CN107968680B

CN107968680B - 一种光学非线性效应的补偿方法和装置

Info

Publication number: CN107968680B
Application number: CN201711252164.3A
Authority: CN
Inventors: 肖晓晟; 秦华强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2019-11-22
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: CN107968680A

Abstract

本申请公开了一种光学非线性效应的补偿方法和装置，包括：估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度；根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿。通过上述方案，只需要对信号在星座图上的信号点的旋转角度进行估计即可实现对信号进行光学非线性效应的补偿，计算简单，计算量小，快速、准确的补偿了光学非线性效应引起的噪声，从而提高了实时性。

Description

一种光学非线性效应的补偿方法和装置

技术领域

本申请涉及光纤通信领域，尤指一种光学非线性效应的补偿方法和装置。

背景技术

随着相干光通信的发展，特别是高阶调制格式和密集型光波复用(DWDM，DenseWavelength Division Multiplexing)的应用，系统传输容量不断提高，但同时也带来了新的不可忽视的传输损伤，即光学非线性效应引起的噪声。光纤中的光学非线性效应指的是光纤的折射率受光强的影响而发生变化所产生的效应。因此，光脉冲在光纤中传输时会由于不同光强处的光纤折射率不一样而导致信号在传输过程中频谱发生变化，这种变化反映到星座图上则表现为信号点的整体上有一个以原点为中心的旋转，同时伴随有信号点分布的离散。当信号点旋转一定角度之后，就会使得最后解出来的码之中有非常多的误码。因此，非线性效应已成为光通信系统中的一个主要的传输损伤。

目前主要采用数字背向传输(DBP，Digital Back Propagation)或者自适应DBP(A-DBP，Adaptive DBP)的方法来补偿光学非线性效应引起的噪声。其中，DBP是一种将光纤参数取相反数进行数值上的反向传输，理论上可以完全补偿传输中的色散以及非线性噪声，但是这种方法的复杂度很高，需要非常长的处理时间，实时性不够；而A-DBP可以自适应的确定光纤的参数，但是这种方法统一需要较长的训练过程，同样无法在实现准确补偿的同时兼顾算法的复杂度和实时性。

发明内容

本申请提供了一种光学非线性效应的补偿方法和装置，能够快速、准确地补偿光学非线性效应引起的噪声，从而提高实时性。

本申请提供了一种光学非线性效应的补偿方法，包括：

估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度；

根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿。

可选的，该补偿方法还包括：

对光学非线性补偿后的信号进行频率估计和相位估计；

对频率估计和相位估计后的信号进行解码，计算解码得到的信号的误码率。

可选的，所述估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度之前还包括：

对光信号数模转换后的信号进行色散均衡处理，以补偿信号中的色散；

所述估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度包括：

估计色散均衡处理后的数字信号在星座图上的信号点的总的旋转角度；

所述根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿包括：

根据所述总的旋转角度对所述色散均衡处理后的数字信号进行光学非线性补偿。

可选的，所述估计色散均衡处理后的数字信号在星座图上的信号点的总的旋转角度包括：

根据发射端到接收端的每一个跨度的传输距离计算每一个跨度的有效传输距离，根据每一个跨度有效传输距离计算每一个跨度上光学非线性效应导致的信号点的旋转角度，根据所有跨度上导致的信号点的旋转角度计算总的旋转角度。

可选的，所述根据发射端到接收端的每一个跨度的传输距离计算每一个跨度的有效传输距离包括：

按照公式计算发射端到接收端的第n个所述跨度的有效传输距离；

其中，L_eff,n为发射端到接收端的第n个所述跨度的有效传输距离，L_n为发射端到接收端的第n个所述跨度的传输距离，α为光纤的功率损耗系数。

可选的，所述根据每一个跨度有效传输距离计算每一个跨度上光学非线性效应导致的信号点的旋转角度包括：

对于采用两个正交的偏振态的光作为传输的信号光的偏振复用相干通信系统，按照公式计算第n个所述跨度上导致的信号点的旋转角度；

对于采用单个偏振态的光作为传输的信号光的相干通信系统，按照公式θ_n＝2γL_eff,nP计算第n个所述跨度上导致的信号点的旋转角度；

其中，θ_n为第n个所述跨度上导致的信号点的旋转角度，γ为光纤的非线性系数，L_eff,n为第n个所述跨度的有效传输距离，P为光信号的总功率。

可选的，所述根据所有跨度上导致的信号点的旋转角度计算总的旋转角度包括：

按照公式计算所述总的旋转角度；

其中，θ为所述总的旋转角度，N为所述跨度的总个数。

可选的，所述根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿包括：

将所述星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转所述总的旋转角度，从而对信号进行光学非线性补偿。

可选的，所述将星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转总的旋转角度包括：

具体的补偿公式为：E'(t)＝E(t)×exp(-iθ)；

其中，t为时间，E'(t)为光学非线性补偿后的信号，E(t)为所述信号。

本发明实施例提出了一种光学非线性效应的补偿装置，包括：

估计模块，用于估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度；

非线性补偿模块，用于根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿。

可选的，还包括：

处理模块，用于对光学非线性补偿后的信号进行频率估计和相位估计；

解码模块，用于对频率估计和相位估计后的信号进行解码，计算解码得到的信号的误码率。

可选的，还包括：

色散补偿模块，用于对光信号数模转换后的信号进行色散均衡处理，以补偿信号的色散；

所述估计模块具体用于：

所述非线性补偿模块具体用于：

可选的，所述估计模块具体用于：

可选的，所述非线性补偿模块具体用于：

本发明实施例提出了一种终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任一种光学非线性效应的补偿方法。

本发明实施例提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种光学非线性效应的补偿方法的步骤。

与相关技术相比，本申请包括：将光信号进行模数转换后，估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度；根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿。通过上述方案，只需要对信号在星座图上的信号点的旋转角度进行估计即可实现对信号进行光学非线性效应的补偿，计算简单，计算量小，快速、准确的补偿了光学非线性效应引起的噪声，从而提高了实时性。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请光学非线性效应的补偿方法的流程图；

图2(a)为相关DSP处理过程中色散均衡处理后的数字信号的星座图的示意图；

图2(b)为相关DSP处理过程中频率估计后的数字信号的星座图的示意图；

图2(c)为相关DSP处理过程中相位估计后的数字信号的星座图的示意图；

图3(a)为本申请色散均衡处理后的数字信号的星座图的示意图；

图3(b)为本申请光学非线性补偿后的数字信号的星座图的示意图；

图3(c)为本申请频率估计后的数字信号的星座图的示意图；

图3(d)为本申请相位估计后的数字信号的星座图的示意图；

图4为本申请光学非线性效应的补偿装置的结构组成示意图；

图5为本申请终端的结构组成示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在介绍本发明实施例的光学非线性效应的补偿方法之前，首先介绍光学非线性效应对于信号的影响。

光学非线性效应对信号的影响可以分为两个部分：其一是光学非线性效应会使得星座图上的信号点发生一个整体的旋转；其二是光学非线性效应会使得星座图上原本聚拢在一起的信号点散开，这可以看作是一种离散作用。当光学非线性效应引起的离散作用在信号处理的可接受范围内时，可以只对非线性光学效应导致的信号点的整体旋转进行补偿。

其中，星座图是指信号矢量端点的分布图。

下面通过具体的实施例描述对光学非线性效应造成的星座图上的信号点的旋转进行补偿的具体方法。

参见图1，本申请提出了一种光学非线性效应的补偿方法，包括：

步骤100、估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度。

可选的，该方法之前还包括：

对光信号数模转换后的信号进行色散均衡处理，以补偿信号的色散。相对应的，估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度包括：

估计色散均衡处理后的数字信号在星座图上的信号点的总的旋转角度。

本实施例中，可以采用本领域技术人员的熟知技术对信号进行色散均衡处理，这里不再赘述。

本实施例中，估计色散均衡处理后的数字信号在星座图上的信号点的总的旋转角度包括：

其中，跨度指的是一个光放大器(或发射机)到下一个光放大器(或接收机)的传输链路。

传输距离指的是各跨度的光纤长度，有效传输距离指的是光学非线性效应在跨度内有效的作用距离。

旋转角度指的是光学非线性效应导致的星座图上信号点的整体旋转的角度。

其中，按照公式计算发射端到接收端的第n个跨度的有效传输距离；

其中，L_eff,n为发射端到接收端的第n个跨度的有效传输距离，L_n为发射端到接收端的第n个跨度的传输距离，α为光纤的功率损耗系数。

对于采用两个正交的偏振态的光作为传输的信号光的偏振复用的相干通信系统，按照公式计算第n个跨度上导致的信号点的旋转角度；

其中，θ_n为第n个跨度上导致的信号点的旋转角度，γ为光纤的非线性系数，P为光信号的总功率。

按照公式计算总的旋转角度；其中，θ为总的旋转角度，N为跨度的总个数。

步骤101、根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿。具体的，

根据总的旋转角度对色散均衡处理后的数字信号进行光学非线性补偿。

其中，根据总的旋转角度对色散均衡处理后的数字信号进行光学非线性补偿包括：

将星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转总的旋转角度，从而对色散均衡处理后的数字信号进行光学非线性补偿。

具体的补偿公式为：E'(t)＝E(t)×exp(-iθ)；

其中，t为时间，E'(t)为光学非线性补偿后的信号，E(t)为信号。

上述方法中，只需要对信号在星座图上的信号点的旋转角度进行估计即可实现对数字信号进行光学非线性效应的补偿，计算简单，计算量小，快速、准确的补偿了光学非线性效应引起的噪声，从而提高了实时性。

可选的，该方法还包括：

步骤102、对光学非线性补偿后的信号进行频率估计和相位估计。具体的，对光学非线性补偿后的数字信号进行频率估计和相位估计。

本实施例中，相位估计用于补偿信号点的旋转角度的估计误差。

频率估计和相位估计也是为了形成较为完整的DSP处理过程以验证本发明实施例的光学非线性效应的补偿方法在相关方法中的使用度。

本实施例中，可以采用本领域技术人员的熟知技术对光学非线性补偿后的数字信号进行频率估计和相位估计，这里不再赘述。

步骤103、对频率估计和相位估计后的信号进行解码，计算解码得到的信号的误码率(SER，Symbol Error Rate)。具体的，对频率估计和相位估计后的数字信号进行解码。

本实施例中，可以采用以下方式进行解码：在星座图上划分区域，将不同区域的信号点映射为不同的数据(以QPSK信号为例，即是00,01,10,11)，由此完成解码，然后将得到的数据与发射端的原始数据对比，计算误码率。

相比较之前的DBP或各种改进的DBP方法而言，采用本发明实施例的方法，对光学非线性产生的噪声进行部分补偿处理，这种处理方法精度高、速度快，完全可以实现实时补偿。并且以上方法实现起来较为简便，除了信号点的旋转角度需要计算之外，其余部分都是目前DSP中所常见的算法。因此该方法实现起来技术成本低，对计算能力的要求低，同时也方便嵌入当前的DSP流程中。

图2(a)为相关DSP处理过程中色散均衡处理后的数字信号的星座图的示意图；图2(b)为相关DSP处理过程中频率估计后的数字信号的星座图的示意图；图2(c)为相关DSP处理过程中相位估计后的数字信号的星座图的示意图。如图2(a)到图2(c)所示，目前的DSP处理过程(主要包括色散均衡处理、频率估计以及相位估计)并没有对光学非线性效应引起的噪声进行处理。因此，虽然DSP处理后的数字信号的星座图形状看上去很好，但其实信号的误码很高。表1为DSP处理过程中信号的误差向量幅度(EVM，Error Vector Magnitude)，表2为DSP处理过程中信号的BER。从表1和表2中可以看到，在经过相位估计之后，虽然信号的EVM值都在一个非常低的值，这说明信号聚拢的很好。但是信号的BER非常高，基本在0.5或者1左右，这说明信号要么一半左右时误码，要么基本全是误码。因此相关DSP处理过程中如果不对非线性进行处理的话，非线性效应将会对信号的性能有非常严重的损伤。

表1

表2

图3(a)为本申请色散均衡处理后的数字信号的星座图的示意图；图3(b)为本申请光学非线性补偿后的数字信号的星座图的示意图；图3(c)为本申请频率估计后的数字信号的星座图的示意图；图3(d)为本申请相位估计后的数字信号的星座图的示意图。如图3(a)到图3(d)所示，本申请的DSP处理过程对光学非线性效应引起的噪声进行补偿处理。表3为DSP处理过程中信号的EVM，表4为DSP处理过程中信号的BER。如表3和表4所示，在DSP处理过程中进行光学非线性补偿后，不仅仅信号的EVM非常低，同时信号的BER也非常低，表4中的相位估计之后的BER全部都小于千分之六。这表示非线性效应引起的信号误码被纠正到可以接受的范围(一般相位估计之后的误码率达到百分之三即可)。

表3

表4

参见图4，本申请提出了一种光学非线性效应的补偿装置，包括：

可选的，还包括：

所述估计模块具体用于：

所述非线性补偿模块具体用于：

可选的，所述估计模块具体用于：

可选的，所述非线性补偿模块具体用于：

将所述星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转所述总的旋转角度，从而对色散均衡处理后的数字信号进行光学非线性补偿。

参见图5，本申请提出了一种终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一种光学非线性效应的补偿方法。

本申请提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一种光学非线性效应的补偿方法的步骤。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种光学非线性效应的补偿方法，其特征在于，包括：

估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度；

根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿；

其中，所述估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度包括：根据发射端到接收端的每一个跨度的传输距离计算每一个跨度的有效传输距离，根据每一个跨度有效传输距离计算每一个跨度上光学非线性效应导致的信号点的旋转角度，根据所有跨度上导致的信号点的旋转角度计算总的旋转角度；

所述根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿包括：将所述星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转所述总的旋转角度，从而对信号进行光学非线性补偿。

2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于，该补偿方法还包括：

对光学非线性补偿后的信号进行频率估计和相位估计；

3.根据权利要求1或2所述的补偿方法，其特征在于，所述估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度之前还包括：

所述估计信号在星座图上的信号点的总的旋转角度包括：

所述根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿包括：

4.根据权利要求1或2所述的补偿方法，其特征在于，所述根据发射端到接收端的每一个跨度的传输距离计算每一个跨度的有效传输距离包括：

5.根据权利要求1或2所述的补偿方法，其特征在于，所述根据每一个跨度有效传输距离计算每一个跨度上光学非线性效应导致的信号点的旋转角度包括：

6.根据权利要求1或2所述的补偿方法，其特征在于，所述根据所有跨度上导致的信号点的旋转角度计算总的旋转角度包括：

按照公式计算所述总的旋转角度；

其中，θ为所述总的旋转角度，N为所述跨度的总个数。

7.根据权利要求1或2所述的补偿方法，其特征在于，所述将星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转总的旋转角度包括：

具体的补偿公式为：E'(t)＝E(t)×exp(-iθ)；

8.一种光学非线性效应的补偿装置，其特征在于，包括：

非线性补偿模块，用于根据总的旋转角度对信号进行光学非线性补偿；

其中，估计模块具体用于：根据发射端到接收端的每一个跨度的传输距离计算每一个跨度的有效传输距离，根据每一个跨度有效传输距离计算每一个跨度上光学非线性效应导致的信号点的旋转角度，根据所有跨度上导致的信号点的旋转角度计算总的旋转角度；

非线性补偿模块具体用于：将所述星座图上的信号点往与由于光学非线性效应引起的信号点旋转的方向相反的方向旋转所述总的旋转角度，从而对信号进行光学非线性补偿。

9.根据权利要求8所述的补偿装置，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求8或9所述的补偿装置，其特征在于，还包括：

所述估计模块具体用于：

所述非线性补偿模块具体用于：

11.一种终端，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当所述指令被所述处理器执行时，实现如权利要求1～7任一项所述的光学非线性效应的补偿方法。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7任一项所述的光学非线性效应的补偿方法的步骤。