CN107888291A - 一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统及方法，涉及光纤通信领域，系统包括发射机和接收机，发射机和接收机之间通过光纤传输并形成双向拉曼结构，方法包括：在发射机中将待发送数据进行前补偿，将前补偿后的数据调制到光上送入传输链路传输；在接收机中将接收到的光信号采样，对采样数据进行后补偿，再对后补偿恢复的数据进行判决。本发明对非线性效应进行补偿，在补偿SPM和XPM效应的同时，补偿NSNI效应，更好地提升信号质量，提升系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体来讲涉及一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统及方法。
背景技术
光纤通信一直朝着更高通信容量、更长通信距离的方向发展。传统的光纤通信系统是通过在通信链路中间插入中继器来延长传输距离，但对于一些特殊的应用场合，如海底、山区等恶劣环境中的通信线路，建设和维护中继站比较困难，此类通信系统不希望在链路中间有需要供电的中继设备，因此需要超长跨距无中继的光纤通信系统。
超长跨距系统由于跨距长度比较长，系统需要很大的信号光功率入纤以提高信号的OSNR，为了保证在接收端能够无误码地解出接收到的信号，系统要求接收端处光信号的OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)要高于某个值，这一值即是OSNR容限。提高信号的入纤功率、采用低损耗光纤降低信号的损耗、以及采用低噪声的放大器来降低链路的噪声等方法，均能提高接收端信号的OSNR。其中，使用最普遍的低噪声放大器就是分布式光纤拉曼放大器，如图1所示，为常见的双向拉曼系统的结构图。发射机用来将数据调制到光上，随后发射机产生的光信号经过一台BA(Booster Amplifier，功率放大器)放大注入光纤中传输；同时，前向拉曼放大器的泵浦光也经过耦合器耦合进光纤与信号一起传输。在光纤的末端，后向拉曼放大器的泵浦光也经过耦合器耦合进光纤，给信号提供拉曼增益。在接收端，信号先经过一台PA(Pre-Amplifier，预放大器)放大至适合的功率，然后经过相干接收机接收，并进行后续的数字信号处理。
现行的超长跨距光纤通信系统中，为了提高接收端信号的OSNR，信号的入纤功率一般都比较高，这又会带来另外一个问题——光纤中的非线性效应，主要是SPM(Self-phase modulation，自相位调制)、XPM(Cross-phase modulation，交叉相位调制)和FWM(Four wave mixing，四波混频)，同时ASE(Amplified spontaneous emission，放大的自发辐射)噪声也会在光纤非线性的作用下对信号产生影响，称为NSNI(Nonlinear signal-noise interaction，非线性信号噪声相互作用)。在信号的功率较高时，这些效应不可忽略，会对信号的质量带来严重的劣化。
现在补偿光纤传输过程中的非线性效应的方法普遍在电域解决，如DBP(Digitalback-propagation，数字背向传输)算法，通过数字信号处理芯片对光电探测器接收到的信号进行处理，恢复出信号携带的信息。然而此类算法只是补偿了信号传输过程中的SPM和XPM效应，没有考虑到上面提到的NSNI效应，因此现有的算法对非线性效应的补偿并不完全，这限制了接收端信号的性能。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统及方法，对非线性效应进行补偿，在补偿SPM和XPM效应的同时，补偿NSNI效应。
为达到以上目的，本发明采取一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统，包括发射机和接收机，发射机和接收机之间通过光纤传输并形成双向拉曼结构，发射机包括前补模块和调制器，所述前补模块用于将待发送数据进行前补偿，所述调制器用于将前补偿后的数据调制到光上发出；接收机包括光接收机、后补模块和判决模块，所述光接收机用于对来自光发射机的信号光采样，所述后补模块用于对采样数据进行后补偿，所述判决模块用于对后补偿恢复的数据进行判决。
在上述技术方案的基础上，所述发射机和接收机均包括快速傅里叶变换FFT模块、色散补偿模块、快速傅里叶逆变换IFFT模块和非线性补偿模块，所述FFT模块用于将待发送数据或采样数据经过FFT变换到频域，色散补偿模块用于补偿信号的色散效应，IFFT模块用于对补偿后的数据经过IFFT变换到时域，非线性补偿模块用于补偿非线性效应和信号损耗。
在上述技术方案的基础上，所述后补模块还包括自适应均衡模块和载波恢复模块，自适应均衡模块用于补偿信号的残余色散和偏振模色散，载波恢复模块用于补偿发射机内激光器和接收机内激光器的频率偏移和相位偏移对信号的影响。
本发明还提供一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，基于光纤通信中信号补偿系统，系统包括发射机和接收机，发射机和接收机之间通过光纤传输并形成双向拉曼结构，包括步骤：
S1.在发射机中，将待发送数据进行前补偿，将前补偿后的数据调制到光上送入传输链路传输；
S2.在接收机中，将接收到的光信号采样，对采样数据进行后补偿，再对后补偿恢复的数据进行判决。
在上述技术方案的基础上，所述S1中，根据系统参数得到光纤中信号的功率分布曲线，根据功率分布曲线确定前补偿距离和前补步数N1，根据功率分布曲线得到修正后的线性算符和非线性算符。
在上述技术方案的基础上，所述前补偿包括将待发送的数据进行FFT变换，乘以所述线性算符，补偿信号所受的色散效应；然后将得到的数据进行IFFT变换，乘以所述非线性算符补偿信号所受的非线性效应和信号损耗；重复前补偿N1次。
在上述技术方案的基础上，所述功率分布曲线中，信号功率最大点到发射机的距离为前补偿距离，对前补偿距离进行调整，直到接收机光信噪比最大。
在上述技术方案的基础上，所述N1选取不影响算法性能的最大值，所述算法性能通过步数和光信噪比的曲线表示，所述N1随着功率的增加而增加。
在上述技术方案的基础上，所述后补偿中，通过光纤总长度减去前补偿距离得到后补偿距离，通过后补偿距离得到后补步数N2，所述N2选取不影响算法性能的最大值，所述算法性能通过步数和光信噪比的曲线表示，所述N2随着功率的增加而增加。
在上述技术方案的基础上，所述后补偿中，将采样数据进行FFT变换，乘以所述线性算符，补偿信号所受的色散效应；然后将得到的数据进行IFFT变换，乘以所述非线性算符补偿信号所受的非线性效应和信号损耗；重复前补偿N2次。
本发明的有益效果在于：通过发射机的前补偿，采用DBP算法进行一部分的非线性补偿与色散补偿，尤其是光纤前段传输时累积的非线性效应；通过接收机的后补偿，DBP算法代替传统的色散补偿，补偿剩余的色散效应和非线性效应。与现有的非线性补偿算法相比，本发明在方法上避开了信号在传输过程中累积的噪声和信号的NSNI效应，同时能够补偿SPM和XPM效应，能够进一步提高信号的性能，延长系统的传输距离。
附图说明
图1为常见的双向拉曼系统的结构图；
图2为本发明实施例双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统示意图；
图3为本发明中前补偿的流程图；
图4为步数和信噪比的曲线图；
图5为本发明中后补偿的流程图；
图6为采用传统数字信号处理方法得到的接收机信号星座图；
图7为采用传统DBP算法得到的接收机信号星座图；
图8为采用本发明方法得到的接收机信号星座图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统，包括发射机和接收机，发射机和接收机之间通过光纤传输并形成双向拉曼结构。
发射机包括前补模块和调制器，前补模块用于将待发送数据进行前补偿，调制器用于将前补偿后的数据调制到光上发出。具体的，前补模块包括FFT模块、色散补偿模块、IFFT模块和非线性补偿模块，FFT模块用于将待发送数据经过FFT变换到频域，色散补偿模块用于补偿信号的色散效应，IFFT模块用于对补偿后的数据经过IFFT变换到时域，非线性补偿模块用于补偿非线性效应和信号损耗。
接收机包括光接收机、后补模块和判决模块，光接收机用于对来自光发射机的信号光采样，后补模块用于对采样数据进行后补偿，判决模块用于对后补偿恢复的数据进行判决。具体的，接收机包括FFT模块、色散补偿模块、IFFT模块和非线性补偿模块，FFT模块用于将采样数据经过FFT变换到频域，色散补偿模块用于补偿信号的色散效应，IFFT模块用于对补偿后的数据经过IFFT变换到时域，非线性补偿模块用于补偿非线性效应和信号损耗。所述后补模块还包括自适应均衡模块和载波恢复模块，自适应均衡模块用于补偿信号的残余色散和偏振模色散，载波恢复模块用于补偿发射机内激光器和接收机内激光器的频率偏移和相位偏移对信号的影响。
本发明双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，包括步骤：
S1.在发射机中，将待发送数据进行前补偿，将前补偿后的数据调制到光上送入传输链路传输；
S2.在接收机中，将接收到的光信号采样，对采样数据进行后补偿，再对后补偿恢复的数据进行判决。
如图3所示，步骤S1中前补偿的具体步骤包括：
S101.获得光纤通信系统的参数，包括信号入纤功率、拉曼泵浦光波长、泵浦功率、光纤损耗以及光纤非线性系等。
S102.根据得到的参数，采用数值法求解双向拉曼放大器的功率耦合方程，计算出光纤中信号的功率分布曲线。
S103.将信号的功率分布曲线代入非线性薛定谔方程，将原本非线性薛定谔方程固定的损耗系数修正为广义的损耗系数，其值等于功率曲线的一阶导数，得到修正后的非线性薛定谔方程如下：
其中，T＝t-z/vg，t为时间，Vg为信号的群速度；z为信号在光纤中传输的距离；A为光场；α(z)为考虑到信号功率曲线后的广义损耗系数；β2为二阶色散系数；γ为非线性系数。并分别得到修正后的线性算符(色散)和非线性算符(包括损耗和非线性)的形式：
其中，为修正后的线性算符，为修正后的非线性算符。
S104.根据功率分布曲线确定前补偿距离和前补步数N1。前补偿距离在功率分布曲线中，一般取信号功率最大点到发射机的距离，并根据接收机信号的OSNR做适当调整，直到接收机OSNR值最大。N1的值选取不影响算法性能的最大值。
如图4所示，横坐标为算法分步数，纵坐标为体现算法性能的量，一般取信号的OSNR，得到的曲线即体现算法分步数对算法性能的影响。可以看到在分步数大于10的时候，算法性能的增长很小；在小于10的时候，算法性能会出现明显下降，所以在这个情况下，分步数取10是不影响算法性能的最大值。通常，N1取值优选为5-10，并且随着功率的增加而增加。
S105.将待发送的数据进行FFT变换，将信号变换到频域，然后乘以步骤S103中的线性算符补偿信号所受的色散效应。
S106.将步骤S105的到的数据进行IFFT变换，将信号变换回时域，然后乘以步骤S103中非线性算符补偿信号所受的非线性效应和信号损耗。
S107.重复步骤S105和S106共N1次，得到经过DBP算法前补偿后的数据。
将前补偿后的数据经过调制器调制成光信号，送至光纤传输，由接收机接收。
如图5所示，步骤S2中后补偿的具体步骤包括：
S201.通过光纤总长度减去前补偿距离得到后补偿距离。根据后补偿距离及图4，采用与前补步数N1同样的方法，确定后补步数N2，N2的值选取不影响算法性能的最大值。优选的，N2取值为5-10，并且随着功率的增加而增加。
S202.对光接收机得到的采样数据进行FFT变换，将信号变换到频域，然后乘以步骤S103中的线性算符补偿信号所受的色散效应。
S203.将S202得到的数据进行IFFT变换，将信号变换回时域，然后乘以步骤S103中非线性算符补偿信号所受的非线性效应和信号损耗。
S204.重复步骤S202和S203共N2次，得到经过DBP算法后补偿后的数据。然后将数据进行后续的自适应均衡和载波恢复处理。
本发明信号补偿方法中，前补偿和后补偿均可以通过DSP芯片实现。
根据表1中的参数搭建一个双向拉曼放大的超长跨距光纤通信系统进行仿真，进一步说明本发明的信号补偿方法的效果。
表1仿真参数设置
根据上面的仿真，将接收机接收到的信号分别以传统信号处理流程(包括IQ不平衡、色散补偿、自适应信道均衡和载波恢复)、传统DBP算法(包括IQ不平衡、DBP算法、自适应信道均衡和载波恢复)和本发明方法进行处理，然后对比结果。
如图6至图8所示，分别为上述不同方法处理后得到的接收机信号星座图。可以看到，图6中信号的色散得到补偿，但是由于非线性的影响，星座图畸变得很厉害，信号质量很差。图7中由于传统DBP算法补偿了色散和大部分的非线性效应(主要为信号的SPM效应)，信号可以分辨为16个点，但是由于NSNI的存在，外围的星座点也存在明显的畸变。图8中，可以看到信号恢复得很好，基本上补偿了光纤传输过程中带来的非线性效应，包括信号自身的SPM效应和噪声对信号的NSNI。相比现有的方法，本发明方法能够更好地补偿信号传输过程中的非线性效应，更好地提升信号质量，提升系统性能。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统，包括发射机和接收机，发射机和接收机之间通过光纤传输并形成双向拉曼结构，其特征在于：
发射机包括前补模块和调制器，所述前补模块用于将待发送数据进行前补偿，所述调制器用于将前补偿后的数据调制到光上发出；
接收机包括光接收机、后补模块和判决模块，所述光接收机用于对来自光发射机的信号光采样，所述后补模块用于对采样数据进行后补偿，所述判决模块用于对后补偿恢复的数据进行判决。
2.如权利要求1所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统，其特征在于：所述发射机和接收机均包括快速傅里叶变换FFT模块、色散补偿模块、快速傅里叶逆变换IFFT模块和非线性补偿模块，所述FFT模块用于将待发送数据或采样数据经过FFT变换到频域，色散补偿模块用于补偿信号的色散效应，IFFT模块用于对补偿后的数据经过IFFT变换到时域，非线性补偿模块用于补偿非线性效应和信号损耗。
3.如权利要求2所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿系统，其特征在于：所述后补模块还包括自适应均衡模块和载波恢复模块，自适应均衡模块用于补偿信号的残余色散和偏振模色散，载波恢复模块用于补偿发射机内激光器和接收机内激光器的频率偏移和相位偏移对信号的影响。
4.一种双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，基于光纤通信中信号补偿系统，系统包括发射机和接收机，发射机和接收机之间通过光纤传输并形成双向拉曼结构，其特征在于，包括步骤：
S1.在发射机中，将待发送数据进行前补偿，将前补偿后的数据调制到光上送入传输链路传输；
S2.在接收机中，将接收到的光信号采样，对采样数据进行后补偿，再对后补偿恢复的数据进行判决。
5.如权利要求4所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，其特征在于：所述S1中，根据系统参数得到光纤中信号的功率分布曲线，根据功率分布曲线确定前补偿距离和前补步数N1，根据功率分布曲线得到修正后的线性算符和非线性算符。
6.如权利要求5所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，其特征在于：所述前补偿包括将待发送的数据进行FFT变换，乘以所述线性算符，补偿信号所受的色散效应；然后将得到的数据进行IFFT变换，乘以所述非线性算符补偿信号所受的非线性效应和信号损耗；重复前补偿N1次。
7.如权利要求5所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，其特征在于：所述功率分布曲线中，信号功率最大点到发射机的距离为前补偿距离，对前补偿距离进行调整，直到接收机光信噪比最大。
8.如权利要求5所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，其特征在于：所述N1选取不影响算法性能的最大值，所述算法性能通过步数和光信噪比的曲线表示，所述N1随着功率的增加而增加。
9.如权利要求5所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，其特征在于：所述后补偿中，通过光纤总长度减去前补偿距离得到后补偿距离，通过后补偿距离得到后补步数N2，所述N2选取不影响算法性能的最大值，所述算法性能通过步数和光信噪比的曲线表示，所述N2随着功率的增加而增加。
10.如权利要求9所述的双向拉曼放大的光纤通信中信号补偿方法，其特征在于：所述后补偿中，将采样数据进行FFT变换，乘以所述线性算符，补偿信号所受的色散效应；然后将得到的数据进行IFFT变换，乘以所述非线性算符补偿信号所受的非线性效应和信号损耗；重复前补偿N2次。
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| CN108737061A (zh) * | 2018-04-16 | 2018-11-02 | 西安理工大学 | 一种基于电域补偿的混沌光纤通信方法 |
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| CN111769869A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 无锡市德科立光电子技术有限公司 | 一种光通信系统最大传输距离的预判方法 |
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