CN107809282B - 相干光纤偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及设备 - Google Patents

相干光纤偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种相干光纤偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及设备。所述方法包括：将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。本发明在RSOP的速度高达兆弧度每秒且PMD的差分群时延几倍于符号周期的情况下，完成信号的均衡补偿工作。误差向量幅度均远低于前向纠错容限，并随光信噪比变化表现良好。

Description

相干光纤偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及设备
技术领域
本发明实施例涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及设备。
背景技术
受互联网业务的爆炸式增长驱动，作为传输骨干网的光通信系统和网络也得到了迅猛发展。时分复用(Time division multiplexing，TDM)，波分复用(Wavelengthdivision multiplexing，WDM)，偏振复用(Polarization division multiplexing，PDM)和高阶调制格式等技术的出现，大大提高了光通信系统的容量与频谱效率。偏振效应，如偏振态变化(也称偏振旋转，Rotation of state of polarization，RSOP)、偏振模色散(Polarization mode dispersion，PMD)、偏振相关损耗(Polarization dependent loss，PDL)造成信号损伤，以及偏分解复用的困难，在现有的100G相干偏分复用光纤通信系统中，恒模算法(Constant Modulus Algorithm，CMA)是最常用的MIMO(Multiple-input andmultiple-output)算法，它能解决一定程度的偏振效应的均衡问题，但是对于一些极端场景下的偏振效应影响，恒模算法将失效。
这些极端的场景之一是作为传输系统一部分的架空光缆、甚至埋地光缆遭到雷电电击时产生的快速偏振旋转和偏振模色散的快速变化；以及雷击产生的强磁场造成的瞬间法拉第偏振旋转效应。光纤偏振瞬间SOP的变化造成的相干接收机失锁的情况，可以在十几毫秒内达到每秒几十万、甚至是几百万弧度变化，随后经历几毫秒的慢速驰豫恢复。另外一些老旧光纤的PMD非常大，群时延(differential group delay，DGD)可达200ps，对于28Gbaud符号速率的光纤通信系统，DGD相当于5倍多的符号周期。当大DGD的PMD和快速RSOP结合在一起时，通常的MIMO算法对于偏振效应的均衡几乎无能为力。由于PMD在斯托克斯空间里是个矢量，其大小为DGD，方向是慢主态(Princepal state of polarization，PSP)。即使小DGD的PMD与SOP结合，快速SOP变化会造成PSP的快速变化，使常规算法对PMD均衡的失效。因此，寻找一种能够快速联合处理大PMD与快速RSOP均衡问题的算法是非常有意义的，使相干接收机即使在极端场景下都能够完成偏振效应的均衡。
基于CMA的MIMO算法能够解决大DGD的补偿，不能解决快速RSOP，以及由快速RSOP引起的快速PSP的变化。近来提出的结合Kalman滤波器的算法，可以解决快速RSOP的均衡问题，但是由于只在时域进行DGD的补偿，不能补偿大DGD的PMD(DGD引起的光信号损伤来源于频域每个频率分量造成不同的相位延迟，在时域只能补偿载频处相位延迟，而对于其它频率组分，只能部分补偿)。
发明内容
本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法。
根据本发明实施例的一个方面，提供一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法，包括：
将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；
基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；
利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
进一步，所述基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号，进一步包括：
按照接收经光纤信道损伤的信号的时序，
在当前迭代周期，从接收到的损伤信号符号序列中截取一段预设长度的信号符号，作为本迭代周期的分窗信号，以便进行当前迭代周期的傅里叶变换；
在下一个迭代周期，将所述预设长度的信号符号向后方移动一段步长后截取的一段所述预设长度的信号符号作为下一个迭代周期的分窗信号，以便进行下一个迭代周期的傅里叶变换。
进一步，所述利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿，进一步包括：
为所述Kalman滤波器选择状态矢量和测量量，所述状态矢量选择为斯托克斯空间的PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3，以及琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，所述测量量选择为x偏振信号以及y偏振信号映射到星座图空间的星座点分布半径rx＝1,ry＝1；
初始化时，为选择的状态矢量τ1,τ2,τ3,α,β,κ赋初值，并为测量量的噪声协方差Q和R赋初值；
基于经过光纤信道的损伤信号符号序，获取当前迭代周期的分窗信号；对所述分窗信号进行预测、信号补偿和纠错，迭代计算出测量量偏差、新的状态矢量、新的噪声方差；完成所有迭代后得到待补偿的损伤信号序列的完整补偿信号；
其中，信号补偿时，利用傅里叶变换将所述分窗信号变换到频域后，在频域进行PMD损伤补偿；将PMD补偿后的分窗信号再变换到时域后，对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿。
进一步，所述在频域进行PMD损伤补偿具体为：对于光纤信道两段结构等价的PMD损伤，根据所述PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3在琼斯空间对PMD进行补偿；
所述对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿具体为：对于光纤信道两段结构等价的RSOP，根据所述琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，在琼斯空间对RSOP进行补偿。
进一步，所述状态矢量为：
所述Kalman滤波器的测量空间为正交偏振的x分量的星座图空间和y分量的星座图空间，所述测量量为：
进一步，信号补偿时，采用PMD补偿公式在频域进行PMD补偿，采用RSOP补偿公式在时域进行RSOP补偿；
所述PMD补偿公式为：
其中，Δτ表示矢量的大小，代表DGD；慢主态方向，代表PSP；表示PMD矢量；为泡利矩阵其中
所述RSOP补偿公式为：
其中，α,β,κ代表RSOP的三个角度。
进一步，纠错时，所述Kalman滤波器从状态矢量到测量量的传递函数为：h(xk)＝s(xk)·s*(xk)，其中，s为补偿后x偏振或者y偏振符号，xk为状态变量。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡装置，包括：
模型等价模块，用于将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；
分窗信号模块，用于基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；以及
损伤补偿模块，用于利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行本发明实施例一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及其任一可选实施例的方法。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法及其任一可选实施例的方法。
本发明实施例提出一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法，首先将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道等价为先RSOP后PMD的两段结构，进而针对光纤通信系统中极端场景下大DGD的PMD与快速RSOP联合对光信号造成的损伤，给出相干接收机在此种场景下的偏分解复用问题的解决方案，通过基于频域的Kalman均衡方法进行PMD补偿和RSOP补偿。在RSOP的速度高达兆弧度每秒且差分群时延(DGD)几倍于符号周期的情况下，完成信号的均衡补偿工作。误差向量幅度(EVM)均远低于前向纠错(FEC)容限，并随光信噪比(OSNR)变化表现良好。
附图说明
图1为本发明实施例一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法流程示意图；
图2为现有技术的RSOP和PMD联合效应的一般模型示意图；
图3为本发明实施例待补偿信号分窗截取的滑窗示意图；
图4为本发明实施例Kalman均衡方案流程示意图；
图5为本发明实施例DGD为203.5ps时，Kalman均衡与CMA均衡效果随OSNR变化的比较示意图；
图6为本发明实施例OSNR＝16dB时，在不同DGD下，Kalman均衡与CMA均衡效果随RSOP变化的比较示意图；
图7为本发明实施例OSNR＝16dB，DGD＝203.5ps，RSOP＝2Mrad/s条件下，Kalman均衡方法对PMD矢量跟踪曲线示意图；
图8为本发明实施例一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡设备的框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明实施例一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法流程示意图，如图1所示，一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法，包括：
S100，将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；
本发明实施例首先对光纤通信系统中极端场景下PMD与RSOP的联合效应进行分段构造以获得简化的信号损伤模型。
图2为已经被大众接受的RSOP和PMD联合效应的一般模型示意图，如图2所示，光纤信道的偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD的联合效应模型一般包括三段：包括：第一段的前偏振旋转，本发明实施例称为RSOP1；第二段的偏振模色散PMD；第三段的后偏振旋转，本发明实施例称为RSOP2；也即偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD的联合效应包括偏振模色散、偏振模色散之前的偏振旋转和偏振模色散之后的偏振旋转。前偏振旋转RSOP1、偏振模色散PMD和后偏振旋转RSOP2，即RSOP1+PMD+RSOP2的模型可表示为：
其中，JRSOP1为前偏振旋转RSOP1，且JRSOP2为后偏振旋转RSOP2，且α1和δ1分别为前偏振旋转RSOP1的振幅比角和相位差角；α2和δ2分别为后偏振旋转RSOP2的振幅比角和相位差角；
UPMD为偏振模色散PMD，ω为载波角频率，Δω为角频率相对于载频的偏移，Δτ为群时延DGD，j代表虚数符号。
本发明实施例在对RSOP和PMD联合效应进行均衡补偿时，根据RSOP和PMD的特点与联系，进行了光纤信道中RSOP和PMD联合效应的信道损伤模型的简化，随后将接收到的信号序列进行分窗获取和傅里叶变换，利用Kalman滤波器在频域和时域对信号进行补偿和跟踪。
具体的简化是，将RSOP和PMD联合效应的的三段RSOP1+PMD+RSOP2的模型简化为等价的偏振旋转RSOP3和主态为SOP2的PMD的两段的信道损伤模型，包括：
其中，JRSOP3为等价的偏振旋转RSOP3，UnewPSP-PMD为主态为SOP2的PMD。即光纤信道偏振模型简化成一个RSOP3的偏振旋转级联一个输出主态为SOP2的PMD矩阵。其中RSOP3矩阵为公式(3)，设置RSOP3的振幅比角和相位差角参数分别为α3，δ3：
经过上述公式推导，本发明实施例首先将包括三段RSOP1+PMD+RSOP2的模型简化为等价的偏振旋转RSOP3和主态为SOP2的PMD(即慢主态PSP)。所述等价偏振旋转RSOP3，是指与RSOP1和RSOP2的联合效应的RSOP效应，本发明实施例称为RSOP3。经过简化后，总的均衡任务变成先补偿输出主态为SOP2的PMD，然后补偿RSOP3。
经过对光纤信道的分段构造，获得等价的两段结构的信号损伤模型后，本发明实施例基于所述信号损伤模型进行PMD与快速RSOP联合对光信号造成的损伤的补偿。
S200，基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；
本发明实施例对于PMD的补偿需要在频域进行，为了将待补偿信号变换到频域，需要对于待补偿信号序列进行分窗截取构造。
S300，利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
本发明实施例Kalman滤波器是一种基于最小均方差的最优估计算法，可以对含有噪声或者干扰的动态系统进行追踪或者补偿。相比于传统的MIMO均衡算法具有更好的灵活性，弥补了传统算法无法处理快速变化RSOP和PMD损伤共存的问题，并且对激光器线宽和相位噪声都有较好的容忍性，适用于当前及未来的高速光纤通信系统及动态光网络。
本发明实施例提出一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法，首先将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道等价为先RSOP后PMD的两段结构，进而针对光纤通信系统中极端场景下大DGD的PMD与快速RSOP联合对光信号造成的损伤，给出相干接收机在此种场景下的偏分解复用问题的解决方案，首先从理论上将光纤中的RSOP与PMD的联合效应RSOP1+PMD+RSOP2的一般模型从数学上简化等价为两段的矩阵表示模型，然后通过基于频域的Kalman均衡方法进行频域的PMD补偿和时域的RSOP补偿。在RSOP的速度高达兆弧度每秒且差分群时延(DGD)几倍于符号周期的情况下，完成信号的均衡补偿工作。误差向量幅度(EVM)均远低于前向纠错(FEC)容限，并随光信噪比(OSNR)变化表现良好。
在一个可选的实施例中，步骤S200，所述基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号，进一步包括：
按照接收经光纤信道损伤的信号的时序，是指Kalman滤波器接收待补偿的损伤信号的时序；基于这样的时序进行如下处理：
在当前迭代周期，从接收到的损伤信号符号序列中截取一段预设长度的信号符号，作为本迭代周期的分窗信号，以便进行当前迭代周期的傅里叶变换；本发明实施例所述预设长度是一个选取窗的窗长度。
在下一个迭代周期，将所述预设长度的信号符号向后方移动一段步长后截取的一段所述预设长度的信号符号作为下一个迭代周期的分窗信号，以便进行下一个迭代周期的傅里叶变换。
本发明实施例所述预设窗长度和移动步长可根据具体需求而定；比如，所述预设长度为64个符号，所述步长为2个符号。
图3为本发明实施例待补偿信号分窗及滑窗移动的示意图，构造原理如图3所示。si表示符号。将信号按接收时序以一定长度(windowLength)即预设长度进行截取(Wk)，作为Kalman滤波器一次迭代中进行傅里叶变换所需要的输入数据。并在下一次迭代开始时将截取窗口向后滑动一定长度(delSym)，即步长，截得的新的数据作为下一次迭代的数据输入。
在利用Kalman滤波器进行补偿之前先介绍本发明实施例的Kalman滤波器均衡算法的基本理论：
Kalman滤波器处理的系统可由方程组(4)所描述，其中是滤波器追踪或者补偿的状态量，其理论过程方程为xk＝f(xk-1)+wk-1。是可以直接从系统获得的测量量，其理论过程方程为zk＝h(xk)+vk。f(x)与h(x)是状态参量和测量量的实际非线性传递关系。设F,H为过程方程和测量方程的线性近似的传递矩阵w,v则分别是过程噪声和测量噪声(下标表示第k次迭代)。
算法处理过程中进行反复迭代，并在每次迭代时算法按(5)-(7)进行计算，得到该次迭代下的最佳后验估计。先验估计及协方差计算：
Kalman增益计算：
后验估计及协方差计算：
其中Q和R分别是过程噪声和测量噪声w,v的协方差矩阵。
图4为本发明实施例Kalman均衡方案流程示意图，如图4所示，在一个可选的实施例中，步骤S300，所述利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿，进一步包括：
为所述Kalman滤波器选择状态矢量和测量量，所述状态矢量选择为斯托克斯空间的PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3，以及琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，所述测量量选择为x偏振信号以及y偏振信号映射到星座图空间的星座点分布半径rx＝1,ry＝1；
初始化时，为选择的状态矢量τ1,τ2,τ3,α,β,κ赋初值，并为测量量的噪声协方差Q和R赋初值；
基于经过光纤信道的损伤信号符号序，获取当前迭代周期的分窗信号；对所述分窗信号进行预测、信号补偿和纠错，迭代计算出测量量偏差、新的状态矢量、新的噪声方差；完成所有迭代后得到待补偿的损伤信号序列的完整补偿信号；
其中，信号补偿时，利用傅里叶变换将所述分窗信号变换到频域后，在频域进行PMD损伤补偿；将PMD补偿后的分窗信号再变换到时域后，对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿。
本发明实施例首先是Kalman滤波器的初始化，给选择的状态量τ1,τ2,τ3,α,β,κ赋初值，并为测量量的噪声协方差Q和R赋初值。之后每次迭代过程中Kalman滤波器分窗截取一段分窗数据，依次经过预测模块、信号补偿模块和纠错模块，计算出测量量偏差、新的状态矢量、新的噪声方差。当所有迭代完成之后，得到完整的补偿信号和追踪的状态矢量参数。
根据公式(4)所描述的问题，Kalman初始化主要包括状态量x和协方差矩阵的初始化；噪声参数w,v的协方差矩阵Q,R。根据均衡方案处理的具体场景不同，协方差和噪声的具体数值可以进行灵活调整。
在预测模块处理过程中本次迭代状态量x的最佳先验估计即为上次迭代的最佳后验估计，即并相应计算先验估计的协方差矩阵。
具体的，本发明实施例定义矢量作为监测参量，其监测参量是下面补偿矩阵中的参量，通过下面的补偿矩阵补偿PMD与RSOP，最后通过测量空间中的测量量的偏差来确定状态量的后验估计，完成一次迭代。
具体的，初始化时，所述状态矢量为：
所述Kalman滤波器均衡算法的测量空间为正交偏振的x分量的星座图空间和y分量的星座图空间。基于均衡完成后PDM-QPSK信号的x分量星座图与y分量星座图都应该是归一化半径为1的圆环，因此采用考察圆环半径是否为1作为测量偏差，所述测量量为：
在一个可选的实施例中，所述在频域进行PMD损伤补偿具体为：对于光纤信道两段结构等价的PMD损伤，根据所述PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3在琼斯空间对PMD进行补偿；
所述对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿具体为：对于光纤信道两段结构等价的RSOP，根据所述琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，在琼斯空间对RSOP进行补偿。
具体的，信号补偿时，采用PMD补偿公式对所述主态为SOP2的PMD在频域进行PMD补偿，采用RSOP补偿公式对等价偏振旋转RSOP3在时域进行RSOP补偿；
所述PMD补偿公式为：
其中，Δτ表示矢量的大小，代表DGD；慢主态方向，代表PSP；表示PMD矢量；为泡利矩阵其中
所述RSOP补偿公式为：
其中，α,β,κ代表RSOP的三个角度。
本发明实施例在信号补偿模块处理过程中，利用预测模块得到的状态量中的参量根据补偿矩阵(10)，对分窗信号在频域进行PMD补偿。将补偿后的信号变换回时域，对数据中央位置区域的符号进行采样，再根据(11)进行RSOP补偿，得到这次迭代最终的补偿信号。
具体的，纠错时，所述Kalman滤波器均衡算法的测量过程的传递函数为：h(xk)＝s(xk)·s*(xk)，其中，s为补偿后x偏振或者y偏振符号，xk为状态变量。
在纠错模块中，本发明实施例使用的Kalman测量过程的传递函数h(xk)＝s(xk)·s*(xk)，s为补偿后x偏振或者y偏振符号。因为传递函数是状态量的非线性函数，我们计算传递函数关于状态量xk在先验估计位置的雅可比矩阵Hk，利用Hk进一步求得卡尔曼增益Gk和本次迭代状态量xk的最佳后验估计。
基于上述实施例，为了验证本发明实施例的有效性，搭建了28Gbaud偏振复用四相相移键控(Polarization Multiplexing-Quadrature Phase Shift Keying，PDM-QPSK)相干光通信仿真系统，在不同大小的PMD及RSOP损伤环境中测试均衡方案的性能，并将本方案与传统的恒模算法(CMA)进行比较，以验证本发明实施例的有效性。
1)在DGD固定在203.5ps的同时，分别引入200krad/s,600krad/s,800krad/s,1.5Mrad/s和2Mrad/s的PSP和RSOP变化(文中后面凡是提到RSOP变化时，都伴随有同样变化速率的PSP变化)，验证均衡效果随OSNR变化的关系。并将补偿结果和无偏振损伤时得到的EVM相比较，结果如图5左侧所示(右侧为左侧中曲线的细节)。结果表明：本均衡方案的补偿效果在OSNR和RSOP变化的情景下保持稳定，并且在大于12OSNR的条件下，与无偏振损伤相比其EVM为37.5％(相应于BER为3×10-3的FEC阈值)的OSNR代价小于0.3dB。图5左侧还显示了利用CMA算法补偿效果，显示除了在RSOP为200krad/s低速变化时有较好的表现(EVM在FEC阈值以下)，而在RSOP为600krad/s,800krad/s,1.5Mrad/s和2Mrad/s下表现不佳(EVM在FEC阈值以上)。200krad/s时CMA虽然能够补偿，但是EVM为37.5％时的OSNR代价大于1dB。充分说明了本方案在该情形下具有优越性。
2)在固定OSNR为16dB时，对比了不同DGD下本均衡方案与CMA的补偿效果随RSOP损伤的变化，结果如图6左侧所示。结果表明：对于不同的DGD，本均衡方案的补偿效果在RSOP从100krad/s到
1.5Mrad/s表现良好，远低于FEC阈值容限，并仅比无偏振损伤下的EVM高出约1％(见右侧的细节)；CMA算法随着RSOP速度的增加效果下降显著，在约400krad/s时超出FEC容限。充分说明了本方案对大DGD联合快速变化的PSP和RSOP的信道环境有着良好的补偿效果，和传统CMA方法相比优势明显。
3)在OSNR＝16dB,DGD＝203.5ps,RSOP＝2Mrad/s时，给出了本方案对斯托克斯空间PMD矢量的追踪情况如图7所示。结果表明，本方案对参量(τ1,τ2,τ3)的追踪准确性好，收敛快，稳定性强。
综上所述，在RSOP的速度高达兆弧度每秒且差分群时延(DGD)几倍于符号周期的情况下，完成信号的均衡补偿工作。误差向量幅度(EVM)均远低于前向纠错(FEC)容限，并随光信噪比(OSNR)变化表现良好。本发明使用的基于频域的Kalman滤波器，相比于传统的MIMO均衡算法具有更好的灵活性，弥补了传统算法无法处理快速变化RSOP和PMD损伤共存的问题，并且对激光器线宽和相位噪声都有较好的容忍性，适用于当前及未来的高速光纤通信系统及动态光网络。
本发明实施例还提供一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡装置，包括：
模型等价模块，用于将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；
分窗信号模块，用于基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；以及
损伤补偿模块，用于利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
本发明实施例所述相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡装置，是与本发明实施例所述相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法完全对应的装置权利要求，具有本发明实施例所述相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡方法完全相同的技术特征和技术效果，在此不再赘述。
图8示出了本发明实施例相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡设备的结构框图。
参照图8，所述设备，包括：处理器(processor)601、存储器(memory)602和总线603；
其中，所述处理器601和存储器602通过所述总线603完成相互间的通信；
所述处理器601用于调用所述存储器602中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
本发明另一实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
本发明另一实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述设备实施例或方法实施例仅仅是示意性的，其中所述处理器和所述存储器可以是物理上分离的部件也可以不是物理上分离的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相干光纤偏分复用系统中极端场景下的均衡方法，其特征在于，包括：
将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；
基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；
利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿；
其中，利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿具体为：
为所述Kalman滤波器选择状态矢量和测量量，所述状态矢量选择为斯托克斯空间的PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3，以及琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，所述测量量选择为x偏振信号以及y偏振信号映射到星座图空间的星座点分布半径rx＝1,ry＝1，信号补偿时，利用傅里叶变换将所述分窗信号变换到频域后，在频域进行PMD损伤补偿；将PMD补偿后的分窗信号再变换到时域后，对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号，进一步包括：
按照接收经光纤信道损伤的信号的时序，
在当前迭代周期，从接收到的损伤信号符号序列中截取一段预设长度的信号符号，作为本迭代周期的分窗信号，以便进行当前迭代周期的傅里叶变换；
在下一个迭代周期，将所述预设长度的信号符号向后方移动一段步长后截取的一段所述预设长度的信号符号作为下一个迭代周期的分窗信号，以便进行下一个迭代周期的傅里叶变换。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿，进一步包括：
初始化时，为选择的状态矢量τ1,τ2,τ3,α,β,κ赋初值，并为测量量的噪声协方差Q和R赋初值；
基于经过光纤信道的损伤信号符号序列，获取当前迭代周期的分窗信号；对所述分窗信号进行预测、信号补偿和纠错，迭代计算出测量量偏差、新的状态矢量、新的噪声方差；完成所有迭代后得到待补偿的损伤信号序列的完整补偿信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在频域进行PMD损伤补偿具体为：对于光纤信道两段结构等价的PMD损伤，根据所述PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3在琼斯空间对PMD进行补偿；
所述对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿具体为：对于光纤信道两段结构等价的RSOP，根据所述琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，在琼斯空间对RSOP进行补偿。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述状态矢量为：
所述Kalman滤波器的测量空间为正交偏振的x分量的星座图空间和y分量的星座图空间，所述测量量为：
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，信号补偿时，采用PMD补偿公式在频域进行PMD补偿，采用RSOP补偿公式在时域进行RSOP补偿；
所述PMD补偿公式为：
其中，Δτ表示矢量的大小，代表DGD；慢主态方向，代表PSP；表示PMD矢量；为泡利矩阵其中
所述RSOP补偿公式为：
其中，α,β,κ代表RSOP的三个角度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，纠错时，所述Kalman滤波器从状态矢量到测量量的传递函数为：h(xk)＝s(xk)·s*(xk)，其中，s为补偿后x偏振或者y偏振符号，xk为状态变量。
8.一种相干光纤通信偏分复用系统中极端场景下的均衡装置，其特征在于，包括：
模型等价模块，用于将具有偏振旋转RSOP与偏振模色散PMD联合效应的光纤信道进行分段构造，以获得先RSOP后PMD的等价两段结构的信号损伤模型；
分窗信号模块，用于基于所述信号损伤模型，将经过光纤信道的损伤信号符号序列进行分窗截取，获取分窗信号；以及
损伤补偿模块，用于利用Kalman滤波器均衡算法对所述分窗信号的PMD损伤在频域进行PMD补偿，对所述分窗信号的RSOP损伤在时域进行RSOP补偿；
损伤补偿模块，进一步用于为所述Kalman滤波器选择状态矢量和测量量，所述状态矢量选择为斯托克斯空间的PMD矢量的三个分量τ1,τ2,τ3，以及琼斯空间RSOP的三个参量α,β,κ，所述测量量选择为x偏振信号以及y偏振信号映射到星座图空间的星座点分布半径rx＝1,ry＝1，信号补偿时，利用傅里叶变换将所述分窗信号变换到频域后，在频域进行PMD损伤补偿；将PMD补偿后的分窗信号再变换到时域后，对数据中央位置区域的分窗信号符号进行采样后进行RSOP损伤补偿。
9.一种相干光纤偏分复用系统中极端场景下的均衡设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至7任一所述的方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至7任一所述的方法。
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