CN104868969A - 一种基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案。在接收端，复用信号首先通过一个波分解复用器(105)分离成N路独立的非正交偏振复用信号，接着每一路NPDM信号又通过相应的斯托克斯分析仪(106_N)分成四路信号，再分别由光电转换器(107₁～107_4N)转换成电信号后，进入数字信号处理单元(108)，最后通过追踪斯托克斯参量的变化以实现非正交偏振复用信号的恢复。与传统正交偏振复用(PDM)方案相比，本发明中偏振复用角度大于某个特定小角度的非正交复用信号都可以自适应的恢复出，极大地提高了光网络中发射端和接收端的灵活性，同时也降低了成本。同时非正交特性时本发明对偏振相关损耗有更大的容忍度，更适用于短距离传输的接入网领域。

Description

一种基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案

技术领域

本发明涉及短距离传输的接入网领域，尤其是一种基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案。

背景技术

自古以来，通信技术的发展从未间断过，从烽火传信到无线电波，从短距离传输到跨洋通信。然而在信息爆炸性增长的今天，人们更加关注信息传送的速率、距离、经济性以及有效性，因此光纤作为传输媒介的提出，掀起了通信技术的一场革命。而光纤通信在随后的几十年间也得到了迅猛发展，并且逐渐成为了现代通信的基石。

自此之后，光纤通信又迎来了两次重大的发展，每一次都是里程碑式的飞跃。一是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彻底摆脱光电光转换所引起的传输速率限制，可以直接在光域对信号进行放大处理，并且可以同时放大C波段内的多个波长信号；另一次是波分复用技术的发展，厉鼎毅先生这个创造性的想法最终使光纤通信的传输容量进入了爆炸性的增长，并且以极快的速度对当今骨干网线路进行了更新换代。

然而，经历了对超长传输距离技术的追逐后，有很多研究机构开始将注意力转移到了短距离传输的接入网中。与长距离传输技术相同，短距离传输网仍然追求通信系统性能(常用比特率-距离积BL来衡量)的提高。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，特别是发射机和接收机成本随着传输距离和传输容量的增加会呈指数增长。

一般来讲，光信号区别于电信号最大的特点之一就是光具有偏振态的不 同。因此对于单波长信道，为了增加传输容量，普遍会采用传统正交偏振复用(PDM)的传输格式，即在相互正交的偏振态上传输不同的信号。这种复用形式的最大优势之一是拥有较为简单的复用技术和偏振解复用方法。另一方面，在短距离传输中，考虑到成本问题，普遍使用更为简单的强度调制(OOK)格式。因此，PDM-OOK信号逐渐成为短距离传输网的标准。

到目前为止，偏振复用技术为传输容量和频谱效率的提高做出了较大的贡献。然而，光的偏振态资源是无限的，理论上信息是可以加载到多个偏振态上，以实现更大容量或频谱效率的光传输方案。因此，在传统PDM系统中，由于其两个偏振态必须遵循严格的正交性，从而浪费掉了其他偏振态资源。

现阶段，已有多个研究小组注意到这个问题，并且加以研究。1986年法国研究者CI.Herard和A.Lacourt首先提出了非正交偏振态复用技术(NPDM)，并且实现了3个偏振态的传输。但是由于解调的复杂性和串扰管理的难度等问题，使得传输距离较短，因此此技术并没有得到广泛的研究。直到2013年，西南交通大学闫连山教授带领小组在国际上首次提出单波长4偏振态同时传输的理论模型，并仿真验证了其可行性，且实现了22km的信号传输；接着，2014年丹麦技术大学的José Estarán等人也实验验证了四个偏振态传输，并且成功传输了2km的距离。至此，非正交偏振态复用技术又重新回到了人们的视野中，并逐渐成为新的热点。但是，目前所有方案仅仅研究了偏振角为45°和60°的复用方案，且在实验室条件下最大传输距离仅为2km。因此，为了进一步地提高传输容量和频谱利用率，更小角度、更远传输距离的非正交偏振复用技术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斯托克斯分析的 非正交偏振复用信号传输方案，该方案在不增加发射机、接收机和算法的复杂度的情况下，实现了某个特定小角度的非正交偏振复用传输技术。本方案利用斯托克斯分析仪将信号分成四路，通过在斯托克斯空间上的偏振态追踪，实现了非正交偏振复用系统的搭建，并完成了光纤传输的验证。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案。主要由沿光路顺序连接的以下器件构成：一路或N路非正交偏振复用强度调制光信号(101₁～101_N)、一个光波分复用器(102)、一个光放大器(103)、一段光纤(104)、一个波分解复用器(105)、一个或N个斯托克斯分析仪(106₁～106_N)、四N个光电转换器(107₁～107_4N)以及一个数字信号处理单元(108)；多路波长不同的非正交偏振复用强度调制信号(NPDM，101₁～101_N)传到中心局后，由一个波分复用器(102)合成为一个波分复用的NPDM；复用后的光信号由一个放大器(103)放大进行功率补偿后，进入一段光纤(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)分离成N路独立的非正交偏振复用信号，接着每一路NPDM信号又通过相应的斯托克斯分析仪(106_N)分成四路信号，再分别由光电转换器(107₁～107_4N)转换成电信号后，进入数字信号处理单元(108)，最后通过追踪斯托克斯参量的变化以实现非正交偏振复用信号的恢复。

采用本发明的方法，包括以下几个特征：1)两路输入光信号的偏振复用角度可以是大于某个特定小角度的任意角度；2)不需要知道精确的复用角度，本方案可以自适应地解调出非正交复用信号；3)采用斯托克斯分析仪，从而避免了接收机和算法复杂度的增加；4)非正交复用传输方案对偏振相关损耗的容忍度更大。一般来讲，在短距离传输的接入网中，仍然需要进一步提高系统频谱效率和传输容量，但是传统正交偏振复用方案显然已经不能满足这一要 求，因此本发明打破了信号对于偏振态正交性的要求，为进一步增加传输容量方案做了理论探索与储备。所述方案可与其他复用技术结合，如正交频分复用(OFDM)，波分复用(WDM)等，以实现低成本、大容量、动态自适应的接入网络建设。

基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案，发射机端和接收机端的结果都非常简单。发射端的非正交偏振复用信号的产生，只需要通过两个偏振控制器和一个耦合器，将信号以不同的偏振态复用在一起即可，并不需要保证严格的正交性；在接收机端，采用斯托克斯分析仪将信号分为四路后进入光电转换器转换成电信号，分别是S₀、S₁、S₂和S₃。接着利用实时DSP信号处理即可实现非正交偏振复用信号的解调和恢复。其中信号的解调主要分为三个步骤：首先通过计算信号的偏振度来估计接收信号的偏振复用角度α；接着任意设定两个初始斯托克斯向量v_i，并分别计算S₀和向量[S₁,S₂,S₃]·v_i的统计分布。最后根据α的不同选取不同的判决阈值与向量更新v_i，以实现对两个信号的偏振追踪。

本发明是针对短距离接入网提出的，同时可与波分复用、正交频分复用兼容；与传统正交偏振复用技术相比，本发明方案可在较小算法复杂度的情况下实现非正交偏振复用系统的自适应解调，降低了成本，增加了网络的鲁棒性，非常适用于短距离接入网信号传输中。

附图说明：

图1为本发明的基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案；

图2为本发明的非正交偏振复用信号产生结构图；

图3为本发明中斯托克斯分析仪的基本构成结构图；

图4为本发明的信号处理算法示意图，其中(a)为S₀的理论概率密度函 数，(b)为内积u的理论概率密度函数；

图5为本发明的偏振复用角度与信号偏振度的关系示意图；

图6为本发明中，不同偏振复用角度下的非正交偏振复用信号总功率S₀的统计分布示意图；

图7为本发明中不同偏振复用角度下的内积u的统计分布示意图，其中u表示偏振态追踪的能力；

图8为本发明中传输10km时传统正交偏振复用系统与30°非正交偏振复用系统误码率对比图，FEC：前向纠错编码；

图9为本发明中不同偏振复用角度下的误码率性能对比图。

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，本发明方案由一路或N路非正交偏振复用强度调制光信号(101₁～101_N)、一个光波分复用器(102)、一个光放大器(103)、一段光纤(104)、一个波分解复用器(105)、一个或N个斯托克斯分析仪(106₁～106_N)、四N个光电转换器(107₁～107_4N)以及一个数字信号处理单元(108)组成。本方案的发射机和接收机结构简单，成本低廉，适用于短距离传输的接入网中。具体逻辑关系如下：多路波长不同的非正交偏振复用强度调制信号(NPDM，101₁～101_N)传到中心局后，由一个波分复用器(102)合成为一个波分复用的NPDM；复用后的光信号由一个放大器(103)放大进行功率补偿后，进入一段光纤(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)分离成N路独立的非正交偏振复用信号，接着每一路NPDM信号又通过相应的斯托克斯分析仪(106_N)分成四路信号，再分别由光电转换器(107₁～107_4N)转换成电信号后，进入数字信号处理单元(108)，最后通过追踪斯托克斯参量的变化以实现非正交偏振复用 信号的恢复。为了下文分析方便，这里假设，两个非正交复用信号可以分别用x和y表示。

图2为本发明的非正交偏振复用信号产生结构图。产生过程十分简单，仅需将两路强度调制信号各自通过一个偏振控制器进入到耦合器中，输出的信号即为非正交偏振复用信号。其中，偏振控制器用来控制合成信号的偏振复用角度。

图3为斯托克斯分析仪的基本构成结构图。首先输入信号由一个光耦合器分成四路信号。其中，第一路直接输入光电转换器PD中，第2路和第三路分别经过0°以及45°检偏器后，再进入PD中。最后一路则依次通过一个四分之一波片、45°检偏器后进入PD转换成电信号。这四路电信号分别记为I₀、I₁、I₂和I₃。

图4为本发明的信号处理算法示意图，其中(a)为S₀的理论统计分布图，(b)为内积u的理论概率密度函数。信号经过斯托克斯分析仪后进入数字信号处理单元。在DSP中首先根据式(1)～式(4)将输入的电信号I₀～I₃转换成斯托克斯向量：

S₀＝I_t                    (1) 

S₁＝2I_x-S₀              (2) 

S₂＝2I_45°-S₀            (3) 

S₃＝2I_R-S₀            (4) 

接着，根据S₀的统计分布(如图4中a状态所示)，确定强度判决器的阈值S_th，则当S₀<S_th时，可以判断两路同为0，即x＝0以及y＝0。为了追踪各个偏振态信号，我们需要假设两个初始的参考向量v_x和v_y，它们分别指向x和y偏振态。参考向量的更新规则采用梯度算法，如下式

$v_{x,y}(n+1)=\frac{v_{x,y}\left(n\right)+\mathrm{\&mu;}[S\left(n\right)/S_0\left(n\right)-v_{x,y}\left(n\right)]}{\left|\right|v_{x,y}\left(n\right)+\mathrm{\&mu;}[S\left(n\right)/S_0\left(n\right)-v_{x,y}\left(n\right)]\left|\right|}---\left(5\right)$

在斯托克斯空间中，我们将上述参考向量与空间上的向量点S＝[S₁,S₂,S₃]内积，其表达式可以表示为

u_x,y(n)＝[S(n)/S₀(n)]·v_x,y(n)         (6) 

直观地理解，以x偏振态为例，当参考向量v与信号偏振态相同时，内积u为1；当参考向量与信号偏振态反向时，内积u为-1，而其他情况则u处于正负1之间。基于这个特点，可以利用式(5)来更新参考向量v，从而不断地追踪偏振态x。与强度判决器原理相同，可以根据内积u的统计分布图，判断其阈值u_th，如图4中b状态所示。当u>u_th时，即认为当前偏振态与信号x的偏振态相同，则x＝1。对于其他情况，则都认为x处于低电平(x＝0)。

由上述分析可知，两个阈值S_th和u_th在偏振态追踪中的作用至关重要。然而，在不同角度的非正交偏振复用系统中，S_th和u_th的取值不尽相同。因此，在DSP的前端，一小部分信号将用来计算偏振度，从而判断两路信号之间的偏振复用角度。根据这个角度则可直接确定以上两个阈值S_th和u_th的值。

图5为本发明的偏振复用角度与信号偏振度的关系示意图。这里偏振度的计算是取1024个点的平均。由图可知，信号偏振度和偏振复用角度存在唯一的对应关系，并且其关系呈现出近似地线性。此外，仿真和实验结果十分吻合。

图6为本发明中，不同偏振复用角度下的非正交偏振复用信号总功率S₀的统计分布示意图。此时总接收功率固定为-14dBm。由图可以看出，在不同的偏振复用角度情况下，第一个谷值即阈值S_th的判定都非常明显，因此，可以很容易地确定两路信号都为0的情况。同时我们还可以看出的统计分布中S₀还存在第二个谷值，这里记为S’_th。一般来讲，当S₀>S’_th时，可以判断出两路信号同为1的情况。但是，随着偏振复用角度的减小，阈值S’_th越来越难判定。 因此在本发明中，这一判决阈值点需舍去。

图7为本发明中不同偏振复用角度下的内积u的统计分布示意图。u表示偏振态追踪的能力。由图7(a)中可以看出，在传统偏振复用系统中，u的统计分布中存在两个清晰的谷值，记为u_th和u’_th。根据前文分析，当u为1时，即u(n)>u_th，则认为参考向量与x信号偏振态一致，此时x＝1且y＝0；当u为-1时，即u(n)<u’_th，则认为参考向量与x信号偏振态反向，此时x＝0且y＝1；因此在传统偏振复用系统中，仅仅用一个参考向量即可恢复出两个偏振态的信号。但是在本发明提出的非正交偏振复用系统中，随着偏振复用角度的减小，发现阈值u’_th的判决变得越加困难。这意味着x、y两个偏振态分别利用不同的初始参考向量v_x,y来单独进行追踪。仍然以x偏振态为例，由图7(b)～(d)所示，当u(n)>u_th时，可判定x＝1，此时参考向量根据式(5)进行更新；当u(n)≤u_th时，x＝0，此时不更新参考向量。然而随着偏振复用角度的改变，阈值u_th也不断变化。因此，本发明首先需要根据图5来判断偏振复用角度，进而选取对应的阈值u_th，从而实现非正交偏振系统的自适应解调。

图8为本发明中传输10km时传统正交偏振复用系统与30°非正交偏振复用系统误码率对比图，FEC：前向纠错编码。其中使用20％的前向纠错(FEC)阈值为对比，表示任何低于这个阈值的误码率都可以恢复成无误码信号。由图可知，传统PDM系统和30°NPDM系统在20％FEC处的接收机灵敏度分别为-23.2dBm和-18.1dBm。显然地，30°NPDM系统的功率代价为5.1dB，但是仍然能够恢复传输10km后的偏振复用信号。

图9为本发明中不同偏振复用角度下的误码率性能对比图。接收端总功率固定为-13dBm(即每个信道的接收功率为-16dBm)。当偏振复用角度从90°降低到15°时，系统的误码率性能不断降低。但是由图9可知，本发明传输 10km仍可实现偏振复用角度大于某个特定小角度的非正交偏振复用信号的解调。图9中可看到，当角度低于23°继续减小时，系统误码率有迅速升高的趋势，在15°时，大于20％FEC的阈值使信号无法恢复，偏振复用角度的进一步减小有赖于有效的阈值u_th获取。

由以上实验结果中可以观察到，本发明基于斯托克斯分析成功实现了偏振复用角度大于23°的非正交偏振复用系统的自适应解调方案。该方案不仅仅可以自适应估算偏振复用角度，而且大大增加了系统对偏振相关损耗的容忍度，更适用于短距离传输的接入网中。同时，基于斯托克斯分析仪的非正交偏振复用系统，由于不需要保证偏振态严格的正交，从而在不增加算法复杂度的情况下降低了发射机和接收机的成本。因此，本发明由于低成本，高鲁棒性、自适应等特点，非常适用于下一代的光网络构建中。

Claims (3)

1.一种基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案，其特征在于，主要由沿光路顺序链接的以下器件构成：一路或N路非正交偏振复用强度调制光信号(101₁～101_N)、一个光波分复用器(102)、一个光放大器(103)、一段光纤(104)、一个波分解复用器(105)、一个或N个斯托克斯分析仪(106₁～106_N)、四N个光电转换器(107₁～107_4N)以及一个数字信号处理单元(108)；多路波长不同的非正交偏振复用强度调制信号(NPDM，101₁～101_N)传到中心局后，由一个波分复用器(102)合成为一个波分复用的NPDM；复用后的光信号由一个放大器(103)放大进行功率补偿后，进入一段光纤(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)分离成N路独立的非正交偏振复用信号，接着每一路NPDM信号又通过相应的斯托克斯分析仪(106_N)分成四路信号，再分别由光电转换器(107₁～107_4N)转换成电信号后，进入数字信号处理单元(108)，最后通过追踪斯托克斯参量的变化以实现非正交偏振复用信号的恢复。

2.根据权利要求1所述之基于斯托克斯分析的非正交偏振复用信号传输方案，其特征在于，两路输入光信号的偏振复用角度可以是大于某个特定小角度的任意角度。

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案，其特征在于，对系统中存在的偏振相关损耗有更大的容忍度。