CN114826424B - 一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法及系统，该方法对2N路强度信号进行取均方根操作得到2N路幅度信号，并对2N路幅度信号进行自适应变换，随后通过基于导频辅助的Gerchberg‑Saxton(GS)相位重构迭代算法初步恢复2N维信号，接着对初步恢复的2N维信号进行软判决，并将权重判决信息反馈给发射端，作为’伪导频’辅助GS相位重构算法快速、准确地收敛，继而恢复出2N维复用信号。系统包括五个部分：2N‑维复用信号光发射机、光纤传输链路、多维复用信号恢复光接收机、多维复用信号恢复方法以及数字信号处理。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法及系统。
背景技术
近年来伴随着物联网、云计算等新型应用的发展，网络流量呈指数型增长。这些新的应用带来带宽及计算资源的需求，不断催生大量大型数据中心的建设和升级。国家《“十三五”规划纲要》中明确强调完善新一代高速光纤网络，提出构建现代化通信骨干网络和统筹布局建设国家大数据平台、数据中心等基础设施，以有助于促进行业转型和实现工业互联。
对于400Gbit/s短距光互联，强度调制直接检测(IM-DD)传输因其结构简单、成本低、功耗小而得到广泛应用。但是考虑功耗、成本约束，基于IM-DD构架的粗波分复用互联系统存在着系统灵敏度低及光信噪比瓶颈，很难实现互联距离覆盖0-40千米的中短距高速大容量光互连。另外一方面，相干光通信系统可以完美地结合先进的调制技术以及偏振复用技术，将单波长的互联速率提高到800Gbit/s或者1.6Tbit/s，但是现有数字相干光通信技术是针对长距(>80千米)场景设计，对于器件成本、功耗、封装要求不高，优先考虑高性能损伤补偿及超长跨距传输，无法满足中短距数据中心光互联应用场景。
为了满足互连速率和容量需求，数据中心光互联系统必须采用多维复用信号，譬如二维的正交幅度调制信号、四维的双偏振正交幅度调制信号。相干探测的本质目的是为了得到多维复用信号的幅度以及相位信息，但是传统相干接收架构复杂，成本、功耗均较高。与此对比，直接探测结构简单，无需使用本振激光器，能够极大地降低功耗、成本，但直接探测是一种平方律信号检测，接收端只保留了信号强度信息，而完全丢失了信号相位信息。在此技术背景下，在直接探测条件下，基于信号强度信息的相位重构技术的数据中心光互联成为了全球研究的热点。
目前，基于二维正交幅度调制信号强度信息的GS相位重构方案得到了比较广泛的关注，该方法通过两个光电探测器以及一个额外的色散元件得到两路信号强度信息，然后通过GS迭代算法重构信号的相位，最终恢复出正交幅度调制信号。但是该GS相位重构方案收敛速度慢，需要较多迭代次数，另外GS迭代算法容易陷入局部最优，恶化信号相位重构的性能。
发明内容
本发明提供一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法，该方法有效解决了基于二维正交幅度调制信号强度信息的GS相位重构方案收敛速度慢、易陷入局部最优的缺陷。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法，包括以下步骤：
S1：对2N路强度信号进行取均方根操作得到2N路幅度信号，并对幅度信号进行自适应变换；
S2：通过基于导频辅助的GS相位重构迭代算法对自适应变换后的幅度信号初步恢复出2N维信号；
S3：对初步恢复的2N维信号进行软判决，并将权重判决信息反馈给发射端，继而恢复出2N维复用信号。
进一步地，所述步骤S1的具体过程是：
对2N路强度信号Sn(t)、Dn(t)(其中n＝1,2,…,N)进行取均方根操作得到2N路幅度信号，即：
进一步地，对2N路幅度信号根据迭代次数进行自适应变换得其中，p为：
iteration为当前迭代次数，R为最大功率因子，V为衰变因子，R和V需要根据不同的调制格式进行优化。
进一步地，所述步骤S2中，使用GS相位重构迭代算法初步恢复出2N维信号信息。GS相位重构迭代算法的原理为：根据强度与相位间的映射与逆映射关系，在光通信中可以理解为添加色散与补偿色散的操作，在此操作中经过数次的迭代，初步重构出信号的复值光场。
进一步地，所述步骤S3中，对初步恢复的2N维信号进行软判决的具体过程是：
将2N维度信号分为N路2维信号分别进行软判决，gn(t)为待判决n路2维信号，分别计算其实部与虚部/>的置信度，/>为硬判决后的信号，为权重判决后的输出，/>为置信度，f(·)是置信度的权重函数，则：
gn_WD(t)为信号gn(t)的权重判决输出，即
进一步地，将权重判决信息反馈给发射端，作为’伪导频’辅助GS相位重构算法快速、准确地收敛，最终恢复出多维复用信号信息。
一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法的系统包括五个部分：2N-维复用信号光发射机、光纤传输链路、多维复用信号恢复光接收机、多维复用信号恢复模块以及数字信号处理模块。
进一步地，所述的2N-维复用信号光发射机产生2N维复用信号；光纤传输链路包括一段标准单模光纤以及掺铒光纤放大器，信号在经过光纤传输后，采用掺铒光纤放大器补偿信号在传输过程中经历的损耗；多维复用信号恢复光接收机包括解复用器，2N个光电探测器，N个色散元件以及2N个模数转换器，解复用器将2N维复用信号解复用为N路2维的正交幅度调制信号，然后使用2N个光电探测器和N个色散元件得到2N路强度测量信号，接着使用2N个模数转换器将模拟信号转换成数字信号；多维复用信号恢复模块基于权重判决反馈恢复出多维复用信号的全场信息；数字信号处理包括色散补偿，频谱整形，信道均衡等常规流程，最终恢复出2N维复用信号。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明方法首先在接收端通过一个解复用器首先将2N维复用信号解复用成N路2维正交幅度调制信号，之后使用2N个光电探测器和N个色散元件得到2N路强度测量信号，然后对2N路强度信号进行取均方根操作得到2N路幅度信号，并对幅度信号进行自适应变换，随后通过基于导频辅助的GS相位重构迭代算法初步恢复出2N维信号，接着对初步恢复的2N维信号进行软判决，并将权重判决信息反馈给发射端，作为’伪导频’辅助GS相位重构算法快速、准确地收敛，继而恢复出2N维复用信号。本发明方法有效解决了基于二维正交幅度调制信号强度信息的GS相位重构方案收敛速度慢、易陷入局部最优的缺陷。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明系统结构框图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法，包括以下步骤：
S1：对2N路强度信号进行取均方根操作得到2N路幅度信号，并对幅度信号进行自适应变换；
S2：通过基于导频辅助的GS相位重构迭代算法对自适应变换后的幅度信号初步恢复出2N维信号；
S3：对初步恢复的2N维信号进行软判决，并将权重判决信息反馈给发射端，继而恢复出2N维复用信号。
步骤S1的具体过程是：
对2N路强度信号Sn(t)、Dn(t)(其中n＝1,2,…,N)进行取均方根操作得到2N路幅度信号，即：
进一步地，对2N路幅度信号根据迭代次数进行自适应变换得其中，p为：
iteration为当前迭代次数，R为最大功率因子，V为衰变因子，R和V需要根据不同的调制格式进行优化。
步骤S2中，使用GS相位重构迭代算法初步恢复出2N维信号信息。GS相位重构迭代算法的原理为：根据强度与相位间的映射与逆映射关系，在光通信中可以理解为添加色散与补偿色散的操作，在此操作中经过数次的迭代，初步重构出信号的复值光场。
步骤S3中，对初步恢复的2N维信号进行软判决的具体过程是：
将2N维度信号分为N路2维信号分别进行软判决，gn(t)为待判决n路2维信号，分别计算其实部与虚部/>的置信度，/>为硬判决后的信号，为权重判决后的输出，/>为置信度，f(·)是置信度的权重函数，则：
gn_WD(t)为信号gn(t)的权重判决输出，即
将权重判决信息反馈给发射端，作为’伪导频’辅助GS相位重构算法快速、准确地收敛，最终恢复出多维复用信号信息。
实施例2
如图2所示，一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复系统，包括五个部分：2N-维复用信号光发射机、光纤传输链路、多维复用信号恢复光接收机、多维复用信号恢复模块以及数字信号处理模块。
所述的2N-维复用信号光发射机产生2N维复用信号；光纤传输链路包括一段标准单模光纤以及掺铒光纤放大器，信号在经过光纤传输后，采用掺铒光纤放大器补偿信号在传输过程中经历的损耗；多维复用信号恢复光接收机包括解复用器，2N个光电探测器，N个色散元件以及2N个模数转换器，解复用器将2N维复用信号解复用为N路2维的正交幅度调制信号，然后使用2N个光电探测器和N个色散元件得到2N路强度测量信号，接着使用2N个模数转换器将模拟信号转换成数字信号；多维复用信号恢复模块基于权重判决反馈恢复出多维复用信号的全场信息；数字信号处理包括色散补偿，频谱整形，信道均衡等常规流程，最终恢复出2N维复用信号。
实施例3
使用波特率为56Gbaud的16QAM二维信号，传输链路为标准单模光纤，传输距离为80千米，光纤的色散系数为17ps/nm/km，发射机激光器线宽为105Hz，传输系统光信噪比(OSNR)设定为27dB，插入的导频开销占总符号数的20％，发射机频谱整形根升余弦滤波器滚降系数为0.1。
1、由于使用二维信号，接收端不需要使用额外的解复用器，经过光纤传输之后信号通过光分束器输出两路信号，一路直接被探测并记录为s(t)，另一路经过色散元件后被探测并记录d(t)。
2、对探测到的s(t)和d(t)进行自适应幅度变换。
3、利用强度与相位的映射关系，通过添加色散与色散补偿的迭代重构出信号相位。首次迭代时将s(t)与随机产生的相位构成完整的复值场s(t)exp(θ0)进行迭代。
经过色散元件后得到的信号的幅度部分用幅度d(t)替换，构成新的信号d(t)exp(θb)。
对新的d(t)exp(θb)信号补偿色散元件D的色散后得到信号a(t)exp(θa)。
随后用幅度s(t)替换a(t)exp(θa)的幅度构成新的信号s(t)exp(θa)。
4、对初步迭代恢复复值场后的信号s(t)exp(θa)进行权重判决。并将权重判决值反馈给发射端，最后联合导频辅助GS相位恢复最终快速、准确地获得信号的复值场，进而补偿信号在传输过程中受到的损伤。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对2N路强度信号进行取均方根操作得到2N路幅度信号，并对幅度信号进行自适应变换；
S2：通过基于导频辅助的GS相位重构迭代算法对自适应变换后的幅度信号初步恢复出2N维信号；
S3：对初步恢复的2N维信号进行软判决，为待判决第n路2维信号，分别计算其实部与虚部/>的置信度，/>、/>为硬判决后的信号，/>、/>为权重判决后的输出，/>、/>为置信度，/>是置信度的权重函数，则：
将权重判决信息反馈给发射端，作为伪导频辅助GS相位重构算法快速、准确地收敛，继而恢复出2N维复用信号，其中，为信号/>的权重判决输出，即
。
2.根据权利要求1所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法，其特征在于，所述步骤S1的具体过程是：
对2N路强度信号进行取均方根操作得到2N路幅度信号，即：
；
进一步地，对2N路幅度信号根据迭代次数进行自适应变换得，其中，/>为：
为当前迭代次数，R为最大功率因子，V为衰变因子，R和V需要根据不同的调制格式进行优化。
3.根据权利要求2所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法，其特征在于，所述步骤S2中，使用GS相位重构迭代算法初步恢复出2N维信号信息；GS相位重构迭代算法的原理为：根据强度与相位间的映射与逆映射关系，在光通信中为添加色散与补偿色散的操作，在此操作中经过数次的迭代，重构出信号的复值光场。
4.一种应用权利要求3所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法的系统，其特征在于，系统包括五个部分：2N-维复用信号光发射机、光纤传输链路、多维复用信号恢复光接收机、多维复用信号恢复模块以及数字信号处理模块。
5.根据权利要求4所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法的系统，其特征在于，所述的2N-维复用信号光发射机产生2N维复用信号；光纤传输链路包括一段标准单模光纤以及掺铒光纤放大器，信号在经过光纤传输后，采用掺铒光纤放大器补偿信号在传输过程中经历的损耗。
6.根据权利要求4所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法的系统，其特征在于，所述的多维复用信号恢复光接收机包括解复用器，2N个光电探测器，N个色散元件以及2N个模数转换器，解复用器将2N维复用信号解复用为N路2维的正交幅度调制信号，然后使用2N个光电探测器和N个色散元件得到2N路强度测量信号，接着使用2N个模数转换器将模拟信号转换成数字信号。
7.根据权利要求4所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法的系统，其特征在于，所述的多维复用信号恢复模块基于权重判决反馈恢复出多维复用信号的全场信息。
8.根据权利要求4所述的基于权重判决反馈的多维复用信号恢复方法的系统，其特征在于，所述的数字信号处理模块的数字信号处理过程包括色散补偿，频谱整形，信道均衡，最终恢复出2N维复用信号。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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