CN111934783A - 基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升的方法，在以光梳为光源的相干光WDM系统，接收端光梳与相干解调模块之间的N路信道中，为每路信道分别配置一个延时模块，在确定各个延时模块的延时参数时，选用传输速率最快的信道作为基准计算出各路信道延时参数，在系统工作过程中，接收端光梳产生的不同波长本振光通过对应的延时模块进行延时后，与接收端所接收到的相同波长的接收信号进行相干解调，然后将相干解调后的接收信号转变为数字接收信号，将数字接收信号进行相应预处理后再采用MS‑CPE算法进行相位估计与补偿。本发明通过对接收端光梳信号中的本振光信号进行延时，可以有效补偿色散走离效应，提高主从相位估计方法的性能。

Description

基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法

技术领域

本发明属于光梳通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法。

背景技术

上世纪60年代激光器的发明以及高琨博士提出了用光纤作为信息传输的媒介使得光纤通信成为了一个研究热点，随着研究的深入，光纤通信技术不断取得突破性进展。80年代，学者们开始研究相干光通信，但接收机信号处理速度限制了相干光通信的发展。2005年，数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)在相干接收机的实现使相干光通信再次成为研究的热点。当代各种新兴互联网业务的飞速发展，通信数据量和数据传输速率呈现指数级的增长，波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)作为目前实现大容量高速率信息传输的关键技术，使得相干光WDM系统在当代得到巨大发展。

相干光WDM系统，不仅能利用高阶调制格式提高系统频谱利用率，还可以在电域对系统中的损伤进行补偿。图1是相干光WDM系统的结构示意图。如图1所示，由于信号光在光纤信道中传输时除了会受到光纤中的损耗、色散、偏振模色散和非线性效应等损伤的影响，发射端和接收端激光器的线宽还会引入随机相位噪声，造成信号恢复困难，从而导致系统性能下降，为了补偿信号损伤，系统在接收端会进行DSP，具体可以包括模数转换(ADC)、采样、IQ正交化、色散补偿(CDC)、自适应均衡、频偏估计与补偿、相位估计与恢复(CPE)，判决等。

设计完善的WDM系统需要满足：可扩展性、可重构性、平坦度和稳定度的要求。独立激光器的大量使用会导致系统成本增加，并且通道数量很难控制，无法动态调整通道间隔，因此不易实现WDM系统的可扩展性和可重构性；另外，由于这些波长相互独立，通道的中心频率和间隔稳定性不易保证。光学频率梳的出现弥补了上述不足，第一，光频梳使用一个高质量的激光器作为种子激光器，将该激光器的特性复制给其他若干通道，可以为WDM系统提供多个频率的光源。第二，以独立激光器为光源的WDM系统中，由于通道数量增加和调制格式阶数的增长，每个通道独立进行载波恢复带来了大量DSP开销，利用光频梳的特点，可以减小DSP复杂度，提升传输性能。图2是以光梳为光源的相干光WDM系统的结构示意图。在以光梳为光源的相干光WDM系统中，利用光梳的相位相干性，接收端的DSP在进行载波相位估计时可以采用主从(Master-Slave)相位联合估计(MS-CPE)算法。图3是主从相位估计算法原理图。主从相位估计算法的具体介绍可以参见文献“L.Lundberg,et al."FrequencyComb-based WDM Transmission Systems Enabling Joint Signal Processing,"AppliedScience,2018,8(5)”。

MS-CPE算法在光梳系统短距离传输时能获得很好的性能，这是因为短距离传输时，DSP中的色散补偿导致的不同信道相位噪声出现偏移的影响不明显。而在长距离传输时，不同信道之间相位噪声的偏移增大，色散走离效应明显，光梳的相位相干性被破坏，采用MS-CPE算法会造成从信道信号的性能明显劣于主信道信号的性能。根据信号在系统中的传输过程可以分析出产生这种现象的原因，将N路信道的信号表示为：

其中，X_n(j(ω-nω₀))表示第n路信道的信号，

ω表示角频率，ω₀表示相邻两路信道之间的信道间隔，j表示虚数单位。

在图3中信道Ch 1为主信道，那么其信号经过光纤传输(只考虑色度色散的影响)后接收到的信号Y₀(jω)可以表示为：

其中，β₂为传播常数，L为发送端至接收端的传输距离，H(jω)表示色散的频域传输函数。

该信号经接收端色散补偿后表示为：

即主信道的色散能被完全补偿，但其中一路从信道信号经光纤传输后表示为：

接收端相干接收到的信号是：

色散均衡处理后：

由于该从信道与主信道相邻，即与主信道间的信道间隔为ω₀，从上式可以看出从信道信号相比主信道信号，除了会产生一个固定的相位旋转外，还会有一个时域上的延迟，因此相位的相干性被破坏。

图4是只考虑收端光梳线宽引起的相位噪声情况下色散补偿后不同信道信号的相位值。如图4所示，虽然各信道保持了相同的相位噪声变化，但是相互间明显出现了一定的时延。实际情况中，信号不仅仅会受到收端相位噪声的影响。图5是信号在同时受到发送端和接收端光梳线宽影响后色散走离对MS-CPE算法的影响示意图。如图5所示，q(t)为发送端光梳引入的相位噪声，u(t)为接收端光梳引入的相位噪声。如果使用主信道的相位估计结果对从信道进行相位补偿，可以发现从信道信号中接收端光梳引入的相位噪声不能被完全补偿，为了补偿从信道信号的残余相位噪声，常用的方法是对从信道信号进行第二级相位搜索，这种方法确实能改善从信道的性能，但随着传输距离的增加，进行第二级相位搜索的代价也更大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升的方法，通过采用延时模块对接收端光梳信号中的本振光信号进行延时，可以有效补偿色散走离效应，提高主从相位估计方法的性能。

为了实现上述发明目的，本发明基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升的方法的具体步骤包括：

S1：在以光梳为光源的相干光WDM系统接收端光梳与相干解调模块之间的N路信道中，为每路信道分别配置一个延时模块，每个延时模块中延时参数采用以下方法进行设置：

将N路信道按照光信号传输速率从低到高进行排序，选择第N路信道作为基准信道；计算延时参数τ₀＝β₂ω₀L，其中β₂表示传播常数，ω₀表示相邻两路信道之间的信道间隔，L表示以光梳为光源的相干光WDM系统中发送端到接收端的传输距离；第m路信道所对应延时模块的延时参数τ_m＝(N-m)τ₀，m＝1,2,…,N；

S2：在以光梳为光源的相干光WDM系统工作过程中，接收端光梳产生的不同波长本振光通过对应的延时模块进行延时后，与接收端所接收到的相同波长的接收信号进行相干解调，然后将相干解调后的接收信号转变为数字接收信号x_m[n]，n表示采样时刻；

S3：分别根据色度色散的频域传输函数对每路信道的数字接收信号x_m[n]进行色散补偿，采用均衡算法对偏振模色散进行均衡，得到预处理后的数字接收信号

S4：以复用器的中心频率对应的信道为主信道，用MS-CPE算法对N路信道的数字接收信号

进行相位估计与补偿。

本发明基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法，在以光梳为光源的相干光WDM系统，接收端光梳与相干解调模块之间的N路信道中，为每路信道分别配置一个延时模块，在确定各个延时模块的延时参数时，选用传输速率最快的信道作为基准计算出各路信道延时参数，在系统工作过程中，接收端光梳产生的不同波长本振光通过对应的延时模块进行延时后，与接收端所接收到的相同波长的接收信号进行相干解调，然后将相干解调后的接收信号转变为数字接收信号，将数字接收信号进行相应预处理后再采用MS-CPE算法进行相位估计与补偿。

本发明通过采用延时模块对接收端光梳的本振光信号进行延时，以补偿色散走离效应，使得接收端从信道相位噪声与主信道相位噪声之间的时延值与发送端从信道相位噪声与主信道相位噪声之间的时延值保持一致，恢复相位噪声的相位相干性，提高主从相位估计方法的性能。

附图说明

图1是相干光WDM系统的结构示意图；

图2是以光梳为光源的相干光WDM系统的结构示意图；

图3是主从相位估计算法原理图；

图4是只考虑收端光梳线宽引起的相位噪声情况下色散补偿后不同信道信号的相位值；

图5是信号在同时受到发送端和接收端光梳线宽影响后色散走离对MS-CPE算法的影响示意图；

图6是本发明基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法的具体实施方式流程图；

图7是本发明中延时模块配置示意图；

图8是本发明引入延时模块后信号时域变化原理图；

图9是本实施例仿真中所采用的相干光WDM系统的结构示意图；

图10是不同传输距离下采用MS-CPE算法进行相位估计的主从信号误符号率性能曲线图；

图11是不同传输距离下基于盲相位搜索进行第二级相位估计的主从信号误符号率性能曲线图；

图12是采用本发明在长距离传输下进行相位估计的主从信号误符号率性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图6是本发明基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法的具体实施方式流程图。如图6所示，本发明基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法的具体步骤包括：

S601：配置延时模块：

图7是本发明中延时模块配置示意图。如图7所示，在以光梳为光源的相干光WDM系统，在接收端光梳光源模块与相干解调模块之间的N路信道中，为每路信道分别配置一个延时模块。每个延时模块中延时参数采用以下方法进行设置：

将N路信道按照光信号传输速率从低到高进行排序，选择第N路信道作为基准信道。一般来说可以根据光纤的色散参数来确定传输最快的信道，如果光纤色散系数为正，那么N路信道中光信号频率越大的信道传输越快，如果光纤色散系数为负，那么N路信道中光信号频率越小的信道传输越快。

然后计算延时参数τ₀＝β₂ω₀L，其中β₂表示传输常数，ω₀表示相邻两路信道之间的信道间隔，L表示以光梳为光源的相干光WDM系统中发送端到接收端的传输距离。第m路信道所对应延时模块的延时参数τ_m＝(N-m)τ₀，m＝1,2,…,N。可见相邻两路信道间的延时差为τ₀，这是因为在以光梳为光源的相干光WDM系统中相邻信道的频率间隔是相同的。

本实施例中，延时模块采用光纤延迟线。第m路信道所对应光纤延迟线的长度ΔL_m根据以下公式计算：

其中，υ_g表示光纤延迟线的群速度，n_g为光纤延迟线的群折射率。

假设信道间隔为50GHz，传输距离L＝1000km，第N-1路信道相对于第N路信道的时延为τ_N-1＝τ₀＝β₂ω₀L＝6.4365ns，所需的光纤延迟线长度为

同理可以计算出其他信道所需的光纤延迟线的长度。

S602：接收端延时相干解调：

在以光梳为光源的相干光WDM系统工作过程中，接收端光梳产生的信号中每束本振光通过对应的延时模块进行延时后，与接收端所接收到的相同波长的接收信号进行相干解调，然后将相干解调后的接收信号转变为数字接收信号x_m[n]，n表示采样时刻。

S603：数字接收信号预处理：

分别根据色度色散的频域传输函数对每路信道的数字接收信号x_m[n]进行色散补偿，采用均衡算法对偏振模色散进行均衡，以补偿偏振复用系统中的偏振随机旋转和偏振模色散，得到预处理后的数字接收信号

S604：主从相位估计：

以复用器的中心频率对应的信道为主信道，采用MS-CPE算法对N路信道的数字接收信号

进行相位估计和补偿，即先对主信道信号进行相位估计，然后将相位估计值直接用于从信道信号的相位估计，从而完成所有信道数字接收信号的相位估计，然后进行相位补偿。

为了更好地说明本发明的技术效果，接下来对本发明的技术方案进行理论分析说明。

从信道和主信道相比，由于经过光纤信道传输后，从信道信号的发送端相位噪声产生了时延，经过色散后这个时延被抵消，发送端相位噪声恢复相干性。而接收端相位噪声是在信号经过光纤传输之后加入的，虽然此时主从信道信号的接收端相位噪声是相干的，但各信道中心频率的差异导致色散补偿后接收端引入的相位噪声出现了时延，相干性被破坏。

图8是本发明引入延时模块后信号时域变化原理图。如图8所示，信道Ch m为主信道，其余为从信道，其中τ′_p表示各个从信道相对于主信道的时延，p＝1,2,…,N,p≠m。接收端相位噪声在进入相干解调之前，首先对其进行一个延时τ′_p，即此时发送端各从信道的相位噪声与主信道发送端相位噪声之间的时延值与接收端从信道相位噪声与主信道相位噪声之间的时延值保持一致，再经色散补偿后接收端相位噪声也能像发送端相位噪声那样恢复相位相干性，采用MS-CPE进行相位估计并补偿后能很好的恢复从信道信号的性能。

以五路信道光梳系统为例，其中第三信道为主信道，第五路信道为传输最快的信道。以第二、三、五路信道为例，假设主信道信号经色散补偿后表示为y₃(t)exp(q(t)+u(t))，由于各信道中心频率不一样，第二路信道与第三路信道的时延参数差值为τ₀，第五路信道与第三路信道的时延参数差值为-2τ₀，那么第二、五路信道信号经色散补偿后会变为y₂(t)exp(q(t)+u(t+τ₀)),y₅(t)exp(q(t)+u(t-2τ₀))，以相同的方法可以获得其它从信道信号的表达式。如果不进行处理直接采用MS-CPE算法对二、五从信道信号的相位噪声进行估计和补偿，补偿后两路从信道还有残余相位u(t+τ₀)-u(t)，u(t-2τ₀)-u(t)。在光域加入延时模块后，由于只可能产生正时延，需要以传输最快的信道为基准信道确定各路通道的时延参数，先计算得到时延参数τ₀，那么第一路信道至第五路信道所对应延时模块的延时参数分别为4τ₀,3τ₀,2τ₀,τ₀,0，将不同频率的本振光进行延时后，第二、三、五路信道的接收端信号分别为s₂(t-τ₀)exp(q(t-τ₀)+u(t-3τ₀)),s₃(t)exp(q(t)+u(t-2τ₀)),s₅(t+2τ₀)exp(q(t+2τ₀)+u(t))，经色散均衡后各信道信号可表示为y₂(t)exp(q(t)+u(t-2τ₀))，y₃(t)exp(q(t)+u(t-2τ₀)),y₅(t)exp(q(t)+u(t-2τ₀))，由此可见色散补偿后各信道信号都具有相同的发送端和接收端相位噪声，再采用MS-CPE算法进行相位估计和补偿即能保证主从信道获得相同的性能。

以下给出光梳系统信号经过不同传输距离的仿真结果。图9是本实施例仿真中所采用的相干光WDM系统的结构示意图。如图9所示，本实施例中是以光纤延迟线作为延时模块。本实施例仿真中，主从信道发送的信号是光纤通信常用的36GBaud的16QAM调制信号，信号功率设置为1mW，系统采用偏振复用相干WDM系统，信道间隔为50GHz，传输不同的距离，接收信号进行DSP。

图10是不同传输距离下采用MS-CPE算法进行相位估计的主从信号误符号率性能曲线图。如图10所示，短距离传输时，主从信道信号之间的主从信号误符号率(Pe)差异不大，说明MS-CPE算法在系统短距传输时能获得很好的性能，但长距离传输时，主从信号相位噪声的差异变大，采用MS-CPE算法导致从信道性能变差，这也说明了色散走离确实会影响MS-CPE算法的性能。

为了提升从信道信号的Pe性能，常用方法是采用第二级相位搜索算法补偿残余相位。图11是不同传输距离下基于盲相位搜索进行第二级相位估计的主从信号误符号率性能曲线图。如图11所示，采用第二级盲相位搜索(BPS)也能很好的恢复从信道信号的Pe性能，但由于传输距离增加时，主从信道信号性能差异变大，第二级BPS的代价也逐渐增大。

图12是采用本发明在长距离传输下进行相位估计的主从信号误符号率性能曲线图。如图12所示，在长传输距离下，采用本发明进行相位估计与补偿后，从信道信号的Pe和主信道信号的基本一致，可见本发明可以有效补偿色散走离效应，提升MS-CPE算法在长距离传输时的性能。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于延时模块的光梳系统主从相位估计性能提升方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在以光梳为光源的相干光WDM系统接收端光梳与相干解调模块之间的N路信道中，为每路信道分别配置一个延时模块，每个延时模块中延时参数采用以下方法进行设置：

将N路信道按照光信号传输速率从低到高进行排序，选择第N路信道作为基准信道；计算延时参数τ₀＝β₂ω₀L，其中β₂表示传播常数，ω₀表示相邻两路信道之间的信道间隔，L表示以光梳为光源的相干光WDM系统中发送端到接收端的传输距离；第m路信道所对应延时模块的延时参数τ_m＝(N-m)τ₀，m＝1,2,…,N；

S2：在以光梳为光源的相干光WDM系统工作过程中，接收端光梳产生的不同波长本振光通过对应的延时模块进行延时后，与接收端所接收到的相同波长的接收信号进行相干解调，然后将相干解调后的接收信号转变为数字接收信号x_m[n]，n表示采样时刻；

S3：分别根据色度色散的频域传输函数对每路信道的数字接收信号x_m[n]进行色散补偿，采用均衡算法对偏振模色散进行均衡，得到预处理后的数字接收信号

S4：以复用器的中心频率对应的信道为主信道，用MS-CPE算法对N路信道的数字接收信号

进行相位估计与补偿。

2.根据权利要求1所述的光梳系统接收端主从相位估计方法，其特征在于，所述的延时模块采用光纤延时线，第m路信道所对应光纤延迟线的长度ΔL_m根据以下公式计算：

ΔL＝υ_g·τ_m

其中，υ_g表示光纤延迟线的群速度。

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