CN108173794A - 一种新型lms方法及使用该方法的实数自适应均衡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型LMS方法及使用该方法的实数自适应均衡器，涉及相干光通信技术领域。该新型LMS方法包括以下步骤：将实数自适应均衡器设置为具有16个独立的自适应均衡系数的4×4结构，并分别使用X偏振和Y偏振的I路、Q路实数信号作为4路输入、4路输出；定义X、Y偏振信号的误差公式；根据误差公式，使用梯度算法更新实数自适应均衡器的16个自适应均衡系数，以保证实数自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。本发明能利用两个偏振解调信号经自适应均衡后具有相同频差与相差的特点，消除LMS算法对频差与相差反馈的依赖；并且采用实数均衡结构，使得对接收端I路、Q路数据不平衡的容忍度得到提升。

Description

一种新型LMS方法及使用该方法的实数自适应均衡器
技术领域
本发明涉及相干光通信技术领域，具体来讲是一种新型LMS(Least mean square，最小均方)方法及使用该方法的实数自适应均衡器。
背景技术
相干光通信与数字信号处理技术相结合，在40G、100G光通信时代取得巨大商业成功。相干光通信技术具有灵敏度高、频率选择性好、频谱效率高的特点，这些特点有利于实现大容量，长距离通信以满足日益增长的业务需求。并且，在相干光通信中，色散与偏振模色散对信号的损伤都为线性损伤，此时通信信道为线性时不变系统，故通过适度复杂的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)技术就可以补偿线性损伤，以前困扰业界的色散问题就变得相对容易解决。综合考虑谱效率与光信噪比容限的要求，100G商用系统采用的是基于相干光通信的PM-QPSK(Polarization Multiplexed Quadri Phase ShiftKeying，偏振复用四相移键控)技术。
新一代的相干光通信引入数字信号处理技术。在相干光通信系统的接收端使用本征光载波解调信号光后，再使用ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)采样解调后的电子信号，然后将采样后的数字信号进行处理。相干光通信接收机的数字信号处理的流程一般为：色散补偿→时钟恢复→自适应均衡→载波恢复(频差估计与补偿)→载波恢复(相差估计与补偿)→码元判决。自适应均衡器为其主要组成部分，起到偏振解复用与残余色散补偿作用，通常由线性均衡器与自适应均衡系数更新算法组成。
相干光通信中最常使用的是2×2多入多出的复数自适应均衡器，输入两个偏振复数信号，输出也为两个偏振的复数信号。这种传统的2×2复数自适应均衡器使得每个偏振的I路与Q路数据联合在一起。对于I、Q两路输入信号有延迟或者I、Q两路信号的幅度不平衡的情况，其容忍度较低，系统性能会受到较大影响。
而最常使用的LMS算法为基于训练序列的LMS算法，其采用训练序列进行导引。但由于用于解调的本地激光器与发端激光器存在频差与相差，所以在使用传统LMS算法时，必须从其后的频差与相差补偿模块引入频差与相差反馈用于误差信号的计算，频差估计与相差估计都依赖于自适应均衡器的正确输出。在实际部署的系统中，虽然多数情况下偏振态变化缓慢，但瞬时可能出现极快的偏振变化，此时不能保证自适应均衡器的正确输出，没有正确的频差与相差反馈传统的LMS算法将不能正确工作。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种新型LMS方法及使用该方法的实数自适应均衡器，能利用两个偏振解调信号具有相同频差与相差的特点，消除LMS算法对频差与相差反馈的依赖；并且采用实数均衡结构，使得对接收端I路、Q路数据不平衡的容忍度得到提升。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种新型LMS方法，该新型LMS方法包括以下步骤：
S1、将实数自适应均衡器设置为具有16个独立的自适应均衡系数的4路输入、4路输出结构，并分别使用X偏振和Y偏振的I路、Q路实数信号作为实数自适应均衡器的4路输入、4路输出，且4路输出的公式为：
其中，Eoutxi(n)、Eoutxq(n)、Eoutyi(n)和Eoutyq(n)分别为X偏振信号的I路、Q路输出，Y偏振信号的I路、Q路输出，n为数据的序列号；[Einxi(n-l)]、[Einxq(n-l)]、[Einyi(n-l)]和[Einyq(n-l)]分别为X偏振信号的I路、Q路输入，Y偏振信号的I路、Q路输入，l为实数自适应均衡器级数序号；Hxi_xi、Hxq_xi、Hyi_xi、Hyq_xi、Hxi_xq、Hxq_xq、Hyi_xq、Hyq_xq、Hxi_yi、Hxq_yi、Hyi_yi、Hyq_yi、Hxi_yq、Hxq_yq、Hyi_yq、Hyq_yq为16个自适应均衡系数，L为实数自适应均衡器级数；
S2：定义该实数自适应均衡器的X、Y偏振信号的误差公式为：
其中：
式中，Dx、Dy为期望的复数数据，是预先已知的训练序列数值；为实数自适应均衡器的X偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数，为实数自适应均衡器的Y偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数，n为数据的序列号；[]*为取共轭，j为复数；
S3：根据上述定义的误差公式，使用梯度算法更新实数自适应均衡器的16个自适应均衡系数，以保证实数自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中所述16个自适应均衡系数的更新公式为：
Hxi_xi(l,g+1)＝Hxi_xi(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]，
Hxq_xi(l,g+1)＝Hxq_xi(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]，
Hyi_xi(l,g+1)＝Hyi_xi(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]，
Hyq_xi(l,g+1)＝Hyq_xi(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]；
Hxi_xq(l,g+1)＝Hxi_xq(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]，
Hxq_xq(l,g+1)＝Hxq_xq(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]，
Hyi_xq(l,g+1)＝Hyi_xq(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]，
Hyq_xq(l,g+1)＝Hyq_xq(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]；
Hxi_yi(l,g+1)＝Hxi_yi(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]，
Hxq_yi(l,g+1)＝Hxq_yi(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyi_yi(l,g+1)＝Hyi_yi(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyq_yi(l,g+1)＝Hyq_yi(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]；
Hxi_yq(l,g+1)＝Hxi_yq(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]，
Hxq_yq(l,g+1)＝Hxq_yq(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyi_yq(l,g+1)＝Hyi_yq(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyq_yq(l,g+1)＝Hyq_yq(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]；
上述公式中，*为共轭符号，g表示第g次更新，Real[]表示取复数的实部，Imag[]表示取复数的虚部，μ1为根据需要使用的微小系数。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，所述更新公式中的μ1的取值范围为1～10-9。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，实数自适应均衡器在更新16个自适应均衡系数时，会锁定X偏振信号的相差Φx和Y偏振信号的相差Φy，使得Φx＝Φy；并且，当实数自适应均衡器正确输出时，其X偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数和Y偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数分别为：
其中，Δf为频差，T为码元周期；且输出公式中的频差Δf将在误差公式中被消除掉。
在上述技术方案的基础上，在QPSK应用场景下，步骤S2中所述预先已知的训练序列数值在预先设计时需满足以下要求：Dx(n)/Dy(n)均匀地取1，j，-1，-j四个数值。
本发明还提供一种使用上述新型LMS方法的实数自适应均衡器，该实数自适应均衡器在实现自适应均衡器系数更新时，使用上述新型LMS方法。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中，采用4×4结构的实数自适应均衡器，对两个偏振的I路及Q路数据分别采用单独的均衡系数，使得I、Q两路数据在均衡过程中不再联合在一起，有效解决因I、Q两路输入信号存在时延或者幅度不平衡的情况下会较大地影响系统性能的问题；同时，由于实数自适应均衡器的系数更新采用不再依赖频差与相差的反馈，即使遇到极端的偏振态变化，系统也能正确跟踪，保证了系统的鲁棒性。
(2)本发明实现简单，具有很强的实用性；且本发明的使用并不限于相干光通信领域，适用范围广。
附图说明
图1为本发明实施例中新型LMS方法的流程图；
图2为本发明实施例中使用新型LMS方法的实数自适应均衡器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1和图2所示，本发明实施例提供一种新型LMS方法，包括以下步骤：
步骤S1：如图2所示，将实数自适应均衡器设置为具有16个独立的自适应均衡系数的4×4结构(即4路输入、4路输出结构)，并分别使用X偏振和Y偏振的I路、Q路实数信号作为该实数自适应均衡器的4路输入、4路输出，且该4路输出的公式为：
其中，Eoutxi(n)、Eoutxq(n)、Eoutyi(n)和Eoutyq(n)分别为实数自适应均衡器X偏振信号的I路、Q路输出，Y偏振信号的I路、Q路输出，n为数据的序列号；[Einxi(n-l)]、[Einxq(n-l)]、[Einyi(n-l)]和[Einyq(n-l)]分别为实数自适应均衡器X偏振信号的I路、Q路输入，Y偏振信号的I路、Q路输入，l为实数自适应均衡器级数序号；Hxi_xi、Hxq_xi、Hyi_xi、Hyq_xi、Hxi_xq、Hxq_xq、Hyi_xq、Hyq_xq、Hxi_yi、Hxq_yi、Hyi_yi、Hyq_yi、Hxi_yq、Hxq_yq、Hyi_yq、Hyq_yq为16个自适应均衡系数，L为实数自适应均衡器级数，转入步骤S2。
步骤S2：定义X、Y偏振信号的误差公式为：
其中：
式中，Dx、Dy为期望的复数数据，是预先已知的训练序列数值；为实数自适应均衡器的X偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数，为实数自适应均衡器的Y偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数，n为数据的序列号；[]*为取共轭，j为复数，转入步骤S3。
可以理解的是，在预先设计训练序列数值时，Dx(n)与Dy(n)的相差应均匀的取所有可能得取值。以QPSK为例，即要求在设计训练序列数值时，要满足Dx(n)/Dy(n)均匀地取1，j，-1，-j四个数值。
步骤S3：根据上述误差定义公式(5)～(7)，使用梯度算法更新实数自适应均衡器的16个自适应均衡系数，以保证实数自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。
具体来说，16个自适应均衡系数的更新公式为：
Hxi_xi(l,g+1)＝Hxi_xi(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)] (8)，
Hxq_xi(l,g+1)＝Hxq_xi(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)] (9)，
Hyi_xi(l,g+1)＝Hyi_xi(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)] (10)，
Hyq_xi(l,g+1)＝Hyq_xi(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)] (11)；
Hxi_xq(l,g+1)＝Hxi_xq(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)] (12)，
Hxq_xq(l,g+1)＝Hxq_xq(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)] (13)，
Hyi_xq(l,g+1)＝Hyi_xq(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)] (14)，
Hyq_xq(l,g+1)＝Hyq_xq(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)] (15)；
Hxi_yi(l,g+1)＝Hxi_yi(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)] (16)，
Hxq_yi(l,g+1)＝Hxq_yi(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)] (17)，
Hyi_yi(l,g+1)＝Hyi_yi(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)] (18)，
Hyq_yi(l,g+1)＝Hyq_yi(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)] (19)；
Hxi_yq(l,g+1)＝Hxi_yq(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)] (20)，
Hxq_yq(l,g+1)＝Hxq_yq(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)] (21)，
Hyi_yq(l,g+1)＝Hyi_yq(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)] (22)，
Hyq_yq(l,g+1)＝Hyq_yq(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)] (23)；
上述公式中，*为共轭符号，g表示第g次更新，Real[]表示取复数的实部，Imag[]表示取复数的虚部，μ1为根据需要使用的微小系数，其取值范围可以是1～10-9。
可以理解的是，实际应用中，该实数自适应均衡器更新16个自适应均衡系数时，会锁定X偏振信号的相差Φx和Y偏振信号的相差Φy，使得
Φx＝Φy， (24)
从而使得实数自适应均衡器的16个自适应均衡系数的更新不再依赖相差的反馈。并且，由于X、Y两个偏振信号具有相同的频差与相差，当实数自适应均衡器正确输出时，实数自适应均衡器的X偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数和Y偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数分别为：
其中，Δf为频差，T为码元周期；而上述输出公式中的频差Δf将在误差公式(5)中被消除掉，从而使得自适应均衡器的系数更新不再依赖频差的反馈。
由上述实施例可以看出，本发明实现简单，具有很强的实用性。由于采用4×4结构的实数自适应均衡器，对两个偏振的I路及Q路数据分别采用单独的均衡系数，使得I、Q两路数据在均衡过程中不再联合在一起，有效解决因I、Q两路输入信号存在时延或者幅度不平衡的情况下会较大地影响系统性能的问题；同时，由于实数自适应均衡器的系数更新采用不再依赖频差与相差的反馈，即使遇到极端的偏振态变化，系统也能正确跟踪，保证了系统的鲁棒性。
参见图2所示，本发明实施例还提供一种使用上述新型LMS方法的实数自适应均衡器，将实数自适应均衡器为具有16个独立的自适应均衡系数的4×4结构，并分别使用X偏振和Y偏振的I路、Q路实数信号作为该实数自适应均衡器的4路输入、4路输出。该实数自适应均衡器在实现自适应均衡器系数更新时，使用上述新型LMS方法，能利用两个偏振解调信号经自适应均衡后具有相同频差与相差的特点，使得LMS算法不再依赖频差与相差的反馈；并且该实数均衡结构，使得对接收端I路、Q路数据不平衡的容忍度得到提升。
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 (6)

1.一种新型LMS方法，其特征在于，该LMS方法包括以下步骤：
S1、将实数自适应均衡器设置为具有16个独立的自适应均衡系数的4路输入、4路输出结构，并分别使用X偏振和Y偏振的I路、Q路实数信号作为实数自适应均衡器的4路输入、4路输出，且4路输出的公式为：
其中，Eoutxi(n)、Eoutxq(n)、Eoutyi(n)和Eoutyq(n)分别为X偏振信号的I路、Q路输出，Y偏振信号的I路、Q路输出，n为数据的序列号；[Einxi(n-l)]、[Einxq(n-l)]、[Einyi(n-l)]和[Einyq(n-l)]分别为X偏振信号的I路、Q路输入，Y偏振信号的I路、Q路输入，l为实数自适应均衡器级数序号；Hxi_xi、Hxq_xi、Hyi_xi、Hyq_xi、Hxi_xq、Hxq_xq、Hyi_xq、Hyq_xq、Hxi_yi、Hxq_yi、Hyi_yi、Hyq_yi、Hxi_yq、Hxq_yq、Hyi_yq、Hyq_yq为16个自适应均衡系数，L为实数自适应均衡器级数；
S2：定义该实数自适应均衡器的X、Y偏振信号的误差公式为：
其中：
式中，Dx、Dy为期望的复数数据，是预先已知的训练序列数值；为实数自适应均衡器的X偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数，为实数自适应均衡器的Y偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数，n为数据的序列号；[]*为取共轭，j为复数；
S3：根据上述定义的误差公式，使用梯度算法更新实数自适应均衡器的16个自适应均衡系数，以保证实数自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。
2.如权利要求1所述的新型LMS方法，其特征在于：步骤S3中所述16个自适应均衡系数的更新公式为：
Hxi_xi(l,g+1)＝Hxi_xi(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]，
Hxq_xi(l,g+1)＝Hxq_xi(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]，
Hyi_xi(l,g+1)＝Hyi_xi(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]，
Hyq_xi(l,g+1)＝Hyq_xi(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Real[Error(n)EoutY(n)]；
Hxi_xq(l,g+1)＝Hxi_xq(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]，
Hxq_xq(l,g+1)＝Hxq_xq(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]，
Hyi_xq(l,g+1)＝Hyi_xq(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]，
Hyq_xq(l,g+1)＝Hyq_xq(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Imag[Error(n)EoutY(n)]；
Hxi_yi(l,g+1)＝Hxi_yi(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]，
Hxq_yi(l,g+1)＝Hxq_yi(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyi_yi(l,g+1)＝Hyi_yi(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyq_yi(l,g+1)＝Hyq_yi(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Real[Error(n)*EoutX(n)]；
Hxi_yq(l,g+1)＝Hxi_yq(l,g)+2μ1Einxi(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]，
Hxq_yq(l,g+1)＝Hxq_yq(l,g)+2μ1Einxq(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyi_yq(l,g+1)＝Hyi_yq(l,g)+2μ1Einyi(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]，
Hyq_yq(l,g+1)＝Hyq_yq(l,g)+2μ1Einyq(n-l)Imag[Error(n)*EoutX(n)]；
上述公式中，*为共轭符号，g表示第g次更新，Real[]表示取复数的实部，Imag[]表示取复数的虚部，μ1为根据需要使用的微小系数。
3.如权利要求2所述的新型LMS方法，其特征在于：步骤S3中，所述更新公式中的μ1的取值范围为1～10-9。
4.如权利要求1所述的新型LMS方法，其特征在于：步骤S3中，实数自适应均衡器在更新16个自适应均衡系数时，会锁定X偏振信号的相差Φx和Y偏振信号的相差Φy，使得Φx＝Φy；并且，当实数自适应均衡器正确输出时，其X偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数和Y偏振端口的I、Q两路输出合起来的复数分别为：
其中，Δf为频差，T为码元周期；且输出公式中的频差Δf将在误差公式中被消除掉。
5.如权利要求1所述的新型LMS方法，其特征在于：在QPSK应用场景下，步骤S2中所述预先已知的训练序列数值在预先设计时需满足以下要求：Dx(n)/Dy(n)均匀地取1，j，-1，-j四个数值。
6.一种实数自适应均衡器，其特征在于：该实数自适应均衡器在实现自适应均衡器系数更新时，使用权利要求1至5中任一项所述新型LMS方法实现。
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