CN112929124B

CN112929124B - 一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法及系统

Info

Publication number: CN112929124B
Application number: CN202110091008.3A
Authority: CN
Inventors: 霍佳皓; 葛广平; 周娴; 皇甫伟; 隆克平
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2021-01-22
Filing date: 2021-01-22
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2041-01-22
Also published as: CN112929124A

Abstract

本发明公开了一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法及系统，该方法包括：获取待恢复信号的实时光信号偏振态；根据所述实时光信号偏振态，结合发送端偏振态，计算出偏振态特征值；基于卡尔曼滤波算法，采用所述偏振态特征值，构建偏振旋转矩阵并求逆，然后与待恢复信号左乘，得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用。本发明可实现对由雷击产生高速偏振旋转的有效补偿，减少由雷击带来的性能损失，并且可以实现在通信启动阶段的快速收敛。

Description

一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法及系统

技术领域

本发明涉及长距离高速率光通信传输技术领域，特别涉及一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法及系统。

背景技术

近年来，现场和实验室测量表明，雷电流将引入覆盖周围区域数公里的瞬态电场和磁场，这将在该区域的光缆中引起法拉第磁光效应。沿导体轴产生的磁场会非常迅速地改变光纤中光的偏振状态(SOP)。而且根据华为在德国实验室的研究，在极端条件下，雷击导致的偏振旋转速度可以超过8Mrad/s。

在高速光纤通信系统当中，发送机可采用偏振态复用和先进的调制格式相结合技术来提升系统容量。相应的，接收机就必须能够对偏振态混叠的高阶信号进行偏振均衡解复用。接收端解偏振的方法主要分为两种，第一种是添加外部偏振控制器，最初的偏振控制器跟踪速率较慢，只能跟踪到0.1krad/s，经过近十几年的发展，现在跟踪速率已经可以达到38krad/s，近期更有文章提出了连续偏振态跟踪器，其跟踪速率可以达到56krad/s。在相干光通信系统中，可以在相干接收机中使用数字信号处理的方式来进行偏振态恢复，这种方法的优点是不用增加额外的器件，减少了系统成本。

卡尔曼滤波算法在1960年由Kalman R.E.提出，可以认为维纳滤波器在时域的推广，是解决非平稳信号的滤波问题的强力工具，经过数十年发展已经广泛应用于各个科学领域，包括导航、跟踪、控制、图像处理等。近年来也被应用于光通信领域中。

现有技术一，2010年，T.Marshall提出了用于信号偏振态和相位同时跟踪的扩展卡尔曼算法(EKF)，建立了完整的理论模型，将卡尔曼滤波算法成功的应用到光通信的领域当中。相比于CMA/MMA算法，该算法具有收敛速度快，不存在奇异性，同时可跟踪偏振旋转速率高等优点，实验证明在偏振旋转速率为6.8Mrad/s(QPSK)时可以成功恢复信号的偏振态。其方案预先设定算法初始值为

需要算法自适应地实现对偏振态的跟踪。

现有技术二，杨彦甫等提出了半径导向线性卡尔曼算法(RDLKF)解决了频率偏移对解偏算法的影响，具有应用在未来光通信网络中的潜力。RDLKF可以有效跟踪偏振态，偏振复用16QAM调制格式下可跟踪2.5Mrad/s偏振旋转。其方案预先设定算法初始值为[0.50.5 0.5 0.5]，需要算法自适应地实现对偏振态的跟踪。

现有技术三，张晓光等提出的基于偏振特征提取的联合均衡卡尔曼方案可以同时实现对偏振旋转、偏振模色散、残余色散的有效补偿。在28Gbaud PDM-QPSK/16QAM相干系统中的仿真结果表明，该联合补偿方案可以应对高速RSOP(最高3Mrad/s)、大PMD(超过200ps)和大RCD容忍度(PDM-QPSK超820ps/nm和PDM-16QAM超500ps/nm)。其方案预先设定算法初始值为[1 1 1 0 0 0 0]，需要算法自适应地实现对偏振态的跟踪。

以上卡尔曼方案都是在未知信号偏振态角度的情况下，预先设置固定的算法初始值，由卡尔曼算法自适应地实现对RSOP损伤的跟踪、补偿。当信号初始的偏振态角度与预设的算法初始值所映射的偏振态角度存在较大偏差时，算法需要一个较长的收敛过程。而且当信道中存在由雷击导高速偏振态旋转时，算法有可能无法正常工作，即使算法可以自适应地跟踪偏振旋转，也会存在一定的性能损失。

发明内容

本发明提供了一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法及系统，以解决现有技术都是在未知信号偏振态角度的情况下，预先设置固定的卡尔曼算法初始值，由卡尔曼算法自适应地实现对RSOP损伤的跟踪、补偿。当信号初始的偏振态角度与预设的算法初始值所映射的偏振态角度存在较大偏差时，算法需要一个较长的收敛过程。而且当信道中存在由雷击导高速偏振态旋转时，算法有可能无法正常工作，即使算法可以自适应地跟踪偏振旋转，也会存在一定的性能损失的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法，包括：

获取待恢复信号的实时光信号偏振态；

根据所述实时光信号偏振态，结合发送端偏振态，计算出偏振态特征值；

基于卡尔曼滤波算法，采用所述偏振态特征值，构建偏振旋转矩阵并求逆，然后与待恢复信号左乘，以得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用。

进一步地，所述实时光信号偏振态通过斯托克斯分析仪测得。

进一步地，所述待恢复信号的偏振均衡解复用通过由四个FIR滤波器组成的蝶形结构交叉极化干扰消除器实现。

进一步地，所述偏振旋转矩阵求逆后所得到的矩阵元素由四个FIR滤波器的抽头系数构成。

另一方面，本发明还提供了一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统，该实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统包括：

实时光信号偏振态获取模块，用于获取待恢复信号的实时光信号偏振态；

偏振态特征值计算模块，用于根据所述实时光信号偏振态，结合发送端偏振态，计算出偏振态特征值；

卡尔曼均衡器，用于基于卡尔曼滤波算法，采用所述偏振态特征值，构建偏振旋转矩阵并求逆，然后与待恢复信号左乘，以得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用。

再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明提出了一种结合偏振态特征值，利用偏振态特征值实现快速偏振复用信号的解偏与均衡的卡尔曼均衡方案，偏振态特征值可以提供光信号偏振态旋转速度和偏振态相关信息，通过参考接收端信号的偏振态特征值，可以提升卡尔曼滤波方案的偏振均衡解复用补偿能力。从而使得本发明的结合偏振态特征值的卡尔曼均衡方案有望保障恶劣天气条件下的光纤通信系统的正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例提供的实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法原理图；

图2是本发明实施例提供的实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法流程图；

图3是接收端数字信号处理流程图；

图4是蝶形均衡解复用器示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法，如图1所示，本实施例方法的原理为：实现了一种新型卡尔曼均衡器，该新型卡尔曼均衡器对于待恢复信号的偏振解复用是通过偏振态特征值的辅助参数来实现的。而偏振态特征值可以由斯托克斯分析仪等偏振态测量器件提供。

具体地，如图2所示，本实施例的方法包括以下步骤：

S1，获取待恢复信号的实时光信号偏振态；

S2，根据实时光信号偏振态，结合发送端偏振态，计算出偏振态特征值；

S3，基于卡尔曼滤波算法，采用偏振态特征值，构建出一个琼斯矩阵并求逆，然后与待恢复信号左乘，以得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用。

其中，待恢复信号的实时光信号偏振态由斯托克斯分析仪等偏振态测量器件测出；结合已知的发送端偏振态，可以计算出偏振旋转矩阵，再提取出偏振态特征值，利用偏振态特征值修正卡尔曼滤波器对于光信号偏振态的估计。

下面，结合具体实例对本实施例方法的实现原理作进一步的说明。

首先，对接收端进行数字信号处理的流程进行介绍。

如图3所示，相干接收机获取的信号作为DSP模块的输入信号，该信号首先经过预处理变为适于DSP模块处理的信号。常用预处理手段包括IQ正交化补偿和采样偏移补偿，IQ正交化补偿用来补偿正交分量与同向分量之间幅度和相位之间的不平衡现象，采样偏移补偿用来同步4路接收信号，可采用Gram-Schmidt正交化过程(GSOP)进行IQ补偿；静态信道补偿用来补偿信道中的色散和非线性效应产生的失真，可采用的补偿算法是固定抽头算法；

采样时钟恢复用来补偿接收端采样时钟的频率偏移和相位抖动，可采用的采用时钟恢复算法是分段三次Hermite多项式插值(PCHIP)算法；动态信道补偿用来减轻剩余色散和PMD引起的码间串扰，并恢复因偏振旋转造成的混叠的偏振态，这也是本实施例讨论的重点；频偏估计与补偿用来消除发射机和接收机激光器中心频率失配带来的频率偏移，可采用的频偏估计算法为前向频率估计算法；相位估计与补偿用来补偿因激光器线宽引起的线性相位噪声和非线性效应引入的非线性相位噪声，可采用的相位恢复算法为盲相位搜索(BPS)算法；判决与解码用来恢复出原始的数字信号。

基于上述，在只考虑偏振态损伤的情况下，光纤信道的传输函数为一个2×2的矩阵，接收信号与发送信号的关系有：

其中E_h和E_v表示接收端的偏振复用信号，E_x和E_y表示发射端的偏振复用信号，由h₁₁、h₁₂、h₂₁、h₂₂组成的琼斯矩阵为信道对发送信号施加的偏振旋转损伤，如式(1)所示，由于收发机器件的带宽受限等不理想特性和光纤的偏振旋转造成接收信号存在偏振串扰的影响，即接收的一路偏振光中可能同时携带了发送端两个偏振光上的原始信息。这可以利用由4个FIR滤波器组成的蝶形结构交叉极化干扰消除器(XPIC)实现偏振解复用(RSOP补偿)，如图4所示。

那么，蝶形均衡解复用器输出信号应为：

其中，

h_xx、h_xy、h_yx、h_yy为四个FIR滤波器的抽头系数。

在接收端，本发明方案中的卡尔曼均衡器通过调整四个FIR滤波器的抽头系数以构建出一个琼斯矩阵与接收信号左乘，从而实现对信号的偏振均衡解复用，其解偏过程可以表示为：

其中a、b、c、d为需要卡尔曼滤波器计算的参数，并由这4个参数组建四个FIR滤波器的抽头系数，即：a+jb＝h_xx、c+jd＝h_xy、-c+jd＝h_yx、a-jb＝h_yy；

为偏振旋转矩阵，用来表示偏振旋转对发射信号

的影响，其中θ为偏振旋转损伤对两个偏振态施加的方位角旋转角度、δ为偏振旋转损伤对两个偏振态施加的相位差；

为接收信号。

在相干光通信系统中，信号均通过IQ调制被调制在光纤的两个偏振态上，将信号转换到斯托克斯空间后。由斯托克斯分析仪等设备可以测得实时的光信号偏振态，此时收、发两端的光信号偏振态都已知。

由上式(4)即可容易求得偏振特征值δ、θ，其中[S_1R S_2R S_3R]^T为偏振态实时监测值、[S_1B S_2B S_3B]^T为发端偏振态。

综上，偏振旋转矩阵

便已求得，对其求逆：

便得到了可以将

恢复为

的琼斯矩阵

在高速的偏振旋转条件下，卡尔曼滤波器对光信号偏振态的估计会存在一定误差，即卡尔曼滤波器本身计算出来的a、b、c、d与上述通过实时光信号偏振态监测而推算出的a、b、c、d存在偏差，此时卡尔曼滤波器可以参考后者的a、b、c、d以实时修正其对光信号偏振态的估计。

在通信启动阶段，卡尔曼滤波器可以直接使用由实时光信号偏振态监测推算出的a、b、c、d作为初始值，从而快速收敛。

综上，本实施例提出了一种结合偏振态特征值，利用偏振态特征值实现快速偏振复用信号的解偏与均衡的卡尔曼均衡方案，偏振态特征值可以提供光信号偏振态旋转速度和偏振态相关信息，通过参考接收端信号的偏振态特征值，可提升卡尔曼滤波方案的偏振均衡解复用补偿能力。从而使得该结合偏振态特征值的卡尔曼均衡方案有望保障恶劣天气条件下的光纤通信系统的正常运行。

第二实施例

本实施例提供了一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统，该实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统包括：

卡尔曼均衡器，用于基于卡尔曼滤波算法，采用所述偏振态特征值，构建出一个琼斯矩阵与待恢复信号左乘，以得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用。

本实施例的实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统与上述第一实施例的实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法相对应；其中，本实施例的实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统中的各功能模块所实现的功能与上述第一实施例的实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法中各流程步骤一一对应；故在此不再赘述。

第三实施例

本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。

该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。

第四实施例

本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims

1.一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法，其特征在于，包括：

获取待恢复信号的实时光信号偏振态；

根据所述实时光信号偏振态，结合发送端偏振态，计算出偏振态特征值；其中，所述偏振态特征值为偏振旋转损伤对两个偏振态施加的方位角旋转角度和偏振旋转损伤对两个偏振态施加的相位差；

基于卡尔曼滤波算法，采用所述偏振态特征值，构建偏振旋转矩阵并求逆，然后与待恢复信号左乘，以得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用；其中，所述偏振旋转矩阵求逆后所得到的矩阵元素由四个FIR滤波器的抽头系数构成。

2.如权利要求1所述的实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法，其特征在于，所述实时光信号偏振态通过斯托克斯分析仪测得。

3.如权利要求1所述的实现偏振复用信号的解偏与均衡的方法，其特征在于，所述待恢复信号的偏振均衡解复用通过由四个FIR滤波器组成的蝶形结构交叉极化干扰消除器实现。

4.一种实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统，其特征在于，包括：

偏振态特征值计算模块，用于根据所述实时光信号偏振态，结合发送端偏振态，计算出偏振态特征值；其中，所述偏振态特征值为偏振旋转损伤对两个偏振态施加的方位角旋转角度和偏振旋转损伤对两个偏振态施加的相位差；

卡尔曼均衡器，用于基于卡尔曼滤波算法，采用所述偏振态特征值，构建偏振旋转矩阵并求逆，然后与待恢复信号左乘，以得到恢复信号，实现对待恢复信号的偏振均衡解复用；其中，所述偏振旋转矩阵求逆后所得到的矩阵元素由四个FIR滤波器的抽头系数构成。

5.如权利要求4所述的实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统，其特征在于，所述实时光信号偏振态通过斯托克斯分析仪测得。

6.如权利要求4所述的实现偏振复用信号的解偏与均衡的系统，其特征在于，所述待恢复信号的偏振均衡解复用通过由四个FIR滤波器组成的蝶形结构交叉极化干扰消除器实现。