CN104579476A - 光相干通信中色散估计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光相干通信中色散估计方法及装置,属于光通信领域。本发明公开的方法包括:对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据;对所述频域数据求自相关序列,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换,对快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得确定多组数据的平均值的最大值的索引n0,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值。本发明还公开了一种光相干通信中色散估计装置。本申请技术方案能够非常精确地估算色散值,且估计快速。

Description

光相干通信中色散估计方法及装置
技术领域
本发明涉及光通信领域,尤其涉及一种光相干通信中色散估计方法及装置。
背景技术
随着互联网流量的增加,在干线系统的光通信系统中需要更大的容量。当每波长比特率增加时,在传输路径上的色度色散,偏振模色散以及各种非线性效应的波形失真而导致信息质量的退化变得很严重。
和非相干技术相比,数字相干接收技术有如下优点:大约3dB的光信噪比(OSNR)增益;可以方便地采用电均衡技术来应对信道变化,降低成本等;可以采用更高效的调制技术以及偏振复用来提高传输容量。因此数字相干技术被认为是高速光通信系统的关键技术。
光相干接收机中,通过将信号光和本振光进行混频,信号光的幅度和相位信息被搬移到基带信号中,因而光相干检测保留了光场的所有信息,可以发挥数字信号处理技术的功能和性能上的优势。采用电均衡技术能够近乎完全地补偿光信号的线性失真,如补偿色度色散(CD),偏振模色散(PMD)等。
图1(a)为典型的数字相干接收机框图。接收光信号被偏振分光器(PBS)分成相互正交的两个偏振态信号。PBS输出偏振光信号通过90°光混频器与本振光信号进行混频。混频后的光信号通过平衡光电检测器转换为基带电信号。光电转换后的电信号为每个偏振态有两路信号,但这4路信号与原始的4路信号并不对应,因为经过传输信道后,两个偏振态之间有串扰、偏振态也有旋转,所以接收端此处的两个偏振态、每个偏振态有两路正交信号与发射信号没有对应关系。光电转换后的电信号通过ADC转换为数字信号。可 以通用数字信号处理技术对ADC转换为数字信号进行处理。
数字信号处理部分,如图1(b)所示,包括IQ Skew补偿,IQ不平衡补偿,色散(CD)补偿,色散估计,时钟恢复,偏振解复用,载波恢复,判决检测等。IQ Skew调整4路信号的延迟,解决光电转换前端4路信号延迟不一致问题。色散(CD)补偿单元常采样频域快速卷积技术补偿光链路色散。时钟恢复调整采样相位,为后面的偏振解复用模块提供稳定采样相位的数据。偏振解复用补偿残余色散和偏振模色散(PMD)。载波恢复,补偿接收端本振光与发送端载波光频率不一致问题。其中,色度色散(CD)的值一般较大,色度色散和偏振模色散(PMD)的均衡一般分两部分完成,首先,补偿静态色散,这里的均衡器通常不能使用标准的自适应算法进行更新系数,如补偿40000ps/nm色度色散,则滤波器抽头数要达到大几百甚至上千,通常利用快速傅立叶变换技术进行频域快速卷积。由色散估计模块为色散补偿模块提供要补偿的色散值。
残余的色度色散和偏振模色散的补偿通过FIR蝶形均衡器来实现,FIR蝶形滤波器采用自适应算法对系数进行更新,以跟踪补偿随时间动态变化的偏振模色散。FIR蝶形均衡器又称为偏振解复用。FIR蝶形自适应均衡器,有均衡、匹配滤波和采样位置调整的作用。当采样位置变化范围过大,或采样频偏存在,采样相位变化范围超过FIR蝶形自适应均衡器调整范围,会引起FIR蝶形自适应均衡器无法正常工作。需要在FIR蝶形均衡器之前放一个时钟恢复模块。
时钟恢复,估计输入符号的采样时间误差,并对符号的采样时间进行插值调整,或者通过VCO调整ADC采样频率,以保证提供稳定的符号采样相位。时钟恢复的鉴相器需要能够容忍一定的信号失真,而传统的时钟恢复通常仅能容忍很小的色散。为了不增加时钟恢复模块的复杂性,且目前缺少容忍大残余色散值的时钟恢复方法,需要精确的色散补偿。
综上所述,传统色散估计方法,提出的利用传输质量信息(如差错率、Q因数等)来进行可变色散补偿器的反馈控制的方法。以一定步长的色散间隔,改变色散补偿滤波器的色散补偿量,直到系统收敛。系统启动时,搜索过程是缓慢的,且精度低。再者,光纤链路受到环境温度变化的影响,链路 色散值也会发生缓慢变化。工作过程中,传统基于搜索的色散估计方法,很难判断运行中色散值的缓慢变化。
发明内容
本发明提出一种光相干通信中色散估计方法及装置,以解决色散测量精度低效率低的问题。
为了解决上述问题,本发明公开了一种光相干通信中色散估计方法,该方法包括:
对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据;
对所述频域数据求自相关序列,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换,对快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得P[n];
确定多组数据的P[n]平均值
的最大值的索引n0,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值。
可选地,上述方法中,对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据指:
对IQ不平衡补偿后的两个偏振数据,分别进行快速傅立叶变换后,得到两个偏振的频域数据k为频率索引,Nfft为傅立叶变化点数;
按照如下公式取两个偏振方向非正交的信号的频谱,得到两个偏振方向的频域数据:
Xi[k]=X[k]cosθi+γ[k]sinθi,i-1,2,
其中, θ 1 = 0 , θ 2 = π 4 .
可选地,上述方法中,对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据指,使用频域速卷积变换或者FFT变换得到两个偏振方向的频域数据。
可选地,上述方法中,所述频域数据的自相关序列间隔为波特率,其中,按照如下公式,对两个偏振方向的频域数据中频谱X1[k]求自相关序列C1[k],对频谱X2[k]求自相关序列C2[k]:
C i [ k ] = X i [ k ] X i * [ k + k baud ] , k - 0 , . . . , K , i - 1,2 ,
上式中,K为不大于Nfft-1-kbaud的整数,kbaud为波特率大小对应频率索引间隔。
可选地,上述方法中,按照如下公式,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换:
P i [ n ] - Σ k = 1 K C i [ k ] e j 2 πnk / N ifft , n = - N ifft , . . . , N ifft - 1 , i - 1,2 ,
其中Nifft为傅立叶变化点数。
可选地,上述方法中,按照如下公式对所述快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得P[n]:
可选地,上述方法中,求的最大值的索引n0后,该方法还包括,采用插值公式对n0进行修正。
可选地,上述方法中,按照如下抛物线插值公式对所述n0进行修正:
n 0 ′ = n 0 + P ~ [ n 0 - 1 ] - P ~ [ n 0 + 1 ] 2 ( P ~ [ n 0 - 1 ] - 2 P ~ [ n 0 ] - P [ n 0 + 1 ] ~ ) .
可选地,上述方法中,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值指,按照如下公式计算光纤链路色散值:
CD = n 0 ′ Δf · N ifft · c λ 2 f baud
其中,c为真空中光速,λ为光载波在真空中的波长,fbaud为波特率。
本发明还公开了一种光相干通信中色散估计装置,包括色散补偿单元和色散估计单元,所述色散估计单元划分为:
第一模块,对IQ不平衡补偿后经过快速傅立叶变换得到的两个偏振方向的频域数据求自相关序列;
第二模块,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换,对快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得P[n];
第三模块,确定多组数据的P[n]平均值的最大值的索引n0,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值。
可选地,上述装置中,所述第一模块按照如下公式,对两个偏振方向的频域数据中频谱X1[k]求自相关序列C1[k],对频谱X2[k]求自相关序列C2[k],其中,频域数据的自相关序列间隔为波特率:
C i [ k ] = X i [ k ] X i * [ k + k baud ] , k - 0 , . . . , K , i - 1,2 ,
上式中,K为不大于Nfft-1-kbaud的整数,kbaud为波特率大小对应频率索引间隔。
可选地,上述装置中,所述第二模块按照如下公式,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换:
P i [ n ] - Σ k = 1 K C i [ k ] e j 2 πnk / N ifft , n = - N ifft , . . . , N ifft - 1 , i - 1,2 ,
其中Nifft为傅立叶变化点数。
可选地,上述装置中,所述第二模块按照如下公式对所述快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得P[n]:
可选地,上述装置中,所述色散估计单元还包括:
修正模块,在求出的最大值的索引n0后,采用插值公式对n0进行修正。
可选地,上述装置中,所述修正模块按照如下抛物线插值公式对所述n0进行修正:
n 0 ′ = n 0 + P ~ [ n 0 - 1 ] - P ~ [ n 0 + 1 ] 2 ( P ~ [ n 0 - 1 ] - 2 P ~ [ n 0 ] - P [ n 0 + 1 ] ~ ) .
可选地,上述装置中,所述第三模块根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值指,按照如下公式计算光纤链路色散值:
CD = n 0 ′ Δf · N ifft · c λ 2 f baud
其中,c为真空中光速,λ为光载波在真空中的波长,fbaud为波特率。
可选地,上述装置中,所述色散补偿单元,对IQ不平衡补偿后的数据使用频域速卷积变换得到两个偏振方向的频域数据。
可选地,上述装置中,所述色散估计单元还包括:
傅立叶变换模块,对IQ不平衡补偿后的数据分别使用快速傅立叶变换(FFT)变换得到两个偏振方向的频域数据。
本申请技术方案直接计算出色散,无需搜索,这样系统启动时,可以快速估算到链路色散值。系统运行中,也可以继续估算链路色散值,跟踪其变化,为色散补偿模块精确补偿色散提供保证。精确的色散补偿,可以减小后面时钟恢复模块的复杂性等。综上所述,本申请技术方案与现有技术相比,能够非常精确地估算色散值,且估计快速。
附图说明
图1(a)是现有技术中典型的数字相干接收机框图;
图1(b)是图1(a)所示数字相干接收机中数字信号处理原理图;
图2为本发明实施例光相干通信中色散估计流程图;
图3是本发明仿真曲线图;
图4是本发明仿真曲线图,其中,横坐标用色散值表示;
图5是本发明仿真曲线的局部放大显示图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下文将结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
实施例1
本实施例提供一种光相干通信中色散估计方法,如图2所示,包括如下步骤:
步骤200,对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向频域数据。
通常,色散补偿模块使用频域速卷积技术,可以为CD估计模块提供频 域数据。或者,CD估计模块单独对IQ不平衡补偿后的时域信号做FFT得频域数据。
对于偏振复用数字相干接收机,有两个正交的偏振态,分别计算得频域信号
X[k]和Y[k],k=0,。...,Nfft-1。
k为频率索引,Nfft为傅立叶变化点数,频率间隔为Δf=Ts/Nfft,Ts为时域了数字信号的采样间隔。
为了消除偏振模色散的影响,本实施例按照如下公式取两个偏振方向非正交的信号的频谱
其中, θ 1 = 0 , θ 2 = π 4 .
步骤201,对频域信号求自相关序列,其中,计算自相关序列的间隔可为波特率。
该步骤中,对频谱求自相关序列对频谱求自相关序列C2[k]:
C i [ k ] = X i [ k ] X i * [ k + k baud ] , k - 0 , . . . , K , i - 1,2 ,
其中,K为不大于Nfft-1-kbaud的整数,kbaud为波特率大小对应频率索引间隔。
步骤202,对步骤201的自相关序列值分别进行快速逆傅立叶变换。
其中Nifft为傅立叶变化点数。
步骤203,对步骤202的逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个方向结果相加,得
步骤204,将多组数据的步骤203的结果P[n]进行平均,得为色散目标函数。
图3所示即为所求得的曲线。仿真条件为,偏振复用DQPSK相干光 通信系数,系统比特率为112Gbit/s,波特率为28Gbaud,光数字相干接收机的ADC采样速率为两倍符合速率。步骤200的傅立叶变化点数为4096,步骤203的逆傅立叶变换点数也为4096。图3中,离线仿真所用数据源的色度色散值为48000ps/nm。
步骤205,求的最大值的索引n0
为了提高整数索引n0的分辨率,在步骤205的操作之后,还可以通过插值技术,对n0进行修正,例如,采用抛物线插值公式:
n 0 ′ = n 0 + P ~ [ n 0 - 1 ] - P ~ [ n 0 + 1 ] 2 ( P ~ [ n 0 - 1 ] - 2 P ~ [ n 0 ] - P [ n 0 + 1 ] ~ ) .
如图3所示,离线仿真所用数据源的色度色散值为480001ps/nm得到的 曲线,求得整数索引为605,经插值修正精确索引为605.0695。
步骤206,根据最大值的索引估算光纤链路色散值。
该步骤中,可通过下述公式估算出光纤链路的色散值CD:
CD = n 0 ′ Δf · N ifft · c λ 2 f baud
其中,c为真空中光速,λ为光载波在真空中的波长,fbaud为波特率。
由于的索引n与色散有对应关系,将图3中的横坐标用色散表示,见图4所示。由图4可以看出,可以估计的色散值范围为-162ns/nm到162ns/nm。将图4局部放大后,得图5。图5中,索引605对应的色散值为47994ps/nm,修正精确索引605.0695对应的色散值为48000ps/nm。说明本实施例色散估计精确度很高。
经过大量数据仿真,采用本申请技术方案进行色散估计误差为几个ps/nm。而传统色散估计方法,如通过自适应均衡器收敛的MSE值为目标函数的色散搜索法,估计误差为几百ps/nm。本申请技术方案的色散估计误差比传统色散估计方法精度提高上百倍。
另外,本申请技术方案中,色散估计方法为直接计算出色散,无需搜索,故系统启动时,可以快速估算到链路色散值。系统运行中,也可以继续估算链路色散值,跟踪其变化,为色散补偿模块精确补偿色散提供保证。精确的 色散补偿,可以减小后面时钟恢复模块的复杂性等。
实施例2
本实施例提供一种光相干通信中色散估计装置,包括色散补偿单元和色散估计单元,其特征在于,色散估计单元又划分为:
第一模块,对IQ不平衡补偿后经过快速傅立叶变换得到的两个偏振方向的频域数据求自相关序列;
上述第一模块按照如下公式,对两个偏振方向的频域数据中频谱x1[k]求自相关序列C2[k],对频谱X2[k]求自相关序列C2[k],其中,频域数据的自相关序列间隔为波特率:
C i [ k ] = X i [ k ] X i * [ k + k baud ] , k - 0 , . . . , K , i - 1,2 ,
上式中,K为不大于Nfft-1-kbaud的整数,kbaud为波特率大小对应频率索引间隔。
第二模块,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换,1快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得
本实施例中,第二模块可以按照如下公式,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换:
P i [ n ] - Σ k = 1 K C i [ k ] e j 2 πnk / N ifft , n = - N ifft , . . . , N ifft - 1 , i - 1,2 ,
其中Nifft为傅立叶变化点数。
再按照如下公式对所述快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得P[n]:
第三模块,确定多组数据的P[n]平均值的最大值的索引n0,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值。
上述第三模块可以按照如下公式计算光纤链路色散值:
CD = n 0 ′ Δf · N ifft · c λ 2 f baud
其中,c为真空中光速,λ为光载波在真空中的波长,fbaud为波特率。
由于的索引n与色散有对应关系,将图3中的横坐标用色散表示,见图4所示。由图4可以看出,可以估计的色散值范围为-162ns/nm到162ns/nm。将图4局部放大后,得图5。图5中,索引605对应的色散值为47994ps/nm,修正精确索引605.0695对应的色散值为48000ps/nm。说明本实施例色散估计精确度很高。
在上述装置的架构基础上,优选方案还提出,色散估计单元还可以包括修正模块,该模块主要在求出的最大值的索引n0后,采用插值公式对n0进行修正。例如,可以按照如下抛物线插值公式对所述n0进行修正:
n 0 ′ = n 0 + P ~ [ n 0 - 1 ] - P ~ [ n 0 + 1 ] 2 ( P ~ [ n 0 - 1 ] - 2 P ~ [ n 0 ] - P [ n 0 + 1 ] ~ ) .
还要说明的是,色散估计单元中第一模块,对IQ不平衡补偿后经过快速傅立叶变换得到的两个偏振方向的频域数据求自相关序列时,IQ不平衡补偿后经过快速傅立叶变换得到的两个偏振方向的频域数据可以是色散补偿单元,对IQ不平衡补偿后的数据使用频域速卷积变换得到的。也可以是由色散估计单元使用FFT变换得到的。其中,由散估计单元使用FFT变换得到两个偏振方向的频域数据时,可在散估计单元中增加傅立叶变换模块,以使用FFT变换得到两个偏振方向的频域数据。
上述光相干通信中色散估计装置的其他细节可参见实施例1的相应内容,在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成,所述程序可以存储于计算机可读存储介质中,如只读 存储器、磁盘或光盘等。可选地,上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地,上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上所述,仅为本发明的较佳实例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种光相干通信中色散估计方法,其特征在于,该方法包括:
对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据;
对所述频域数据求自相关序列,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换,对快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得
确定多组数据的P[n]平均值
的最大值的索引n0,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据指:
对IQ不平衡补偿后的两个偏振数据,分别进行快速傅立叶变换后,得到两个偏振的频域数据X[k]和Y[k],k=0,。...,Nfft-1,k为频率索引,Nm为傅立叶变化点数;
按照如下公式取两个偏振方向非正交的信号的频谱,得到两个偏振方向的频域数据:
Xi[k]=X[k]cosθi+γ[k]sinθi,i-1,2,
其中,
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,对IQ不平衡补偿后的数据做快速傅立叶变换得到两个偏振方向的频域数据指,使用频域速卷积变换或者FFT变换得到两个偏振方向的频域数据。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述频域数据的自相关序列间隔为波特率,其中,按照如下公式,对两个偏振方向的频域数据中频谱X1[k]求自相关序列C1[k],对频谱X2[k]求自相关序列C2[k]:
上式中,K为不大于Nfft-1-kbaud的整数,kbaud为波特率大小对应频率索引间隔。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,按照如下公式,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换:
其中Nifft为傅立叶变化点数。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法,其特征在于,按照如下公式对所述快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得
P[n]|P1[n]|2+|P2[n]|2,n=-Nifft,...,Nifft-1。
7.如权利要求1至5任一项所述的方法,其特征在于,
的最大值的索引n0后,该方法还包括,采用插值公式对n0进行修正。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,按照如下抛物线插值公式对所述n0进行修正:
9.如权利要求7所述的方法,其特征在于,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值指,按照如下公式计算光纤链路色散值:
其中,c为真空中光速,λ为光载波在真空中的波长,fbaud为波特率。
10.一种光相干通信中色散估计装置,包括色散补偿单元和色散估计单元,其特征在于,所述色散估计单元划分为:
第一模块,对IQ不平衡补偿后经过快速傅立叶变换得到的两个偏振方向的频域数据求自相关序列;
第二模块,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换,对快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向结果相加,得P[n];
第三模块,确定多组数据的平均值的最大值的索引n0,根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值。
11.如权利要求10所述的装置,其特征在于,所述第一模块按照如下公式,对两个偏振方向的频域数据中频谱求自相关序列对频谱求自相关序列C2[k],其中,频域数据的自相关序列间隔为波特率:
上式中,K为不大于Nfft-1-kbaud的整数,kbaud为波特率大小对应频率索引间隔。
12.如权利要求11所述的装置,其特征在于,所述第二模块按照如下公式,将所述自相关序列的值分别进行快速逆傅立叶变换:
其中Nifft为傅立叶变化点数。
13.如权利要求10至12任一项所述的装置,其特征在于,所述第二模块按照如下公式对所述快速逆傅立叶变换结果求模平方,并将两个偏振方向 结果相加,得P[n]:
P[n]=|P1[n]|2+|P2[n]|2n=-Nifft,...,Nfft-1 。
14.如权利要求10至12任一项所述的装置,其特征在于,所述色散估计单元还包括:
修正模块,在求出的最大值的索引n0后,采用插值公式对n0进行修正。
15.如权利要求14所述的装置,其特征在于,所述修正模块按照如下抛物线插值公式对所述n0进行修正:
16.如权利要求14所述的装置,其特征在于,所述第三模块根据最大值的索引n0估算光纤链路色散值指,按照如下公式计算光纤链路色散值:
其中,c为真空中光速,λ为光载波在真空中的波长,fbaud为波特率。
17.如权利要求10至12任一项所述的装置,其特征在于,
所述色散补偿单元,对IQ不平衡补偿后的数据使用频域速卷积变换得到两个偏振方向的频域数据。
18.如权利要求10至12任一项所述的装置,其特征在于,所述色散估计单元还包括:
傅立叶变换模块,对IQ不平衡补偿后的数据分别使用快速傅立叶变换(FFT)变换得到两个偏振方向的频域数据。
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