CN117675008A - 一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法及基于该方法实现的OAM光通信系统，属于光纤通信领域。本发明的OAM光通信系包括光发生模块、光调制模块、传输模块、接收模块和信号处理模块。光调制模块包括马赫‑曾德调制器、掺铒光纤放大器、空间光调制器、四分之一波片、偏振分束器。本发明采用Adabound‑MIMO均衡器更新权值，相比传统MIMO均衡器的方法，实现权值更新速度快，提高通信系统的性能。本发明基于Adabound的MIMO均衡器，由于该方法逐元素地裁剪步长，限制权值输出出现大幅度变化，实现低误码传输，提高通信系统的传输容量。本发明利用OAM模式的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式的不同区分不同的信道，提高通信系统的传输距离和传输容量。

Description

一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法

技术领域

本发明涉及一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法，属于光纤通信领域。

背景技术

随着现代信息技术的迅速发展，人们对信息的需求量越来越大，具有空间相位变化的轨道角动量(OAM)成为了目前光通信领域研究的热点。OAM传输的主要限制之一就是模式串扰，可通过在接收端加入MIMO信道均衡算法有效消除各模式间的串扰。将OAM技术与多输入输出(MIMO)技术结合，能够更低成本的提升MIMO系统的信道容量。

一般情况下，MDM传输采用线偏振(LP)或轨道角动量(OAM)模式。电磁场不仅传播能量，也携带动量。轨道角动量是区别于电磁波电场强度的另一个重要物理量，它为电磁波提供了除频率、相位和空间之外的另一个维度，为人们带来了一个新的视角去认识和利用电磁波。受螺旋相位因子的影响，具有OAM(Orbital Angular Momentum，轨道角动量)的电磁波被称为“涡旋电磁波”，沿着传播方向呈螺旋状。具有OAM的电磁波的相位旋转次数称为OAM模式。带有OAM模式的光束是一种具有螺旋相位波前的光束其中l和/>分别为拓扑电荷数和方位角。理论上，拓扑电荷数为整数值的不同OAM模式之间是正交的。在同一频点上可传输多路正交信号，从而提升频谱效率和信道容量。OAM复用技术利用OAM模式的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式的不同区分不同的信道，理论上讲，在同一载频利用OAM复用可获得无穷的传输能力。多个OAM模式分别携带不同的数据在光纤、自由空间或水下等环境下实现信息的复用传输，最终在接收端使用解复用器完成数据的接收。这就是OAM复用(OAM-MDM)技术。由于OAM模式具有独特的无限正交特性，近年来OAM-MDM在MMF和FMF上传输的发展备受关注，具有空间相位变化的OAM成为了目前光通信领域研究的热点。

然而，随着复用模式和传输长度的增加，由于在实际通信信道中OAM模式之间的正交性被破坏，模式耦合和串扰不可避免。因此，所有OAM模式之间的串扰是不可忽略的，MIMO均衡对于补偿接收机的串扰和色散至关重要。随着多路复用OAM模式的增加，MIMO均衡的复杂性也显著增加。

大多数MIMO均衡器通过采用固定学习率的随机梯度下降(SGD)方法来收敛代价系数。但在OAM-MDM传输中，组内模式的随机耦合会导致整个系统的时间变化较大。因此，为了处理组内模式耦合中的时间变化，MIMO均衡器的收敛速度必须快且迭代次数少。此外，迭代过程更容易陷入局部优化，导致误差函数剧烈波动。这意味着MIMO均衡器的高精度很难实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法及基于该方法实现的OAM光通信系统，基于Adabound的盲均衡器，利用MIMO均衡技术来缓解OAM光带来的串扰问题，实现快速收敛和高精确度通讯传输，显著提升光通信系统的可靠性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种缓解信号间串扰的方法，包括如下步骤：

步骤一：基于Godard算法的盲均衡算法在不需要训练序列的情况下，能够根据接收序列的统计特性收敛抽点系数。四种OAM组内模式的时域均衡过程表示为

其中是时域输出信号，x_N(n)是时域输入信号，w_N(n)是MIMO均衡器的抽头系数。

传统的MIMO均衡过程基于SGD方法迭代抽头系数，其代价函数表示为

计算梯度以优化代价函数的最小值。基于SGD的抽头系数表示为

w(n+1)＝w(n)-μe(n)x(n) (3)

其中是误差函数，μ是步长，而SGD算法中步长是固定的，步长μ对收敛性能有重要影响。当步长大于预设阈值时，代价函数倾向于在梯度谷附近的大范围内波动，导致梯度更新振荡甚至发散。当步长小于预设阈值时，整个梯度下降过程的收敛速度很慢。此外，小步长会导致代价函数陷入局部优化，导致OAM组内模式均衡不准确。

步骤二：根据动量计算梯度和步长并进行修正，得到更新MIMO均衡器的权值，将输入信号通过MIMO均衡器，得到N路输出序列，计算所述N路输出序列的均方误差，根据所述均方误差更新所述MIMO均衡器的权值，直至所述均方误差最小时，得到更新好的MIMO均衡器。

计算MIMO均衡器的一阶和二阶动量：

s_t＝β₁s_t-1+(1-β₁)e(n)x(n) (4)

r_t＝β₂r_t-1+(1-β₂)(e(n)x(n))² (5)

其中β₁和β₂是矩估计的指数衰减率。

在衰减过程中根据公式(4)对一阶动量项偏差修正s_t＝β₁s_t-1+(1-β₁)e(n)x(n)，修正后的一阶动量项如公式(6)所示，消除一阶动初始化偏差。

在衰减过程中根据公式(5)对二阶动量项做偏差修正，修正后的一阶动量项和二阶动量项/>的表达式分别为：

对步长进行动态裁剪，在训练早期由于上下界对学习率的影响很小，而随着时间增长裁减区间越来越收紧，Adabound均衡器的学习率逐渐趋于稳定。

设置上下界：

通过逐元素地裁剪步长，使得输出限制在[η_l,η_u]内。将η_l和η_u作为迭代次数t的函数，而不是常数的上下界，其中η_l(t)是非递减函数，在t＝0时它从0开始，渐近收敛至μ；η_u(t)是非递增函数，在t＝0时它从∞开始，也渐近收敛至μ。Adabound算法在开始上下界对学习率的影响非常小，而后面逐渐表现得像梯度下降算法，因为边界变得越来越受限，使Adabound均衡器趋于稳定，提高OAM-MDM通信系统的性能。

均衡器中抽头系数的表达式如下

将均衡器输出序列与训练序列进行比较，得到误差函数：

改进后实现高精度，又能实现快速收敛，显著提高OAM-MDM传输的性能。基于Adabound更新MIMO均衡器的权值，通过自适应均衡和上下边界缓解信号间的串扰问题。

将输入信号通过Adabound-MIMO均衡器，得到恢复出的源信号。

步骤三：得到Adabound-MIMO均衡器，在OAM-MDM光纤通信系统中缓解串扰问题，实现快速收敛和高精确度通讯传输，提高OAM光通信系统精确、鲁棒性。

本发明还公开的一种OAM光通信系统，用于实现一种缓解信号间串扰的方法，所述系统包括光发生模块、光调制模块、传输模块、接收模块和信号处理模块。所述光发生模块包括任意波形发生器、激光器。数据被编码成由任意波形发生器产生的波形，光载波由外腔激光器产生。所述光调制模块包括马赫-曾德调制器、掺铒光纤放大器、空间光调制器、四分之一波片、偏振分束器。光载波由马赫-曾德调制器调制。使用掺铒光纤放大器对信号进行放大，然后使用光耦合器将信号分成两部分。信号通过准直器被空间光调制器反射，将高斯光束转换为拓扑电荷的OAM模式。然后用分束器对OAM光束进行复用。然后通过四分之一波片将线偏振转化为圆偏振，再通过偏振分束器将带圆偏振分解为线偏振；所述光传输模块包括光纤，用于将多路复用OAM光束耦合到光纤中；所述光接收模块包括线偏振、分束器、涡旋相位板。OAM模式被转换成线偏振，并用线偏振和分束器分成两束。利用具有相反拓扑电荷的涡旋相位板将它们转换为高斯光束。高斯光束通过准直器与单模光纤耦合；所述信号处理模块包括时钟恢复、Adabound MIMO均衡器、频率偏移估计和相位恢复。

有益效果：

1、本发明公开的一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法及基于该方法实现的OAM光通信系统，采用Adabound-MIMO均衡器更新权值，相比传统MIMO均衡器的方法，实现权值更新速度快，提高通信系统的性能。

2、本发明公开的一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法及基于该方法实现的OAM光通信系统，基于Adabound的MIMO均衡器，由于该方法逐元素地裁剪步长，限制权值输出出现大幅度变化，实现低误码传输，进而提高通信系统的传输容量。

3、本发明公开的一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法及基于该方法实现的OAM光通信系统，利用OAM模式的正交性，将多路信号调制在不同的OAM模式上，根据模式的不同区分不同的信道，提高通信系统的传输距离和传输容量。

附图说明

图1为盲均衡的原理图；

图2为基于盲均衡的MIMO系统原理图；

图3为本发明实施例提供的一种OAM光通信系统的系统框图；

图4为OSNR＝22dB的OAM模式组的收敛过程；

图5为均衡器均衡后的星座图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明。同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

在OAM-MDM传输中，随机的组内模式耦合会导致整个系统的强烈时间变化。Bayes-Adam均衡器用更高的时效性来减少模式串扰。

实施例1

本实施例的一种快速收敛的光纤通信自适应均衡方法，具体实现步骤如下：

步骤1:

将接收数据，即数据符号进行时钟恢复。四个OAM模组的时域CMA均衡过程描述为：

步骤2：根据动量计算梯度和步长并进行修正，得到更新MIMO均衡器的权值：将输入信号通过MIMO均衡器，得到N路输出序列，然后计算所述N路输出序列的均方误差，根据所述均方误差更新所述MIMO均衡器的权值，直至所述均方误差最小时，得到更新好的MIMO均衡器。具体包括：

计算MIMO均衡器的一阶和二阶动量：

s_t＝β₁s_t-1+(1-β₁)e(n)x(n)

r_t＝β₂r_t-1+(1-β₂)(e(n)x(n))²

其中β₁和β₂是矩估计的指数衰减率。

在衰减过程中根据公式(4)对一阶动量项偏差修正s_t＝β₁s_t-1+(1-β₁)e(n)x(n)，修正后的一阶动量项如公式(6)所示，消除一阶动初始化偏差。

在衰减过程中根据公式(5)对二阶动量项做偏差修正，修正后的一阶动量项和二阶动量项/>的表达式分别为:

对步长进行动态裁剪，在这一设置下，在训练早期由于上下界对学习率的影响很小，而随着时间增长裁减区间越来越收紧，Adabound均衡器的学习率逐渐趋于稳定。

设置上下界：

通过逐元素地裁剪学习率，它使得输出限制在[η_l,η_u]内。在满足权值更替超过上下界时，通过以下步骤提供新的策略。将η_l和η_u作为迭代次数t的函数，而不是常数的上下界，其中η_l(t)是非递减函数，在t＝0时它从0开始，渐近收敛至μ；η_u(t)是非递增函数，在t＝0时它从∞开始，也渐近收敛至μ。在这种设定下，Adabound算法在开始上下界对学习率的影响非常小，而后面逐渐表现得像梯度下降算法，因为边界变得越来越受限，使权值趋于稳定，提高通信系统的稳定性。

均衡器中抽头系数的表达式如下

步骤3：将判别符号与发送符号进行对比，并进行QPSK符号误码率计算得到数据经Adabound MIMO均衡器后在光信噪比下的误码率性能。将基于Adabound MIMO均衡器的均衡结果与SGD MIMO均衡器、Adam MIMO均衡器均衡三种情况下的MSE和误码率性能进行对比如图4所示。对比不同的均衡器，Adabound均衡器的收敛速度误码率性能卓著。对于<+4，左偏振>的OAM模式组，SGD MIMO均衡器：15000次迭代后收敛；Adam MIMO均衡器：11000次迭代后收敛；Adabound MIMO均衡器：5500次迭代后收敛；(2)对于<-4，左偏振>的OAM模式组：SGDMIMO均衡器：8000次迭代后收敛；Adam MIMO均衡器：16000次迭代后收敛；Adabound MIMO均衡器：11000次迭代后收敛；(3)对于<+4，右偏振>的OAM模式组：SGD MIMO均衡器：15000次迭代后收敛；Adam MIMO均衡器：12000次迭代后收敛；Adabound MIMO均衡器：5500次迭代后收敛；(4)对于<-4，右偏振>的OAM模式组：SGD MIMO均衡器：8000次迭代后收敛；Adam MIMO均衡器：7000次迭代后收敛；Adabound MIMO均衡器：5500次迭代后收敛。通过观察星座图，可以了解信号调制的特性和传输质量。星座图可以用于设计和优化调制方案、选择适当的解调算法以及评估通信系统的性能。此外，星座图还被用于信号恢复、信道估计和等化器设计等相关领域。

图5显示了SGD MIMO均衡器、Adam MIMO均衡器、Adabound MIMO均衡器在22dB的OSNR下|l|＝4的OAM模式组星座图。由于步长固定，SGD MIMO均衡器更容易陷入局部优化，导致效果最差，如图5(a)所示。由于采用了一阶矩和二阶矩，Adam MIMO均衡器可以实现全局优化，星座得到了改进，如图5(b)所示。然而，在某些特殊情况下，由于使用指数平均，星座也会发生扭曲。由于限制了上下界，Adabound MIMO均衡器在后期可以取得比Adam算法更好的效果，如图5(c)所示。

综上可以看出，由于采用了一阶矩和二阶矩，Adam MIMO均衡器可以实现全局优化，星座图相比SGD得到了改进，在某些特殊情况下，由于使用指数平均，相比之下，Adam算法的某些情况下会收敛速度比SGD慢。Adabound MIMO均衡器可以取得比Adam算法更快的收敛速度。在各种模式组中，Bayes-Adam MIMO均衡器的收敛速度比其他三个均衡器都快。在两种OAM模式下，与SGD MIMO均衡器相比，Adabound MIMO均衡器在OSNR为22dB时，在<+4，Left CP>和<-5，Right CP>的OAM模式下的最高效益为3.5dB和4dB。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种OAM光通信系统，所述系统包括：

在发射端，通过数字信号处理的数据编码到任意波形发生器产生的波形上，通过外腔激光器生成光载波通过马赫-曾德尔调制器调制，随后通过掺铒光纤放大器放大信号提高传输距离。通过光耦合器将信号分成两部分，其中一个分量通过单模光纤延迟，经过单模光纤光调制器后得到l＝<+4,-5>的OAM模式，通过分束器复用两个OAM光束后一束光以l＝<+4,-5>透过分束器，一束光经过5次反射成l＝<-4,+5>。在分束器组合两种波束包含l＝<±4,±5>四种模式。随后通过四分之一波片玻片将线偏振转化为圆偏振，四种圆偏振通过偏振分束器(PBS1)再次被分成两种线偏振，经过两个反射镜和偏振分束器后，用四分之一波片(QPS2)将线偏振转化为圆偏振。此时OAM光束包含8种模式被耦合到20KM环形光纤中。

在接收端，所有的OAM模式被转换为线偏振，并通过线偏振和分束器分成两束，然后通过拓扑电荷相反的涡旋相位板转换成高斯光束。高斯光束通过准直器被耦合到单模光纤中。离散数字处理包含时钟恢复、Adabound MIMO均衡器、频偏估计和相位恢复。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限定本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种快速收敛的光纤通信自适应均衡的方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：基于Godard算法的盲均衡算法在不需要训练序列的情况下，能够根据接收序列的统计特性收敛抽点系数；四种OAM组内模式的时域均衡过程表示为

其中是时域输出信号，x_N(n)是时域输入信号，w_N(n)是MIMO均衡器的抽头系数；

传统的MIMO均衡过程基于SGD方法迭代抽头系数，其代价函数表示为

计算梯度以优化代价函数的最小值；基于SGD的抽头系数表示为

w(n+1)＝w(n)-μe(n)x(n) (3)

其中是误差函数，μ是步长；

步骤二：根据动量计算梯度和步长并进行修正，得到更新MIMO均衡器的权值，将输入信号通过MIMO均衡器，得到N路输出序列，计算所述N路输出序列的均方误差，根据所述均方误差更新所述MIMO均衡器的权值，直至所述均方误差最小时，得到更新好的MIMO均衡器；

计算MIMO均衡器的一阶和二阶动量：

s_t＝β₁s_t-1+(1-β₁)e(n)x(n) (4)

r_t＝β₂r_t-1+(1-β₂)(e(n)x(n))² (5)

其中β₁和β₂是矩估计的指数衰减率；

在衰减过程中根据公式(4)对一阶动量项偏差修正s_t＝β₁s_t-1+(1-β₁)e(n)x(n)，修正后的一阶动量项如公式(6)所示，消除一阶动初始化偏差；

在衰减过程中根据公式(5)对二阶动量项做偏差修正，修正后的一阶动量项和二阶动量项/>的表达式分别为：

设置上下界：

通过逐元素地裁剪步长，使得输出限制在[η_l,η_u]内；将η_l和η_u作为迭代次数t的函数，而不是常数的上下界，其中η_l(t)是非递减函数，在t＝0时它从0开始，渐近收敛至μ；η_u(t)是非递增函数，在t＝0时它从∞开始，也渐近收敛至μ；

均衡器中抽头系数的表达式如下

将均衡器输出序列与训练序列进行比较，得到误差函数：

基于Adabound更新MIMO均衡器的权值，通过自适应均衡和上下边界缓解信号间的串扰问题；

将输入信号通过Adabound-MIMO均衡器，得到恢复出的源信号；

步骤三：得到Adabound-MIMO均衡器，在OAM-MDM光纤通信系统中缓解串扰问题，实现快速收敛和高精确度通讯传输。

2.一种OAM光通信系统，用于实现如权利要求1所述的一种缓解信号间串扰的方法，其特征在于：包括光发生模块、光调制模块、传输模块、接收模块和信号处理模块；所述光发生模块包括任意波形发生器、激光器；数据被编码成由任意波形发生器产生的波形，光载波由外腔激光器产生；所述光调制模块包括马赫-曾德调制器、掺铒光纤放大器、空间光调制器、四分之一波片、偏振分束器；光载波由马赫-曾德调制器调制；使用掺铒光纤放大器对信号进行放大，然后使用光耦合器将信号分成两部分；信号通过准直器被空间光调制器反射，将高斯光束转换为拓扑电荷的OAM模式；用分束器对OAM光束进行复用；然后通过四分之一波片将线偏振转化为圆偏振，再通过偏振分束器将带圆偏振分解为线偏振；所述光传输模块包括光纤，用于将多路复用OAM光束耦合到光纤中；所述光接收模块包括线偏振、分束器、涡旋相位板；OAM模式被转换成线偏振，并用线偏振和分束器分成两束；利用具有相反拓扑电荷的涡旋相位板将它们转换为高斯光束；高斯光束通过准直器与单模光纤耦合；所述信号处理模块包括时钟恢复、Adabound MIMO均衡器、频率偏移估计和相位恢复。