CN104601239B - 一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方案。N路波长不同的光相位调制信号由波分复用器(102)合为一路波分复用信号，放大后进入长距离光纤中传输；在接收端，复用信号首先通过一个波分解复用器(105)分离为N路独立的信号，接着与各自的本振光源(106₁～106_N)耦合进入光混频器(107₁～107_N)中；再分别经过光电转换入及数字信号处理单元(110)，最后通过检测强度噪声方差，并结合低通滤波算法，实现信号的自适应非线性补偿。与其它补偿方案相比，本发明可以在不知道信道准确参数的情况下对信号非线性精确补偿，极大的提高了网络的鲁棒性，降低了复杂度，更适用于下一代高速(P比特级)光网络的传输领域。

Description

一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性 补偿方法

技术领域

本发明涉及高速光传输领域，尤其是一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方法。

背景技术

通信技术的发展自古以来从未间断过。在近代的发展中，人们更加关注信息传送的距离、速率、有效性以及经济性，因此光纤作为传输媒介的提出，很快引起了通信技术的一场革命，使光纤通信在随后几十年的时间里得到了迅猛发展，并且逐渐成为了现代通信的基石。

光纤通信发展另一重大里程碑是1986年南安普顿大学发明的掺铒光纤放大器(EDFA)。它的问世使光纤通信不再需要光电光转换的情况下，直接在光域对信号进行放大，并且可以同时放大C波段内的多个波长信号，最终引领了另一次的革命浪潮——波分复用技术的发展。

无论技术如何发展，增大传输容量以及增加传输距离都是通信系统始终最求的两大发展目标，因此通信系统的性能通常用比特率-距离积(BL)来衡量。每次技术的发展和关键问题的解决都会使中继距离和传输容量在一定程度上得到突破性进展，最近研究显示，BL积的增长速率大约是每4年增加10倍。但是随之而来的新问题也不断产生，如EDFA的发明带来了自发辐射噪声的积累；长距离单模光纤的应用造成了非线性和色散的损伤等。

随着速率的提高和传输距离的增长，面临的问题也在逐渐变化。速率的提高导致接收机带宽增加，检测到的噪声功率也随之增加。为了维持一定的信噪比，则需增加信号功率。然而信号功率的增加必然会引起更强的光纤非线性损伤，而且对于高速窄脉冲信号来说，非线性的影响会进一步加剧。而当今光纤通信传输系统，色散已经不是问题，多种方法都可以将色散引起的损伤完全消除。因此，光纤非线性成为了限制传输距离的主要因素，其补偿方法也是研究的热点与难点。

具体来说，目前已经有很多方法可以较好的补偿非线性。早期在单信道传输系统中，Killey以及Goeger等课题组利用光均衡器和电均衡器可以有效的减小自相位调制效应(SPM)的影响。特别是在PSK系统中，由于SPM导致的非线性相移与信号强度有关，可以根据信号强度对接收到的信号施加相应的相移，部分抵消SPM的影响；随着WDM的普及与应用，交叉相位调制(XPM)以及四波混频(FWM)成为了信号的约束条件。因此色散管理的提出，通过相位适配技术，有效抑制了XPM和FWM效应。然而随着传输距离和传输速率的进一步增加，以上方案的补偿效果都不尽人意。李桂芳小组首次提出利用后向传输(DBP)的方案，通过离线DSP模拟反向光纤传输过程，实现了较好的非线性补偿。但是复杂的计算无法应用于实时信号处理中；2007年Kumar小组利用传输中点相位共轭信号方案同样实现了非线性补偿，但是传输过程中的功率无法严格意义上匹配；2013年贝尔实验室刘翔领导的小组提出了发送端共轭信号传输方案，此方案极为简单，补偿效果稳定，但是使频谱效率减半。以上方案各有优点，其中DBP方案可以补偿光纤中所有非线性的影响而受到广泛的关注和研究。但是现有技术方案大多数是建立在已知所有链路参数(如光纤色散值、非线性值、光纤输出功率等)的条件下。而在可重构的传输网络中，或者某一系统的不同时间里，链路参数随外界条件而改变，或者随时间而波动，因此并不能精确获得当前参数值。此时，自适应非线性补偿方案的研究具有重大意义与应用价值。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方案，该方案无需知道精确的链路参数，并降低了传统DBP算法的复杂度。本方案通过探测强度噪声方差，并结合低通滤波器算法，利用改进DBP算法实现了低复杂度的自适应非线性补偿。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方案。主要由沿光路顺序连接的以下器件构成：N路光相位调制信号(101₁～101_N)、一个光波分复用器(102)、一个光放大器(103)、一段长距离光纤(104)、一个波分解复用器(105)、N个本振光源(106₁～106_N)、N个光混频器(107₁～107_N)、光电转换器(108)、采样模块(109)以及数字信号处理单元(110)；N路波长不同的光相位调制信号由波分复用器(102)合为一路波分复用信号；合并后的光信号由一个放大器(103)放大后进入一段长距离光纤(104)中传输；在接收端，复用信号首先通过一个波分解复用器(105)分离为N路独立的信号，接着与各自的本振光源(106₁～106_N)耦合进入各自的光混频器(107₁～107_N)中；再分别经过光电转换器(108)、采样模块(109)以及数字信号处理单元(110)，最后通过检测强度噪声方差，并结合低通滤波算法，实现信号的自适应非线性补偿。

所述检测强度噪声方差，并结合低通滤波算法，实现信号的自适应非线性补偿包括：

将采样模块输出的数字信号做傅里叶变换将其转换到频域上进行色散补偿，其补偿过程为：FFT(E_CD)＝FFT(E_in)·exp(jωθ_CD)，其中FFT(·)表示傅里叶变换，E_in、E_CD、ω、θ_CD分别表示输入信号、色散补偿后的输出信号、信号频率以及色散引起的相移；j表示虚部；

对色散补偿后的输出信号做反傅里叶变换恢复时域信息，进行非线性系数的自适应估计后再进行非线性补偿，包括：

步骤1：任意设定一个光纤非线性系数的初始值γ(0)以及一个并不精确的接收功率P；

步骤2：通过一个低通滤波器后，进行非线性补偿，即E_NL＝E_CD·exp(jγL_effP)，其中E_NL和L_eff分别表示非线性补偿后的输出信号以及光纤有效长度；

步骤3：计算非线性补偿后的输出信号的强度噪声方差Var(δi²)，并判断其是否为最小值：

Var(δi²)＝σ²[δi²]

其中，δi²表示强度噪声，σ²表示方差，δi表示幅度噪声，E_d表示非线性补偿后的信号场分布，t表示时间；

如果当前的强度噪声方差Var(δi²)为最小值，则以当前非线性补偿后的输出信号为最终的输出信号，否则继续；

步骤4：更新光纤非线性系数γ，其中μ_adap表示自适应收敛速度因子，i表示非线性补偿的次数；之后返回到步骤2。

这样，N路波长不同的光相位调制信号经过放大器后进入一段长距离光纤(104)中进行传输。在传输过程中，光信号受到光纤固有的色散和非线性的影响而产生失真。传输后的信号通过本振光源、光混频器、光电转换器等器件转换成电信号，并由数字信号处理单元存储并进行处理。最后利用所提出的算法对信号失真和损伤进行自适应补偿。

采用本发明的方法，包括以下几个特征：1)不需要知道精确的链路参数(包括光纤输出功率、光纤非线性)既可对光纤非线性进行精确的补偿；2)在自适应非线性补偿过程中使用强度噪声方差，避免了载波相位恢复和偏振解复用的重复运算；并结合低通滤波算法，极大的提高了补偿效率；3)接收端使用传统的相干检测装置，很好地实现了对现有网络的兼容性。一般来讲，在可重构的传输网络中，或者某一系统的不同时间里，链路参数随外界条件而改变，或者随时间而波动，因此并不能精确、及时的获得当前参数值，因此本发明适用于解决下一代软件定义网络中的动态可变问题。所述方案既可与其他复用技术结合，如正交频分复用(OFDM)，波分复用(WDM)，也可以与更高阶的调制格式相结合，如相位调制(PSK)，正交振幅键控调制(QAM)等，以实现超高速的动态自适应网络建设。

基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方案，在接收机端采取离线数字信号处理的方式进行解调和补偿。其中自适应非线性补偿主要分为三个步骤：首先将相干接收后的信号通过色散估计和补偿算法去除色散的影响。接着任意设定一个光纤非线性的初始值γ(0)，并通过一个低通滤波器，滤波后的信号用作非线性补偿因子施加到色散补偿后的信号。最后计算所得信号的强度噪声方差Var(δi²)，并判断这个值是否最小。如果不是，则更新非线性系数重复以上过程；若是，则认为此时的补偿条件为最优，信号接着进行偏振解复用、频偏补偿、载波相位恢复以及信号恢复。

本发明是针对下一代软件定义网络和超高速远距离传输提出的，同时可与波分复用、正交频分复用兼容，也可结合相位调制、正交振幅键控调制等先进的调制格式；与传统非线性补偿技术相比，本发明方案可在较小的计算复杂度情况下实现动态的、自适应的光纤非线性补偿，降低了成本，增加了网络的鲁棒性，非常适用于下一代软件定义网络领域。

附图说明：

图1为本发明的基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方案；

图2为基于相位噪声方差的传统自适应非线性补偿的结构框图；

图3为本发明的信号处理算法示意图，其中(a)为完整的相干接收算法流程图；(b)为自适应非线性补偿算法流程图；

图4为本发明的强度噪声方差随非线性系数变化关系示意图，其中(a)为不同非线性补偿参数ξ下，强度噪声方差与非线性系数γ的函数关系图，(b)是不同补偿条件下的信号星座图；

图5为本发明中测量信号背靠背(三角形)、传输720km补偿(圆形)和不补偿(方形)非线性的误码率(BER)性能；

图6为本发明中强度噪声方差与非线性系数和光纤输出功率的函数关系曲线以及对应的信号星座图；

图7为本发明中非线性补偿前后Q²与入射功率的函数关系曲线；

图8为本发明与传统方案的复杂度对比示意图，其中(a)为Q²与计算需要步数的函数关系；(b)为不同入射功率下(即不同非线性影响)所需要的计算时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由多路相位调制光信号(101₁～101_N)、一个光波分复用器(102)、一个光放大器(103)、一段长距离光纤(104)、一个波分解复用器(105)、N个本振光源(106₁～106_N)、N个光混频器(107₁～107_N)、光电转换器(108)、采样模块(109)以及数字信号处理单元(110)构成的系统中，其中所有的算法处理都在数字信号处理单元(110)中进行。在相干接收端，通过合理的算法对接收的信号进行处理，既可实现传输信号的再生。

图2为基于相位噪声方差的传统自适应非线性补偿的结构框图。其补偿思想为：首先将相干检测的信号进行模数转换并送入数字信号处理单元进行离线处理。接着，任意设定一个非线性系数的初始值，并利用后向传输算法进行色散和非线性的补偿。补偿结果通过偏振解复用和载波相位恢复后，再进行相位噪声方差的计算，通过这个计算值对非线性系数不断的更新，以获得补偿的最优性能。

图3为本发明的信号处理算法示意图，其中(a)完整的相干接收算法流程图；(b)为自适应非线性系数估计及补偿算法流程图。相干接收的信号首先通过采样模块(109)模拟信号转换成数字信号送入110单元处理。这时由于色散和非线性对信号的损伤最大，因此首先需要利用所提出的方案来补偿将色散和非线性效应。其中包括自适应非线性系数估计和后向传输算法。之后依次通过基于恒模(CMA)算法的偏振解复用、基于预判决的频偏补偿、基于Viterbi-Viterbi算法的载波相位恢复和解码等，既可完成传输信号的再生。

图3(b)是详细的自适应非线性系数估计及补偿算法流程图。首先将需要处理的数据做傅里叶变换将其转换到频域上进行色散补偿，其补偿过程可通过式(1)表示：

FFT(E_CD)＝FFT(E_in)·exp(jωθ_CD) (1)

其中FFT(·)表示傅里叶变换，E_in、E_CD、ω、θ_CD分别表示输入信号、色散补偿后的输出信号、信号频率以及色散引起的相移。j表示虚部。接着，对信号做反傅里叶变换恢复时域信息，并进行非线性系数的自适应估计。此时任意设定一个光纤非线性的初始值γ(0)以及一个并不精确的接收功率P，并通过一个低通滤波器。滤波器的作用是滤除高频分量以避免高频分量的过补偿。此时，可以通过式(2)对光纤非线性进行初步处理。

E_NL＝E_CD·exp(jγL_effP) (2)

其中E_NL和L_eff分别表示非线性补偿后的输出信号以及光纤有效长度。由于此时所用的非线性系数和接收功率都不是准确值，因此输出结果并不能很好的补偿信号所受非线性效应的影响。因此，为了估算准确的γ值，我们根据式(3)和式(4)计算出此时信号的强度噪声方差Var(δi²)，并判断其值是否为最小。

Var(δi²)＝σ²[δi²] (3)

其中，δi²是强度噪声，σ²表示方差，δi表示幅度噪声，E_d表示非线性补偿后的信号场分布，t表示时间。

当无法判断Var(δi²)是否为最小值时，非线性系数根据式(5)进行更新，然后重复以上补偿过程。当最小值找到时，可以认为此时的非线性系数最优，补偿效果最好。同时，程序跳出循环，进入偏振解复用模块。

其中μ_adap表示自适应收敛速度因子，i表示非线性补偿的次数。

比较图3和图4可以发现，本发明在非线性估计和补偿中的循环步数远远小于传统方案，其复杂度也会大大降低。

图4为本发明的强度噪声方差随非线性系数变化关系示意图，其中(a)为不同非线性补偿参数ξ下，强度噪声方差与非线性系数γ的函数关系，(b)是不同补偿条件下的信号星座图。以40Gbit/s的偏振复用4相位调制信号(PDM-QPSK)为例，此时入射光纤的功率和接收功率设为-7dBm和-20dBm。由图(a)和(b)可以看出，当选取的γ值偏移了最优值(即最小方差值)时，强度噪声方差开始增加，并且对应的信号星座图随之变差。因此只需要找到最小强度方差点，对应的非线性系数既可认为是最优值。值得注意的是，本发明对非线性补偿参数ξ具有较大的容忍度。一般来讲，ξ在后向传输算法中是至关重要的一个参数，但是这个参数只能通过经验来选取，这样在实际应用中并不可取。但是本发明成功地解决了这一问题，由图(a)可以看出，在不同非线性补偿参数下，强度噪声方差都会出现一个最小值，因此通过自动调节非线性系数既可获得最优补偿效果。

图5为本发明中测量信号背靠背(三角形)、传输720km补偿(圆形)和不补偿(方形)非线性的误码率(BER)性能。此时输入光纤功率为6dBm。可以看出，信号经过720km光纤后，由于非线性的作用使误码率变大，但是通过本发明方案，误码率性能提高了2dB，实现了非线性的补偿。

图6为本发明中强度噪声方差与非线性系数和光纤输出功率的函数关系曲线以及对应的信号星座图。在传统的非线性补偿算法中(后向传输算法)，光纤输出功率需要精确地获得。但是在实际应用中，输出功率会随着时间或者器件的老化而变化，也会随着不同的网络应用而变化。而在本发明中，当使用的光纤输出功率不精确时，系统会自动调节非线性系数的估计值，以实现对当前参数的最优补偿，如图5所示。尽管设定的输出功率偏移了实际功率，通过本发明的算法，都可以实现相同性能的星座图，增加了对光纤输出功率精确性的容忍度。

图7为本发明中非线性补偿前后Q²与入射功率的函数关系曲线。当仅仅补偿了色散时(即非线性补偿之前)，入射功率为3dBm可获得最大Q²值13.2dB；而通过本发明对非线性补偿后，最大Q²值增加至13.2dB，而此时的入射功率也增加为5dBm。其性能提升最大点出现在入射功率为7dBm时，信号性能改善了2.9dB，并且给出了对应的星座图。

图8为本发明与传统方案的复杂度对比示意图，其中(a)为Q²与计算需要步数的函数关系；(b)为不同入射功率下(即不同非线性影响)所需要的计算时间。通过利用计算步数多少(a)和计算时间长短(b)两种不同的方法分析比较，都可以得到同一个结论，即当初始非线性系数设为2km^-1·W^-1时，本发明的补偿效率比传统方法提高了4倍以上。并且，图(b)可以更直观的看出，计算时间大大降低，仅仅需要50秒即可完成非线性的自适应补偿。

由以上实验结果中可以观察到，本发明利用强度噪声方差结合低通滤波器成功实现了自适应非线性补偿方案。该方案不仅仅可以自适应估算光纤非线性系数，而且对其他重要参数的精确性(如非线性参数和光纤输出功率)都有较大的容忍度，更适用于在复杂多变的网络中传输信号。同时，在算法复杂度方面，该方案避免了载波相位恢复和偏振解复用的重复运算，极大的提高了非线性补偿的效率。因此，本发明由于低成本，高鲁棒性、自适应等特点，非常适用于下一代软件定义网络领域。

Claims (3)

1.一种基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方法，其特征在于，主要由沿光路顺序连接的以下器件构成：N路光相位调制信号(101₁～101_N)、一个光波分复用器(102)、一个光放大器(103)、一段长距离光纤(104)、一个波分解复用器(105)、N个本振光源(106₁～106_N)、N个光混频器(107₁～107_N)、光电转换器(108)、采样模块(109)以及数字信号处理单元(110)；N路波长不同的光相位调制信号由波分复用器(102)合为一路波分复用信号；合并后的光信号由一个放大器(103)放大后进入一段长距离光纤(104)中传输；在接收端，复用信号首先通过一个波分解复用器(105)分离为N路独立的信号，接着与各自的本振光源(106₁～106_N)耦合进入各自的光混频器(107₁～107_N)中；再分别经过光电转换器(108)、采样模块(109)以及数字信号处理单元(110)，最后通过检测强度噪声方差，并结合低通滤波算法，实现信号的自适应非线性补偿；

所述检测强度噪声方差，并结合低通滤波算法，实现信号的自适应非线性补偿包括：

将采样模块输出的数字信号做傅里叶变换将其转换到频域上进行色散补偿，其补偿过程为：FFT(E_CD)＝FFT(E_in)·exp(jωθ_CD)，其中FFT(·)表示傅里叶变换，E_in、E_CD、ω、θ_CD分别表示输入信号、色散补偿后的输出信号、信号频率以及色散引起的相移；j表示虚部；

对色散补偿后的输出信号做反傅里叶变换恢复时域信息，进行非线性系数的自适应估计后再进行非线性补偿，包括：

步骤1：任意设定一个光纤非线性系数的初始值γ(0)以及一个并不精确的接收功率P；

步骤2：通过一个低通滤波器后，进行非线性补偿，即E_NL＝E_CD·exp(jγL_effP)，其中E_NL和L_eff分别表示非线性补偿后的输出信号以及光纤有效长度；

步骤3：计算非线性补偿后的输出信号的强度噪声方差Var(δi²)，并判断其是否为最小值：

Var(δi²)＝σ²[δi²]

$\mathrm{\δ}i\left(t\right)=|E_d\left(t\right){|}^2-\stackrel{\‾}{|E_d\left(t\right){|}^2}$

其中，δi²表示强度噪声，σ²表示方差，δi表示幅度噪声，E_d表示非线性补偿后的信号场分布，t表示时间；

如果当前的强度噪声方差Var(δi²)为最小值，则以当前非线性补偿后的输出信号为最终的输出信号，否则继续；

步骤4：更新光纤非线性系数γ，其中μ_adap表示自适应收敛速度因子，i表示非线性补偿的次数；之后返回到步骤2。

2.根据权利要求1所述之基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方法，其特征在于，所述N路光相位调制信号是单一偏振态或者是偏振复用信号。

3.根据权利要求1或2所述之基于强度噪声方差以及低通滤波器的光纤自适应非线性补偿方法，其特征在于，所述N路光相位调制信号的调制格式包括PSK、OFDM和QAM。