CN113364527A - 一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，利用标签传播算法(LPA)能够产生非线性判决边界的特性对接收到的符号进行重新判决，以达到补偿非线性损伤的目的。在接收端的数字信号处理流程中，根据m阶正交幅度调制格式确定m个标准星座点的坐标，并赋予唯一的标签，设置载波相位恢复模块输出数据为无标签数据，根据预设的视野半径查看周围数据的标签情况，并按照多数原则实时改变自身标签状态，经过数次迭代后，所有的无标签数据均被赋予唯一的标签，最终根据重新分类的结果进行反映射和误码率的计算。通过仿真和实验的双重验证，本发明对在高速相干偏振复用系统中，多种调制格式在不同距离的非线性损伤均有显著的补偿效果。

Description

一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法。

背景技术

光纤通信被认为是网络信息传输的基石，承载了超过90％的全球数据通信，而全球信息流量目前还以每年60％的速率爆发式增长，已经远超光纤通信系统传输容量的增长速度，所以进一步提高光纤通信系统的容量迫在眉睫。对于光纤信道而言，影响系统容量的不利因素既有线性损伤也有非线性损伤。线性损伤主要包括光纤损耗、色散和偏振损伤等，这些损伤已利用掺铒光纤放大器(Erbium-doped Fiber Amplifier,EDFA)、频域色散补偿、偏振解复用及线性均衡等技术实现了较好补偿。在非线性损伤中，光纤Kerr非线性效应被认为是影响当前高速相干光纤通信系统性能的主要障碍。为获得光纤链路较好的光信噪比(Optical Signal-to-Noise Ratio,OSNR)，需要提高入纤光功率，而这引起了较强的光纤非线性效应，导致信号相位的严重失真或新频率分量的产生，极大影响了系统的传输距离和容量。因此，进行光纤非线性损伤补偿非常必要，这也引起了很多学者的关注与兴趣。

目前的非线性损伤补偿方案可以分为两类：基于数字反向传播(Digital backpropagation,DBP)的非线性损伤补偿方案和基于机器学习的非线性损伤补偿方案，基于DBP的补偿方案虽然具有优秀的补偿性能，但是其过程涉及大量的傅里叶变换和逆傅里叶变换(Fourier Fast Transform/Inverse Fast Fourier Transform,FFT/IFFT)，计算复杂度非常高，现实场景中的硬件设备难以达到要求。而基于机器学习的非线性损伤补偿方案又可以进一步分3种：神经网络(Neural Network,NN)方案、支持向量机(Support VectorMachine,SVM)方案和无监督聚类方案。其中，基于神经网络的补偿方案具有强大的学习能力，但是会出现过拟合的问题；基于支持向量机的补偿方案具有很好的分类数据能力，但是应对高阶调制格式分类时，需要多个二元分类器，复杂度较高。由于无监督聚类可被看作全盲方案，不需要训练数据，减小了对信号容量的限制，而且是一种基于最大似然的判决方法，因此可以直接用于非线性补偿，相对于其他几类方案更具有优势。

从专利检索情况来说，发明专利“一种隐式三元组神经网络及光纤非线性损伤均衡器”(申请号202010710931.6)，利用接收符号中提取的特征送入隐式三元组神经网络，选取最优隐式三元组神经网络进行非线性损伤均衡。该发明可以达到DBP方案的补偿性能，但是需要额外大量数据来训练网络。发明专利“一种补偿光纤传输非线性损伤的自适应数字信号处理算法”(申请号201610043746.X)，利用信号的强度方差来估计最佳的非线性系数，并将最佳应用在DBP算法中。该发明仍旧使用传统的DBP算法，涉及大量的FFT/IFFT运算，复杂度高。发明专利“用于64-QAM相干光传输系统的缓和光纤非线性方法”(申请号201711059737.0)，首先对K-means算法进行改进，利用密度参数确定最佳质心，利用最佳质心对数据重新分类。该方法需要迭代的计算每个数据点之间的距离，计算量过大。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法解决了现有的非线性损伤补偿过程复杂，补偿效果不理想的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，包括以下步骤：

S1、获取高速相干偏振复用系统中载波相位恢复模块输出的复值信号mQAM；

S2、根据信号mQAM的调制格式确定m个标准星座点的位置，并对m个标准星座点赋予1...m的标签；

S3、设置接收的无标签数据和标签状态的对应关系为{(x₁,C₁'),(x₂,C₂'),...,(x_k,C_k'),...,(x_N,C_N')}；

其中，x₁...x_N为复数，表示接收到的无标签数据，C_k'为接收到的无标签数据对应的标签状态，下标k＝1,2,...,N，下标N为数据长度，C_k'的初始值均为0；

S4、计算所有无标签数据的视野半径；

S5、基于m个标准星座点的标签和预设的无标签数据的视野半径，对符合传播原则的无标签数据对应的标签状态进行迭代更新；

S6、根据标签更新结果，对无标签数据进行分类，完成非线性判决，进而实现非线性损伤补偿。

进一步地，所述步骤S4中的无标签数据的视野半径r的计算公式为：

式中，Re(x)和Im(x)分别表示对接收信号_x进行实部和虚部运算，ξ为Re(x)和Im(x)的数值范围，α为传播系数。

进一步地，所述步骤S5中，传播原则的表达式为：

式中，C代表标签,那么

为调制格式的阶数为m、视野半径为r时带标签数据的标签，I(·)为指标函数。

进一步地，所述步骤S5中，对无标签数据对应的标签状态进行迭代更新的方法具体为：

A1、在当前无标签数据x_k的视野半径r内，有若干个不同的带标签的数据时，则将数量最多的标签更新为当前迭代次数下该无标签数据对应的标签；

在当前无标签数据x_k的视野半径r内，没有带标签的数据时，则当前迭代次数下的无标签数据x_k的标签不变，仍为初始值0；

A2、判断当前迭代次数下的标签更新结果与前一迭代次数下的标签更新结果是否相同；

若是，则进入步骤A4；

若否，则进入步骤A3；

A3、使迭代次数增加1，并返回步骤A1；

A4、终止迭代更新，获得当前迭代次数下的无标签数据的标签更新结果。

进一步地，所述步骤S6具体为：

S61、确定标签更新结果中标签仍为0的无标签数据；

S62、根据欧氏距离查找距步骤S61中的无标签数据最近的带标签的数据，并将其标签作为对应无标签数据的标签；

S63、基于步骤S62中的方法，对步骤S61中的所有无标签数据进行标签赋值，进而实现对所有无标签数据的分类，完成非线性判决，实现非线性补偿。

进一步地，信号mQAM的调制格式包括PDM-16QAM、PDM-32QAM和PDM-64QAM；

当调制格式为PDM-16QAM时，对应标签值的范围为1～16；

当调制格式为PDM-32QAM时，对应标签值的范围为1～32；

当调制格式为PDM-64QAM时，对应标签值的范围为1～64。

进一步地，当调制格式包括PDM-16QAM、PDM-32QAM和PDM-64QAM中的任意一种时，所述传播系数α的值取140。

进一步地，当调制格式为PDM-16QAM时，视野半径r为0.0845；

当调制格式为PDM-32QAM时，视野半径r为0.1267；

当调制格式为PDM-64QAM时，视野半径r为0.1699。

本发明的有益效果为：

(1)本发明方法只需要极少数的标签数据即可预测剩余无标签数据的标签状态，不需要训练数据且具有低复杂度，利用数据之间的紧密程度可以对数据进行非线性判决，以达到补偿非线性损伤的目的。

(2)在入纤功率较低时，Kerr非线性效应不明显，ASE噪声占主导地位，本发明方法可以对光放大器ASE噪声造成的损伤进行很好的补偿；随着入纤功率的不断增加，非线性效应和ASE噪声的影响愈发明显，本发明方法也可以很好地对信号进行重新判决，补偿光纤非线性效应和ASE噪声造成的损伤，降低误码率，有效扩大入纤功率的范围。

附图说明

图1为本发明中包含基于标签传播算法的非线性损伤补偿方法的数字信号处理流程图。

图2为本发明中适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法流程图。

图3为本发明提供的以28GBaudPDM-16QAM信号传输1200km后的仿真数据为例，在载波相位恢复模块处理后的星座图。

图4为本发明中根据调制格式确定标准星座点的坐标。

图5为本发明中初始化传播的星座图。

图6为本发明中在初始化传播的基础上经过数次迭代后，传播终止的星座图。

图7为本发明中剩余无标签数据根据最近的标签数据，将其标签赋给自己，最终所有数据均被赋予标签的结果图。

图8为本发明中标签传播算法不同调制格式下传播系数α的优化曲线。

图9为本发明中28GBaud单载波和WDM系统的仿真框图。

图10为本发明中20GBaud单载波PDM-16QAM实验框图。

图11为本发明中28GBaud单载波系统三种调制格式仿真误码率曲线图。

图12为本发明中28GBaud WDM系统仿真误码率曲线图。

图13为本发明中20GBaud单载波PDM-16QAM信号经800km传输后实验误码率曲线图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，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。

实施例1：

针对相干光系统中的非线性损伤补偿问题，本发明提出一种基于标签传播算法(Label propagation algorithm,LPA)的非线性损伤补偿方法，适用于偏振复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)16QAM、PDM-32QAM和PDM-64QAM等多种调制格式，如图1所示，该方法首先将接收到的信号经过重采样、色散补偿、时间相位恢复、偏振解复用、频偏及载波相位恢复等DSP处理，本发明方法置于载波相位恢复模块之后，提出了一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，该方法的核心思想是利用标签传播算法实现基于非线性判决边界的特性对接收到的符号进行重新判决，以达到补偿非线性损伤的目的。如图2所示，本发明方法包括以下步骤：

S1、获取高速相干偏振复用系统中载波相位恢复模块输出的复数信号mQAM；

S2、根据信号mQAM的调制格式确定m个标准星座点的位置，并对m个标准星座点赋予1...m的标签；

S3、设置接收的无标签数据和标签状态的对应关系为{(x₁,C₁'),(x₂,C₂'),...,(x_k,C_k'),...,(x_N,C_N')}；

其中，x₁...x_N为复数，表示接收到的无标签数据，C_k'为接收到的无标签数据对应的标签状态，下标k＝1,2,...,N，下标N为数据长度，C_k'的初始值均为0；

S4、计算所有无标签数据的视野半径；

S5、基于m个标准星座点的标签和预设的无标签数据的视野半径，对符合传播原则的无标签数据对应的标签状态进行迭代更新；

S6、根据标签更新结果，对无标签数据进行分类，完成非线性判决，进而实现非线性损伤补偿。

本实施例中的步骤S2中，信号mQAM的调制格式包括PDM-16QAM、PDM-32QAM和PDM-64QAM；当调制格式为PDM-16QAM时，对应标签值的范围为1～16；当调制格式为PDM-32QAM时，对应标签值的范围为1～32；当调制格式为PDM-64QAM时，对应标签值的范围为1～64。如图3所示为以调制格式为PDM-16QAM为例时，载波相位恢复模块处理后得到的星座图，图4为对应的标准星座点坐标示意。

本实施例的步骤S3中，最终C_k'的种类有m种。

本实施例的步骤S4中，我们将所有的标准星座点、无标签数据的实部和虚部分开，以便于计算欧氏距离，对所有的无标签数据设置一个视野半径，无标签数据查看视野半径内周围数据的标签情况，视野半径r的计算公式为：

式中，Re(x)和Im(x)分别表示对接收信号_x进行实部和虚部运算，ξ为Re(x)和Im(x)的数值范围，α为传播系数。

根据上述公式，改变传播系数的值可以控制无标签数据的视野范围，当传播系数取较小的值时，视野半径增大，相应的迭代次数减少，计算复杂度会下降，但性能较差；当取较大的传播系数时，迭代次数和计算复杂度会上升，但是性能也会提升，从图8中可以看出，为了权衡性能和计算复杂度，传播系数值选取140作为最优参数，并且该参数适用于单载波和WDM系统。当调制格式为PDM-16QAM时，视野半径r为0.0845；当调制格式为PDM-32QAM时，视野半径r为0.1267；当调制格式为PDM-64QAM时，视野半径r为0.1699。

本实施例的步骤S5中，无标签数据根据提出的视野半径，对符合传播原则的无标签数据进行标签更新操作，传播原则的表达式为：

式中，C代表标签,那么

为调制格式的阶数为m、视野半径为r时带标签数据的标签，I(·)为指标函数。

基于上述传播原则，无标签数据的标签由视野半径内数量最多的标签所决定，因此步骤S5中，对无标签数据对应的标签状态进行迭代更新的方法具体为：

A1、在当前无标签数据x_k的视野半径r内，有若干个不同的带标签的数据时，则将数量最多的标签更新为当前迭代次数下该无标签数据对应的标签；

在当前无标签数据x_k的视野半径r内，没有带标签的数据时，则当前迭代次数下的无标签数据x_k的标签不变，仍为初始值0；

A2、判断当前迭代次数下的标签更新结果与前一迭代次数下的标签更新结果是否相同；

若是，则进入步骤A4；

若否，则进入步骤A3；

A3、使迭代次数增加1，并返回步骤A1；

A4、终止迭代更新，获得当前迭代次数下的无标签数据的标签更新结果。

图5是无标签数据从根据最初m个带标签的标准点进行初始化传播的结果图，图6为终止迭代更新时的标签更新结果。

本实施例的步骤S6中，由于受到光纤非线性效应和ASE噪声的影响，剩余70～150个数据的标签状态仍然为0，因为这些数据的视野半径内没有任何带标签的数据，需要对这些数据进行标签赋值，以实现数据分类，因此上述步骤S6具体为：

S61、确定标签更新结果中标签仍为0的无标签数据；

S62、根据欧氏距离查找距步骤S61中的无标签数据最近的带标签的数据，并将其标签作为对应无标签数据的标签；

S63、基于步骤S62中的方法，对步骤S61中的所有无标签数据进行标签赋值，进而实现对所有无标签数据的分类，完成非线性判决，实现非线性损伤补偿。

基于上述对无标签数据进行标签赋值得到的结果如图7所示。

实施例2：

为了验证本发明的有效性，本实施例中从仿真和实验两个方面进行验证：

仿真方面，利用VPI和MATLAB搭建了如图9所示的相干光传输系统，可进行高速相干偏振复用的单载波和WDM系统仿真，详细参数如下：3个PDM发射机分别发送28GBaudPDM-16QAM/32QAM/64QAM信号，发射机的频偏和线宽分别为100MHz和100KHz。仿真系统利用一个光开关使光链路在单信道和多信道传输之间切换。入纤功率范围为-7dBm～4dBm，每次递增1dB。在光纤环路中，我们采用每跨100km的单模光纤，其损耗系数为0.2dB/km，色散系数为17ps/(nm·km)，偏振模色散为0.2ps/√km，非线性系数为1.3W^-1/km。此后，使用一个噪声指数为4dB的EDFA补偿光纤链路的损耗并引入ASE噪声。分别将PDM-16QAM/32QAM/64QAM信号传输1200km、800km和400km。在光纤环路之后，首先使用一个解复用器对WDM信号进行解复用，并利用三个相干接收机分别采集信号。在相干接收端，信号光和本振光进行90°混频并通过平衡探测，得到四路电信号，经过低通滤波器滤波、模数转换器采样实时获取数据。其后，将获取的数据进行一系列DSP处理，包括重采样、色散补偿、时间相位恢复、偏振解复用、频偏估计和载波相位恢复，在载波相位恢复模块后面进行本发明提出的基于标签传播算法的非线性损伤补偿，最终进行符号反映射和误码率的计算。另外需要注意的是，在WDM情况中，我们搭建的是3信道的WDM28GBaud PDM-16QAM/64QAM系统，为了不失一般性，我们以第1信道的信号为例进行说明，其中信道间隔为50GHz，波长为1550nm。

实验方面，其光纤传输实验结构框图如图10所示，搭建20GBaud单载波PDM-16QAM传输800km实验系统。发射信号首先经过DSP预处理，包括比特到符号的映射，其中伪随机比特序列(PRBS)设置为2¹⁵-1，以及滚降系数为0.75的升余弦滤波器(RC)的脉冲整形，然后将信号发送进任意波形发生器(AWG)。使用线宽大约为100kHz的外腔激光器(ECL)作为发射机和本振的激光源，并且波长设置为1550nm。发射机输出的信号经过一个EDFA进行放大，再使用一个光衰减器控制进入光纤的功率，之后信号输入到光纤环路中，环路中包含一个环路控制仪，一个带宽1nm的光带通滤波器，一个噪声指数约为4dB的EDFA和单跨100km的单模光纤，其损耗系数为0.19dB/km，色散系数为16.7ps/(nm·km)，非线性系数为1.27/W/km。在接收端，我们使用一个偏振分集相干接收机探测信号，对接收信号进行每通道40GS/s的高速模数转换(A/D)，再将采集到的信号经过一系列的DSP流程，在载波相位恢复模块后利用本发明方法进行非线性损伤补偿。

在补偿完成后，进行反映射和误码率计算，我们使用误码率衡量该发明的有效性。如图11所示，在单载波仿真情况下，本发明对不同调制格式在不同传输距离情况下的误码率具有不同程度的改善，例如对于PDM-64QAM信号，在最佳入纤功率点处误码率从2.58×10^-4降到6.10×10^-5，入纤功率范围扩大了约2.3dB；同理，本发明对于PDM-16QAM和PDM-32QAM的入纤功率范围分别扩大了约2.5dB和1.6dB。在WDM情况下的仿真结果如图12所示，由于信号受到交叉相位调制(XPM)和四波混频(FWM)的影响，信号质量比单信道信号差，但是在误码率曲线中可以看出，对于PDM-16QAM和PDM-64QAM传输信号，入纤功率范围分别扩大了2.1dB和1.8dB。因此本发明对于WDM系统中存在的非线性损伤也有显著的补偿效果，有效扩大了入纤功率的范围。

在实验条件下，本发明对单载波PDM-16QAM传输800km后进行非线性损伤补偿的误码率曲线对比如图13所示。可以看出，本发明相比不加非线性损伤补偿方案的情况，可以明显改善误码率性能。在入纤功率为-3dBm处的误码率从5.11×10^-3降到2.50×10^-3，入纤功率为-1dBm处的误码率从2.74×10^-3降到了1.60×10^-3，入纤功率为3dBm处误码率从1.07×10^-2降到6.99×10-3。此外，本发明有效地将入纤功率范围从-2.4～0dBm增长到了-3～2dBm范围。

通过上述仿真和实验的双重验证，在入纤功率较低时，Kerr非线性效应不明显，ASE噪声占主导地位，本发明可以对光放大器ASE噪声造成的损伤进行很好的补偿；随着入纤功率的不断增加，非线性效应和ASE噪声的影响愈发明显，本发明仍可以在较低复杂度情况下有效补偿单载波和WDM系统中存在的非线性损伤，实现信号的重新判决，改善误码率性能，有效扩大入纤功率的范围。

Claims (8)

1.一种适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取高速相干偏振复用系统中载波相位恢复模块输出的复值信号mQAM；

S2、根据信号mQAM的调制格式确定m个标准星座点的位置，并对m个标准星座点赋予1...m的标签；

S3、设置接收的无标签数据和标签状态的对应关系为{(x₁,C₁'),(x₂,C₂'),...,(x_k,C_k'),...,(x_N,C_N')}；

其中，x₁...x_N为复数，表示接收到的无标签数据，C_k'为接收到的无标签数据对应的标签状态，下标k＝1,2,...,N，下标N为数据长度，C_k'的初始值均为0；

S4、计算所有无标签数据的视野半径；

S5、基于m个标准星座点的标签和预设的无标签数据的视野半径，对符合传播原则的无标签数据对应的标签状态进行迭代更新；

S6、根据标签更新结果，对无标签数据进行分类，完成非线性判决，进而实现非线性损伤补偿。

2.根据权利要求1所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，所述步骤S4中的无标签数据的视野半径r的计算公式为：

式中，Re(x)和Im(x)分别表示对接收信号x进行实部和虚部运算，ξ为Re(x)和Im(x)的数值范围，α为传播系数。

3.根据权利要求2所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，所述步骤S5中，传播原则的表达式为：

式中，C为标签，则

为调制格式的阶数为m、视野半径为r时带标签数据的标签，I(·)为指标函数。

4.根据权利要求3所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，所述步骤S5中，对无标签数据对应的标签状态进行迭代更新的方法具体为：

A1、在当前无标签数据x_k的视野半径r内，有若干个不同的带标签的数据时，则将数量最多的标签更新为当前迭代次数下该无标签数据对应的标签；

在当前无标签数据x_k的视野半径r内，没有带标签的数据时，则当前迭代次数下的无标签数据x_k的标签不变，仍为初始值0；

A2、判断当前迭代次数下的标签更新结果与前一迭代次数下的标签更新结果是否相同；

若是，则进入步骤A4；

若否，则进入步骤A3；

A3、使迭代次数增加1，并返回步骤A1；

A4、终止迭代更新，获得当前迭代次数下的无标签数据的标签更新结果。

5.根据权利要求6所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：

S61、确定标签更新结果中标签仍为0的无标签数据；

S62、根据欧氏距离查找距步骤S61中的无标签数据最近的带标签的数据，并将其标签作为对应无标签数据的标签；

S63、基于步骤S62中的方法，对步骤S61中的所有无标签数据进行标签赋值，进而实现对所有无标签数据的分类，完成非线性判决，实现非线性补偿。

6.根据权利要求2所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，信号mQAM的调制格式包括PDM-16QAM、PDM-32QAM和PDM-64QAM；

当调制格式为PDM-16QAM时，对应标签值的范围为1～16；

当调制格式为PDM-32QAM时，对应标签值的范围为1～32；

当调制格式为PDM-64QAM时，对应标签值的范围为1～64。

7.根据权利要求6所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，当调制格式为调制格式包括PDM-16QAM、PDM-32QAM和PDM-64QAM中的任意一种时，所述传播系数α的值为140。

8.根据权利要求7所述的适用于高速相干偏振复用系统的非线性损伤补偿方法，其特征在于，当调制格式为PDM-16QAM时，视野半径r为0.0845；

当调制格式为PDM-32QAM时，视野半径r为0.1267；

当调制格式为PDM-64QAM时，视野半径r为0.1699。

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