CN112202501A - 基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，包括以下结构：信道编码器，采用前向纠错码进行信道编码；信号传输与接收模块，一端通过光纤非线性信道传输完成信道编码的调制信号，另一端接收调制信号；非线性补偿器，通过全光信号处理或者数字信号处理对调制信号进行补偿；信号解码和误码分析模块，对在非线性补偿器中完成补偿的调制信号进行解码和解调，得到最终接收信号，并对最终接收信号进行误码分析。与现有技术相比，本发明具有降低高速通信系统的误码率、延长光纤系统的传输距离、有效提高系统性能等优点。

Description

基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其是涉及一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统。
背景技术
随着用户对通信带宽需求的增长，光纤通信的数据传输容量和速率面临着新的挑战。对于光通信系统，发射功率和信道带宽是关键的系统参数，同加性噪声一起决定了信噪比(SNR)和相应的误码率(BER)。实际中存在多种因素导致不能达到预想BER的情况。当SNR一定时，通过信道编码可以提高数据传输质量，以此保证在所需的误码率的前提条件下，达到降低对信噪比的要求。
信道编码有各种不同的码型，包括RS码、卷积码、Turbo码、LDPC码。在超长距离密集波分复用(DWDM)光纤通信系统中，光纤色散和光纤非线性效应的相互作用将大大降低系统的性能。信道编码可以有效地提高光纤系统的传输性能，对抗光纤色散和光纤非线性引起的失真。
在目前的信道编码技术中，最突出的是Turbo码和LDPC码。研究发现，其性能非常接近香农极限，被广泛应用于许多领域。Turbo码的编码效率比传统的RS码和卷积码要好，然而与Turbo码相比，多进制的LDPC码具有更低的译码复杂度和更灵活的译码过程，在突发噪声和随机噪声中拥有高解码性能。LDPC码在加性高斯白噪声(AWGN)信道中能够表现出优异的性能，但是在非线性光纤信道传输中性能会受到影响。因此，为了实现其优越的译码性能，有必要在实现LDPC编码之前进行光纤非线性补偿。
目前，克服光纤非线性主要有两类方法，一类是通过使用全光处理方法，例如光相位共轭方法和共轭双子波传输方法进行处理；另外一种是基于数字信号处理方法，包括非线性傅里叶变换，反向传输(BP)方法、基于Volterra级数的频域和时域非线性均衡器，判决反馈均衡器和基于扰动理论的均衡器进行处理。
Volterra级数也可以用来求解NLSE，进而使用BP思想求其逆来补偿信号，是一种用于模拟和补偿非线性现象的数值方法。时域Volterra均衡器是在频域Volterra非线性均衡器的基础上变化而来的，通过引入一种功率平均时间窗，降低信号间非线性的相关程度，使计算抽头数大大减少。基于Volterra级数的非线性均衡器(VSNE)避免了信号在频域和时域之间来回转换的耗时过程。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，有效地降低系统误码率，延长最大传输距离而无需信号再生，进一步提高系统的性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，包括以下结构：
信道编码器，采用前向纠错码进行信道编码；
信号传输与接收模块，一端通过光纤非线性信道传输完成信道编码的调制信号，另一端接收所述调制信号；
非线性补偿器，通过全光信号处理或者数字信号处理对调制信号进行补偿；
信号解码和误码分析模块，对在非线性补偿器中完成补偿的调制信号进行解码和解调，得到最终接收信号，并对所述最终接收信号进行误码分析。
所述前向纠错码包括低密度奇偶校验码(LDPC码)。
进一步地，所述低密度奇偶校验码的信道编码方式包括通过求出生成矩阵，进行线性分组码编码的方式。
所述信号传输与接收模块具体为偏振复用相干光通信系统，所述偏振复用相干光通信系统包括发送机和相干接收机。
进一步地，所述偏振复用相干光通信系统的一端由发送机在两个偏振上各自独立产生一段随机的信号序列，对所述信号序列进行差分正交相移键控调制、脉冲成型和激光调制，生成调制信号并加载到两个正交偏振上。
进一步地，所述相干接收机在偏振复用相干光通信系统的另一端接收通过单模光纤信道传输的调制信号。
所述全光信号处理通过光纤非线性全光补偿处理算法实现，所述数字信号处理通过光纤非线性数字信号处理算法实现。
所述非线性补偿器具体为时域VNSE-BP补偿器。
所述非线性补偿器对调制信号进行补偿的内容包括色度色散和光纤非线性效应补偿、偏振模色散补偿和载波相位估计，矫正偏移的调制信号。
所述信号解码和误码分析模块的功能包括差分正交相移键控解调制、LDPC解码和误码率计算分析。
进一步地，所述LDPC解码的过程采用对数域和积译码算法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明在信号传输过程中设置了非线性补偿器，通过全光信号处理或者数字信号处理对调制信号进行补偿，使光纤信道近似于加性高斯白噪声信道，让信道编码达到最大效益，从而提高系统的可靠性。
2.本发明的非线性补偿器为时域VNSE-BP补偿器，通过VNSE-BP补偿器进行色散和非线性补偿，在略微降低非线性补偿器的补偿效果的情况下，很大程度上降低了非线性补偿的计算复杂度，提升了计算速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为本发明非线性补偿器的工作流程图；
图4为本发明实施例一中进行LDPC编码未进行非线性补偿时误码率的对比示意图；
图5为本发明实施例一中进行LDPC编码并进行非线性补偿时误码率的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，使光纤信道近似于加性高斯白噪声信道，让信道编码达到最大效益，从而提高系统的可靠性，包括以下结构：
信道编码器，采用前向纠错码进行信道编码；
信号传输与接收模块，一端通过光纤非线性信道传输完成信道编码的调制信号，另一端接收调制信号；
非线性补偿器，通过全光信号处理或者数字信号处理对调制信号进行补偿；
信号解码和误码分析模块，对在非线性补偿器中完成补偿的调制信号进行解码和解调，得到最终接收信号，并对最终接收信号进行误码分析。
前向纠错码包括低密度奇偶校验码(LDPC码)。
低密度奇偶校验码的信道编码方式包括通过求出生成矩阵，进行线性分组码编码的方式。
信号传输与接收模块具体为偏振复用相干光通信系统，偏振复用相干光通信系统包括发送机和相干接收机。
偏振复用相干光通信系统的一端由发送机在两个偏振上各自独立产生一段随机的信号序列，对信号序列进行差分正交相移键控调制、脉冲成型和激光调制，生成调制信号并加载到两个正交偏振上。
相干接收机在偏振复用相干光通信系统的另一端接收通过单模光纤信道传输的调制信号。
全光信号处理通过光纤非线性全光补偿处理算法实现，数字信号处理通过光纤非线性数字信号处理算法实现。
非线性补偿器具体为时域VNSE-BP补偿器。
如图3所示，非线性补偿器对调制信号进行补偿的内容包括色度色散和光纤非线性效应补偿、偏振模色散补偿和载波相位估计，矫正偏移的调制信号。
信号解码和误码分析模块的功能包括差分正交相移键控解调制、LDPC解码和误码率计算分析。
LDPC解码的过程采用对数域和积译码算法。
如图2所示，本发明将信道编码和非线性补偿器共同应用于光通信系统中，将信号进行信道编码和非线性补偿处理，具体操作步骤如下：
步骤S1：采用x、y两路偏振信号，进行IQ调制，生成四路随机信息序列，根据预设的纠错码进行信道编码；
步骤S2：对信号进行DQPSK调制，通过模拟激光器将调制信号加载到光载波上，并送入非线性光纤信道进行传输；
步骤S3：经过长距离的光纤传输后，对信号进行相干检测、平衡探测、接收端滤波，然后输入到非线性补偿器中；
步骤S4：非线性补偿器对信号进行同步和两倍采样处理，然后对色度色散和非线性效应进行补偿、偏振模色散补偿和载波相位估计；
步骤S5：对完成补偿的信号进行信号解码以及DQPSK解调制，最终得到接收信号序列；
步骤S6：将接收信号序列与发送信息序列作对比，计算系统误码率以及性能分析。
步骤S1中纠错码包括RS码、Turbo码或LDPC码，本实施例中随机信息序列具体是长度为6553比特的随机0、1信息序列，使用码率为4/5，通过大小为1639×8192的校验矩阵H进行LDPC编码，完成信道编码后，两路偏振信号序列长度均为16384比特。
本实施例中，步骤S3中传输链路由长度为80km的多跨光纤组成，每个跨间插入一个掺铒光纤放大器(EDFA)，光纤的色散系数为16ps/nm/km，光纤的非线性系数为1.3/W/km，EDFA的噪音系数(NF)为5.5dB。
步骤S4中通过恒模算法(CMA)进行偏振模色散补偿。
如图4所示为未进行非线性补偿时使用LDPC编码与未使用LDPC编码的对比，结果显示，若仅进行色散补偿的LDPC编码而不进行非线性补偿，误码率增加，LDPC的改进效果降低。如图5所示为进行非线性补偿时使用LDPC编码与未使用LDPC编码的对比，结果显示，进行信道非线性补偿后，LDPC编码很大程度上降低了系统的误码率，功率为0dB时，相应误码率降低了十倍。由图4和图5可知，LDPC码对降低非线性信道的误码率有明显的效果，尤其是在与非线性补偿技术相结合后性能更为优异，当功率在-1到2dB区域时，误码率改善效果最为明显。本发明消除了光纤通道中的非线性影响，通过LDPC码很大程度上延长了系统的最大可达传输距离。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例子，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，包括以下结构：
信道编码器，采用前向纠错码进行信道编码；
信号传输与接收模块，一端通过光纤非线性信道传输完成信道编码的调制信号，另一端接收所述调制信号；
非线性补偿器，通过全光信号处理或者数字信号处理对调制信号进行补偿；
信号解码和误码分析模块，对在非线性补偿器中完成补偿的调制信号进行解码和解调，得到最终接收信号，并对所述最终接收信号进行误码分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述前向纠错码包括低密度奇偶校验码(LDPC码)。
3.根据权利要求2所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述低密度奇偶校验码的信道编码方式包括通过线性分组码进行编码的方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述信号传输与接收模块具体为偏振复用相干光通信系统，所述偏振复用相干光通信系统包括发送机和相干接收机。
5.根据权利要求4所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述偏振复用相干光通信系统的一端由发送机在两个偏振上各自独立产生一段随机的信号序列，对所述信号序列进行差分正交相移键控调制、脉冲成型和激光调制，生成调制信号并加载到两个正交偏振上。
6.根据权利要求5所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述相干接收机在偏振复用相干光通信系统的另一端接收通过单模光纤信道传输的调制信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述全光信号处理通过光纤非线性全光补偿处理算法实现，所述数字信号处理通过光纤非线性数字信号处理算法实现。
8.根据权利要求1所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述非线性补偿器对调制信号进行补偿的内容包括色度色散和光纤非线性效应补偿、偏振模色散补偿和载波相位估计。
9.根据权利要求1所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述信号解码和误码分析模块的功能包括差分正交相移键控解调制、LDPC码解码和误码率计算分析。
10.根据权利要求9所述的一种基于信道编码器和信道非线性补偿器的高速光通信系统，其特征在于，所述LDPC码解码的过程采用对数域和积译码算法。
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