可以采用频域功率谱最大值搜索算法外还可以采用如谱形状特征识别算法实现频谱中导频定位和提取。由导频频率可以计算本振激光器频偏（LFO）大小并进行补偿，如图6所示，补偿结果如图7所示。

接收端基于相干光接收机中DSP的自适应补偿模块对CD的自适应补偿，首先计算两个导频脉冲到达时延Δτ，如图8-12所示。Δτ可以通过导频波形间的互相关算法，也可以通过如两导频脉冲峰值间隔计算。得到Δτ后由Δτ和CD的关系式Δτ=cΔf(CD)/f_c ²，其中c为光速，可以计算得到CD大小。求出CD大小后通过频域均衡（FDE）或时域均衡（TDE）算法对CD进行自适应补偿。由于能够通过公式直接得到信号CD，因而相较于以往的色散监测方法其计算复杂度更低。CD计算结果与真实CD的比较如图13所示，可以看出误差较小，达到应用要求。此外利用导频可以在CD补偿之前纠正LFO影响，可以提高FDE色散补偿精度，并减少不必要的反馈控制。

接收端基于相干光接收机中DSP的自适应补偿模块对NLD和LPN补偿中可以提取单侧导频相位噪声

或

对信号乘以

或

以从信号相位中消除LPN和NLD噪声，也可以提取两侧导频相位噪声

和

对信号乘以

以从信号相位中消除LPN和NLD噪声。后者由于更加准确的反映了左右两侧信道对信号的非线性影响，因而具有更高精度，如图2所示。LPN的补偿原理是由于光导频和光信号来源于同一激光器光源，携带有相同的LPN，如图14所示。因此无需通过复杂Viterbi-Viterbi算法就能直接估计LPN大小。NLD补偿的原理是光导频能够有效记录传输过程中NLD造成的光信号的非线性相移，如图15所示，将光导频相位噪声提取后从信号相位中减去就能够有效消除NLD。相较于此前的BP算法其计算复杂度大为降低。通过提取双导频相位对NLD进行补偿，其补偿精度优于此前提出的单导频补偿方法，如图16所示。

基于上述特点，本发明能够实现光纤传输系统中多种主要信号损伤的同时自适应补偿，补偿精度高，占用频谱资源少，计算复杂度低适合于DSP实时处理，其响应速度快，能够满足动态光网络要求，并可以适用于不同调制格式信号且无需任何先验信息，因此可以有效提高相干光通信系统的可靠性，实用性和灵活性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

在发射端，在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号；将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中；

在接收端，首先利用傅立叶变换获得输入信号功率谱，并在接收信号功率谱中对导频信号进行定位和滤波提取；由导频频率计算本振激光器频偏LFO大小并进行补偿；其次利用反傅立叶变换获得导频时域波形并计算两个导频光脉冲间的时延Δτ，由Δτ计算色散CD大小并进行补偿；最后提取两导频相位噪声

从信号相位中减去

以消除激光器相位噪声LPN与光纤非线性损伤NLD。

2.根据权利要求1所述的导频插入和脉冲调制模块，其特征在于，所述在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号，将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中，包括以下步骤：首先将频率为f_c的输入光载波通过耦合器分为两路，一路通过光调制器进行调制以承载传输数据，另一路经过分别由频率为Δf的正弦波和调制指数为M的方波驱动的2个级联的光强度调制器OIM产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M的光导频脉冲信号，光导频脉冲信号频率为f_c±Δf，M<1；最后通过光耦合器将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中。

3.根据权利要求1所述导频发生和调制模块，其特征在于，所述在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号，将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中，包括以下步骤：首先将频率为f_c的输入光载波通过光耦合器分为两路，一路通过光调制器进行调制以承载传输数据，另一路通过将频率为Δf的正弦波和调制指数和占空比为M的方波电信号在电域相乘后，再驱动单个OIM产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M的光导频脉冲信号，光导频脉冲信号频率为f_c±Δf，M<1；最后通过光耦合器将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中。

4.根据权利要求1所述的导频插入和脉冲调制模块，其特征在于，所述在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号，将光导频和光信号进行合波后发射到传输光纤中，包括以下步骤：首先通过发射机中的数字信号处理器DSP进行符号映射形成所要发射的信号，接着对信号进行滤波，防止导频和信号间的相互干扰，然后在数字域插入两个对称分布的具有一定幅度调制指数M的电信号导频，电信号导频频率为±Δf，M<1；最后DSP输出信号经由数模转换器DAC转换为模拟电信号，利用模拟电信号驱动光调制器同时产生光信号和导频，发射到传输光纤中。

5.根据权利要求1所述的数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法，其特征在于，所述导频信号的定位和滤波提取，采用频域功率谱最大值搜索算法，或谱形状特征识别算法实现。

6.根据权利要求1至5之一所述的数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法，其特征在于，所述计算两个导频脉冲到达时延Δτ，以及计算色散CD大小并进行补偿，具体方法是：通过导频波形间的互相关算法，或者通过两导频脉冲峰值间隔计算Δτ；得到Δτ后由Δτ和CD的关系式Δτ=cΔf(CD)/f_c ²，其中c为光速，计算得到CD大小；求出CD大小后再通过频域均衡FDE或时域均衡TDE算法对CD进行自适应补偿。

7.根据权利要求6所述的数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法，其特征在于，所述LPN和NLD补偿过程包括：提取单侧导频相位噪声

或

对信号乘以

或

以从信号相位中消除LPN和NLD噪声。

8.根据权利要求6所述的数字相干光通信系统的损伤自适应补偿方法，其特征在于，所述LPN和NLD补偿过程包括：提取两侧导频相位噪声和

对信号乘以

以从信号相位消除LPN和NLD噪声。

9.一种数字相干光通信系统中的损伤自适应补偿系统，其特征在于，包括附加于光发射机的导频插入和调制模块，以及接收端基于相干光接收机中数字信号处理器（DSP）的自适应补偿模块；

所述导频插入和调制模块，用于在信号光中插入两个对称于输入信号频率f_c分布的脉冲调制导频信号；

所述自适应补偿模块：用于，首先利用傅立叶变换获得输入信号功率谱，并在接收信号功率谱中对导频信号进行定位和滤波提取；由导频频率计算本振激光器频偏（LFO）大小并进行补偿；其次利用反傅立叶变换获得导频时域波形并计算两个导频光脉冲间的时延Δτ，由其计算色散（CD）大小并进行补偿；最后提取两导频相位噪声

从信号相位中减去以消除激光器相位噪声（LPN）与光纤非线性损伤（NLD）。

10.根据权利要求9所述的数字相干光通信系统中的损伤自适应补偿系统，其特征在于，还包括分光器、光调制器和光耦合器，所述分光器，用于将激光器输出的频率为f_c的光载波分为两路，一路通过所述光调制器调制以承载传输数据，另一路产生两个对称于f_c分布的具有一定幅度调制指数M的光导频脉冲信号，光导频脉冲信号的频率为f_c±Δf，M<1；所述光耦合器，用于将导频和信号光进行合波后发射到传输光纤中。

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