CN108768541B - 用于通信系统接收端色散和非线性补偿的方法及装置 - Google Patents

用于通信系统接收端色散和非线性补偿的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法及装置，该方法包括以下步骤：通过分数阶傅里叶变换将采样信号从时域变换到分数阶傅里叶域；在分数阶傅里叶域中对信号进行色散和非线性补偿；通过分数阶傅里叶变换将经过补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回时域。本发明，信号的色散和非线性补偿均在分数阶傅里叶域中进行，无需在时域和频域之间来回切换，因此可以省略众多的傅里叶变换/傅里叶逆变换的计算过程，算法复杂度大大降低，提高了效率；且能够实现和传统方法一样的性能，具有更好的实用前景。

Description

用于通信系统接收端色散和非线性补偿的方法及装置
技术领域
本发明涉及光纤通信及数字信号处理技术领域，具体涉及一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法及装置。
背景技术
光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息，而以光纤作为传输介质实现信息传输，达到通信目的的一种最新通信技术。光纤通信具有信息容量大、传输距离远、信号干扰小等优点，目前已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。
光纤通信的原理是：在发送端，首先将传送的信息(如语音、数据等)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后再将其转换成电信号，经解调后恢复原有的信息。
光纤通信的发展方向是朝着更高通信容量、更长通信距离的方向发展，随着光纤和集成光电子器件技术的发展，如今限制光纤通信中信号速率进一步提高、传输距离进一步延长主要因素是为光纤中的非线性效应。
光纤中的非线性效应主要为克尔效应(Kerr effect)和受激散射。其中，克尔效应包括自相位调制SPM(Self-Phase Modulation，自相位调制)、XPM(Cross-phaseModulation，交叉相位调制)和FWM(Four Wave Mixing，四波混频)，受激拉曼散射包括SBS(Stimulated Brillouin Scattering，受激布里渊散射)和SRS(Stimulated RamanScattering，受激拉曼散射)。
在单载波通信系统中，影响信号的非线性效应主要是SPM和带内FWM；在DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用)系统中，除了要考虑上面的非线性影响因素之外，还要考虑带间FWM和受激散射的影响。由于非线性效应的存在，当信号功率增加到一定值后，信号的性能反而会下降，这就是所谓的非线性香农极限。因此，为了获得更大的通信容量，必须对信号进行非线性补偿，以提高甚至突破非线性香农极限。
目前，主流的非线性补偿方法均为电补偿，即在接收端将光信号转化为电信号，经过ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)采样量化后，再进行数字信号处理，如非线性均衡、DBP(Digital Backpropagation，数字背向传输)算法等等。但是，由于传统的DBP算法需要在时域、频域来回变换，算法的复杂度很高，很难实际应用。
有鉴于此，需要提供一种新的方法，相较于现有的DBP算法，在保证效果的同时，能够大大降低算法的复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的光纤通信系统中，色散和非线性补偿需要在时域、频域来回变换，算法的复杂度高，很难实际应用的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法，包括以下步骤：
通过分数阶傅里叶变换，将接收端的采样信号从时域变换到分数阶傅里叶域；
在分数阶傅里叶域中对信号进行N次色散和非线性补偿，N为大于1的正整数；
通过分数阶傅里叶变换将完成N次色散和非线性补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回到时域。
在上述方法中，每次补偿先进行一次色散补偿，然后再进行一次非线性补偿；或者，每次补偿先进行一次非线性补偿，然后再进行一次色散补偿。
在上述方法中，进行色散补偿的方法包括以下步骤：
将色散在频域的传递函数进行阶数为1-p的分数阶傅里叶变换，得到色散在分数阶傅里叶域中的传递函数；
将经分数阶傅里叶变换后的信号与色散在分数阶傅里叶域中的传递函数，在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到色散补偿后的信号。
在上述方法中，色散在频域中的传递函数为
Figure BDA0001675587660000031
经过阶数为1-p的分数阶傅里叶变换后，得到色散在分数阶傅里叶域中的传递函数为
Figure BDA0001675587660000032
其中：
HCD(ω)为色散在频域的传递函数，i为虚数单位，β2为光纤的群速度色散，ω为信号的角频率，h为补偿算法的步长；
Figure BDA0001675587660000033
为色散在p阶分数阶傅里叶域中的传递函数，FRFT1-p表示阶数为1-p的分数阶傅里叶变换。
在上述方法中，进行非线性补偿的方法包括以下步骤：
将非线性效应在时域的传递函数进行阶数为p的分数阶傅里叶变换，得到非线性效应在分数阶傅里叶域传递函数；
将经色散补偿后的信号与非线性效应的分数阶傅里叶域传递函数在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到经过一个非线性补偿模块进行非线性补偿后的信号。
在上述方法中，非线性效应在时域的传递函数为
Figure BDA0001675587660000034
经过阶数为p的分数阶傅里叶变换后，得到的非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数中
Figure BDA0001675587660000035
其中：
hNL(t)为非线性效应的时域传递函数，α为光纤的损耗系数，i为虚数单位，γ为光纤的非线性系数，|A(t)2为信号的功率波形。
在上述方法中，步长h和分步数N相关，当步长为均匀分布时N×h＝L，其中L为光纤的总长度；当步长为非均匀分布时，
Figure BDA0001675587660000041
其中hk为第k步的步长，并且非线性越强的光纤段步长应该选取得越小。
在上述方法中，N取补偿的性能接近饱和的最小值。
本发明还提供了一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的装置，包括：
第一分数阶傅里叶变换模块，阶数为p，用于将接收到的信号从时域变换到分数阶傅里叶域；
N个补偿模块，每个补偿模块包括一个色散补偿模块和一个非线性补偿模块，用于在分数阶傅里叶域中对信号进行色散补偿和非线性进行补偿；经所述第一分数阶傅里叶变换模块变换到分数阶傅里叶域中的信号，经过N个所述补偿模块完成N次色散补偿和非线性补偿，N为大于1的正整数；
第二分数阶傅里叶变换模块，阶数为-p，用于将完成N次色散补偿和非线性补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回时域。
在上述装置中，每个补偿模块由一个色散补偿模块和一个非线性补偿模块顺序组成；或者，每个补偿模块由一个非线性补偿模块和一个色散补偿模块顺序组成。
与现有技术相比，本发明提供的方案，通过分数阶傅里叶变换，将接收端的采样信号从时域变换到分数阶傅里叶域，信号的色散补偿和非线性补偿均在分数阶傅里叶域中进行，无需在时域和频域之间来回切换，因此可以省略众多的傅里叶变换/傅里叶逆变换的计算过程，算法复杂度大大降低，提高了效率；且能够实现和传统方法一样的性能，具有更好的实用前景。
附图说明
图1为本发明提供的用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法流程图；
图2为一种应用场景示例的调制信号的星座图；
图3为图2应用场景示例采用本发明方法完成色散补偿和非线性补偿后的调制信号的星座图；
图4为本发明中一个实例的补偿效果与分步数N的统计示意图；
图5为本发明提供的用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的装置示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法及装置，该方法在光纤通信系统的接收端的电域中进行。相较于现有的色散和非线性补偿方法中采用的DBP(Digital Backpropagation，数字背向传输)算法，能够在保证色散和非线性补偿效果的同时，大大降低色散和非线性补偿算法的复杂度，提高效率，具有更高实用的价值。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。
本发明的实现原理是：
利用分数阶傅里叶变换能够同时体现信号的时域和频域特性的特点，首先通过分数阶傅里叶变换，将经过采样量化得到的信号从时域变换到分数阶傅里叶域，然后在分数阶傅里叶域中对采样量化得到的信号进行多光华色散补偿和非线性补偿，最后再通过分数阶傅里叶变换将经过多次色散补偿和非线性补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回时域。
由于本发明方案，信号的色散补偿和非线性补偿均在分数阶傅里叶域中进行，因此进行补偿计算时无需在时域和频域之间来回切换，可以省略众多的傅里叶变换/傅里叶逆变换的计算过程，算法复杂度大大降低，提高了效率；且能够实现和传统方法一样的性能效果。
具体地，本发明提供的用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法，其基本技术方案的实现主要包括以下步骤：
通过分数阶傅里叶变换，接收端将采样量化后的信号从时域变换到分数阶傅里叶域；
采样量化后的信号，在分数阶傅里叶域中进行多次色散补偿和非线性补偿；
通过分数阶傅里叶变换将经过多次色散补偿和非线性补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回时域。
为了对本发明的技术方案和实现方式做出更清楚地解释和说明，以下介绍实现本发明技术方案的几个优选的具体实施例。显然，以下所描述的具体实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施例1。
该具体实施例1应用于对300km光纤传输的16QAM(Quadrature AmplitudeModulation，正交幅度调制)调制信号进行处理。
如图2所示的应用场景实例中，300km光纤传输的16QAM(Quadrature AmplitudeModulation，正交幅度调制)调制信号的星座图，由于色散和非线性效应的影响，信号的星座图已经完全弥散，无法解出原本的信号。
为此，本发明提供的用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法，技术方案的实现，包括以下步骤：
步骤10：接收端通过模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)对由发送端经光纤传输来的信号进行采样量化，得到采样量化信号，该采样量化信号为时域信号。
步骤20：采样量化信号经过一次阶数为p的分数阶傅里叶变换，从时域变换为分数阶傅里叶域。
其中p为0到1之间的小数，根据光纤通信系统色散和非线性效应对信号影响的相对强弱来选取。
对于色散比非线性对信号影响大的系统，p的取值应该接近1，色散越大p的值越接近于1，如p＝0.98，p＝0.99等；对于非线性对信号的影响占主导地位的系统，p的取值应该接近于0，并且非线性越强，p的值越接近于0，如p＝0.01，p＝0.02等。
步骤30：经过分数阶傅里叶变换后的信号，经过N个补偿模块，完成对信号的色散补偿和非线性补偿。
本具体实施例1中，每个补偿模块由一个色散补偿模块和一个非线性补偿模块顺序组成。因此，经过分数阶傅里叶变换后的信号，交替经过N个色散补偿模块和N个非线性补偿模块，对信号完成N次色散补偿和非线性补偿。
该步骤意味着，一个色散补偿模块和一个非线性补偿模块组成一个补偿模块，该补偿模块完成一次色散补偿和一次非线性补偿，本发明方案中共设置有N个补偿模块，总共完成N次色散补偿和非线性补偿。
N为色散补偿和非线性补偿的分步数，N为大于1的正整数，可以根据补偿后信号的性能选取一个最优值。
进行色散补偿和非线性补偿时，首先经过一次色散补偿和一次非线性补偿，当分步数未结束时，该次补偿后的信号再次进行一次色散补偿和一次非线性补偿，直到达到分步数N，完成全部的色散补偿和非线性补偿。
步骤40：经过N次色散补偿和非线性补偿后的信号，再经过一次阶数为-p分数阶傅里叶变换，使其从分数阶傅里叶域变换回到时域。
上述图2所示的应用场景实例，采用本发明的方法进行色散补偿和非线性补偿后，信号的星座图如图3所示。从图3可以看到，采用本发明的方法补偿色散和非线性后，信号的星座图变得可以分辨，从而说明本发明提供的方案可以很好地补偿光纤中的色散和非线性效应。
具体实施例2。
上述具体实施例1中，步骤30在进行色散补偿和非线性补偿时，每次补偿是先进行色散补偿，然后再进行非线性补偿，实际上，先进行非线性补偿，然后再进行色散补偿同样是可行的。因此，本发明具体实施例2提供的方案，步骤30为：
经过分数阶傅里叶变换后的信号，经过N个补偿模块，完成对信号的色散补偿和非线性补偿，其中每个补偿模块由一个非线性补偿模块和一个色散补偿模块顺序连接组成。
因此，经过分数阶傅里叶变换后的信号，交替经过N个非线性补偿模块和N个色散补偿模块，对信号完成N次非线性补偿和色散补偿。
具体实施例3。
本具体实施例3是对上述方法中，经分数阶傅里叶变换后的信号进行色散补偿的细化，色散补偿模块上具有色散补偿算法，因此，一次色散补偿包括以下步骤：
步骤31：将色散在频域中的传递函数
Figure BDA0001675587660000081
进行阶数为1-p的分数阶傅里叶变换，得到色散在分数阶傅里叶域中的传递函数
Figure BDA0001675587660000082
其中：
HCD(ω)为色散在频域的传递函数，i为虚数单位，β2为光纤的群速度色散，ω为信号的角频率，h为补偿算法的步长；
Figure BDA0001675587660000091
为色散在p阶分数阶傅里叶域中的传递函数，FRFT1-p表示阶数为1-p的分数阶傅里叶变换。
步骤32：将经分数阶傅里叶变换后的信号，与色散在分数阶傅里叶域中的传递函数
Figure BDA0001675587660000092
在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到经过该色散补偿模块进行色散补偿后的信号。
具体实施例4。
本具体实施例4是对上述方法中，经色散补偿后的信号进行非线性补偿的细化，每一次非线性补偿由一个非线性补偿模块完成，非线性补偿模块具有非线性补偿算法，因此，一次非线性补偿包括以下步骤：
步骤33：将非线性效应在时域中的传递函数
Figure BDA0001675587660000093
进行阶数为p的分数阶傅里叶变换，得到非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数
Figure BDA0001675587660000094
其中：
hNL(t)为非线性效应的时域传递函数，i为虚数单位，α为光纤的损耗系数，γ为光纤的非线性系数，|A(t)2为信号的功率波形。
步骤34：将经色散补偿后的信号与非线性效应的分数阶傅里叶域传递函数，在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到经过该非线性补偿模块进行非线性补偿后的信号。
在具体实施例2和3中，进行色散补偿和非线性补偿时，补偿算法的步长h和分步数N相关，当步长为均匀分布时N×h＝L，其中L为光纤的总长度；当步长为非均匀分布时，
Figure BDA0001675587660000095
其中hk为第k步的步长，并且非线性越强的光纤段步长应该选取得越小。
具体实施例5。
本发明中，补偿计算的分步数N为一个大于1的正整数，N越大，补偿的效果越好，但是成本也随之增加。因此，对于一个特定的系统，N的取值可以通过补偿效果与分步数N的统计图获得，一般取该补偿方法的性能接近饱和的最小值N，如图4所示。
具体实施例6。
本发明提供的方法，经过全部补偿后的输出信号，其性能通过自适应算法模块进行判断，并根据判断的结果，自动调整阶数p的取值，从而进一步提高信号质量。
针对本发明的具体实施例，补偿效果与分步数N的测试结果如图4所示，图4的横坐标为分步数N，纵坐标为该补偿方法的性能。可以看到，在分步数大于10以后，提高分步数对于补偿性能的改善不明显，因此综合考虑性能和成本的问题，可以认为分步数N选10比较合适。
在上述方法的基础上，本发明还提供了一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的装置，如图5所示，该用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的装置包括：
第一分数阶傅里叶变换模块20，阶数为p，用于将接收到的信号从时域变换到分数阶傅里叶域，以进行后续的处理；
N个补偿模块，每个补偿模块包括一个色散补偿模块30和一个非线性补偿模块40，用于在分数阶傅里叶域中对信号进行色散补偿和非线性进行补偿；每个色散补偿模块30具有色散补偿算法，通过将经分数阶傅里叶变换后的信号与色散在分数阶傅里叶域中的传递函数，在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到经过该色散补偿模块进行色散补偿后的信号；每个非线性补偿模块40具有非线性补偿算法，通过将经色散补偿后的信号与非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数，在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到经过该非线性补偿模块进行非线性补偿后的信号。N为大于1的正整数。
第二分数阶傅里叶变换模块50，阶数为-p，用于将经过N次色散和非线性补偿的信号从分数阶傅里叶域变换回时域，以进行后续的处理或判决。
经过补偿的输出信号的性能通过自适应算法模块进行判断，并根据判断的结果，调整阶数p的取值。
该用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的装置的处理过程如下：
接收端首先通过模数转换器10对接收信号进行采样量化，然后由第一分数阶傅里叶变换模块20经过一次阶数为p的分数阶傅里叶变换，使信号从时域变换为分数阶傅里叶域，再将经过分数阶傅里叶变换后的信号交替经过N个色散补偿模块30和N个非线性补偿模块40交替进行N次色散补偿和非线性补偿，每次色散补偿和非线性补偿先进行色散补偿，然后再进行非线性补偿，或者，每次色散补偿和非线性补偿先进行非线性补偿，然后再进行色散补偿，最后，通过第二分数阶傅里叶变换模块50，将经过N次色散补偿和非线性补偿后的信号，再经过一次阶数为-p分数阶傅里叶变换，使其从分数阶傅里叶域变换回到时域。色散补偿和非线性补偿均在分数阶傅里叶域中进行，计算时无需在时域和频域之间来回切换，可以省略众多的傅里叶变换/傅里叶逆变换的计算过程，算法复杂度大大降低，提高了效率。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过分数阶傅里叶变换，将接收端的采样信号从时域变换到分数阶傅里叶域；
在分数阶傅里叶域中对信号进行N次色散和非线性补偿，N为大于1的正整数；
通过分数阶傅里叶变换将经过N次色散和非线性补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回到时域；
每次补偿先进行一次色散补偿，然后再进行一次非线性补偿；或者，
每次补偿先进行一次非线性补偿，然后再进行一次色散补偿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行色散补偿的方法包括以下步骤：
将色散在频域的传递函数进行阶数为1-p的分数阶傅里叶变换，得到色散在分数阶傅里叶域中的传递函数；
将经分数阶傅里叶变换后的信号与色散在分数阶傅里叶域中的传递函数，在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到色散补偿后的信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
色散在频域中的传递函数为
Figure FDA0002241201420000011
经过阶数为1-p的分数阶傅里叶变换后，得到色散在分数阶傅里叶域中的传递函数为
Figure FDA0002241201420000012
其中：
HCD(ω)为色散在频域的传递函数，i为虚数单位，β2为光纤的群速度色散，ω为信号的角频率，h为补偿算法的步长；
Figure FDA0002241201420000013
为色散在p阶分数阶傅里叶域中的传递函数，FRFT1-p表示阶数为1-p的分数阶傅里叶变换。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行非线性补偿的方法包括以下步骤：
将非线性效应在时域的传递函数进行阶数为p的分数阶傅里叶变换，得到非线性效应在分数阶傅里叶域传递函数；
将经色散补偿后的信号与非线性效应的分数阶傅里叶域传递函数在p阶分数阶傅里叶域内做卷积运算，得到经过一个非线性补偿模块进行非线性补偿后的信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
非线性效应在时域的传递函数为
Figure FDA0002241201420000021
经过阶数为p的分数阶傅里叶变换后，得到的非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数中
Figure FDA0002241201420000022
其中：
hNL(t)为非线性效应的时域传递函数，α为光纤的损耗系数，i为虚数单位，γ为光纤的非线性系数，|A(t)|2为信号的功率波形。
6.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于，步长h和分步数N相关，当步长为均匀分布时N×h＝L，其中L为光纤的总长度；当步长为非均匀分布时，
Figure FDA0002241201420000023
其中hk为第k步的步长，并且非线性越强的光纤段步长选取得越小。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，N取补偿的性能接近饱和的最小值。
8.一种用于光纤通信系统接收端色散和非线性补偿的装置，其特征在于，包括：
第一分数阶傅里叶变换模块，阶数为p，用于将接收到的信号从时域变换到分数阶傅里叶域；
N个补偿模块，每个补偿模块包括一个色散补偿模块和一个非线性补偿模块，用于在分数阶傅里叶域中对信号进行色散补偿和非线性进行补偿；经所述第一分数阶傅里叶变换模块变换到分数阶傅里叶域中的信号，经过N个所述补偿模块完成N次色散补偿和非线性补偿，N为大于1的正整数；
第二分数阶傅里叶变换模块，阶数为-p，用于将完成N次色散补偿和非线性补偿后的信号从分数阶傅里叶域变换回时域。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，
每个补偿模块由一个色散补偿模块和一个非线性补偿模块顺序组成；或者，每个补偿模块由一个非线性补偿模块和一个色散补偿模块顺序组成。
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