CN108365892A - 一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法及装置。方法包括：S100，将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光；S101，获取概率QAM信号，并通过概率QAM信号，对X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号；S102，将概率QAM调制信号与Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供信号接收端根据偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿；其中，损伤概率QAM调制信号为概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。本发明提供的方法及装置，在降低了系统对OSNR的需求的同时，对历经了RSOP损伤的损伤信号进行跟踪和补偿。相比于传统的RSOP均衡算法具有更好的灵活性，适用于未来数据中心互连的高速光纤通信网络系统。

Description

一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体地，涉及一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法及装置。

背景技术

当前互联网形势下，大数据与云计算的火热，使得数据中心间进行传输的数据量呈现爆炸式增长。而数据中心间传输具有中短距，大容量的特征，当前骨干网所采用的相干检测光通信系统不适合用于数据中心间的传输。针对数据中心间互连光网络的特征，基于斯托克斯直接检测(Stokes vector direct detection，SVDD)的光纤通信传输系统能够降低系统复杂度，不受频偏与相位噪声的影响，频谱利用率与相干检测光通信系统中的单偏振相干检测光通信系统相当，并且更加经济，非常适合于中短距光纤通信传输。

然而，与相干检测光通信系统相比，基于SVDD的光纤通信传输系统对于光信噪比(optical signal to noise ratio，OSNR)的要求更高。并且，偏振旋转(Rotation ofstate of polarization，RSOP)效应会使光信号在传输过程中遭受损伤，对基于SVDD的光纤通信传输系统造成负面影响。由于基于SVDD的光纤通信传输系统的特性，在RSOP效应被均衡之前，接收机无法正确恢复由于RSOP效应造成的信号损伤；再者原在相干检测光通信系统中解偏分复用经常使用的恒模算法(Constant Modulus Algorithm，CMA)不能用于基于SVDD的光纤通信传输系统的RSOP效应的均衡。

当前，针对基于SVDD的光纤通信传输系统，提出了对RSOP效应的均衡算法主要包括米勒训练符号法(Müller training symbol，MTS)和最小平面法(least-square plane，LSP)等。然而MTS算法是以牺牲传输速率作为代价的，缺陷明显。LSP算法在工作时需要计算最小二乘面，计算复杂。

发明内容

本发明提供一种克服现有的光纤通信传输系统中信号均衡方法复杂，并且使用现有均衡方法造成信号传输速率低等问题的光纤通信传输系统中的信号补偿方法及装置。

根据本发明的一个方面，提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法，包括：

S100，将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光；

S101，获取概率QAM信号，并通过所述概率QAM信号，对所述X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号；

S102，将所述概率QAM调制信号与所述Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供所述信号接收端根据所述偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿；

其中，所述损伤概率QAM调制信号为所述概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。

优选地，所述获取概率QAM信号，具体包括：

获取PAM信号；

将两路所述PAM信号进行IQ调制，生成所述概率QAM信号。

优选地，所述获取PAM信号，具体包括：

将独立同分布的二进制比特序列分为第一符号比特序列和第二符号比特序列；

通过概率分布匹配器，将所述第一符号比特序列转换为振幅比特序列；

将所述振幅比特序列与所述第二符号比特序列一同映射为所述PAM信号。

根据本发明的另一个方面，提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法，包括：

S200，接收信号发送端发送的偏振复用信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的损伤偏振复用信号；

S201，通过对所述损伤偏振复用信号进行解调，获取损伤概率QAM调制信号；

S202，通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对所述损伤概率QAM调制信号进行补偿。

优选地，步骤S201具体包括：

S2011，将所述损伤偏振复用信号分为X路损伤偏振信号和Y路损伤偏振信号；

S2012，将所述X路损伤偏振信号和所述Y路损伤偏振信号均输入至平衡探测器，生成第一路目标电信号；将所述X路损伤偏振信号和所述Y路损伤偏振信号均依次输入至混频器和平衡探测器后，生成第二路目标电信号和第三路目标电信号；并将所述第一路目标电信号、所述第二路目标电信号和所述第三路目标电信号作为所述损伤概率QAM调制信号。

优选地，步骤S202具体包括：

S2021，在所述斯托克斯空间内，基于上一次补偿过程获取的补偿信号，对本次补偿过程的状态量进行更新；

S2022，根据更新后的状态量，对本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行补偿；以通过本次补偿过程获取的补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新；

其中，所述补偿信号为对所述损伤概率QAM调制信号进行RSOP补偿之后生成的信号，所述状态量为所述RSOP的三个角度。

优选地，步骤S2021具体包括：

S20211，在所述斯托克斯空间内，获取上一次补偿过程得到的补偿信号的损伤星座点坐标与概率QAM调制信号的理想星座点坐标；其中，所述概率QAM调制信号为所述损伤概率QAM调制信号历经所述RSOP损伤之前的信号；

S20212，根据所述损伤星座点坐标与所述理想星座点坐标间的偏差，对本次补偿过程的状态量进行更新。

优选地，步骤S2022具体包括：

S20221，将所述更新后的状态量代入RSOP补偿矩阵，获取矩阵值；

S20222，通过将所述矩阵值与本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行乘法运算，对本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行补偿；以通过本次补偿过程得到的补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新。

根据本发明的又一个方面，提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿装置，包括：

偏振分束单元，用于将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光；

调制单元，用于获取概率QAM信号，并通过所述概率QAM信号，对所述X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号；

偏振合束单元，用于将所述概率QAM调制信号与所述Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供所述信号接收端根据所述偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿；其中，所述损伤概率QAM调制信号为所述概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。

根据本发明的再一个方面，提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿装置，包括：

接收单元，用于接收信号发送端发送的偏振复用信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的损伤偏振复用信号；

解调单元，用于通过对所述损伤偏振复用信号进行解调，获取损伤概率QAM调制信号；

补偿单元，用于通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对所述损伤概率QAM调制信号进行补偿。

本发明提供的一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法及装置，通过将概率QAM调制引入系统，降低了系统对OSNR的需求；分析概率QAM调制信号经过RSOP损伤后生成的损伤概率QAM调制信号在斯托克斯空间星座点的变化和特点，根据这些特点导出了在斯托克斯空间均衡补偿RSOP损伤的补偿矩阵，最后利用Kalman滤波器在斯托克斯空间对损伤信号进行跟踪和补偿。相比于传统的RSOP均衡算法具有更好的灵活性，适用于未来数据中心互连的高速光纤通信网络系统。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法流程图；

图2为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中生成偏振复用信号的原理图；

图3为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中生成PAM信号的原理图；

图4为根据本发明另一实施例提供的一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法流程图；

图5为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中获取损伤概率QAM调制信号的原理图；

图6为根据本发明实施例提供的未经损伤的概率16QAM调制信号在斯托克斯空间的星座图；

图7为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的概率16QAM调制信号的星座图；

图8为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的损伤概率16QAM调制信号的星座图；

图9为根据本发明实施例提供的一种信号补偿方法的整体流程图；

图10为根据本发明实施例提供的一种不同概率分布情况下BER随RSOP变化关系图；

图11为根据本发明实施例提供的一种在固定不同的RSOP变化速率，OSNR变化的情况下的误码率BER的变化关系图。

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为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法流程图，如图1所示，本实施例的方法在信号发送端实施，该方法包括：

S100，将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光。

S101，获取概率QAM信号，并通过所述概率QAM信号，对所述X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号。

需要说明的是，通过概率QAM信号对其他信号进行调制的技术称为概率QAM调制，概率QAM调制是将高阶QAM调制的各个星座点的分布从等概率分布变为非等概率分布。

S102，将所述概率QAM调制信号与所述Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供所述信号接收端根据所述偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿。

其中，所述损伤概率QAM调制信号为所述概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。

本实施例的方法的作用是：在信号发送端，生成适合于在系统的光纤信道中进行传输的信号。其中，“适合于在系统的光纤信道中进行传输”是指，由于系统对OSNR要求过高，因此，需要基于将概率QAM调制技术应用在系统中，以灵活选择在当前OSNR下最适合的系统传输速率，从而降低系统对OSNR的要求，进而解决系统对OSNR要求过高的问题。

结合附图，并通过具体的举例对步骤本实施例的方法进行说明：

图2为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中生成偏振复用信号的原理图，如图2所示，激光器输出连续光波，将连续光波作为初始光波，初始光波经偏振分束器(polarization beam splitter，PBS)分成X路偏振光与Y路偏振光。通过概率QAM信号，对X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号。将概率QAM调制信号与Y路偏振光经偏振合束器(polarization beam combiner，PBC)合成为相互正交的偏分复用信号，将偏分复用信号送入系统的光纤信道中进行传输。

此处，将Y路偏振光的平均功率与X路偏振光的平均功率比定义为载波信号功率比(Carrier-to-signal power ratio，CSPR)，将CSPR设置为0dB，即X路偏振光的平均功率与Y路偏振光的平均功率相等。

需要说明的是，本实施例中的Y路偏振光作为载波，用于发送本振。使得信号接收端通过接收到的本振，解调出损伤概率QAM调制信号的相位信息。

本实施例提供的方法，在信号发送端，通过将概率QAM调制引入系统，降低了系统对OSNR的需求；在信号接收端，分析概率QAM调制信号经过RSOP损伤后生成的损伤概率QAM调制信号在斯托克斯空间星座点的变化和特点，根据这些特点导出了在斯托克斯空间均衡补偿RSOP损伤的补偿矩阵，最后利用Kalman滤波器在斯托克斯空间对损伤信号进行跟踪和补偿。相比于传统的偏振旋转均衡算法具有更好的灵活性，适用于未来数据中心互连的高速光纤通信网络系统。

基于上述实施例，获取概率QAM信号，具体包括：

获取PAM信号。

将两路所述PAM信号进行IQ调制，生成所述概率QAM信号。

图3为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中生成PAM信号的原理图，如图3所示，所述获取PAM信号，具体包括：

将独立同分布的二进制比特序列分为第一符号比特序列和第二符号比特序列。

通过概率分布匹配器，将所述第一符号比特序列转换为振幅比特序列。

具体地，概率分布匹配器(distribution matcher，DM)用于调整各星座点的概率分布，并将调整好的概率分布符号进行输出。DM可以输出任意概率分布的符号。通过调整星座点的概率分布，改变了系统传输速率，从而适当降低了系统对于OSNR的要求。

将所述振幅比特序列与所述第二符号比特序列一同映射为所述PAM信号。用上述步骤再生成另一路PAM信号，将两路PAM信号经过正交调制之后，生成概率QAM信号。需要说明的是，两路PAM信号完全一致。

图4为根据本发明另一实施例提供的一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法流程图，如图4所示，本实施例的方法在信号接收端实施，该方法包括：

S200，接收信号发送端发送的偏振复用信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的损伤偏振复用信号。

S201，通过对所述损伤偏振复用信号进行解调，获取损伤概率QAM调制信号。

S202，通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对所述损伤概率QAM调制信号进行补偿。

需要说明的是，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。本实施例中通过Kalman滤波器，可以对获取到的损伤概率QAM调制信号持续地进行补偿，以实时地恢复出最接近未经损伤的概率QAM调制信号的信号。

需要说明的是，对损伤概率QAM调制信号的补偿过程也可称为RSOP效应的均衡过程。

为了更好地理解本实施例，以下对斯托克斯空间进行详细说明。

光纤中传输的偏分复用(有x偏振和y偏振)信号可以用二维矢量描述，这个二维空间叫琼斯空间，叫琼斯矢量，代表一个偏振态。

光的偏振态可以用二维的琼斯空间描述，也可以将其映射到三维的斯托克斯空间去。斯托克斯空间的一个点代表一个偏振态，三维的斯托克斯矢量(S₁,S₂,S₃)组成斯托克斯矢量，在加上一个S₀参量构成四维斯托克斯矢量，四维斯托克斯矢量与琼斯空间分量的关系为：

其中，S₀恰好代表光的总强度。由于一般激光器输出的不是非偏振光和部分偏振光，而是完全偏振光。对于完全偏振光，有因此斯托克斯参量中三个是独立的，因此用(S₁,S₂,S₃)代表偏振态就够了，(S₁,S₂,S₃)是三维矢量，构成三维斯托克斯空间。

本实施例的方法的作用是：在信号接收端，通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对解调得到的损伤概率QAM调制信号进行补偿。

需要说明的是，由于对损伤概率QAM调制信号进行补偿的过程中，需要根据损伤概率QAM调制信号相较于未经损伤的概率QAM调制信号，在斯托克斯空间内星座点的变化和特点，对损伤概率QAM调制信号进行跟踪和补偿。因此，可以获知信号发送端在另一方面的作用是：生成概率QAM调制信号；以使得在信号接收端，能够获取概率QAM调制信号历经损伤后生成的损伤概率QAM调制信号，为信号接收端中的补偿过程提供条件。

本实施例提供的方法，通过将概率QAM调制引入系统，降低了系统对OSNR的需求；分析概率QAM调制信号经过RSOP损伤后生成的损伤概率QAM调制信号在斯托克斯空间星座点的变化和特点，根据这些特点导出了在斯托克斯空间均衡补偿RSOP损伤的补偿矩阵，最后利用Kalman滤波器在斯托克斯空间对损伤信号进行跟踪和补偿。相比于传统的偏振旋转均衡算法具有更好的灵活性，适用于未来数据中心互连的高速光纤通信网络系统。

基于上述实施例，本实施例对步骤S201进行具体说明，步骤S201进行具体包括：

S2011，将所述损伤偏振复用信号分为X路损伤偏振信号和Y路损伤偏振信号。

S2012，将所述X路损伤偏振信号和所述Y路损伤偏振信号均输入至平衡探测器，生成第一路目标电信号；将所述X路损伤偏振信号和所述Y路损伤偏振信号均依次输入至混频器和平衡探测器后，生成第二路目标电信号和第三路目标电信号；并将所述第一路目标电信号、所述第二路目标电信号和所述第三路目标电信号作为所述损伤概率QAM调制信号。

具体地，结合附图对步骤S2011和步骤S2012进行具体说明。图5为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中获取损伤概率QAM调制信号的原理图，如图5所示，损伤偏振复用信号经PBS分为X路损伤偏振信号和Y路损伤偏振信号；将X路损伤偏振信号和Y路损伤偏振信号均输入至平衡探测器(balanced photodetector，B-PD)后，输出第一路目标电信号S₁；将X路损伤偏振信号和Y路损伤偏振信号均输入90°混频器后，输出四路信号，将四路信号中的两路信号通过B-PD转换为第二路目标电信号S₂，将四路信号中的另两路信号通过B-PD转换为第三路目标电信号S₃。将第一路目标电信号S₁、第二路目标电信号S₂和第三路目标电信号S₃组成的信号矢量[S₁,S₂,S₃]作为解调出的损伤概率QAM调制信号S。并且，第一路目标电信号S₁、第二路目标电信号S₂和第三路目标电信号S₃分别恰好对应归一化的斯托克斯矢量(S₁,S₂,S₃)的分量S₁、S₂和S₃。

以16QAM调制为例，图6为根据本发明实施例提供的未经损伤的概率16QAM调制信号在斯托克斯空间的星座图，图7为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的概率16QAM调制信号的星座图，图8为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的损伤概率16QAM调制信号的星座图。如图6所示，均匀分布的16QAM调制信号在斯托克斯空间可以形成16个星座点，对应不同的坐标(S_1,ideal,S_2,ideal,S_3,ideal)。如图7所示，概率分布的概率16QAM调制信号发生了改变。如图8所示，概率16QAM调制信号在光纤中经历了RSOP损伤后生成损伤概率16QAM调制信号，这16个星座点整体发生转动，对应不同的坐标(S₁,S₂,S₃)。本方法的目的是监测这种转动，经过均衡和补偿恢复信号，目的是将转动后的(S₁,S₂,S₃)坐标转动回理想的坐标(S_1,ideal,S_2,ideal,S_3,ideal)。

其中，步骤S202具体包括：

S2021，在所述斯托克斯空间内，基于上一次补偿过程获取的补偿信号，对本次补偿过程的状态量进行更新。

S2022，根据更新后的状态量，对本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行补偿；以通过本次补偿过程获取的补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新。

其中，所述补偿信号为对所述损伤概率QAM调制信号进行RSOP补偿之后生成的信号，所述状态量为所述RSOP的三个角度。

具体地，每一次补偿过程既获得了补偿信号，又能通过该补偿信号，对下一次补偿过程进行修正，以使得下一次补偿得到的补偿信号更加接近未经RSOP损伤的原始信号。

其中，“通过该补偿信号，对下一次补偿过程进行修正”具体指通过该补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新，并通过更新后的状态量对下一次补偿过程获取到的损伤信号进行更精确的补偿。状态量为所述RSOP的三个角度，每一次补偿完成时均对该状态量进行更新，因而该系统可实时并持续地获取到补偿信号，并且，补偿过程也愈加精确。

其中，步骤S2021具体包括：

S20211，在所述斯托克斯空间内，获取上一次补偿过程得到的补偿信号的损伤星座点坐标与概率QAM调制信号的理想星座点坐标；其中，所述概率QAM调制信号为所述损伤概率QAM调制信号历经所述RSOP损伤之前的信号。

S20212，根据所述损伤星座点坐标与所述理想星座点坐标间的偏差，对本次补偿过程的状态量进行更新。

其中，步骤S2022具体包括：

S20221，将所述更新后的状态量代入RSOP补偿矩阵，获取矩阵值。

S20222，通过将所述矩阵值与本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行乘法运算，对本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行补偿；以通过本次补偿过程得到的补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新。

需要说明的是，RSOP补偿矩阵M为：

其中，k、η、ζ为RSOP的三个角度，即状态量为

以下通过具体的举例，对信号的补偿过程进行具体说明：

本实施例基于16QAM调制，对于均匀概率分布的16QAM调制信号，信号接收端解调出的未经损伤的概率16QAM调制信号在斯托克斯空间的理想星座点可以通过公式(1)计算出。

其中，S₁为第一路目标电信号，S₂为第二路目标电信号，S₃为第三路目标电信号，E_x为X路损伤偏振信号，E_y为Y路损伤偏振信号，*表示共轭，j为虚数，S₀代表总光强。

图6为根据本发明实施例提供的未经损伤的概率16QAM调制信号在斯托克斯空间的星座图。

将QAM信号按照不同振幅分配不同概率时，平均功率是不同的。对于16QAM信号，不同振幅星座点的归一化振幅为alphabet＝[-3,-1,1,3]。16QAM信号的各个不同振幅星座点的编码是均匀概率分布的，各个星座点按振幅分配的概率相同，为prob＝[0.25,0.25,0.25,0.25]。通过改变prob的值，就可以改变不同星座点的振幅概率分布，产生概率分布的16QAM调制，即概率16QAM调制信号。概率16QAM信号加载于X路偏振光中所生成的概率16QAM调制信号的不同星座点的振幅概率分布不再均匀，因此，在系统中，为了保持CSPR＝0dB，作为载波信号的Y路偏振光功率也要下降，根据公式(2)可以得出此时的星座图坐标的分布(未经RSOP损伤的概率16QAM调制信号的星座点坐标为理想星座点坐标ideal)。

其中alphabet是星座点的幅度，prob是相应星座点的分布概率。

如果概率16QAM调制信号的概率分布为prob＝[0.15,0.35,0.35,0.15]，则斯托克斯空间中的星座点分布如图7所示，需要说明的是，图7为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的概率16QAM调制信号的星座图。经过RSOP损伤之后，星座图变成了如图8所示，需要说明的是，图8为根据本发明实施例提供的一种光纤通信传输系统中的损伤概率16QAM调制信号的星座图。

可知，相比均匀分布的16QAM信号(如图6所示)，概率分布的概率16QAM调制信号在斯托克斯空间的理想星座图发生了改变(如图7所示)，星座图整体沿S₁轴有平移，平移量与概率分布prob有关，而且因为载波功率减小，S₀也随之减小，星座点向外发散。而经过RSOP损伤后，其斯托克斯空间中的星座点分布是理想星座图的整体旋转(如图8所示)。所以，对损伤概率16QAM调制信号进行补偿时，需要先根据概率分布prob计算出此时的理想星座点位置(所谓理想星座点位置是未经历RSOP损伤的星座点位置)，之后才能根据经历RSOP损伤后的星座点分布对RSOP损伤进行补偿。

以下对Kalman滤波器进行说明：

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。Kalman滤波器处理的系统可由方程组(3)所描述，其中是滤波器追踪或者补偿的各状态量构成的矢量，其理论过程方程为x_k＝f(x_k-1)+w_k-1。是可以直接从系统获得的测量量构成的矢量，其理论过程方程为z_k＝h(x_k-1)+v_k-1。f(x)与h(x)是状态量和测量量的实际非线性传递函数。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(4)-(6)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。

状态量定义、补偿矩阵和测量量定义：本发明定义状态矢量作为监测参量，其监测参量是下面补偿矩阵中的参量(见方程(8))，通过下面的补偿矩阵(公式(7))补偿RSOP损伤，最后通过测量空间中的测量量的偏差或称作新息来确定状态量的后验估计，完成一次迭代。

本发明采用的RSOP的补偿矩阵M经推导为公式(7)，补偿是在斯托克斯空间进行，

其中κ,η,ζ代表RSOP的三个角度。

本发明采用的状态量为

本发明采用的测量空间为斯托克斯空间的星座图空间。基于均衡完成后补偿信号的16个星座点应该分别位于垂直S₁轴的三个平面上(图5的三个环)，这16个星座点的S₁坐标有三个值，S₂坐标有4个值，S₃坐标有4个值。因此补偿是否完成是考察这16个星座点是否落在三个平面上和是否落在16个标准点上，所以测量量的偏差(或新息)为：

其中S_1i,k,ideal、S_2i,k,ideal、S_3i,k,ideal是公式(2)计算得到的斯托克斯空间星座点的理想坐标点。

图9为根据本发明实施例提供的一种信号补偿方法的整体流程图，如图9所示：

首先是Kalman滤波器的初始化，给选择的状态量和观测量等参数进行赋值，初始化时的赋值均赋经验值。之后每次迭代过程中Kalman滤波器接收一个信号，将预测模块监测的状态量κ,η,ζ代入补偿模块对信号进行补偿，经纠错模块计算测量偏差并更新状态量。当所有迭代完成之后，得到完整的补偿信号和追踪的各项参数。

根据公式(3)所描述的问题，Kalman初始化主要包括状态量x和测量量z及其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认为本次迭代状态量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。

在信号补偿模块处理过程中，利用预测模块得到的状态矢量中的状态量由补偿矩阵(7)对信号进行RSOP补偿，得到这次迭代最终的补偿信号。

在纠错模块中，本发明使用的Kalman测量过程的传递函数S_i,k为信号补偿后在斯托克斯空间星座点的三个坐标。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x_k在先验估计位置的雅可比矩阵H_k，利用H_k进一步求得卡尔曼增益G_k和本次迭代状态量x_k的最佳后验估计。

基于上述实施例，本实施例提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿装置，包括：

偏振分束单元，用于将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光。

调制单元，用于获取概率QAM信号，并通过所述概率QAM信号，对所述X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号。

偏振合束单元，用于将所述概率QAM调制信号与所述Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供所述信号接收端根据所述偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿；其中，所述损伤概率QAM调制信号为所述概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。

需要说明的是，本系统用于执行上述实施例中的信号补偿方法，其具体功能见方法实施例，此处不再赘述。

基于上述实施例，本实施例提供一种光纤通信传输系统中的信号补偿装置，包括：

接收单元，用于接收信号发送端发送的偏振复用信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的损伤偏振复用信号。

解调单元，用于通过对所述损伤偏振复用信号进行解调，获取损伤概率QAM调制信号。

补偿单元，用于通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对所述损伤概率QAM调制信号进行补偿。

需要说明的是，本系统用于执行上述实施例中的信号补偿方法，其具体功能见方法实施例，此处不再赘述。

为了验证本方法的有效性，搭建了28Gbaud下基于概率16QAM调制斯托克斯向量直接检测(Probabilistic Shaping based 16-QAM in Stokes Vector Direct Detection，概率16QAM-SV-DD)的光纤通信传输仿真系统。设定7％FEC的硬判决门限，误码率为3.8e-3为标准，在不同OSNR环境与不同大小的RSOP变化速率损伤环境中测试均衡方案的性能。

在OSNR固定在22dB，RSOP变化的情形下，得出了本方法在不同概率调制情况下的效果，结果如图10所示，图10为根据本发明实施例提供的一种不同概率分布情况下BER随RSOP变化关系图，比较了均匀分布的16QAM调制信号和两种概率分布的16QAM调制信号的均衡情况。其中两种概率分布分别为prob1＝[0.15,0.35,0.35,0.15],prob2＝[0.1,0.4,0.4,0.1]。比较是基于从“均匀分布→prob1分布→prob2分布”是大振幅星座点的概率依次减少的三种情况。结果可以看出：在信号均匀分布时，本实施例的方法可以均衡的RSOP变化速率达到大约1.5Mrad/s；信号概率分布为prob1时，可以均衡的RSOP变化速率大约为1.55Mrad/s；信号概率分布为prob2时，可以均衡的RSOP变化速率到达1.9Mrad/s左右。

图11为根据本发明实施例提供的一种在固定不同的RSOP变化速率，OSNR变化的情况下的误码率BER的变化关系图，如图11所示，以误码率为3.8e-3为标准，随着大振幅星座点概率的减小，能够有效降低系统对于OSNR的需求。图中可见，均匀分布调制，所需OSNR大约为20.6dB；prob1概率分布调制，所需OSNR平均大约为19.5dB；prob2概率分布调制，所需OSNR平均大约为17.5dB。

最后，本发明的方案仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法，其特征在于，包括：

S100，将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光；

S101，获取概率QAM信号，并通过所述概率QAM信号，对所述X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号；

S102，将所述概率QAM调制信号与所述Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供所述信号接收端根据所述偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿；

其中，所述损伤概率QAM调制信号为所述概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取概率QAM信号，具体包括：

获取PAM信号；

将两路所述PAM信号进行IQ调制，生成所述概率QAM信号。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取PAM信号，具体包括：

将独立同分布的二进制比特序列分为第一符号比特序列和第二符号比特序列；

通过概率分布匹配器，将所述第一符号比特序列转换为振幅比特序列；

将所述振幅比特序列与所述第二符号比特序列一同映射为所述PAM信号。

4.一种光纤通信传输系统中的信号补偿方法，其特征在于，包括：

S200，接收信号发送端发送的偏振复用信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的损伤偏振复用信号；

S201，通过对所述损伤偏振复用信号进行解调，获取损伤概率QAM调制信号；

S202，通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对所述损伤概率QAM调制信号进行补偿。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S201具体包括：

S2011，将所述损伤偏振复用信号分为X路损伤偏振信号和Y路损伤偏振信号；

S2012，将所述X路损伤偏振信号和所述Y路损伤偏振信号均输入至平衡探测器，生成第一路目标电信号；将所述X路损伤偏振信号和所述Y路损伤偏振信号均依次输入至混频器和平衡探测器后，生成第二路目标电信号和第三路目标电信号；并将所述第一路目标电信号、所述第二路目标电信号和所述第三路目标电信号作为所述损伤概率QAM调制信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S202具体包括：

S2021，在所述斯托克斯空间内，基于上一次补偿过程获取的补偿信号，对本次补偿过程的状态量进行更新；

S2022，根据更新后的状态量，对本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行补偿；以通过本次补偿过程获取的补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新；

其中，所述补偿信号为对所述损伤概率QAM调制信号进行RSOP补偿之后生成的信号，所述状态量为所述RSOP的三个角度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2021具体包括：

S20211，在所述斯托克斯空间内，获取上一次补偿过程得到的补偿信号的损伤星座点坐标与概率QAM调制信号的理想星座点坐标；其中，所述概率QAM调制信号为所述损伤概率QAM调制信号历经所述RSOP损伤之前的信号；

S20212，根据所述损伤星座点坐标与所述理想星座点坐标间的偏差，对本次补偿过程的状态量进行更新。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2022具体包括：

S20221，将所述更新后的状态量代入RSOP补偿矩阵，获取矩阵值；

S20222，通过将所述矩阵值与本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行乘法运算，对本次补偿过程接收到的损伤偏振复用信号进行补偿；以通过本次补偿过程得到的补偿信号，对下一次补偿过程的状态量进行更新。

9.一种光纤通信传输系统中的信号补偿装置，其特征在于，包括：

偏振分束单元，用于将初始光波分为X路偏振光和Y路偏振光；

调制单元，用于获取概率QAM信号，并通过所述概率QAM信号，对所述X路偏振光进行调制，生成概率QAM调制信号；

偏振合束单元，用于将所述概率QAM调制信号与所述Y路偏振光合成为偏振复用信号后向信号接收端发送，以供所述信号接收端根据所述偏振复用信号，对损伤概率QAM调制信号进行补偿；其中，所述损伤概率QAM调制信号为所述概率QAM调制信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的信号。

10.一种光纤通信传输系统中的信号补偿装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收信号发送端发送的偏振复用信号在光纤中历经偏振旋转RSOP损伤后生成的损伤偏振复用信号；

解调单元，用于通过对所述损伤偏振复用信号进行解调，获取损伤概率QAM调制信号；

补偿单元，用于通过Kalman滤波器，在斯托克斯空间内，对所述损伤概率QAM调制信号进行补偿。