CN108933626B

CN108933626B - 一种信号处理方法和装置

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Publication number: CN108933626B
Application number: CN201710375209.XA
Authority: CN
Inventors: 费爱梅; 王蕾; 高冠军; 许丞; 尚雅雯
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: CN108933626A

Abstract

本发明提供了一种光信号处理方法和装置，接收由光纤传输的至少由两个原始光信号耦合而成的光信号；将光信号经过模式解复用，得到中间光信号；对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。通过本发明的实施，由于斯托克斯空间分析与信号调制格式无关，因此适用于不同调制格式的光信号耦合后的解复用，并且相对于传统算法具有计算复杂度低、适用范围广和收敛速度快的特点，提升了解复用的准确度。

Description

一种信号处理方法和装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种信号处理方法和装置。

背景技术

在模分复用系统中，相互正交的不同模式的光信号在光纤传输过程中会发生模式间耦合，使得在接收端的两路信号相互串扰不发区分，严重影响接收信号的质量。两种强耦合模式由于较强的模式间耦合两路信号相互串扰在接收端难以区分，两种弱耦合模式在光纤中传输经过长距离光纤传输、光纤级联以及光学器件扰模作用也会出现于强耦合效应相同的结果。

目前，光通信中通常会采用两种调制格式想用的信号，对于在传输过程中的模式耦合的问题，接收端一般采用恒模算法(CMA)进行均衡。由于CMA算法是和调制信号幅度相关的，此特性决定CMA只能对调制格式相同的信号进行解复用，对两调制格式不同的信号无法进行有效的均衡。而多模算法(MMA)存在奇点问题，两路信号可能都会收敛到同一路上，无法成功解复用。因此，现有技术中没有一种稳定可靠的对耦合光信号解复用的方式。

发明内容

本发明实施例提供了一种信号处理方法和装置，旨在解决现有技术中耦合传输不同调制格式的光信号解复用方式准确率低，可靠性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种信号处理方法，包括：

接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；

将所述光信号经过模式解复用，得到中间光信号；

对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；

将所述数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。

此外，本发明实施例还提供一种信号处理装置，包括：

接收模块，用于接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；

解复用模块，用于将所述光信号经过模式解复用，得到中间光信号；

采样模块，用于对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；

分析模块，用于将所述数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种信号处理方法和装置，接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；将光信号经过模式解复用，得到中间光信号；对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。通过本发明的实施，由于斯托克斯空间分析与信号调制格式无关，因此适用于不同调制格式的光信号耦合后的解复用，并且相对于传统算法具有计算复杂度低、适用范围广和收敛速度快的特点，提升了解复用的准确度。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的一种信号处理方法流程图；

图2为本发明第一实施例提供的一种信号处理系统框图；

图3为本发明第一实施例提供的一种信号处理流程框图；

图4为本发明第二实施例提供的一种信号处理装置组成示意图；

图5为本发明第三实施例提供的一种信号处理方法流程图；

图6为本发明第三实施例提供的一种信号处理方法流程图。

具体实施方式

本发明的构思点在于，通过斯托克斯空间分析法的应用，可以大大提升耦合光信号解复用的准确率。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

第一实施例

请参考图1，图1是本发明第一实施例提供的一种信号处理方法流程图，包括：

S101、接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；

S102、将光信号经过模式解复用，得到中间光信号；

S103、对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；

S104、将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。

光信号是通过光纤传输的。光纤，也叫做光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可用于传导工具，其传输原理是光的全反射。光纤按照其传播可能的模式，可分为单模光纤、少模光纤以及多模光纤。其中，单模光纤指的是在工作波长中，只能传输一个传播模式的光纤；少模光纤和多模光纤类似，指的是，按照工作波长以及传播可能的模式分为两路及以上模式的光纤，其中，量少的称之为少模光纤，量多的则称之为多模光纤。在本实施例中，传输光信号的光纤可以是少模光纤，也可以是多模光纤。请参考图2，图2示出了本实施例中的光信号传播系统框图，其中两路光信号通过两种调制格式调制，然后两组光信号经过模式复用后，通过少模光纤进行传输，在首次模式解复用之后，拆分为两组相干光信号被接收，然后，再通过斯托克斯空间分析对光信号进行解复用。

S101中，接收由光纤传输的，至少由两个两路原始光信号耦合而成的光信号。光信号的生成，其包括：首先，生成按照一定模式调制的电信号，其中，这些电信号之间的调制格式是不同的；然后，生成与电信号数量一致的光，并各自加载电信号，形成对应的光信号。因为有了原始光信号之间的强耦合问题，才有本实施例中的模式解复用过程。耦合之后的光信号会使得接收端的两路信号互相串扰无法区分，影响接收信号的质量。在本实施例中，耦合的两种信号是不同调制格式的光信号。在本实施例中，两路信号调制格式分别为：N-PSK和M-QAM。

其中，N-PSK，即N-phases pulse-shift keying，称之为N相脉冲移位键控，也叫相移键控，是一种用载波相位表示输入信号信息的调制技术。移相键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫作绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；“1”和“0”时调制后载波相位差180°。

M-QAM，即M-ary quadrature amplitude modulation，称之为M元正交调幅，也叫正交振幅调制。正交调幅是一种将两种调幅信号(2ASK和2PSK)汇合到一个信道的方法，因此会双倍扩展有效带宽，正交调幅被用于脉冲调幅。正交调幅信号有两个相同频率的载波，但是相位相差90度(四分之一周期，来自积分术语)。一个信号叫I信号，另一个信号叫Q信号。从数学角度将一个信号表示成正弦，另一个表示成余弦。两种被调制的载波在发射时已被混和。到达目的地后，载波被分离，数据被分别提取然后和原始调制信息相混和。以上两种调制格式在本实施例中分别作为两路原始光信号的调制格式。

S102中，将光信号经过模式解复用，得到中间光信号。此时的模式解复用是初次解复用过程，这里的解复用过程并不彻底，其采用的方式可以是解复用器；其中，解复用器的模式解复用方式只是简单的将光信号解调为两个模式的中间光信号，中间光信号中仍然存在两路原始光信号之间的耦合；通过相干接收，可以将两路原始光信号转换为电信号进行处理。

S103中，对中间光信号进行采样处理，得到数字信号。采样，是指把时间域或空间域的连续量转化为离散量的过程。在本实施例中，关于采样对应的采样频率是任意的，可以根据调制模式的不同等应用场景来指定，在此处并不对其进行具体的限定。

S104中，将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到解复用后的原始光信号斯托克斯空间分析是一种与信号调制格式无关的方式，换言之，不论光信号采用何种方式进行调制而成，都可以采用斯托克斯空间分析法来进行解复用操作。斯托克斯空间分析法的应用相对于传统算法具有计算复杂度低、适用范围广、收敛速度快等特点。

在本实施例中，具体的，将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号可以包括：将数字信号映射到斯托克斯空间中，形成与数字信号一一对应的斯托克斯向量；基于分层界限，对斯托克斯向量进行分层；根据分层后的斯托克斯向量，计算得到加权法向量；根据加权法向量确定信道传输逆矩阵，从而根据信道传输逆矩阵确定原始光信号。首先，将采样得到的数字信号映射到斯托克斯空间中，映射的结果就是斯托克斯空间中的斯托克斯向量。然后，对这些斯托克斯向量进行分层，分层是基于分层界限进行的，分层的结果会将这些斯托克斯向量分为几个层级，不同的层级之间通过分层界限来划分，分层界限的数量比层级的数量少一。然后，根据分层的结果，计算得到加权法向量，也就是斯托克斯空间的加权法向量。基于加权法向量可以得到信道传输逆矩阵，而知道了信道传输逆矩阵，就可以得知传输之前的各原始电信号，也就是解复用后的原始电信号。而基于信道传输逆矩阵得到原始电信号的过程为：将所得的信道传输逆矩阵，与接收得到的电信号相乘，就可以得到原始电信号。

在本实施例中，其中，基于分层界限，对斯托克斯向量进行分层可以包括：通过正交振幅调制标准信号星座图第一象限中的所有点到坐标原点的矢量长度的平方，确定相应信号的能量；将所得的能量与相移键控标准信号能量相加，得到每一个标准斯托克斯向量的总能量；根据各总能量的大小分布，对斯托克斯向量进行分层。其中，星座图，也就是信号矢量端点的分布图。其中，对于调制模式为M-QAM的光信号而言，其对应的星座图中第一象限的点的数量就是M/4。比如，当M＝16时，其位于第一象限的点的数量就是4，说明其在第一象限中有4个星座点。

对于斯托克斯向量

其能量计算方式为

用这种计算方式，算得位于第一象限的斯托克斯向量的能量值，然后，将这个能量值加上标准信号能量，得到每个斯托克斯向量S0即总能量E_j。准备信号能量，是某确定发射功率的标准信号娘量，比如，对于N-PSK而言，假设其发射功率为5，那么总能量就是所得的所托克斯向量的能量加上5。这样，就得到了各个位于第一象限的斯托克斯向量S0即总能量。

然后，根据总能量的大小分布，对斯托克斯向量进行分层。总能量的大小分布，值得注意的是，计算所得的结果中总能量按照从小到大的关系进行排列，不同大小的总能量分为不同的层，总能量大小一致的为一个层。相邻两层之间的标准分层界限为对应两种能量的平均值

其中gi，i+1为第i层和第i+1层之间的分层界限，分层界限的数量比层数少一。

此外，还可以通过分层之后，各层中的斯托克斯向量的数量，或者说星座图中的点数d_i(i＝1，…，s)，确定各层所占的权重

在本实施例中，根据分层后的斯托克斯向量，计算得到加权法向量可以包括：将各层中的斯托克斯向量进行拟合，得到各层中的面法向量；根据各层斯托克斯向量所占的权重以及面法向量，得到加权法向量。加权法向量的计算方式，一种可取的方式，首先将各层中的斯托克斯向量进行拟合。拟合是指已知某函数的若干离散函数值，通过调整该函数中若干待定系数，使得该函数与已知点集的差别最小。这里的差别，一般是指在最小二乘意义下的差别最小，最小二乘，也叫做最小平方法，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。换言之，本实施例中的面法向量

可以是最小二乘的面法向量

得到面法向量

之后，根据已知的，面法向量

以及各层所占的权重w_i，加权法向量的计算方式就是：

而在知道加权法向量之后，就可以得知传输逆矩阵，从而根据传输逆矩阵得到原始电信号。请参考图3，图3示出了一种本实施例中的通过斯托克斯空间分析对光信号进行解复用的流程框图，按照流程分别为：

首先，接收经过模式解复用后的相干光信号；然后，进行采样处理，得到对应的数字信号并映射在斯托克斯空间中，形成斯托克斯向量；然后，对斯托克斯向量进行分层处理，并拟合得到面法向量；然后，据此得到加权法向量，并根据加权法向量确定信号传输逆矩阵，从而实现光信号的解复用，得到原始电信号。

在得到原始电信号之后，还可以包括：对得到的原始电信号进行载波相位恢复，并补偿频率偏移和相位噪声，实现信号的解调。

本实施例提供了一种信号处理方法，接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；将光信号经过模式解复用，得到与原始光信号数量一致的中间光信号；对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到解复用后的原始光信号。通过本实施例的实施，由于斯托克斯空间分析与信号调制格式无关，因此适用于不同调制格式的光信号耦合后的解复用，并且相对于传统算法具有计算复杂度低、适用范围广和收敛速度快的特点，提升了解复用的准确度。

第二实施例

请参考图4，图4是本发明第二实施例提供的一种信号处理装置组成示意图，包括：

接收模块401，用于接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；

解复用模块402，用于将光信号经过模式解复用，得到与原始光信号数量一致的中间光信号；

采样模块403，用于对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；

分析模块404，用于将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。

在本实施例中，接收模块401用于接收由光纤传输的，至少由两个两路原始光信号耦合而成的光信号。光信号的生成，其包括：首先，生成按照一定模式调制的电信号，其中，这些电信号之间的调制格式是不同的；然后，生成与电信号数量一致的光，并各自加载电信号，形成对应的光信号。因为有了原始光信号之间的强耦合问题，才有本实施例中的模式解复用过程。耦合之后的光信号会使得接收端的两路信号互相串扰无法区分，影响接收信号的质量。在本实施例中，耦合的两种信号是不同调制格式的光信号。在本实施例中，两路信号调制格式分别为：N-PSK和M-QAM。

在本实施例中，解复用模块402用于将光信号经过模式解复用，得到中间光信号。此时的模式解复用是初次解复用过程，这里的解复用过程并不彻底，其采用的方式可以是解复用器；其中，解复用器的模式解复用方式只是简单的将光信号解调为两个模式的中间光信号，中间光信号中仍然存在两路原始光信号之间的耦合；通过相干接收，可以将两路原始光信号转换为电信号进行处理。

在本实施例中，采样模块403用于对中间光信号进行采样处理，得到数字信号。采样，是指把时间域或空间域的连续量转化为离散量的过程。在本实施例中，关于采样对应的采样频率是任意的，可以根据调制模式的不同等应用场景来指定，在此处并不对其进行具体的限定。

在本实施例中，分析模块404用于将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到解复用后的原始光信号斯托克斯空间分析是一种与信号调制格式无关的方式，换言之，不论光信号采用何种方式进行调制而成，都可以采用斯托克斯空间分析法来进行解复用操作。斯托克斯空间分析法的应用相对于传统算法具有计算复杂度低、适用范围广、收敛速度快等特点。

在本实施例中，具体的，分析模块404还可以用于：将数字信号映射到斯托克斯空间中，形成与数字信号一一对应的斯托克斯向量；基于分层界限，对斯托克斯向量进行分层；根据分层后的斯托克斯向量，计算得到加权法向量；根据加权法向量确定信道传输逆矩阵，从而根据信道传输逆矩阵确定原始光信号。首先，将采样得到的数字信号映射到斯托克斯空间中，映射的结果就是斯托克斯空间中的斯托克斯向量。然后，对这些斯托克斯向量进行分层，分层是基于分层界限进行的，分层的结果会将这些斯托克斯向量分为几个层级，不同的层级之间通过分层界限来划分，分层界限的数量比层级的数量少一。然后，根据分层的结果，计算得到加权法向量，也就是斯托克斯空间的加权法向量。基于加权法向量可以得到信道传输逆矩阵，而知道了信道传输逆矩阵，就可以得知传输之前的各原始电信号，也就是解复用后的原始电信号。而基于信道传输逆矩阵得到原始电信号的过程为：将所得的信道传输逆矩阵，与接收得到的电信号相乘，就可以得到原始电信号。

在本实施例中，分析模块404还可以用于：确定在标准信号星座图中，位于第一象限的正交振幅调制标准信号的能量；将所得的能量与相移键控标准信号能量相加，得到每一个位于第一象限的标准斯托克斯向量的总能量；根据各总能量的大小分布，对斯托克斯向量进行分层。其中，星座图，也就是信号矢量端点的分布图。其中，对于调制模式为M-QAM的光信号而言，其对应的星座图中第一象限的点的数量就是M/4。比如，当M＝16时，其位于第一象限的点的数量就是4，说明其在第一象限中有4个星座点。

对于斯托克斯向量

其能量计算方式为

在本实施例中，分析模块404还可以用于：将各层中的斯托克斯向量进行拟合，得到各层中的面法向量；根据各层斯托克斯向量所占的权重以及面法向量，得到加权法向量。加权法向量的计算方式，一种可取的方式，首先将各层中的斯托克斯向量进行拟合。拟合是指已知某函数的若干离散函数值，通过调整该函数中若干待定系数，使得该函数与已知点集的差别最小。这里的差别，一般是指在最小二乘意义下的差别最小，最小二乘，也叫做最小平方法，通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。换言之，本实施例中的面法向量

可以是最小二乘的面法向量

得到面法向量

之后，根据已知的，面法向量

以及各层所占的权重w_i，加权法向量的计算方式就是：

在本实施例中还可以包括修正模块405，用于对得到的原始电信号进行载波相位恢复，并补偿频率偏移和相位噪声，实现信号的解调。

在本实施例中，接收模块可以通过通信接口、通信总线等等实现，而解复用模块、采样模块、分析模块以及修正模块都可以通过中央处理器等实现。

本实施例提供了一种信号处理装置，接收由光纤传输的至少由两路原始光信号耦合而成的光信号；将光信号经过模式解复用，得到中间光信号；对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号。通过本实施例的实施，由于斯托克斯空间分析与信号调制格式无关，因此适用于不同调制格式的光信号耦合后的解复用，并且相对于传统算法具有计算复杂度低、适用范围广和收敛速度快的特点，提升了解复用的准确度。

第三实施例

请参考图5，图5是本发明第三实施例提供的一种信号处理方法流程图，包括：

S501、在发送端发送两种不同调制格式的电信号；

以信号调制格式为QPSK和16QAM为例，其中，N-PSK中的N为4，M-QAM中的M为16。激光器产生基模光束，通过分束器分为功率相同(假设功率均为5)的两路，一路基模光信号使用模式转换器加载QPSK信号，另一路基模光信号使用模式转换器转换加载16QAM信号。值得注意的是，本实施例仅仅是以一种可选的规格设置了两种调制格式的电信号，其中具体的参数，包括N和M以及功率都是可调节的。将两路调制好的光信号使用模式复用器复用为一路光信号，并通过准直器聚焦后耦合进入少模光纤中。在少模光纤中传输时，每传输一段距离使用少模光纤放大器对信号进行放大。在接收端，经过少模光纤传输的耦合光信号首先使用模式解复用器转换为两路光信号，再通过模式转换器转换为基模光信号。使用相干接收机对两路基模光信号分别进行相干探测和接收。此外，还可以使用示波器对接收的数字信号进行重采样并在时域对信号进行色散补偿。

S502、将接收到的数字信号转换为斯托克斯向量；

S503、对斯托克斯向量进行分层处理；

其中，具体的，请参考图6，分层的流程包括：

S601、取平均功率为5的16-QAM信号星座图第一象限的点共4个分别为(1，1)，(1，3)，(3，1)和(3，3)；

S602、计算每个点到坐标原点的矢量长度的平方，也就是相应信号的能量

分别为e₁＝1,e₂＝5,e₃＝5,e₄＝9；

S603、QPSK的信号功率为5，加QPSK的信号功率后的总能量为E₁＝6,E₂＝10,E₃＝10,E₄＝14。

S604、根据能量大小统计能量E_j共3种分别为6，10，14，对应的星座点数分别为1个(1，1)，2个(1，3)(3，1)，1个(3，3)；

S605、根据3种能量确定分层数为3，相邻两层的分层界限为对应两种能量的平均值8，12，根据

计算分层的权重为1/4，1/2，1/4；

S606、将斯托克斯向量分为三层。

S504、计算拟合得到每层的面法向量；

S505、计算得到加权法向量；

S506、根据加权法向量得到信号传输逆矩阵。根据所得逆矩阵乘以接收到的光信号即得到发射信号，实现解复用。使用维特比算法进行载波相位恢复。对解复用后的数字信号进行频偏补偿和相位噪声补偿，并解调信号。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种信号处理方法，包括：

接收由光纤传输的至少由两个原始光信号耦合而成的光信号；

将所述光信号经过模式解复用，得到中间光信号；

对中间光信号进行采样处理，得到数字信号；

将所述数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号，

所述将数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号包括：

将所述数字信号映射到斯托克斯空间中，形成与所述数字信号一一对应的斯托克斯向量；

基于分层界限，对所述斯托克斯向量进行分层；

根据分层后的所述斯托克斯向量，计算得到加权法向量；

根据所述加权法向量确定信道传输逆矩阵，并根据所述信道传输逆矩阵确定所述原始电信号；

所述基于分层界限，对所述斯托克斯向量进行分层包括：

通过M-QAM标准信号星座图第一象限中的所有点到坐标原点的矢量长度的平方，确定相应信号的能量；

将所得的能量与N-PSK标准信号能量相加，得到每一个标准斯托克斯向量的总能量；

根据各总能量的大小分布，对所述斯托克斯向量进行分层。

2.如权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述原始光信号的模式包括M-QAM模式和N-PSK模式。

3.如权利要求1所述的信号处理方法，其特征在于，所述根据分层后的所述斯托克斯向量，计算得到加权法向量包括：

将各层中的斯托克斯向量进行拟合，得到各层中的面法向量；

根据各层所述斯托克斯向量所占的权重，得到所述加权法向量。

4.如权利要求1-3任一项所述的信号处理方法，其特征在于，在所述将所述数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始光信号之后，还包括：

对得到的所述原始光信号进行载波相位恢复，并补偿频率偏移和相位噪声。

5.一种信号处理装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收由光纤传输的至少由两个原始光信号耦合而成的光信号；

分析模块，用于将所述数字信号经过斯托克斯空间分析，得到原始电信号，

所述分析模块还用于：

基于分层界限，对所述斯托克斯向量进行分层；

根据分层后的所述斯托克斯向量，计算得到加权法向量；

所述分析模块还用于：

根据各总能量的大小分布，对所述斯托克斯向量进行分层。

6.如权利要求5所述的信号处理装置，其特征在于，所述原始光信号的模式包括M-QAM模式和N-PSK模式。

7.如权利要求6所述的信号处理装置，其特征在于，所述分析模块还用于：

8.如权利要求5-7任一项所述的信号处理装置，其特征在于，还包括修正模块，用于对得到的所述原始电信号进行载波相位恢复，并补偿频率偏移和相位噪声。