CN109802728A

CN109802728A - Sv-dd系统中的均衡方法及装置

Info

Publication number: CN109802728A
Application number: CN201910062041.6A
Authority: CN
Inventors: 崔楠; 张晓光; 张文博; 席丽霞; 唐先锋; 郑子博
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-05-24
Anticipated expiration: 2039-01-23
Also published as: CN109802728B

Abstract

本发明实施例提供一种SV‑DD系统中的均衡方法及装置，其中方法包括：将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。本发明实施例相比现有技术具有更好的补偿效果且没有数据冗余，对累积CD有很高的估计精确度。

Description

SV-DD系统中的均衡方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及通信技术领域，更具体地，涉及SV-DD系统中的均衡方法及装置。

背景技术

物联网、虚拟现实和云计算等新兴业务的蓬勃发展，推动了数据中心之间短距离互联的需求，数据中心的距离从几百米到几十公里不等。在这样的应用场景下，既需要考虑收发机成本问题，又需要考虑系统传输能力。最近提出的“斯托克斯矢量(Stokes vector)直接检测(SV-DD)”方案，采用一个偏振态传输调制信号，另一个正交偏振态传输载波，具有与单偏振相干检测系统相同的频谱利用率，并且更加经济，因此，SV-DD方案非常适合于中短距光纤通信传输。

色散(CD：Chromatic dispersion)和偏振态变化(又叫偏振旋转，RSOP:Rotationof state of polarization)效应是光通信系统的两个主要的损伤。100km标准单模光纤累积的CD可高达1700ps/nm。此外，如果在发射端补偿CD，光纤的实际色散与发射端基于DSP的数字域CD补偿之间的不匹配将引入残余色散(RCD：residual CD)，导致传输性能严重下降。另一方面，RSOP是由光纤的双折射产生的，这种双折射随环境的变化而随时间变化。在一些极端的场景下，如架空光缆、甚至是埋地光缆，遭到雷电电击时的克尔效应和法拉第旋光效应会造成偏振态快速变化，其RSOP的速度会达到400krad/s甚至瞬间达到2Mrad/。

在SV-DD系统中，CD可以在发射端(CD预补偿)或接收端(CD后补偿)进行补偿。对于CD预补偿，需要预先知道光纤传输距离和色散系数。另一方面，若选择在接收端进行CD补偿，在CD补偿之前RSOP必须得到完全的补偿。原因是SV-DD的接收系统中CD损伤算符与RSOP损伤算符是搅在一起的，在CD和RSOP共同存在时，不能先补偿一种损伤，然后再补偿另一个损伤。因此在以往的文献中普遍采用的解决方案是在发射端发射训练序列来估计信道的RSOP旋转矩阵，才能实现在CD补偿前先补偿RSOP。然而基于训练序列的方法是以牺牲传输速率作为代价的，缺陷明显。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的SV-DD系统中的均衡方法及装置。

第一个方面，本发明实施例提供一种SV-DD系统中的均衡方法，包括：

将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；

根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。

第二个方面，本发明实施例提供SV-DD系统中的均衡装置，包括：

分段模块，用于将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；

补偿模块，用于根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。

第三个方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

第四个方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。

本发明实施例提供的SV-DD系统中的均衡方法及装置，通过将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿，相比现有技术具有更好的补偿效果且没有数据冗余，对累积CD损伤有很高的估计精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的SV-DD系统中的均衡方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例的SV-DD系统中发射端的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的SV-DD系统中接收端的结构示意图；

图4为本发明实施例不同损伤情况下BER随RSOP变化的示意图；

图5为本发明实施例对损伤容忍度的示意图；

图6为本发明实施例对于累积CD估计的精确度的示意图；

图7为本发明实施例提供的SV-DD系统中的均衡装置的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。

图1为本发明实施例提供的SV-DD系统中的均衡方法的流程示意图，包括：

S101、将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据。

具体地，本发明实施例按照SV-DD系统中，接收损伤信号的时序，在当前迭代周期，从接收到的损伤信号序列中截取一段预设长度的信号，作为Kalman滤波器一次迭代所需要的输入数据，以便进行当前迭代周期；并在下一次迭代开始时将截取窗口向后滑动一定长度的符号，截得的新的数据作为下一次迭代的数据输入。

S102、根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。

下面结合SV-DD系统的结构示意图说明本发明实施例进行RSOP损伤补偿和CD损伤补偿的先后顺序的依据。

图2示出了本发明实施例的SV-DD系统中发射端的结构示意图，如图所示，ECL(激光器，External Cavity Laser)输出的连续波经PBS(偏振分束器：polarization beamsplitter)分成X路偏振光与Y路偏振光。X路偏振光经过IQ modulator(IQ调制器)，变为QAM调制信号。Y路偏振光作为载波，Y路载波的平均功率与X路信号的平均功率比定义为载波信号功率比(CSPR:Carrier-to-signal power ratio)，在本发明实施例中设置为0dB，即X偏振的平均功率与Y偏振的平均功率相等。Y路载波与X路QAM调制信号经PBC(偏振合束器：polarization beam combiner)合成为偏分复用信号，然后进入光纤传输。发射信号可以表示为琼斯矢量的形式转化为斯托克斯空间的斯托克斯矢量形式为从斯托克斯矢量的第二项和第三项，就可以提取得到发射信号的全部信息，形式为

图3示出了本发明实施例的SV-DD系统中接收端的结构示意图，接收到的光信号经过PBS分光后分为两路信号，经过90°混频器和B-PD(平衡探测器：balancedphotodetector)光电转换后输出三路电信号：和

CD损伤和RSOP损伤是光纤中导致光信号损伤的主要的两种机制，若发射信号在光纤中同时受这两种机制的损伤，信号可以在琼斯空间表示为如下的变换形式：

其中，是与色散系数β₂和光纤长度L相关的算符，表示色散对光信号的作用。由a,b构成的酉矩阵表示RSOP损伤对于光信号的作用。

若考虑CD损伤或者RSOP损伤单独作用的情况。比如，考虑光纤中只有CD损伤，此时接收信号可以表示为：

由上式可得，在只有CD损伤时，只需在接收端对进行操作就可以恢复出

当同时考虑光纤中的CD损伤与RSOP损伤效应时，此时接收信号表示为：

如果将CD损伤与RSOP损伤分开补偿。首先补偿CD损伤，再补偿RSOP损伤。即对上式进行操作，但是因为有第三项非线性项不能将CD损伤完全补偿，所以本发明实施例对CD损伤和RSOP损伤补偿的顺序选为先补偿RSOP损伤再补偿CD损伤。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿，具体为：

对于第k次迭代时截取的分窗信号，将状态矢量的第k-1迭代的后验估计作为第k次迭代的先验估计

利用先验估计中的与RSOP损伤相关的三个角度：κ、η和ζ，根据RSOP损伤补偿矩阵对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿；

将RSOP损伤补偿后的分窗信号经过傅里叶变换，转换到频域，利用先验估计中的与CD损伤相关的参量Φ，在频域根据CD损伤补偿矩阵进行CD损伤补偿，将CD损伤补偿后的分窗信号变回时域，得到第k次迭代的补偿信号u_k。

需要说明的是，卡尔曼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(1)所描述：

其中是滤波器追踪或者补偿的各状态矢量构成的矢量(也称作状态矢量)，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)是状态参量和测量量的实际非线性传递函数。

卡尔曼滤波器均衡算法过程中进行反复迭代，并在每次迭代时算法按公式(2)-(4)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：

F和H分别表示过程方程和测量方程的线性近似的传递矩阵w,v分别表示过程噪声和测量噪声，下标k表示第k次迭代，P表示误差协方差矩阵，Q和R分别表示过程噪声和测量噪声的协方差矩阵。

定义状态矢量作为监测参量，在本发明实施例中，监测参量是补偿矩阵中的参量：其中κ、η和ζ表示与RSOP损伤相关的三个角度，Φ代表总的累积色散。通过下面的补偿矩阵补偿RSOP损伤与CD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矢量的最佳后验估计，完成一次迭代。

在上述各实施例的基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例对RSOP损伤进行补偿的矩阵为：

本发明实施例对CD损伤进行补偿的CD损伤补偿矩阵为：

其中，表示RSOP损伤补偿矩阵，表示CD损伤补偿矩阵，状态矢量κ、η和ζ表示与RSOP损伤相关的三个角度，Φ表示总累积色散，λ表示波长，ω表示角频率。

本发明实施例采用时频结合的卡尔曼滤波器来实现CD损伤和RSOP损伤的联合均衡。现在普遍采用的卡尔曼算法是在时域逐符号迭代来实现的，但由于本发明实施例对于CD损伤的补偿在频域进行，因此本发明实施例提出了一种滑窗结构的卡尔曼架构，使得RSOP损伤补偿在时域进行，CD损伤补偿可以在频域进行。

在上述各实施例的基础上，得到第k次迭代的补偿信号u_k，之后还包括：

将所述补偿信号u_k代入预先构建的从状态量到测量量的传递函数，获得传递函数

计算所述传递函数关于状态量x在先验估计位置的雅可比矩阵H_k。

根据所述雅可比矩阵H_k计算第k迭代的卡尔曼增益G_k和状态矢量的第k迭代的最佳后验估计

其中，从状态量到测量量的传递函数具体为：

其中，测量过程的传递函数，*表示共轭函数，r₁,r₂,r₃分别是16QAM信号的三个环半径。

本发明实施例采用的测量空间为星座图空间。均衡完成后应该为单偏16QAM信号，其星座图空间的16个星座点应该分别位于半径为和的圆环上。因此补偿是否完成是考察这16个星座点是否落在三个圆环上，所以测量量的偏差(或新息)Δ_k为：

其中u和u*分别是补偿信号及补偿信号的共轭。

根据所述雅可比矩阵H_k计算卡尔曼增益G_k和状态矢量的第k迭代的最佳后验估计具体为：

根据公式：计算所述传递函数关于状态量x在先验估计位置的雅可比矩阵H_k；

根据公式：计算卡尔曼增益G_k；

根据公式：计算第k次迭代的状态矢量的最佳后验估计

其中，P_k|k-1表示第k次迭代的状态矢量的先验协方差；表示过程方程的线性近似的传递矩阵；Q表示噪声参数w的协方差矩阵；P_k＝(I-G_kH_k)P_k|k-1，表示第k次迭代的状态矢量的后验估计协方差；z_k是可以直接从系统获得的测量量。。

本发明实施例的SV-DD系统中的均衡方法的流程包括：

首先是Kalman滤波器参数的初始化，给选择的状态量和观测量等参数进行赋值。之后每次迭代过程中Kalman滤波器接收一段分窗数据，将预测模块监测的状态量代入补偿模块对这段数据进行补偿，经纠错模块计算测量偏差并更新状态参量。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。

根据公式所描述的问题，卡尔曼初始化部分主要包括状态量x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的初始化。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。

在预测过程中，认为本次迭代状态量x的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P_k|k-1。

在补偿过程中，利用得到的状态矢量中的状态参量根据补偿矩阵对分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿。将补偿RSOP损伤后的信号经过傅里叶变换，转换到频域，在频域进行CD损伤补偿，最后变回时域得到这次迭代最终的补偿信号。

在纠错过程中，本发明实施例使用的kalman测量过程的传递函数为因为传递函数是状态量的非线性函数，我们需要计算传递函数关于状态量x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。

为了验证本发明实施例的有效性，搭建了28Gbaud下基于16QAM调制斯托克斯矢量直接检测(16-QAM in Stokes Vector Direct Detection System，16QAM SV-DD系统)通信仿真系统。为了验证本发明实施例中提出的SV-DD系统中CD与RSOP联合盲均衡方案，设定7％FEC的硬判决门限，误码率为3.8e-3为标准，在不同大小的CD及RSOP损伤环境中测试均衡方案的性能，以验证本发明实施例的有效性。

图4为本发明实施例不同损伤情况下BER随RSOP变化的示意图，RSOP转速从300krad/s到1Mrad/s变化，同时累积CD从1020ps/nm到2040ps/nm变化，在此条件下验证所提方案的均衡效果随OSNR变化的情况。并将补偿结果和现在普遍采用的在发射端进行CD预补偿，在接收端通过训练序列来估计信道的RSOP旋转矩阵来实现偏分解复用的方案(CD-pre+TS)相比较。其中训练序列的设计是每320个符号加入9个训练序列，意味着2.7％的冗余。由图4可以看出，本发明实施例在该情形下具有更好的补偿效果且没有数据冗余，所以与现在通常采用的CD-pre+TS方法相比，优势明显。此外在RSOP＝1Mrad/s,CD＝2040ps/nm的极端损伤情况下，与无损伤相比(相应于BER为3×10^-3的FEC阈值)的OSNR代价仅约为0.8dB。

图5为本发明实施例对损伤容忍度的示意图，图5在OSNR固定在24dB的情形下，讨论了卡尔曼均衡算法对CD及RSOP的容忍度。结果可以看出：对于RSOP＝2Mrad/s，累积CD＝2550ps/nm(相当于150km的G.652光纤)的损伤，本发明实施例补偿效果良好，补偿后的信号BER均低于FEC容限，充分说明了本发明实施例对SV-DD系统中RSOP及CD联合损伤有着良好的补偿效果。

图6为本发明实施例对于累积CD估计的精确度的示意图。从图6中可以看出，当OSNR大于21dB时，本发明实施例对累积CD的估计误差小于5ps/nm，说明对累积CD有很高的估计精确度。

图7为本发明实施例提供的SV-DD系统中的均衡装置的结构示意图，如图7所示，该SV-DD系统中的均衡装置包括：分段模块901和补偿模块902，其中：

分段模块901，用于将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；

补偿模块902，用于根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。

本发明实施例提供的SV-DD系统中的均衡装置，具体执行上述各SV-DD系统中的均衡方法的实施例流程，具体请详见上述各SV-DD系统中的均衡方法实施例的内容，在此不再赘述。

图8为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1010、通信接口(Communications Interface)1020、存储器(memory)1030和通信总线1040，其中，处理器1010，通信接口1020，存储器1030通过通信总线1040完成相互间的通信。处理器1010可以调用存储在存储器1030上并可在处理器1010上运行的计算机程序，以执行上述各实施例提供的SV-DD系统中的均衡方法，例如包括：将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。

此外，上述的存储器1030中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的SV-DD系统中的均衡方法，例如包括：将信号按接收时序以预设长度进行分窗截取，获取分窗信号，作为卡尔曼滤波器一次迭代所需的输入数据；根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种SV-DD系统中的均衡方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于，包括：所述根据卡尔曼滤波器均衡算法对所述分窗信号在时域进行RSOP损伤补偿，再对RSOP损伤补偿后的分窗信号在频域进行CD损伤补偿，具体为：

将补偿后的分窗信号经过傅里叶变换，转换到频域，利用先验估计中的与CD损伤相关的参量Φ，在频域根据CD损伤补偿矩阵进行CD损伤补偿，将CD损伤补偿后的分窗信号变回时域，得到第k次迭代的补偿信号u_k。

3.根据权利要求2所述的均衡方法，其特征在于，所述RSOP损伤补偿矩阵具体为：

所述CD损伤补偿矩阵具体为：

其中，表示RSOP损伤补偿矩阵，表示CD损伤补偿矩阵，状态矢量其中κ、η和ζ表示与RSOP损伤相关的三个角度，Φ表示总累积色散，λ表示波长，ω表示角频率。

4.根据权利要求2所述的均衡方法，其特征在于，所述得到第k次迭代的补偿信号u_k，之后还包括：

计算所述传递函数关于状态量x在先验估计位置的雅可比矩阵H_k；

5.根据权利要求4所述的均衡方法，其特征在于，所述的从状态量到测量量的传递函数具体为：

其中，表示测量过程的传递函数，*表示共轭，r₁,r₂,r₃分别是16QAM信号的三个环半径。

6.根据权利要求5所述的均衡方法，其特征在于，根据所述雅可比矩阵H_k计算卡尔曼增益G_k和状态矢量的第k迭代的最佳后验估计具体为：

根据公式：计算卡尔曼增益G_k；

根据公式：计算第k次迭代的状态矢量的最佳后验估计

其中，P_k|k-1表示第k次迭代的状态矢量的先验估计协方差；表示过程方程的线性近似的传递矩阵；Q表示噪声参数w的协方差矩阵；P_k＝(I-G_kH_k)P_k|k-1，表示第k次迭代的状态矢量的后验估计协方差；z_k是可以直接从系统获得的测量量。

7.一种SV-DD系统中的均衡装置，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述SV-DD系统中的均衡方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述SV-DD系统中的均衡方法的步骤。