CN111010239B

CN111010239B - 一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法及系统

Info

Publication number: CN111010239B
Application number: CN201911307823.8A
Authority: CN
Inventors: 李蔚; 谢尧; 郑强; 鄢然; 沈力
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: CN111010239A

Abstract

本发明公开了一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法及系统，信号从发射端经过复用器进入光纤传输至接收端，依次经过相干接收、ADC采样后进入接收端DSP，其中接收端DSP包括IQ正交化，色散非线性补偿，采样时钟恢复，自适应信道均衡，载波频偏估计，载波相位估计以及自适应非线性相位追踪；自适应非线性相位追踪的参数进行初始化；对输入信号进行判决，生成参考信号；根据参考信号计算采样点对应的增益因子；根据增益因子更新权系数和输入信号的自相关矩阵，从而生成输出信号；重复上述步骤，由第n‑1次迭代的数据递推得到第n次迭代的输出。本方法不需要额外光学器件，适用于任意的系统结构和调制方式，而且接收端的DSP算法计算复杂度较低。

Description

一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法及系统

技术领域

本发明属于光纤通信领域，更具体地，涉及一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法及系统。

背景技术

随着全球数据业务的海量增长，一些高带宽需求的应用相继出现，如4K视频、AR/VR等，人们对带宽的需求越来越高，光纤通信系统的容量需要进一步提高。光纤通信发展至今，为了提高通信容量，众多先进的技术，如相干光通信、高阶调制格式，密集波分复用(dense wavelength multiplexing,DWDM)等相继出现。对于相干DWDM系统来说，在实验室研究中目前的通信容量已经接近极限，而如何进一步提高系统通信容量，是急需解决的问题。光纤非线性效应是系统通信容量的一大限制因素，如何补偿或者抑制系统中的非线性效应，突破非线性香农极限，进一步提高系统通信容量，是目前的一个研究热点和技术难点。

对于信道内的非线性效应，目前来说已经有比较好的补偿方法，比如数字背向传输算法和Volterra非线性均衡，但是对于多信道间的非线性效应(主要是交叉相位调制)，目前的补偿方法大概分为两种，光学的方法和电的方法，其中光学的方法有光学相位共轭，相位敏感型光纤参量放大器，光学相位预畸变等，电学的方法有多信道数字背向传输算法、卡尔曼滤波、最大似然估计均衡等，它们均能够实现对多信道非线性效应的补偿，然而目前实现起来都很复杂。对于光学方法来说，额外的光学器件是必不可少的，比如光学相位共轭中的相位共轭装置，光纤参量放大器中均需要高非线性介质和高功率的激光器，这些额外的光学器件成本很高，器件结构也比较复杂，使得光学方法难以实用。而电学方法虽然不需要额外的器件，只需要在现有的DSP芯片中添加算法，但是已有的方法为了实现补偿效果，计算复杂度都很高，比如上面提到的多信道数字背向传输算法，其计算复杂度随着信道数量的增加呈指数增长，卡尔曼滤波和最大似然估计均衡则需要多次迭代才有较好的补偿效果，这些电学方法同样难以实用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法及系统，旨在解决现有相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法复杂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法，包括：

S1、信号从发射端经过复用器进入光纤传输至接收端，依次经过相干接收、ADC采样后进入接收端DSP，其中接收端DSP包括IQ正交化，色散非线性补偿，采样时钟恢复，自适应信道均衡，载波频偏估计，载波相位估计以及自适应非线性相位追踪；

S2、对自适应非线性相位追踪器的参数进行初始化：

w(0)＝1,P(0)＝δ^-1,

其中w(0)为初始权系数，P(0)为输入信号的初始自相关矩阵的逆，δ为一个小的正实数，典型取值为0.01；

S3、对输入信号进行判决，生成参考信号：

其中x(1)为第一个采样点输入信号，

为对第一个采样点输出信号的估计值，d(1)为第一个采样点的参考信号，DEC[]表示硬判决，上标*号表示复共轭；

S4、根据参考信号计算采样点对应的增益因子：

其中，k(1)为第一个采样点的增益因子，λ为遗忘因子，λ的取值随系统结构调整并取最佳值；

S5、根据增益因子更新权系数和输入信号的自相关矩阵，从而生成输出信号：

w(1)＝w(0)+k(1)ξ^*(1),

其中，ξ(1)为第一个采样点的误差；

自相关矩阵更新：

P(1)＝λ^-1P(0)-λ^-1k(1)x^*(1)P(0).

生成输出信号：

y(1)＝[w^*(1)+w^*(0)]x(1)/2,

其中，y(1)为第一个采样点的输出值；

S6、迭代，重复S3到S5，由第n-1次迭代的数据递推得到第n次迭代的输出：

w(n)＝w(n-1)+k(n)ξ^*(n),

P(n)＝λ^-1P(n-1)-λ^-1k(n)x^*(n)P(n-1),

y(n)＝[w^*(n)+w^*(0)]x(n)/2.

优选地，信号经过复用器前还经过色散预补偿，用于减少光纤非线性效应和色散的相互作用，提高接收端自适应非线性相位噪声追踪的补偿性能。

优选地，色散预补偿为电色散补偿或者布拉格光栅色散补偿。

按照本发明的另一方面，提供了一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，包括依次连接的光发射机、复用器、光纤链路、解复用器和光接收机；光发射机包括激光器、IQ调制器、发射机DSP和DAC；光接收机包括本地激光器、平衡接收机、ADC和接收机DSP，本地激光器和平衡接收机实现信号的相干接收功能，ADC实现采样功能；

接收机DSP包括自适应非线性相位追踪器，从ADC输出的信号依次经过IQ正交化模块、色散非线性补偿模块、采样时钟恢复模块、自适应信道均衡模块、载波频偏估计模块、载波相位估计模块、自适应非线性相位追踪器和判决与编码模块后输出，其中自适应非线性相位追踪器用于补偿光纤传输带来的非线性相位噪声。

优选地，自适应非线性相位追踪器包括：

初始化模块，用于对自适应非线性相位追踪器的参数进行初始化得到初始权系数和输入信号的初始自相关矩阵；

参考信号生成模块，用于对输入信号进行判决生成参考信号；

增益因子计算模块；用于根据参考信号计算采样点对应的增益因子；

信号输出模块，用于根据增益因子更新权系数和输入信号的自相关矩阵，从而生成输出信号。

优选地，发射机DSP还包括依次连接的预编码模块、星座图映射模块和预均衡模块，预编码模块用于对输入的二进制数据进行预编码处理，星座图映射模块将预编码后的二进制数据映射成高阶调制信号，预均衡模块对高阶调制信号进行预均衡，使信号的统计特性更适合信道传输。

优选地，发射机DSP还包括连接在所述星座图映射模块和所述预均衡模块之间的电色散预补偿模块，用于对信号进行色散预补偿。电色散预补偿模块预补偿的色散值为所述光纤链路的色散值的一半。

优选地，系统还包括连接在IQ调制器之后的布拉格光栅色散补偿模块，用于对信号进行色散预补偿。布拉格光栅色散预补偿模块预补偿的色散值为所述光纤链路的色散值的一半。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明分析了相干DWDM系统内交叉相位调制对信号的影响形式，分析了多信道非线性效应对信号影响的方式主要为非线性相位噪声，发现该影响形式与色散相关，于是通过色散预补偿的方式控制系统中交叉相位调制和色散的相互作用，使交叉相位调制对信号的影响形式更偏向于非线性相位噪声，并提出了一种自适应非线性相位追踪算法对非线性相位噪声进行补偿，最终达到抑制交叉相位调制的目的。与已有的方法相比，本发明提出的方法不需要额外光学器件，适用于任意的系统结构和调制方式，而且接收端的DSP算法也不需要迭代，计算复杂度较低，适用于任何形式的系统结构与调制方式，实现起来比较容易。

附图说明

图1是是本发明提出的一种非线性相位噪声补偿系统的结构示意图；

图2是本发明提供的另一种非线性相位噪声补偿系统的结构示意图；

图3是本发明接收端自适应非线性相位噪声追踪的算法流程图；

图4(a)和图4(b)是采用本发明提供的非线性相位噪声补偿方法前后信号星座图对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

图1展示了本发明提出的非线性相位噪声补偿方法的示意图。要发射的二进制数据首先经过发射机DSP处理后，经DAC进行数/模转换，然后通过IQ调制器调制到光载波上。发射机DSP包括预编码、星座图映射、色散预补偿、预均衡等。多路不同波长的光发射机的信号通过复用器复用成一路DWDM信号后注入光纤链路中传输。在接收端，DWDM信号经过解复用器解复用成单波长光信号，然后分别输入对应光接收机进行接收。在每个光接收机内，光信号经过相干检测后，由ADC进行采样，再输入到接收机DSP进行处理。接收机DSP包括IQ正交化、色散和非线性补偿、采样时钟恢复、自适应信道均衡、载波频偏估计、载波相位估计、自适应非线性相位追踪器、判决和解码等。本发明提出的方法为发射端DSP中的色散预补偿和接收端DSP中的自适应非线性相位追踪器相结合来实现非线性相位噪声的补偿。需要注意的是，色散预补偿是一种常见的色散补偿方式，但是它单独使用时不能实现非线性相位噪声的补偿，必须与本发明提出的自适应非线性相位追踪器结合，才能实现补偿非线性相位噪声的效果。另外，图1中的系统结构只是相干波分复用系统的常见结构，采用了电色散预补偿方式，不代表本发明的方法只能用于此类结构的系统中。图2示出了另一种采用布拉格光栅色散预补偿方式。

图3画出了本发明提出的自适应非线性相位追踪器的流程图，包括以下步骤：

S1、对自适应非线性相位追踪器的参数进行初始化：

w(0)＝1,P(0)＝δ^-1,

其中w为权系数，w(0)为初始权系数，P为信号的自相关矩阵的逆，P(0)为输入信号的初始自相关矩阵的逆，δ为一个小的正实数，典型取值为0.01；

S2、对输入信号进行判决，生成参考信号：

其中x(1)为第一个采样点输入信号，

S3、增益因子的计算：

S4、权系数更新：

w(1)＝w(0)+k(1)ξ^*(1),

其中，ξ(1)为第一个采样点的误差；

S5、自相关矩阵更新：

P(1)＝λ^-1P(0)-λ^-1k(1)x^*(1)P(0).

S6、生成输出信号：

y(1)＝[w^*(1)+w^*(0)]x(1)/2,

其中，y(1)为第一个采样点的输出值；

S7、迭代，重复S2到S6，由第n-1次迭代的数据递推得到第n次迭代的输出：

w(n)＝w(n-1)+k(n)ξ^*(n),

P(n)＝λ^-1P(n-1)-λ^-1k(n)x^*(n)P(n-1),

y(n)＝[w^*(n)+w^*(0)]x(n)/2.

具体地，信号经过复用器前还经过色散预补偿，用于减少光纤非线性效应和色散的相互作用，提高接收端自适应非线性相位噪声追踪的补偿性能。

具体地，色散预补偿为电色散补偿或者布拉格光栅色散补偿。

本发明还提供了一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，包括依次连接的光发射机、复用器、光纤链路、解复用器和光接收机；光发射机包括激光器、IQ调制器、发射机DSP和DAC；光接收机包括本地激光器、平衡接收机、ADC和接收机DSP，本地激光器和平衡接收机实现信号的相干接收功能，ADC实现采样功能；

具体地，自适应非线性相位追踪器包括：

具体地，发射机DSP还包括依次连接的预编码模块、星座图映射模块和预均衡模块，预编码模块用于对输入的二进制数据进行预编码处理，星座图映射模块将预编码后的二进制数据映射成高阶调制信号，预均衡模块对高阶调制信号进行预均衡，使信号的统计特性更适合信道传输。

具体地，发射机DSP还包括连接在所述星座图映射模块和所述预均衡模块之间的电色散预补偿模块，用于对信号进行色散预补偿。电色散预补偿模块预补偿的色散值为所述光纤链路的色散值的一半。

具体地，系统还包括连接在IQ调制器之后的布拉格光栅色散补偿模块，用于对信号进行色散预补偿。布拉格光栅色散预补偿模块预补偿的色散值为所述光纤链路的色散值的一半。

图4(a)和图4(b)为一个11信道32GBaud 16QAM调制的仿真实例，采用本发明的方法和不使本发明的方法时中间信道最终信号星座图的对比。图4(a)为没有使用本发明的方法时的星座图，图4(b)为使用了本发明的方法时的星座图，可以看到，在没有使用本发明的方法时，信号的星座图最外圈的星座点呈明显的椭圆形，有很明显的非线性相位噪声，在采用了本发明的方法后，非线性相位噪声得到了有效地补偿，信号星座图外圈的星座点恢复成圆形。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

信号从发射端经过复用器进入光纤传输至接收端，依次经过相干接收、ADC采样后进入接收端DSP，其中接收端DSP包括IQ正交化，色散非线性补偿，采样时钟恢复，自适应信道均衡，载波频偏估计，载波相位估计以及自适应非线性相位追踪；从ADC输出的信号依次经过IQ正交化模块、色散非线性补偿模块、采样时钟恢复模块、自适应信道均衡模块、载波频偏估计模块、载波相位估计模块、自适应非线性相位追踪器和判决与编码模块后输出，其中自适应非线性相位追踪器用于补偿光纤传输带来的非线性相位噪声；

所述自适应非线性相位追踪的参数进行初始化得到初始权系数和输入信号的初始自相关矩阵：

w(0)＝1,P(0)＝δ^-1,

其中w(0)为初始权系数，P(0)为输入信号的初始自相关矩阵的逆，δ为正实数；

对输入信号进行判决，生成参考信号：

其中x(1)为第一个采样点输入信号，

根据信号的自相关矩阵的逆计算采样点对应的增益因子：

其中，k(1)为第一个采样点的增益因子，λ为遗忘因子；

根据所述增益因子更新权系数和输入信号的自相关矩阵，从而生成输出信号：

w(1)＝w(0)+k(1)ξ^*(1),

其中，ξ(1)为第一个采样点的误差；

自相关矩阵更新：

P(1)＝λ^-1P(0)-λ^-1k(1)x^*(1)P(0).

生成输出信号：

y(1)＝[w^*(1)+w^*(0)]x(1)/2,

其中，y(1)为第一个采样点的输出值；

重复上述对输入信号进行判决，生成参考信号直到生成输出信号的步骤，由第n-1次迭代的数据递推得到第n次迭代的输出：

2.根据权利要求1所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法，其特征在于，所述信号经过复用器前还经过色散预补偿，用于减少光纤非线性效应和色散的相互作用，提高接收端自适应非线性相位噪声追踪的补偿性能。

3.根据权利要求2所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿方法，其特征在于，所述色散预补偿为电色散补偿或者布拉格光栅色散补偿。

4.一种相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，其特征在于，包括依次连接的光发射机、复用器、光纤链路、解复用器和光接收机；所述光发射机包括激光器、IQ调制器、发射机DSP和DAC，激光器与IQ调制器相连，数据输入至发射机DSP，发射机DSP与DAC相连后再与IQ调制器相连；所述光接收机包括依次连接的本地激光器、平衡接收机、ADC和接收机DSP，所述本地激光器和平衡接收机实现信号的相干接收功能，所述ADC实现采样功能；

所述接收机DSP包括自适应非线性相位追踪器，从ADC输出的信号依次经过IQ正交化模块、色散非线性补偿模块、采样时钟恢复模块、自适应信道均衡模块、载波频偏估计模块、载波相位估计模块、自适应非线性相位追踪器和判决与编码模块后输出，其中自适应非线性相位追踪器用于补偿光纤传输带来的非线性相位噪声；

所述自适应非线性相位追踪器包括：

初始化模块，用于对自适应非线性相位追踪器的参数进行初始化得到初始权系数和输入信号的初始自相关矩阵：

w(0)＝1,P(0)＝δ^-1,

参考信号生成模块，用于对输入信号进行判决生成参考信号：

其中x(1)为第一个采样点输入信号，

增益因子计算模块，用于根据信号的自相关矩阵的逆计算采样点对应的增益因子：

其中，k(1)为第一个采样点的增益因子，λ为遗忘因子；

信号输出模块，用于根据所述增益因子更新权系数和输入信号的自相关矩阵，从而生成输出信号：

w(1)＝w(0)+k(1)ξ^*(1),

其中，ξ(1)为第一个采样点的误差；

自相关矩阵更新：

P(1)＝λ^-1P(0)-λ^-1k(1)x^*(1)P(0).

生成输出信号：

y(1)＝[w^*(1)+w^*(0)]x(1)/2,

其中，y(1)为第一个采样点的输出值；

5.根据权利要求4所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，其特征在于，所述发射机DSP还包括依次连接的预编码模块、星座图映射模块和预均衡模块，所述预编码模块用于对输入的二进制数据进行预编码处理，所述星座图映射模块将预编码后的二进制数据映射成高阶调制信号，所述预均衡模块对高阶调制信号进行预均衡，使信号的统计特性更适合信道传输。

6.根据权利要求5所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，其特征在于，所述发射机DSP还包括连接在所述星座图映射模块和所述预均衡模块之间的电色散预补偿模块，用于对信号进行色散预补偿。

7.根据权利要求5所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，其特征在于，还包括连接在IQ调制器之后的布拉格光栅色散补偿模块，用于对信号进行色散预补偿。

8.根据权利要求6所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，其特征在于，所述电色散预补偿模块预补偿的色散值为所述光纤链路的色散值的一半。

9.根据权利要求7所述的相干光纤通信系统中非线性相位噪声补偿系统，其特征在于，所述布拉格光栅色散预补偿模块预补偿的色散值为所述光纤链路的色散值的一半。