CN112713942A - 基于mc-dbp算法对光纤信号损伤联合均衡的方法 - Google Patents

基于mc-dbp算法对光纤信号损伤联合均衡的方法 Download PDF

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CN112713942A CN202110081378.9A CN202110081378A CN112713942A CN 112713942 A CN112713942 A CN 112713942A CN 202110081378 A CN202110081378 A CN 202110081378A CN 112713942 A CN112713942 A CN 112713942A
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Abstract

本发明公开了一种基于MC‑DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法，通过将所有接收信号作为多核DSP处理器上一个CPU的输入，每个CPU针对其中一路信号所受到的色散和非线性效应进行联合均衡，各CPU在计算XPM效应时无需进行数据交互，实现各CPU完全独立的并行计算。同时将传统的MC‑DBP算法的单个步长改为自相位调制步长和交叉相位调制步长，在补偿XPM效应时采用更大的步长，因而减少了MC‑DBP算法的计算量。

Description

基于MC-DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于MC-DBP算法对多波长信号在光纤中传输时的色散及非线性效应联合均衡的方法。
背景技术
19世纪60年代，光纤和激光器两个科研成果的问世拉开了光纤通信的帷幕。21世纪以来，随着大数据、云计算及物联网等先进技术的不断推进，人们对于大规模数据存储、传送及共享等业务日渐增强，对于信息的传输容量，传输速度的需求呈爆炸式增长。
波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)技术是多个信源的电信号调制各自的光载波，经复用后在一根光纤上传输，使得通信容量成数十倍、百倍地提高。偏振复用(Polarization Multiplexing)技术是利用光的两种正交的偏振态来携带各自信息，从而通信容量又提高了一倍。而在超大容量的光传输网络中，基于数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)的相干接收机能够完美地补偿信道的线性损伤，例如色散，损耗等等，但是克尔非线性效应仍旧是降低系统性能的主要原因。针对光纤中的非线性损伤补偿问题，近年来不断有新方案被提出，例如基于沃尔特拉级数的非线性均衡器(VLNE)、相位共轭双波(PCTW)以及数字背向传输(DBP)算法等等。其中，DBP算法作为一种接收端数字信号处理技术，相对于在物理链路上进行非线性补偿的方法具有较低的实现成本，并且可以充分利用现代DSP处理器的强大运算能力使得其逐渐成为一种主流的非线性补偿方案。
偏振复用光信号在单模光纤中的反向传播可以用逆马纳可夫方程(inverseManakov equation)来描述：
Figure BDA0002909221550000011
其中，Ax/y表示x/y偏振状态下传播信号的光场包络，光纤参数α,β2,γ分别是衰减、群速度色散和克尔非线性各自的系数。上述公式经常用于单通道的反向传播，可以较好地补偿通道内的非线性效应(自相位调制，SPM)，但是针对传输多个通道的长距离WDM系统来说，通道间非线性效应(交叉相位调制，XPM)的影响不容忽视，因此需要将上面的公式作一定的修改，即将XPM效应作为耦合项引入Manakov方程中：
Figure BDA0002909221550000021
其中，
Figure BDA0002909221550000022
和
Figure BDA0002909221550000023
分别代表第m个载波上的SPM效应和XPM效应，分别由下式描述：
Figure BDA0002909221550000024
Figure BDA0002909221550000025
常规马纳可夫方程的求解方法是采用分步傅里叶方法(Split-Step FourierMethod,SSFM)。虽然光脉冲在实际传输中同时受到线性和非线性作用的影响，但是若把传输距离划分成多个小段，便可以假设在这多个小段里线性和非线性是独立作用的，这里的小段则是后面所提到的DBP算法中的步长。在SSFM每个线性步骤中需要把信号先变换到频域进行求解，再变换回时域，其输出为：
Figure BDA0002909221550000026
其中，F{·}和F-1{·}分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，ω是基带角频率，线性算子D(ω)考虑了色散和衰减的影响，其表达式为：
Figure BDA0002909221550000027
而非线性步骤中只需要在时域求解即可，其输出为：
Figure BDA0002909221550000028
其中，
Figure BDA0002909221550000029
是DBP的有效步长，而
Figure BDA00029092215500000210
代表第m个载波上的SPM效应，其表达式为：
Figure BDA00029092215500000211
Figure BDA00029092215500000212
代表其他信道对第m个载波的XPM影响，其表达式为：
Figure BDA0002909221550000031
由于考虑了信道间的非线性效应，这种DBP算法被称为多信道DBP(MultiChannel-DBP)算法。考虑三个信道的MC-DBP算法，其每个步长的计算示意图如图1所示，其中LC表示线性步骤，NLC表示非线性步骤，由上述理论分析及算法流程图可以看出，相对于单通道DBP来说使用MC-DBP对一路信号进行非线性补偿时，除了需要考虑自身信道的SPM效应外，还需要考虑其他几路信号对其产生的XPM影响，也就是在每一个步长中都需要借助其他路的信号来计算所需补偿的非线性相位。而常规的多核DSP处理器在进行MC-DBP运算时会充分利用多核的优势，让每个核处理一路信号，但是在计算XPM干扰项的过程中需要核与核之间的相互通信，因此这样做势必需要产生大量的数据交互，无法做到完全独立并行计算，众所周知，DSP处理器核的运算速度远高于核与核之间的数据交互速度，尤其在信道数目很多，MC-DBP采用小步长计算时，持续的数据交互使得MC-DBP的效率较低。若仅用单核去处理所有信号，又需要在计算XPM干扰项的过程中对其他路信号做大量的FFT与IFFT，严重影响了计算速度。
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MC-DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法，在减少FFT和IFFT运算前提下，快速实现多信道内及信道间的色散与非线性效应的联合均衡。
为实现上述发明目的，本发明一种MC-DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、多个用户产生二进制序列，并作为WDM(Wavelength DivisionMultiplexing,波分复用)系统待发送的多路WDM信号，其中每个用户产生的二进制序列作为一路待发送的WDM信号；
(2)、在发送端，对多路待发送的WDM信号进行调制；
(2.1)、对每一路WDM信号实施偏振复用技术，使每一路光载波都携带X、Y两个偏振方向的光信号；
(2.2)、将偏振复用后每一路光信号经过格式调制变为符号信息流，接着完成数模转换变为模拟的电信号；
(2.3)、通过多根谱线组成的光学频率梳或多个独立的半导体激光器产生各路电信号的不同波长的光载波，然后分别经PBS(Polarizing Beam Splitter，偏振分束器)后变成偏振方向相互垂直的两个光信号；
(2.4)、将步骤(2.2)产生的电信号和步骤(2.3)产生的光信号同时输入至两个相干光调制器进行光调制，形成X、Y两个偏振方向互相垂直的两路光信号，再通过偏振合束器(Polarization Beam Coupler,PBC)耦合为一路光信号；
(3)、多路待发送的WDM信号经过步骤(2)调制后，再经过波分复用器将不同波长的光信号耦合进同一根光纤中进行传输；
(4)、在接收端，对调制后的多路WDM信号进行解调；
(4.1)、不同波长的光信号经光纤链路传输后，首先经过波分解复用器将不同波长的光信号分开进行独立接收，每路光信号再通过PBS分为X、Y两个偏振方向的信号；
(4.2)、在接收端，同样通过多根谱线组成的光学频率梳或多个半导体激光器产生不同波长的光载波，再与步骤(4.1)接收的每路光信号输入至相干接收机完成相干检测，然后经过光电二极管转换为电信号，最后通过模数转换后进入多核DSP(数字信号处理,Digital Signal Processing)处理器；
(5)、通过多核DSP处理器实现信号的联合均衡；
(5.1)、多核DSP处理器中的每个CPU需要获取多路电信号在X，Y偏振方向上的分量，记为
Figure BDA0002909221550000044
M为电信号的总路数；
(5.2)、每个CPU根据传输距离的每个跨距L，划定联合均衡中计算自相位调制(Self-Phase Modulation,SPM)的步长为h1，计算交叉相位调制(Cross-PhaseModulation,XPM)的步长为h2；
(5.3)、通过第m个CPU实现第m路信号的联合均衡；
在联合均衡算法中，设自相位调制步长h1内色散和非线性是相互独立作用的，则先令非线性效应为零；
利用MC-DBP算法的线性解法，把
Figure BDA0002909221550000042
先变换到频域进行求解，再变换回时域；然后针对第m路信号，输出色散联合均衡后的信号为：
Figure BDA0002909221550000043
其中，F{·}和F-1{·}分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，ω是基带角频率，t为当前时刻，z为当前步长的起始位置，x和y分别代表两个偏振方向，D1(ω)为线性算子，在考虑色散和衰减的影响下，D1(ω)的表达式为：
Figure BDA0002909221550000051
其中，i表示复数，α,β2,γ分别是光纤中衰减、群速度色散和克尔非线性系数；
针对其他路信号，输出色散联合均衡后的信号为：
Figure BDA0002909221550000052
其中，q≠m，D2(ω)为线性算子，在考虑色散和衰减的影响下，D2(ω)的表达式为：
Figure BDA0002909221550000053
再令色散为零，利用MC-DBP算法的非线性解法，输出第m路信号在非线性效应联合均衡后的信号为：
Figure BDA0002909221550000054
其中，
Figure BDA0002909221550000055
是MC-DBP的有效步长，
Figure BDA0002909221550000056
表示第m路信号上的自相位调制效应，其表达式为：
Figure BDA0002909221550000057
Figure BDA0002909221550000058
表示其他路信号对第m路信号的交叉相位调制效应，其表达式为：
Figure BDA0002909221550000059
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于MC-DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法，通过将所有接收信号作为多核DSP处理器上一个CPU的输入，每个CPU针对其中一路信号所受到的色散和非线性效应进行联合均衡，各CPU在计算XPM效应时无需进行数据交互，实现各CPU完全独立的并行计算。同时将传统的MC-DBP算法的单个步长改为自相位调制步长和交叉相位调制步长，在补偿XPM效应时采用更大的步长，因而减少了MC-DBP算法的计算量。
同时，本发明基于MC-DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法还具有以下有益效果：
(1)、与传统的单通道DBP算法相比，考虑了通道间XPM效应，对WDM系统中的信号所受到的非线性损伤有更好的补偿效果；
(2)、MC-DBP的计算复杂度几乎没有增加，在线性步骤中，线性算子D(ω)单通道DBP中完全相同；在非线性步骤中，不需要计算任何额外的|·|2项或exp(·)项，而只需要简单的2×(·)运算来计算XPM耦合项，这可以很容易地用位移来实现；
(3)、相比传统的MC-DBP算法，本发明充分利用多核CPU的优势，将所有信道同时输入多核DSP处理器的每一个CPU中进行计算，各个CPU专注于其中一个信道的联合均衡，这样在计算XPM干扰项的过程中可以完全杜绝与其他CPU之间的数据交互，真正地实现了并行独立计算；并且在联合均衡过程中为了减少FFT和IFFT的次数，本专利采用提高计算XPM效应的步长的方法，以此来减少每个光纤跨距中的MC-DBP步骤，从而大大减少了并行计算过程中的计算量。
附图说明
图1是中心信道的MC-DBP算法单步实现原理图；
图2是五信道偏振复用WDM相干光通信系统示意图；
图3是传统的三通道MC-DBP算法实现流程图；
图4是本发明所述的三通道MC-DBP算法高效率联合均衡方案流程图；
图5是中心信道的信号经三种非线性补偿方法后的性能对比图。
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
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于MC-DBP(Multi Channel-DigitalBack Propagation，多信道数字反向传播)算法对光纤信号损伤联合均衡的方法，包括以下步骤：
S1、利用伪随机二进制序列发生器产生二进制序列PRBS(Pseudorandom BitSequence,伪随机位序列)，作为五路待发送的WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)信号；
在本实施例中，搭建了五信道偏振复用WDM相干光通信系统，系统框图如图2所示，其中PRBS为伪二进制随机序列，五个光载波由光频梳产生，五个信道的信号是光纤通信常用的36GBaud的16QAM调制信号，信号传输距离为2000km，信道间隔为50GHz，发射功率从-5dBm到5dBm。
S2、在发送端，对五路待发送的WDM信号进行调制；
S2.1、对每一路WDM信号实施偏振复用技术，使每一路光载波都携带X、Y两个偏振方向的光信号，然后对每一路光载波中两个偏振方向上的光信号进行随机移位的去相关处理，确保输入至波分复用器中光信号相互独立；
S2.2、将相互独立的光信号经过格式调制后变为符号信息流，接着再利用奈奎斯特脉冲成型完成数模转换变为模拟的电信号；
S2.3、由五根谱线组成的光学频率梳产生五个谱线间隔为50GHz的光信号，其波长分别为λ1,λ2,λ3,λ4,λ5，其中，中间一路光纤信号的频率为193.1THz，分别经PBS(PolarizingBeam Splitter，偏振分束器)后变成偏振方向相互垂直的两个光信号；
S2.4、将步骤S2.2产生的电信号和步骤S2.3产生的光信号同时输入至两个并联的双臂马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)进行光调制，形成X、Y两个偏振方向互相垂直的两路正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)信号，再通过偏振合束器(Polarization Beam Coupler,PBC)耦合为一路光信号；
S3、五路待发送的WDM信号经过步骤S2调制后，再经过波分复用器将不同波长的光信号耦合进同一根光纤中进行传输；
在本实施例中，光纤链路选择中继距离为100km的单模光纤，一共传输20个跨段，即传输距离为2000km，光信号经光纤传输后会受到各种损伤，其中损耗由掺饵光纤放大器((Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)进行放大，其余例如色散和非线性效应将在后续步骤中的联合均衡方案中进行补偿。
S4、在接收端，对调制后的五路WDM信号进行解调；
S4.1、不同波长的光信号经光纤链路传输后，首先经过波分解复用器将不同波长的光信号分成五路光信号，每路光信号再通过PBS分为X、Y两个偏振方向的信号；
S4.2、在接收端，同样通过五根谱线组成的光学频率梳产生五个谱线间隔为50GHz的光信号，再与步骤S4.1接收的每路光信号输入至90度混频器，完成相干检测，然后经过光电二极管转换为电信号，最后通过模数转换后进入多核DSP(数字信号处理,DigitalSignal Processing)处理器；对信号进行联合均衡；
S5、通过多核DSP处理器实现信号的联合均衡；
S5.1、多核DSP处理器中的每个CPU需要获取五路电信号在X，Y偏振方向上的分量，记为
Figure BDA0002909221550000081
S5.2、每个CPU根据传输距离的每个跨距100km，划定联合均衡中计算自相位调制(Self-Phase Modulation,SPM)的步长为h1＝2km，计算交叉相位调制(Cross-PhaseModulation,XPM)的步长为h2＝4km；
S5.3、通过其中1个CPU实现第3路信号(即中心频率为193.1THz)的联合均衡；
在联合均衡算法中，设自相位调制步长h1内色散和非线性是相互独立作用的，则先令非线性效应为零；
利用MC-DBP算法的线性解法，把
Figure BDA0002909221550000082
先变换到频域进行求解，再变换回时域；然后针对第3路信号，输出色散联合均衡后的信号为：
Figure BDA0002909221550000083
其中，F{·}和F-1{·}分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，ω是基带角频率，t为当前时刻，z为当前步长的起始位置，x和y分别代表两个偏振方向，D1(ω)为线性算子，在考虑色散和衰减的影响下，D1(ω)的表达式为：
Figure BDA0002909221550000084
其中，α,β2,γ分别是光纤中衰减、群速度色散和克尔非线性系数；
针对其他路信号，输出色散联合均衡后的信号为：
Figure BDA0002909221550000085
其中，q≠3，D2(ω)为线性算子，在考虑色散和衰减的影响下，D2(ω)的表达式为：
Figure BDA0002909221550000086
再令色散为零，利用MC-DBP算法的非线性解法，输出第3路信号在非线性效应联合均衡后的信号为：
Figure BDA0002909221550000091
其中，
Figure BDA0002909221550000092
是MC-DBP的有效步长，
Figure BDA0002909221550000093
表示第3路信号上的自相位调制效应，其表达式为：
Figure BDA0002909221550000094
Figure BDA0002909221550000095
表示其他路信号对第3路信号的交叉相位调制效应，其表达式为：
Figure BDA0002909221550000096
本发明的在运算过程中还具有如下特点：
Figure BDA0002909221550000097
在线性步骤中的步长为h2，因此在下一个h1的步长中
Figure BDA0002909221550000098
不需要再去对
Figure BDA0002909221550000099
做计算，而是直接将上一次的结果直接应用到下一个步长中，这样减少了大量的FFT和IFFT的运算量，并且第3个CPU只需要专注对第3个信道上传输的信号
Figure BDA00029092215500000910
的联合均衡，不需要与其他CPU进行数据交互，每个CPU专注一个信道的联合均衡，做到了真正的并行计算。
以中心信道的MC-DBP算法为例，考虑最接近中心信道的两个信道对它的非线性影响。其步长为2km，不同信道之间的数据交互如图3所示；
在上图的4个MC-DBP步长中，由于每个步长中需要完成一次FFT和IFFT，因此计算通道间非线性效应一共需要8次FFT或IFFT，其他信道与中心信道之间的数据交互次数为8次。
本方法拟在接收端采用联合均衡，即各个信道可以在MC-DBP之前获得所有信道的信号，并将这些信号保存在自己的计算单元中，使得每个信道都是一个独立的计算单元，各个信道的DSP处理过程完全独立，不需要进行额外的数据交互，并且减少FFT和IFFT计算。简单起见，中心信道的联合均衡为例，考虑最接近中心信道的两个信道对它的非线性影响，如图3所示；
与图2传统的MC-DBP算法相比，上述的联合均衡方案在一开始就获取到其他信道的信号，从而不需要在整个算法执行过程中与其他信道的信号产生数据交互，因此其他信道与中心信道数据交互的次数为0次。
此外，本方案为补偿SPM效应和XPM效应分别设置了对应的步长，其中补偿通道内非线性效应的步长依然是2km，但是在补偿通道间非线性效应采用4km的步长。这样做的好处是每4km才计算一次通道间非线性效应，并且每两个stepXPM间不需要再做一次FFT，而是可以直接在频域进行下一步的计算，与图2中同样反向传播8km相比一共仅需要4次IFFT即可，从而大大降低了MC-DBP的计算复杂度。
最后，本发明给出基于上述偏振复用相干WDM系统传输后中心信道(f＝193.1THz)的信号经单信道DBP、MC-DBP、高效率联合均衡方案处理后的仿真结果，在仿真中，五个信道的信号是光纤通信常用的36GBaud的16QAM调制信号，信号传输距离为2000km，信道间隔为50GHz，发射功率从-5dBm到5dBm。由于两个偏振方向信号的性能基本相同，如图5所示，给出了X偏振方向信号的仿真结果。
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 (1)

1.一种MC-DBP算法对光纤信号损伤联合均衡的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、多个用户产生二进制序列，并作为WDM(Wavelength Division Multiplexing,波分复用)系统待发送的多路WDM信号；
(2)、在发送端，对多路待发送的WDM信号进行调制；
(2.1)、对每一路WDM信号实施偏振复用技术，使每一路光载波都携带X、Y两个偏振方向的光信号；
(2.2)、将偏振复用后每一路光信号经过格式调制变为符号信息流，接着完成数模转换变为模拟的电信号；
(2.3)、通过多根谱线组成的光学频率梳或多个独立的半导体激光器产生各路电信号的不同波长的光载波，然后分别经PBS(Polarizing Beam Splitter，偏振分束器)后变成偏振方向相互垂直的两个光信号；
(2.4)、将将步骤(2.2)产生的电信号和步骤(2.3)产生的光信号同时输入至两个相干光调制器进行光调制，形成X、Y两个偏振方向互相垂直的两路光信号，再通过偏振合束器(Polarization Beam Coupler,PBC)耦合为一路光信号；
(3)、多路待发送的WDM信号经过步骤(2)调制后，再经过波分复用器将不同波长的光信号耦合进同一根光纤中进行传输；
(4)、在接收端，对调制后的多路WDM信号进行解调；
(4.1)、不同波长的光信号经光纤链路传输后，首先经过波分解复用器将不同波长的光信号分开进行独立接收，每路光信号再通过PBS分为X、Y两个偏振方向的信号；
(4.2)、在接收端，同样通过多根谱线组成的光学频率梳或多个半导体激光器产生不同波长的光载波，再与步骤(4.1)接收的每路光信号输入至相干接收机完成相干检测，然后经过光电二极管转换为电信号，最后通过模数转换后进入多核DSP(数字信号处理,DigitalSignal Processing)处理器；
(5)、通过多核DSP处理器实现信号的联合均衡；
(5.1)、多核DSP处理器中的每个CPU需要获取多路电信号在X，Y偏振方向上的分量，记为
Figure FDA0002909221540000011
M为电信号的总路数；
(5.2)、每个CPU根据传输距离的每个跨距L，划定联合均衡中计算自相位调制(Self-Phase Modulation,SPM)的步长为h1，计算交叉相位调制(Cross-Phase Modulation,XPM)的步长为h2；
(5.3)、通过第m个CPU实现第m路信号的联合均衡；
在联合均衡算法中，设自相位调制步长h1内色散和非线性是相互独立作用的，则先令非线性效应为零；
利用MC-DBP算法的线性解法，把
Figure FDA0002909221540000021
先变换到频域进行求解，再变换回时域；然后针对第m路信号，输出色散联合均衡后的信号为：
Figure FDA0002909221540000022
其中，F{·}和F-1{·}分别代表傅里叶变换和傅里叶逆变换，ω是基带角频率，t为当前时刻，z为当前步长的起始位置，x和y分别代表两个偏振方向，D1(ω)为线性算子，在考虑色散和衰减的影响下，D1(ω)的表达式为：
Figure FDA0002909221540000023
其中，i表示复数，α,β2,γ分别是光纤中衰减、群速度色散和克尔非线性系数；
针对其他路信号，输出色散联合均衡后的信号为：
Figure FDA0002909221540000024
其中，q≠m，D2(ω)为线性算子，在考虑色散和衰减的影响下，D2(ω)的表达式为：
Figure FDA0002909221540000025
再令色散为零，利用MC-DBP算法的非线性解法，输出第m路信号在非线性效应联合均衡后的信号为：
Figure FDA0002909221540000026
其中，
Figure FDA0002909221540000027
是MC-DBP的有效步长，
Figure FDA0002909221540000028
表示第m路信号上的自相位调制效应，其表达式为：
Figure FDA0002909221540000029
Figure FDA00029092215400000210
表示其他路信号对第m路信号的交叉相位调制效应，其表达式为：
Figure FDA00029092215400000211
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