CN109450552B - 一种基于cma的信号均衡方法及系统 - Google Patents

Abstract

具体来讲是一种基于CMA的信号均衡方法及系统，涉及相干光通信系统的数字信号处理部分，包括步骤：计算不同时间光信号的偏振态旋转速率，在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，选择最低误码率对应的更新系数作为该偏振态旋转速率的最佳更新系数；所述更新系数为滤波器每次更新的步长；根据偏振态旋转速率，实时选取对应的最佳更新系数，反馈到滤波系数进行更新。在光信号偏振态发生变化的情况下调节更新系数μ，确保滤波器工作在最佳状态，避免相干光接收系统崩溃或出现震荡。

Description

一种基于CMA的信号均衡方法及系统

技术领域

本发明涉及相干光通信系统的数字信号处理部分，具体来讲是一种基于CMA(Constant Modulus Algorithm，恒模算法)的信号均衡方法及系统。

背景技术

目前，光通信正朝着更高速率，更大容量，更远距离的方向不断发展，相干光通信得到越来越广泛的应用。然而在提升信道容量、提高传输速率的同时，功率衰减、色散、非线性效应等因素成为制约相干光通信发展的瓶颈，系统对色散补偿的要求大大提高。

为了克服相干光传输系统中的各类色散损失带来的负面影响，通常使用各类均衡算法来进行补偿。在众多的均衡算法中，使用盲均衡算法的自适应滤波器成为系统补偿的最佳方法。其中，CMA算法被广泛应用于相干光接收系统的接偏振复用算法中。

如图1所示，为CMA算法的滤波器的结构框图，滤波器的输出公式如下：

上述(1)、(2)式中，n表示码元周期的序号，滤波系数为，由于每个时刻包括多个滤波系数，l是同一时刻滤波系数的序号，且-L+1≤l≤L-1，L为滤波器内子模块的个数，x与y表示偏振方向，Eout^x(n)为x偏振对应的第n个输出信号，Eout^y(n)为y偏振对应的第n个输出信号，Ein^x(n-l)是x偏振第n个接收信号，Ein^y(n-l)是y偏振第n个接收信号，F^xx(l)，F^xy(l)，F^yx(l)，F^yy(l)分别表示在同一个时刻，序号为l的四组滤波系数，其中F^xx(l)是x偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^xy(l)是y偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^yx(l)是x偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数，F^yy(l)是y偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数。通过CMA算法更新滤波系数的公式如下：

F^xx(l，g+1)＝F^xx(l，g)+4με_xEout^x(n)[Ein^x(n-l)]^* (3)

F^xy(l，g+1)＝F^xy(l，g)+4με_xEout^x(n)[Ein^y(n-l)]^* (4)

F^yx(l，g+1)＝F^yx(l，g)+4με_yEout^y(n)[Ein^x(n-l)]^* (5)

F^yy(l，g+1)＝F^yy(l，g)+4με_yEout^y(n)[Ein^y(n-l)]^* (6)

其中，g表示更新前，g+1表示更新后，F^xx(l，g)，F^xy(l，g)，F^yx(l，g)，F^yy(l，g)均表示更新前序号为l的四组滤波系数；F^xx(l，g+1)，F^xy(l，g+1)，F^yx(l，g+1)，F^yy(l，g+1)均表示更新后序号为l的四组滤波系数。其中μ表示更新系数，是一个微小增量，控制滤波系数更新的速度。ε_x表示滤波器输出信号x偏振与期望值之间的误差，ε_y表示滤波器输出信号y偏振与期望值之间的误差，滤波系数将自动收敛到ε的最小值时的取值，误差更新公式如下：

ε_x＝1-Eout^x(n)[Eout^x(n)]^* (7)

ε_y＝1-Eout^y(n)[Eout^y(n)]^* (8)

在算法初始化阶段，以F^xx(0)＝1、F^yy(0)＝1、以及其他滤波系数F(l)＝0为起始值，固定μ值在一个初始值，理论上经过不断迭代更新滤波系数，最终ε会逐渐收敛到最小值附近。

然而，每个滤波器的μ值都是固定的，滤波系数更新的速度也是基本固定的。滤波系数更新的快慢受到μ值大小影响，μ值太小会导致滤波系数更新过慢，当光信号偏振态快速旋转时，滤波系数可能无法及时更新，导致大量误码产生，最终造成相干光接收系统崩溃。若μ值较大，在光信号偏振态稳定时，会引入跟踪误差噪声，还可能导致相干光接收系统出现震荡。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于CMA的信号均衡方法及系统，在光信号偏振态发生变化的情况下调节更新系数μ，确保滤波器工作在最佳状态，避免相干光接收系统崩溃或出现震荡。

为达到以上目的，一方面，采取一种基于CMA的信号均衡方法，其特征在于，包括步骤：

计算不同时间光信号的偏振态旋转速率，在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，选择最低误码率对应的更新系数作为该偏振态旋转速率的最佳更新系数；所述更新系数为滤波器每次更新的步长；

根据偏振态旋转速率，实时选取对应的最佳更新系数，反馈到滤波系数进行更新。

优选的，在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率时，根据环境设置更新系数的初始值，所述更新系数的取值范围是10^-1至10^-9。

优选的，每次检测到偏振旋转后增大更新系数，且更新系数每次增大的倍数相同。

优选的，在偏振态旋转速率和误码率的关系图中，将最佳更新系数从改变到下一次改变之间的偏振态旋转速率作为一个区间；根据偏振态旋转速率选择所在区间对应的最佳更新系数反馈到滤波系数进行更新。

优选的，所述偏振态旋转速率的计算方式为：提取滤波器的滤波系数，通过滤波系数计算光信号的偏振态，得到用于描述x偏振态或y偏振态的斯托克斯向量，对斯托克斯向量的时域数据进行快速傅立叶变换FFT得到各自的频谱，将频谱叠加后得到x偏振态或y偏振态的旋转频谱，旋转频谱中最高频点对应的是偏振态旋转速率。

优选的，所述提取滤波器的滤波系数包括：对滤波器的多个滤波系数进行复数求和，计算公式如下：

其中，F^xx表示x偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^xy表示y偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^yx表示x偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数，F^yy表示y偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数；l表示同一时刻滤波系数的序号，L为滤波器内子模块的个数，且-L+1≤l≤L-1。

优选的，所述得到用于描述x偏振态的斯托克斯向量包括：

S₀＝|F^xx|²+|F^xy|² (13)

S₁＝[|F^xx|²-|F^xy|²]/S₀ (14)

S₂＝-2Re(F^xx*F^xy)/S₀ (15)

S₃＝2Im(F^xx*F^xy)/S₀ (16)

其中，S₀表示光信号总强度，{S₁,S₂,S₃}表示x偏振态的斯托克斯向量。

优选的，对斯托克斯向量{S₁,S₂,S₃}的时域数据进行FFT得到各自的频谱{f_s1,f_s2,f_s3}，叠加后得到x偏振态的旋转频谱f_x，且f_x＝f_s1+f_s2+f_s3。

一方面，采取一种基于CMA的信号均衡系统，包括：

滤波模块，用于对输入的x偏振光和y偏振光进行滤波；

偏振态旋转速率计算模块，用于根据滤波模块中x偏振态和y偏振态的滤波系数计算得到偏振态旋转速率；

反馈模块，用于根据偏振态实时选取对应的最佳更新系数，反馈给滤波模块进行更新；

所述最佳更新系数是在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，最低误码率对应的更新系数。

优选的，所述偏振态旋转速率计算模块包括：

偏振态计算单元，用于提取滤波模块中x偏振和y偏振的滤波系数，通过计算光信号的偏振态，得到用于描述x偏振态或y偏振态的斯托克斯向量；

FFT单元，用于对所述斯托克斯向量的时域数据进行FFT得到各自的频谱，再将频谱叠加得到x偏振态或y偏振态的旋转频谱，旋转频谱中最高的频点对应的是偏振态旋转速率。

上述技术方案具有如下有益效果：

预先选择最低误码率对应的更新系数μ作为对应偏振态旋转速率的最佳更新系数，最佳更新系数可以预先设置好，在相干光接收系统工作时，根据偏振态旋转速率，实时选取对应的最佳更新系数，反馈到滤波系数进行更新，可以动态进行调节，实现信号均衡处理，避免相干光接收系统的滤波系数无法及时更新的情况，防止相干光接收系统崩溃，避免相干光接收系统出现震荡。另外，在滤波系数动态调节的过程中，可以监控相干光接收系统的偏振态旋转速率，提高了滤波器的适应范围，确保滤波器工作在最佳状态。

附图说明

图1为背景技术中滤波器的原理图；

图2为本发明实施例不同μ值下，偏振态旋转速率和误码率的关系示意图；

图3为本发明实施例基于CMA的信号均衡方法示意图；

图4为本发明实施例基于CMA的信号均衡系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例基于CMA的信号均衡方法，包括步骤：

计算不同时间光信号的偏振态旋转速率，在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，选择最低误码率对应的更新系数μ作为该偏振态旋转速率的最佳更新系数，并进行记录。

其中，更新系数μ是需要调整的微小系数，为滤波器每次更新的步长，控制滤波系数更新的速度。μ的取值范围是10^-1至10^-9，测试时可以根据环境设置初始值，例如0.01、0.001或0.0001，每次检测到偏振旋转后增大更新系数，且更新系数每次增大的倍数相同。

如图2所示，为不同μ值下，偏振态旋转速率和误码率的关系示意图。本实施例中初始μ值设置为0.001，以2倍逐渐增加，分别作为不同的μ值。在偏振态旋转速率为0时，μ值为0.001时误码率最小；在偏振态旋转速率为100krad/s和200krad/s时，μ值为0.016时误码率最小；在偏振态旋转速率为300krad/s、400krad/s、500krad/s和200krad/s时，μ值为0.032时误码率最小。因此0.001、0.016和0.032是对应偏振态旋转速率最佳更新系数。为了更加简化流程，可以预先将最低误码率对应的μ值(即最佳更新系数)从改变到下一次改变之间的偏振态旋转速率作为一个区间，如0-100krad/s是第一个区间、100krad/s-300krad/s是第二个区间，300krad/s-600krad/s是第三个区间，这样每个区间内的偏振态旋转速率对应的最佳更新系数是同一个。

上述偏振态旋转速率的计算方式为：

首先提取滤波器的滤波系数，由于滤波器有多个滤波系数，在计算时直接根据下面公式进行复数求和：

上述公式(9)-(12)中，F^xx表示x偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^xy表示y偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^yx表示x偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数，F^yy表示y偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数；l表示同一时刻滤波系数的序号，L为滤波器内子模块的个数，且-L+1≤l≤L-1。

然后计算光信号的偏振态，本实施例中有x偏振的滤波系数{F^xx,F^xy}，以及y偏振的滤波系数{F^yx,F^yy}。由于x偏振和y偏振互成90度，所以在计算时只用计算一个偏振即可。优选的，以x偏振为例，按照以下公式进行计算：

S₀＝|F^xx|²+|F^xy|² (13)

S₁＝[|F^xx|²-|F^xy|²]/S₀ (14)

S₂＝-2Re(F^xx*F^xy)/S₀ (15)

S₃＝2Im(F^xx*F^xy)/S₀ (16)

其中，S₀表示光信号总强度，{S₁,S₂,S₃}表示x偏振态的斯托克斯向量。在偏振态稳定时，斯托克斯向量基本保持不变；当偏振态发生旋转，斯托克斯向量呈现波动状态，三个向量{S₁,S₂,S₃}的波动频率与旋转速率一致，相位可能有所不同。

然后，对斯托克斯向量{S₁,S₂,S₃}的时域数据进行FFT(fast Fourier transform，快速傅立叶变换)，得到各自的频谱{f_s1,f_s2,f_s3}，然后将3个频谱叠加得到x偏振的旋转频谱f_x：

f_x＝f_s1+f_s2+f_s3 (17)

在得到的x偏振的旋转频谱f_x中，最高频点对应的是偏振态旋转速率。

如图3所示，在相干光接收系统开始工作后，按照上述步骤先提取滤波器的滤波系数，再通过斯托克斯向量{S₁,S₂,S₃}和FFT进行计算最后得到旋转频谱f_x，进而得到偏振态旋转速率后，根据得到的偏振态旋转速率更新μ值，选择该偏振态旋转速率对应的最佳更新系数，将最佳更新系数反馈到滤波系数进行更新。优选的，得到偏振态旋转速率后，根据偏振态旋转速率选择所在区间，得到对应的最佳更新系数，将最佳更新系数反馈到滤波系数进行更新，这样可以简化算法。

图3中所示的过程反复迭代，可以在监控相干光接收系统偏振旋转速率的同时，动态的调整滤波器调节能力，提高了滤波器的适应范围，保持相干光接收系统始终工作在最佳状态。

如图4所示，本实施例中，基于CMA的信号均衡系统包括滤波模块、偏振态旋转速率计算模块和反馈模块。

滤波模块用于对输入的x偏振光和y偏振光进行滤波。

偏振态旋转速率计算模块，用于根据滤波模块中x偏振态和y偏振态的滤波系数计算得到偏振态旋转速率。

反馈模块，用于根据偏振态实时选取对应的最佳更新系数，反馈给滤波模块进行更新。其中，最佳更新系数是在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，最低误码率对应的更新系数μ。

优选的，偏振态旋转速率计算模块包括偏振态计算单元和FFT单元。偏振态计算单元，用于提取滤波模块中x偏振和y偏振的滤波系数，通过计算光信号的偏振态，得到用于描述x偏振态或y偏振态的斯托克斯向量；

FFT单元，用于对上述斯托克斯向量的时域数据进行FFT得到各自的频谱，再将频谱叠加得到x偏振态或y偏振态的旋转频谱，旋转频谱中最高的频点对应的是偏振态旋转速率。

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 (10)

1.一种基于CMA的信号均衡方法，其特征在于，包括步骤：

计算不同时间光信号的偏振态旋转速率，在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，选择最低误码率对应的更新系数作为该偏振态旋转速率的最佳更新系数；所述更新系数为滤波器每次更新的步长；

根据偏振态旋转速率，实时选取对应的最佳更新系数，反馈到滤波系数进行更新。

2.如权利要求1所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于：在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率时，根据环境设置更新系数的初始值，所述更新系数的取值范围是10^-1至10^-9。

3.如权利要求2所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于：每次检测到偏振旋转后增大更新系数，且更新系数每次增大的倍数相同。

4.如权利要求3所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于：在偏振态旋转速率和误码率的关系图中，将最佳更新系数从改变到下一次改变之间的偏振态旋转速率作为一个区间；根据偏振态旋转速率选择所在区间对应的最佳更新系数反馈到滤波系数进行更新。

5.如权利要求1所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于，所述偏振态旋转速率的计算方式为：

提取滤波器的滤波系数，通过滤波系数计算光信号的偏振态，得到用于描述x偏振态或y偏振态的斯托克斯向量，对斯托克斯向量的时域数据进行快速傅立叶变换FFT得到各自的频谱，将频谱叠加后得到x偏振态或y偏振态的旋转频谱，旋转频谱中最高频点对应的是偏振态旋转速率。

6.如权利要求5所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于，所述提取滤波器的滤波系数包括：对滤波器的多个滤波系数进行复数求和，计算公式如下：

其中，F^xx表示x偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^xy表示y偏振输入信号到x偏振输出信号的滤波系数，F^yx表示x偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数，F^yy表示y偏振输入信号到y偏振输出信号的滤波系数；l表示同一时刻滤波系数的序号，L为滤波器内子模块的个数，且-L+1≤l≤L-1。

7.如权利要求6所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于，所述得到用于描述x偏振态的斯托克斯向量包括：

S₀＝|F^xx|²+|F^xy|²

S₁＝[|F^xx|²-|F^xy|²]/S₀

S₂＝-2Re(F^xx*F^xy)/S₀

S₃＝2Im(F^xx*F^xy)/S₀

其中，S₀表示光信号总强度，{S₁,S₂,S₃}表示x偏振态的斯托克斯向量。

8.如权利要求7所述的基于CMA的信号均衡方法，其特征在于：对斯托克斯向量{S₁,S₂,S₃}的时域数据进行FFT得到各自的频谱{f_s1,f_s2,f_s3}，叠加后得到x偏振态的旋转频谱f_x，且f_x＝f_s1+f_s2+f_s3。

9.使用如权利要求1-8任一项所述的基于CMA的信号均衡方法的系统，其特征在于，包括：

滤波模块，用于对输入的x偏振光和y偏振光进行滤波；

偏振态旋转速率计算模块，用于根据滤波模块中x偏振态和y偏振态的滤波系数计算得到偏振态旋转速率；

反馈模块，用于根据偏振态实时选取对应的最佳更新系数，反馈给滤波模块进行更新；

所述最佳更新系数是在每个偏振态旋转速率下测试不同更新系数对应的误码率，最低误码率对应的更新系数。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述偏振态旋转速率计算模块包括：

偏振态计算单元，用于提取滤波模块中x偏振和y偏振的滤波系数，通过计算光信号的偏振态，得到用于描述x偏振态或y偏振态的斯托克斯向量；

FFT单元，用于对所述斯托克斯向量的时域数据进行FFT得到各自的频谱，再将频谱叠加得到x偏振态或y偏振态的旋转频谱，旋转频谱中最高的频点对应的是偏振态旋转速率。

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