CN113938624B - 一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法 - Google Patents

一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，通过采用三个自适应滤波器将相邻子载波进行频率移位得到的信号与同频率不同偏振的另一信号共同对原信号进行载波串扰补偿和偏振模色散补偿，并且滤波器的抽头系数随着信号的输入不断更新，通过每个滤波器不同的抽头系数比例对原信号进行恢复，可以很有效的消除原信号的频谱串扰和偏振模色散干扰。基于本发明提出的对载波间串扰和偏振模色散联合补偿方法，可以有效地提升发送信号的频谱效率，提高在光纤中传输的距离，有效地增大接收端的信噪比和减小误码率。在高速率高密集多载波的光纤传输系统中有重要的应用前景。

Description

一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法。
背景技术
现阶段，光纤传输已经成为了高速大容量远距离通信技术的主流。光纤由于其本身对光传输具有损耗低的特性，可以使携带信息的光信号传输很长的距离，另外由于光纤放大器的横空产生，使得光信号可以传输比之前长十倍百倍的距离。
随着当前5G和6G技术的开发，大容量数据的高速率传输问题需要亟待解决。而根据香农信息理论，信噪比和带宽是呈反比关系的，而高速率下会产生高带宽，所以要想增加高速传输下的信号质量，提升频谱效率成为了一种可能。当传输系统的带宽利用率被提高的同时，势必会产生一些干扰来影响信号的质量，而最大的干扰问题就是频谱间串扰。
随着人们对光信号和光纤的进一步开发，现有技术提出了利用双偏振光进行信号传输，这样可以使得数据传输速率提升一倍之多，但是由于光纤的非理想性质和双折射性质，导致双偏振光在光纤传输过程中会产生偏振模色散等问题，严重影响传输信号的质量。
如今的高速大容量单模光纤传输系统中多数采用的都是多子载波双偏振信号，传统的OFDM传输系统和奈奎斯特WDM传输系统都有一定的约束，那就是必须满足相邻子载波间隔等于波特率，如果小于波特率就会产生严重的载波间串扰。因此急需要解决其面临的载波间串扰问题和偏振模色散问题，来提升频谱利用率和保证信号传输的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，不仅能处理偏振模色散问题，同时也可以使子载波间隔小于波特率时产生的频谱串扰影响消失。通过该方法，频谱利用效率得到了提升，同时保证了传输信号的质量，从而可以实现更高速和更远距离的光纤传输。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，对采样后的信号进行IQ正交化和色散补偿处理后，通过采用三个自适应滤波器将相邻子载波进行频率移位得到的信号与同频率不同偏振的另一信号共同对原信号进行载波串扰补偿和偏振模色散补偿，并且滤波器的抽头系数随着信号的输入不断更新，通过每个滤波器不同的抽头系数比例对原信号进行恢复。
进一步地，上述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法中，采样后的信号进行IQ正交化和色散补偿处理后得到E1x,E1y,E2x,E2y信号，E1x,E1y,E2x,E2y满足以下公式：
E1x＝e1x+η1e2x·ej2πΔft+μ1e1y (1)
E1y＝e1y+η2e2y·ej2πΔft+μ2e1x (2)
E2x＝e2x+η3e1x·e-j2πΔft+μ3e2y (3)
E2y＝e2y+η4e1y·e-j2πΔft+μ4e2x (4)
其中，e代表的是原发送信号，下标1，2表示载波中心频率f1和f2，下标x，y为信号正交偏振，η(i＝1,2,3,4)和μ(i＝1,2,3,4)分别代表了不同相邻子载波和偏振对原信号的干扰程度；Δf＝f2-f1。
进一步地，上述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法中，自适应滤波器为具有n个抽头的有限单位冲激响应滤波器，n取正整数。
进一步地，上述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法中，三个滤波器分别作用到对e1x有影响的E1x，E2x和E1y信号，滤波器的抽头系数矩阵分别用h1，h2和h3表示，公式如下：
Figure BDA0003305268690000021
其中，上标T代表了矩阵的转置；E1’x表示串扰恢复和偏振模色散恢复后的信号。
进一步地，上述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法中，更新滤波器系数矩阵h1，h2和h3的算法如下：
(1)先求得与理想信号模值的误差：
Figure BDA0003305268690000031
(2)采用自适应算法更新系数：
Figure BDA0003305268690000032
Figure BDA0003305268690000033
Figure BDA0003305268690000034
其中，||为求模值，∑为求和，δ为步长，上标i为更新次数，上标*为取共轭。
进一步地，上述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法中，对信号载波串扰补偿和偏振模色散补偿之后对其进行载波相位恢复。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，通过在光通信系统中通过使用单模光纤传输多子载波技术，并在接收端通过先进的数字信号处理算法进行处理，可实现大容量高速率光纤通信。同时，本发明通过采用三参数滤波器对接收到的有串扰信号不断地进行补偿和对滤波器系数的自适应更新，可以实现在对频谱间串扰进行补偿的同时也会对偏振模色散产生的影响进行补偿，从而提高接收端信号的Q因子的同时降低系统误码率。在高速率高密集多载波的光纤传输系统中有重要的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为多载波光纤传输系统图。
图2为自适应串扰补偿框架图。
图3为三种不同补偿方法得到的星座图。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
本发明提出了一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，对采样后的信号进行IQ正交化和色散补偿处理后，通过采用三个自适应滤波器将相邻子载波进行频率移位得到的信号与同频率不同偏振的另一信号共同对原信号进行载波串扰补偿和偏振模色散补偿，并且滤波器的抽头系数随着信号的输入不断更新，通过每个滤波器不同的抽头系数比例对原信号进行恢复。
具体地，在系统相干检测接收端，对光纤中的多子载波双偏振信号进行零差相干检测之后，信号经过模数转换器(ADC)进行数字采样，而后进入数字信号处理器(DSP)对数字信号进行处理以得到较为理想的信号，不同的数字信号处理技术会得到不同质量的恢复信号。
DSP对接收到的数字信号先进行IQ正交化处理和色散补偿处理。以对输入的信号在光纤中遇到的色散损伤进行修复，接下来进行偏振模色散补偿和子载波间串扰补偿。
假设采样后的信号进行IQ正交化和色散补偿之后分别为E1x,E1y,E2x,E2y.其中，下标1，2表示载波中心频率为f1和f2，下标x，y为信号正交偏振，由于每个信号都存在相邻载波间干扰和偏振模色散串扰，所以存在以下公式：
E1x＝e1x+η1e2x·ej2πΔft+μ1e1y (1)
E1y＝e1y+η2e2y·ej2πΔft+μ2e1x (2)
E2x＝e2x+η3e1x·e-j2πΔft+μ3e2y (3)
E2y＝e2y+η4e1y·e-j2πΔft+μ4e2x (4)
其中，e代表的是原发送信号，也就是想恢复出来的信理想号，下标分别代表了调制载波的频率和偏振；η(i＝1,2,3,4)和μ(i＝1,2,3,4)分别代表了不同相邻子载波和偏振对原信号的干扰程度；Δf＝f2-f1，因为相邻子载波的中心频率和原信号正好差一个Δf，所以在零差相干接收过程中使用原信号的中心频率(如f1)对相邻子载波(如f2)干扰信号进行零差相干接收会产生一个频率差Δf。
接下来采用本发明所提出的偏振模色散和子载波串扰恢复方法将e1x信号进行恢复，其他三个信号的恢复过程与e1x信号类似。
首先，定义三个具有n个抽头的有限单位冲激响应滤波器(FIR)分别为H1、H2和H3，n取正整数(n越大其滤波器补偿效果越好，但是其复杂性也会提高)。这三个滤波器分别作用到对e1x有影响的E1x，E2x和E1y信号，滤波器系数矩阵分别用h1，h2和h3表示，公式如下：
Figure BDA0003305268690000051
其中，上标T代表了矩阵的转置；这里由于对信号串扰补偿和偏振模色散补偿之后还需要载波相位恢复等才能得到原信号e1x，故先用E’1x来表示串扰恢复和偏振模色散恢复后的信号。
更新滤波器系数矩阵h1，h2和h3的算法如下：
(1)先求得与理想信号模值的误差：
Figure BDA0003305268690000052
(2)采用自适应算法更新系数：
Figure BDA0003305268690000061
Figure BDA0003305268690000062
Figure BDA0003305268690000063
其中，||为求模值，∑为求和，δ为步长，上标i为更新次数，上标*为取共轭。
与上述公式相对应，采用调制光载波为f1的x偏振上的传输信号的串扰补偿和偏振补偿框架图如图2，其他三个传输信号框架与之类似。经仿真验证，经过此方法的输出信号的质量有了很大的提高。
本发明的具体实施方法及实验效果如下：
为了方便起见，本方法将采用的长距离多子载波传输系统简化为传输距离为80KM，传输速率为256Gbps的双子载波传输系统，每个子载波均为双偏振四相位相移键控信号(PDM-QPSK信号)，相邻子载波间隔为25Ghz，小于波特率32GBaud，在接收端用专利所提出的方法对载波间串扰和偏振串扰进行消除。本方法可以保证在一定信号质量和信号带宽的情况下提高传输系统的传输速率，即提高频带利用率。
传输系统框图如图1所示。由两个激光器产生两个间隔为25Ghz的光源，每个光源通过偏振分束器(PBC)各产生两种不同偏振的光载波，每个光载波与马赫曾德尔调制器(MZM)可以将一路电信号(由I路和Q路合成的QPSK信号)进行调制。两路PDM-QPSK信号的整体传输速率为256Gbps。两路调制好的偏振信号通过偏振合束器(PBS)进行偏振复用后，再经过波分复用器(MUX)进行合波。传输信号经过80KM光纤和光纤放大器EDFA后再经过DEX和PBC进行分波和分偏振。得到的四路光信号与本振光源进行零差相干接收分别得到四路电信号的I路和Q路，这些电信号经过模数转换器进行采样和数字信号处理器(DSP)进行各种信号恢复和补偿就能还原到原始信号。
其中，PBS和PBC分别为偏振分束器和偏振合束器；MUX和DEX分别为波分复用合波器和分波器；RX1,RY1,RX2,RY2为零差相干接收器；EDFA为光纤放大器；Resample实现数字采样，IQOrthogonalization实现IQ正交化，CD Compensation实现色散补偿，Carrier PhaseRecovery实现载波相位恢复；flo为光源。
数字信号处理器DSP的详细框图如图2所示。
其中上面提到的Resample采样器采用T/2间隔采样，色散补偿算法采用频域色散补偿算法，载波恢复算法采用FFT载波恢复算法，相位恢复算法采用BPS相位恢复算法，偏振模色散补偿和子载波串扰补偿采用本发明所提出的方法。
将仅采用处理串扰补偿的算法和仅采用处理偏振模色散补偿的算法所得到的补偿信号星座图进行了仿真对比(其余DSP算法均一致)。仿真结果如图3所示。
图3中的三个图分别是仅将同载波的不同偏振分量的串扰进行补偿后最终得到的星座图、仅对同偏振的相邻载波串扰分量进行补偿后最终得到的星座图和同时对偏振串扰分量和载波间串扰分量进行补偿后得到的星座图。由图3的三幅星座图可以很明显地看出本算法在解决信号串扰处理中的优越性。
综上，本发明提出了一种可以同时处理相邻载波串扰和偏振模色散的补偿方法。在方法中，通过将相邻子载波进行频率移位得到的信号与同频率不同偏振的另一信号共同对原信号使用自适应滤波器进行补偿，可以很有效的消除原信号的频谱串扰和偏振模色散干扰。基于此方法，可以提高远距离高速光纤传输系统的频带利用率，能够针对频带利用率提升而引起的载波间串扰效应及由双偏振信号之间产生的偏振模色散进行有效地补偿恢复，提高在光纤中传输的距离，有效地增大接收端的信噪比和减小误码率。在高速率高密集多载波的光纤传输系统中有重要的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，其特征在于，对采样后的信号进行IQ正交化和色散补偿处理后，通过采用三个自适应滤波器将相邻子载波进行频率移位得到的信号与同频率不同偏振的另一信号共同对原信号进行载波串扰补偿和偏振模色散补偿，并且滤波器的抽头系数随着信号的输入不断更新，通过每个滤波器不同的抽头系数比例对原信号进行恢复。
2.根据权利要求1所述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，其特征在于，采样后的信号进行IQ正交化和色散补偿处理后得到E1x,E1y,E2x,E2y信号，E1x,E1y,E2x,E2y满足以下公式：
E1x＝e1x+η1e2x·ej2πΔft+μ1e1y (1)
E1y＝e1y+η2e2y·ej2πΔft+μ2e1x (2)
E2x＝e2x+η3e1x·e-j2πΔft+μ3e2y (3)
E2y＝e2y+η4e1y·e-j2πΔft+μ4e2x (4)
其中，e代表的是原发送信号，下标1，2表示载波中心频率f1和f2，下标x，y为信号正交偏振，η(i＝1,2,3,4)和μ(i＝1,2,3,4)分别代表了不同相邻子载波和偏振对原信号的干扰程度；Δf＝f2-f1。
3.根据权利要求2所述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，其特征在于，自适应滤波器为具有n个抽头的有限单位冲激响应滤波器，n取正整数。
4.根据权利要求3所述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，其特征在于，三个滤波器分别作用到对e1x有影响的E1x，E2x和E1y信号，滤波器的抽头系数矩阵分别用h1，h2和h3表示，公式如下：
Figure FDA0003305268680000011
其中，上标T代表了矩阵的转置；E’1x表示串扰恢复和偏振模色散恢复后的信号。
5.根据权利要求4所述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，其特征在于，更新滤波器系数矩阵h1，h2和h3的算法如下：
(1)先求得与理想信号模值的误差：
Figure FDA0003305268680000021
(2)采用自适应算法更新系数：
Figure FDA0003305268680000022
Figure FDA0003305268680000023
Figure FDA0003305268680000024
其中，||为求模值，∑为求和，δ为步长，上标i为更新次数，上标*为取共轭。
6.根据权利要求1所述的多载波系统中载波串扰与偏振串扰联合补偿方法，其特征在于，对信号载波串扰补偿和偏振模色散补偿之后对其进行载波相位恢复。
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