CN114337840B - 一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调制信号6PolSK‑QPSK的色散补偿方法，涉及光通信技术领域，包括：通过马赫曾德尔调制器，获取调制信号6PolSK‑QPSK，并通过光纤信道输入90°混频器中；本振激光器发射本振光信号并输入90°混频器中；通过所述90°混频器将调制信号6PolSK‑QPSK和本振光信号进行相干混频，再通过光探测器转变为电信号；采用变步长滤波器抽头系数更新方法对所述电信号进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号。本发明采用变步长滤波器抽头系数更新方法，使均衡器收敛速度和稳态误差得到有效改善，提高色散补偿的能力，误码率降低。

Description

一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，更具体的说是涉及一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法。

背景技术

近年来，相干光通信技术得到了迅速的发展，越来越多的人研究具有更高频谱效率的调制方案。在四维调制方案中，PS-QPSK虽然具有灵敏度和非线性损伤容限的优点，但其频谱利用率不如PM-QPSK。为了充分利用PM-QPSK和PS-QPSK的优点，6PolSK-QPSK使用六种偏振态中的一种来传输QPSK符号。与PS-QPSK的3位/符号和PM-QPSK的4位/符号相比，其频谱效率为4.5位/符号，提高了频谱效率，同时可以在不牺牲功率或最小距离的情况下，将符号集置于四维超球上。

光信号在光纤中传输时，各方面因素会对系统的传输性能产生影响，主要的损伤来自于噪声累计、色散(CD)、偏振模色散(PMD)和非线性效应。色散源于光纤折射率随波长变化的特性，它使光纤中传输不同频率成分的光的传输时延不同，从而导致数据脉冲展宽，使信号失真；偏振模色散源于光在光纤内部传输时产生的随机双折射现象。光纤的偏振旋转使接收信号存在偏振串扰的影响，接收的一路偏振光中可能同时携带了发送端两个偏振态上的信息，可以通过四个FIR滤波器组成的蝶形结构对滤波器抽头系数进行调整来消除干扰，但传统技术手段中的滤波器抽头系数更新方法限制了色散补偿的精度，误码率高。

因此，如何对传统的6PolSK-QPSK色散补偿方案进行改进，获取更好的补偿效果，降低误码率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，对传统的6PolSK-QPSK色散补偿方案进行改进，均衡器收敛速度和稳态误差得到有效改善，误码率降低，可有效传输更多的信息。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，包括以下步骤：

通过马赫曾德尔调制器，获取调制信号6PolSK-QPSK，并通过光纤信道输入90°混频器中；

本振激光器发射本振光信号并输入90°混频器中；

通过所述90°混频器将调制信号6PolSK-QPSK和本振光信号进行相干混频，再通过光探测器转变为电信号；

采用变步长滤波器抽头系数更新方法对所述电信号进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号。

可选的，所述获取调制信号6PolSK-QPSK，具体包括以下步骤：

激光发射器发射激光信号并输入偏振分束器中，将偏振分束器输出的两路激光信号输入两支马赫曾德尔调制器中；

基于6PolSK-QPSK的信号特性，通过预编码获取4路信号数据；

将获取的4路信号数据输入任意波形发生器AWG中，输出4路电信号，每路输出电信号均有3个不同的电平值；

将4路电信号输入驱动放大器中进行信号放大，放大后的信号峰峰值为V_π，其中，V_π为调制器的半波电压；

将放大后的4路电信号输入两支马赫曾德尔调制器中进行调制，调节马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，直至达到功率传输函数最低点，获取调制信号6PolSK-QPSK。

可选的，得到完成色散补偿的电信号，具体包括以下步骤：

通过最小均方算法，调整滤波器抽头系数，对所述电信号进行预均衡；

获取随信号变化的迭代步长，通过改进的FIR滤波器抽头系数更新式，对电信号进行第二次调整，获取完成色散补偿的电信号。

可选的，对所述电信号进行预均衡，具体包括以下步骤：

在不考虑频偏与相偏的情况下，两个相互正交的偏振态上LMS误差函数为：

其中，d_x表示X偏振态的参考信号，X_out表示通过滤波器均衡后X偏振态的输出信号，d_y表示Y偏振态的参考信号，Y_out表示通过滤波器均衡后Y偏振态的输出信号，ε_x表示X偏振态的误差函数，ε_y表示Y偏振态的误差函数；

调整FIR滤波器抽头系数，直至两个相互正交的偏振态上的LMS误差函数收敛，得到预均衡后的电信号；

其中，FIR滤波器抽头系数更新式为：

其中，μ为迭代步长，所述迭代步长为定值；h_xx、h_xy、h_yx、h_yy分别表示更新前的FIR滤波器四个抽头系数，h_xx'、h_xy'、h_yx'、h_yy'分别表示更新后的FIR滤波器四个抽头系数。

可选的，对电信号进行第二次调整，具体包括以下步骤：

基于非线性Sigmoid函数，构建随信号变化的迭代步长的函数，表达式为：

其中，α为控制曲线范围的常数因子，β为控制曲线形状变化的常数因子；

进一步得到变步长FIR滤波器抽头系数更新式，该式表示为：

通过设置α和β的值，对FIR滤波器抽头系数进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，采用变步长滤波器抽头系数更新办法，使均衡器收敛速度和稳态误差得到有效改善，比传统的LMS算法补偿效果更好，在传输相同的数据量时，误码率降低，可以有效传输更多的信息，从而能够有效降低整个传输系统的费用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法的具体流程图；

图2为6PolSK-QPSK传输系统框图；

图3为6PolSK-QPSK信号两个正交偏振态上的星座图；

图4为6PolSK-QPSK信号的邦加球表示；

图5为新构建的函数和Sigmoid函数图像；

图6为新构建的函数在迭代过程中的迭代次数与均方误差图像示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，如图1所示，包括以下步骤：

通过马赫曾德尔调制器，获取调制信号6PolSK-QPSK，并通过光纤信道输入90°混频器中；

本振激光器发射本振光信号并输入90°混频器中；

通过90°混频器将调制信号6PolSK-QPSK和本振光信号进行相干混频，再通过光探测器转变为电信号；

采用变步长滤波器抽头系数更新方法对电信号进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号。

进一步地，基于如图2所示的6PolSK-QPSK信号的传输系统，获取调制信号6PolSK-QPSK，具体包括以下步骤：

激光发射器发射激光信号并输入偏振分束器中，将偏振分束器输出的两路激光信号输入两支马赫曾德尔调制器中；

基于6PolSK-QPSK的信号特性，通过预编码获取4路信号数据；

其中，信号的预编码方法：

6PolSK-QPSK信号作为PS-QPSK和PM-QPSK信号的结合，共有24种状态。在Matlab中，预先编码4路数据信号，得到24种不同的编码信号，这里给出24种不同的状态编码结果：

A₁＝[0,0,-1,-1]；A₂＝[0,0,-1,1]；A₃＝[0,0,1,-1]；A₄＝[0,0,1,1]；A₅＝[-1,-1,0,0]；A₆＝[-1,1,0,0]；

A₇＝[1,-1,0,0]；A₈＝[1,1,0,0]；A₉＝[1,0,1,0]；A₁₀＝[1,0,-1,0]；A₁₁＝[-1,0,1,0]；A₁₂＝[-1,0,-1,0]；

A₁₃＝[1,0,0,1]；A₁₄＝[1,0,0,-1]；A₁₅＝[-1,0,0,1]；A₁₆＝[-1,0,0,-1]；A₁₇＝[0,1,1,0]；A₁₈＝[0,1,-1,0]；

A₁₉＝[0,-1,1,0]；A₂₀＝[0,-1,-1,0]；A₂₁＝[0,1,0,1]；A₂₂＝[0,1,0,-1]；A₂₃＝[0,-1,0,1]；A₂₄＝[0,-1,0,-1]；

将获取的4路信号数据输入任意波形发生器AWG中，输出4路电信号，每路输出电信号均有3个不同的电平值；

将4路电信号输入驱动放大器中进行信号放大，放大后的信号峰峰值为V_π，其中，V_π为调制器的半波电压；

将放大后的4路电信号输入两支马赫曾德尔调制器中进行调制，通过调节马赫曾德尔调制器的直流偏置电压使其处于合适的偏置点，即达到功率传输函数最低点，获取调制信号6PolSK-QPSK。

接下来，参见图3，阐述一下6PolSK-QPSK信号的产生原理。

PM-QPSK星座集可以表示为C_PM-QPSK＝{(±1,±1,±1,±1)}，PS-QPSK星座集可以表示为C_PS-QPSK＝{(±1,±1,0,0),(0,0,±1,±1)}。在光通信传输系统中，恒幅信号受到光纤传输的破坏较小。因此，为了产生恒定振幅的6Polsk-QPSK信号，需要对PM-QPSK符号集进行45°相移,得到C'_PM-QPSK＝{(±1,0,±1,0),(0,±1,±1,0),(0,±1,0,±1),(±1,0,0,±1)}。作为二者的结合，6PolSK-QPSK星座集可以表示为C_6PolSK-QPSK＝C'_PM-QPSK∪C_PS-QPSK。利用驱动器产生三电平，可以生成6PolSK-QPSK信号进行传输。

光信号可以分为两个相互正交的偏振态(这里标为x和y偏振态)，充分利用光信号的偏振空间，合理放置以后，如图4所示可以在邦加球上面得到6个点集，在不减少信号欧氏距离的前提下，有效提高信号的频谱效率。

光信号在光纤中传输时，各方面因素会影响系统传输性能，主要的损伤来自于噪声累计，色散(CD)，偏振模色散(PMD)和非线性效应。光纤的偏振旋转造成接收信号存在偏振串扰的影响，也就是说接收的一路偏振光中可能同时携带了发送端两个偏振态上的信息。这可以通过四个FIR滤波器组成的蝶形结构，不断调整滤波器抽头系数来消除干扰，该过程可以通过下式表示：

其中，h_ij表示第j个偏振光对第i个偏振光的冲击响应。

在调整滤波器抽头系数的过程中，需要运用到相应的自适应均衡算法，通常运用到恒模算法(CMA)和最小均方算法(LMS)，但从如图3所示的6PolSK-QPSK信号的两个偏振态上的星座图可以看出，并不是恒定的模值，所以本实施例选用LMS算法来进行补偿损伤。

具体地，在本实施例中得到完成色散补偿的电信号，具体包括以下步骤：

通过最小均方算法，调整滤波器抽头系数，对电信号进行预均衡；

获取随信号变化的迭代步长，获取改进的FIR滤波器抽头系数更新式，对电信号进行第二次调整，获取完成色散补偿的电信号。

其中，对电信号进行预均衡，具体包括以下步骤：

在不考虑频偏与相偏的情况下，两个相互正交的偏振态上LMS误差函数为：

其中，d_x表示X偏振态的参考信号，Xo_ut表示通过滤波器均衡后X偏振态的输出信号，d_y表示Y偏振态的参考信号，Yo_ut表示通过滤波器均衡后Y偏振态的输出信号，ε_x表示X偏振态的误差函数，ε_y表示Y偏振态的误差函数；

调整FIR滤波器抽头系数，直至两个相互正交的偏振态上的LMS误差函数收敛，得到预均衡后的电信号；

其中，FIR滤波器抽头系数更新式为：

其中，μ为迭代步长，所述迭代步长为定值；h_xx、h_xy、h_yx、h_yy分别表示更新前的FIR滤波器四个抽头系数，h_xx'、h_xy'、h_yx'、h_yy'分别表示更新后的FIR滤波器四个抽头系数。

接下来，对电信号进行第二次调整，具体包括以下步骤：

基于非线性Sigmoid函数，构建新的函数，来对传统LMS算法进行改进。

新构建函数的表达式为：通过合理设置α和β来进行信号调整。如图5所示为新构建的函数和Sigmoid函数图像，此时α＝0.002、β＝1，新构建函数图像变化比Sigmoid函数图像更快，而且函数图像有平稳的状态，前期收敛速度较快，后期稳态误差稳定，从而在整体上保证收敛速度和稳态误差的效果更好。如图6所示，合理设置α和β的值，对新构建函数进行信号测试，检验迭代次数与均方误差的效果较好。

基于构建的新函数，在自适应均衡中，获取随信号变化的迭代步长的函数，表达式为：

其中，α为控制曲线范围的常数因子，β为控制曲线形状变化的常数因子；

进一步得到变步长FIR滤波器抽头系数更新式，该式表示为：

通过设置α和β的值，对FIR滤波器抽头系数进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号，可以达到比传统LMS算法更好的补偿效果，有效降低了误码率。

在不考虑频偏相偏的情况下，根据以上方案对接收到的数据进行损伤补偿，完成对6PolSK-QPSK的信号解调。本发明提出的6PolSK-QPSK信号色散补偿方案，采用变步长滤波器抽头系数更新办法，使均衡器收敛速度和稳态误差得到有效改善，在传输相同的数据量时，误码率降低，可以有效传输更多的信息，从而能够有效降低整个传输系统的费用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过马赫曾德尔调制器，获取调制信号6PolSK-QPSK，并通过光纤信道输入90°混频器中；

本振激光器发射本振光信号并输入90°混频器中；

通过所述90°混频器将调制信号6PolSK-QPSK和本振光信号进行相干混频，再通过光探测器转变为电信号；

采用变步长滤波器抽头系数更新方法对所述电信号进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号；

其中，对所述电信号进行调整分为两部分：预均衡及第二次调整；

对电信号进行第二次调整，具体包括以下步骤：

基于非线性Sigmoid函数，构建随信号变化的迭代步长的函数，表达式为：

其中，α为控制曲线范围的常数因子，β为控制曲线形状变化的常数因子；

进一步得到变步长FIR滤波器抽头系数更新式，该式表示为：

通过设置α和β的值，对FIR滤波器抽头系数进行调整，直至收敛，得到完成色散补偿的电信号；

式中：ε_x表示X偏振态的误差函数，ε_y表示Y偏振态的误差函数；h_xx、h_xy、h_yx、h_yy分别表示更新前的FIR滤波器四个抽头系数，h_xx'、h_xy'、h_yx'、h_yy'分别表示更新后的FIR滤波器四个抽头系数；X_out表示通过滤波器均衡后X偏振态的输出信号；Y_out表示通过滤波器均衡后Y偏振态的输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，其特征在于，所述获取调制信号6PolSK-QPSK，具体包括以下步骤：

激光发射器发射激光信号并输入偏振分束器中，将偏振分束器输出的两路激光信号输入两支马赫曾德尔调制器中；

基于6PolSK-QPSK的信号特性，通过预编码获取4路信号数据；

将获取的4路信号数据输入任意波形发生器AWG中，输出4路电信号，每路输出电信号均有3个不同的电平值；

将4路电信号输入驱动放大器中进行信号放大，放大后的信号峰峰值为V_π，其中，V_π为调制器的半波电压；

将放大后的4路电信号输入两支马赫曾德尔调制器中进行调制，调节马赫曾德尔调制器的直流偏置电压，直至达到功率传输函数最低点，获取调制信号6PolSK-QPSK。

3.根据权利要求1所述的一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，其特征在于，得到完成色散补偿的电信号，具体包括以下步骤：

通过最小均方算法，调整滤波器抽头系数，对所述电信号进行预均衡；

获取随信号变化的迭代步长，通过改进的FIR滤波器抽头系数更新式，对电信号进行第二次调整，获取完成色散补偿的电信号。

4.根据权利要求3所述的一种调制信号6PolSK-QPSK的色散补偿方法，其特征在于，对所述电信号进行预均衡，具体包括以下步骤：

在不考虑频偏与相偏的情况下，两个相互正交的偏振态上LMS误差函数为：

其中，d_x表示X偏振态的参考信号，X_out表示通过滤波器均衡后X偏振态的输出信号，d_y表示Y偏振态的参考信号，Y_out表示通过滤波器均衡后Y偏振态的输出信号，ε_x表示X偏振态的误差函数，ε_y表示Y偏振态的误差函数；

调整FIR滤波器抽头系数，直至两个相互正交的偏振态上的LMS误差函数收敛，得到预均衡后的电信号；

其中，FIR滤波器抽头系数更新式为：

其中，μ为迭代步长，所述迭代步长为定值；h_xx、h_xy、h_yx、h_yy分别表示更新前的FIR滤波器四个抽头系数，h_xx'、h_xy'、h_yx'、h_yy'分别表示更新后的FIR滤波器四个抽头系数。