CN102983910B - 相干光通信***中色散和非线性补偿方法及*** - Google Patents

相干光通信***中色散和非线性补偿方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相干光通信***中色散和非线性补偿方法及***，涉及通信领域。本发明公开的方法包括：将光纤总长划分为等长的N个步长，在各步长内先进行色散补偿，再进行非线性补偿；其中，在各步长内进行非线性补偿时，以当前采样点为中心，对当前采样点的X和Y值偏振态各2k+1个采样点采样，计算2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，对2k+1个功率值加权求和，再将加权求和的值乘以设定系数W后得到当前采样点的非线性相角，根据非线性相角进行补偿。本发明还公开了相干光通信***中色散和非线性补偿***。本申请技术方案改进了非线性相角的计算方式，降低了计算复杂度。

Description

相干光通信***中色散和非线性补偿方法及***
技术领域
本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及偏振复用波分复用相干光通信采用16QAM调制格式的***中的色散和非线性补偿方案。
背景技术
光纤通信***始于20世纪70年代初，采用强度调制的半导体激光器，接收到的光强度信号通过光电二极管转换成电信号。这种方式被称为强度调制/直接检测(intensitymodulation/direct detection，IM/DD)，并在当前的商用光纤通信***中得到广泛的应用。但是直接检测/强度调制有着其固有的不足，比如接收及灵敏度受到噪声的限制，频谱效率(spectral efficiency)不高，不能够充分利用带宽等。相干检测受到人们的广泛关注，一方面是因为相干检测允许***采用更高阶的调制格式，提高频谱利用率，另外一方面相干检测能够提高信噪比(signal to noise ratio，SNR)。
偏振复用波分复用相干接收***的原理如图1所示，首先对接收到的信号光解波分复用，得到各个信道的信号光，然后利用偏振分束器接偏振复用，分别得到X和Y偏振态的信号光，同时本振光也要结合偏振分束器得到同步调同强度的X和Y偏振态的本振光。然后X和Y偏振态的信号光和本振光将分别进入对应偏振态的相干接收机进行相干解调，经过相干解调后得到该信道的XI、XQ和YI、YQ四路信号，四路信号接下来进行DSP处理，具体的包括色散非线性补偿、解偏振串扰和频率相位噪声补偿。在频率相位噪声以及偏振串扰已经有较为成熟的解决方案的今天，色散和非线性效应对光信号的影响已成为制约高速相干光通信***发展的主要因素。
非线性效应的影响可由简化的非线性薛定谔方程(NLSE)——
来描述，其中的A是信号光的复包络，β2是色散相关的系数，T是归一化时间。可见非线性效应会使信号光的相位发生与幅度相关的变化，同时色散也将对信号光的幅度有影响。色散和非线性的同时作用增加了问题的复杂度，同时使得对二者的补偿比较难以处理。
作为新一代高速数字相干光通信***中极具前景的技术之一，偏振复用波分复用的16QAM调制格式因其较高的调制阶数和极高的频谱效率吸引了广泛的研究。随着数字信号处理技术的发展，在略去偏振模色散的***中，偏振串扰和频率相位噪声已经有较为成熟的处理方案，而色散和非线性效应同时作用产生的影响已成为制约高速数字相干光通信***发展的主要因素。考虑到实际商用***的成本，色散非线性的补偿算法在保证补偿精度的同时复杂度不能太高。最近的研究进展中，相关的研究学者纷纷提出了色散非线性的补偿方法，这些方法大体上可以分为三类。
集总非线性主要通过相位调制器来补偿SPM(自相位调制)效应造成的相位噪声，其相位调制附加的相位是与信号的强度直接相关的。这个方法可以在电域或光域以较低的复杂度补偿SPM造成的影响，但是该方法忽略的色散在传输过程中的影响，只适用于低色散或已补偿了色散的***，且补偿效果欠佳。
基于Volterra级数的滤波器补偿法，首先构建符合Volterra级数结构的滤波器，通过训练序列获取能够补偿当前***非线性效应的抽头系数，然后用训练完成后的滤波器对实际数据进行补偿，同时保持滤波器系数的动态更新以保证滤波器能始终保持补偿的有效性。更新滤波器系数统一采用LMS(最小均方误差)算法。这个方法充分利用了Volterra级数对非线性***的建模能力和相应的补偿能力，算法复杂度较低，补偿效果较好，但是需要用色散补偿光纤补偿***的色散，增加了***的硬件复杂度，同时对WDM***的补偿能力欠佳。
基于分步傅里叶算法(SSFM)的反向传输非线性补偿法，基本原理可以用推导自NLSE的反向传输方程——
来表示，其中 分别是补偿色散和非线性的逆向算子。实际补偿时采用的是SSFM，即将光纤分为N个小段，假定光场通过每个光纤微元时色散和非线性分开作用，得到近似结果。具体来说就是在每个光纤微元内，先结合色散补偿算子对所有采样点进行传统的色散补偿，然后通过计算每个点的功率获得非线性相角，再逆向补偿。
反向传输补偿法能够同时处理色散非线性，无需色散补偿光纤，降低了硬件成本，补偿精度较高，做适当的变形后还能处理偏振复用和波分复用的***，适用性很广。但是算法复杂度很高，相关分析表明，在单载波***中，对于一个N点的采样点序列，单个光纤微元中处理的复杂度是
14N+3[(N+P)log2(N+P)+(N+P)]
其中P是额外的样点开销个数。结合总的补偿步数和循环数，反向传输补偿法将带来很高的计算开销。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种相干光通信***中色散和非线性补偿方法及***，以克服现有算法计算复杂度高、需要色散补偿光纤补偿色散等缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种相干光通信***中色散和非线性补偿方法，该方法包括：
将光纤总长划分为长度相等的N个步长，在每个步长内先结合色散补偿算子对该步长内的各数据点进行色散补偿，再进行非线性补偿；
其中，在每个步长内进行非线性补偿时，以当前采样点的位置为中心，对当前采样点的X和Y值偏振态各2k+1个采样点进行采样，计算该2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，对该2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W后得到当前采样点的非线性相角，根据所述非线性相角进行补偿。
较佳地，上述方法中，对2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W得到当前采样点的非线性相角的计算公式如下：
W*[w-k(|x-k|2+|y-k|2)+w-(k-1)(|x-(k-1)|2+|y-(k-1)|2)+...+w0(|x0|2+|y0|2)+...+wk(|xk|2+|yk|2)]上式中wi，xi，yi(i＝-k，-(k-1)...0...k)，分别表示相应采样点的功率值的加权系数、X偏振态的采样点和Y偏振态的采样点；
其中，各采样点的功率值的加权系数与该采样点与当前采样点的距离成反比。
较佳地，上述方法中，N为整数，2≤N≤5。
较佳地，上述方法中，k为整数，1≤k≤10。
较佳地，上述方法中，各采样点的功率值的加权系数为大于0的正数。
本发明还公开了一种相干光通信***中色散和非线性补偿***，该***包括：
第一模块，将光纤总长划分为长度相等的N个步长；
第二模块，在每个步长内结合色散补偿算子对该步长内的各数据点进行色散补偿；
第三模块，在每个步长内进行非线性补偿；
其中，在每个步长内进行非线性补偿时，以当前采样点的位置为中心，对当前采样点的X和Y值偏振态各2k+1个采样点进行采样，计算该2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，对该2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W后得到当前采样点的非线性相角，根据所述非线性相角进行补偿。
较佳地，上述***中，所述第三模块，对2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W得到当前采样点的非线性相角的计算公式如下：
W*[w-k(|x-k|2+|y-k|2)+w-(k-1)(|x-(k-1)|2+|y-(k-1)|2)+...+w0(|x0|2+|y0|2)+...+wk(|xk|2+|yk|2)]上式中wi，xi，yi(i＝-k，-(k-1)...0...k)，分别表示相应采样点的功率值的加权系数、X偏振态的采样点和Y偏振态的采样点；
其中，各采样点的功率值的加权系数与该采样点与当前采样点的距离成反比。
较佳地，上述***中，N为整数，2≤N≤5。
较佳地，上述***中，k为整数，1≤k≤10。
较佳地，上述***中，各采样点的功率值的加权系数为大于0的正数。
与现有的色散非线性算法相比而言，本申请技术方案不需要用色散补偿光纤来补偿色散，改进了非线性相角的计算方式，提高了步长，从而降低了计算复杂度，适用于16QAM调制格式的偏振复用波分复用***。
具体实施方式
图1为偏振复用波分复用相干接收***原理图；
图2为本实施例提供的16QAM调制格式的偏振复用波分复用***色散和非线性补偿方法的原理图；
图3为CBP法补偿色散非线性和只补偿色散的性能对比图；
图4为信噪比为25.16dB时经过本实施例提供的补偿方法后X和Y偏振态的星座图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
实施例1
本实施例介绍一种相干光通信***中色散和非线性补偿方法，该方案的原理如图2所示。其在16QAM调制格式的偏振复用波分复用***中采用低复杂度色散非线性补偿算法对色散非线性进行补偿，详细的补偿过程如下。
首先将光纤总长划分为等长的N个部分(N远小于传统反向补偿算法的要求)，即是N长度相等的个步长，每个步长内将色散和非线性效应分开补偿，先结合色散补偿算子对步长内的全部数据点进行色散补偿；然后再进行非线性补偿。其中，进行非线性补偿时，不再像传统的反向传输补偿法那样仅仅是利用当前采样点的功率来计算非线性相角，而是以当前采样点的位置为中心，以当前采样点的X和Y偏振态各2k+1个采样点进行采样，计算这2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，然后对这2k+1个功率值进行加权求和，加权求和的值乘以一个设定系数W后就得到当前采样点的非线性相角，根据此非线性相角进行补偿即可。
具体地，可以按照如下公式来计算当前采样点的非线性相角：
W*[w-k(|x-k|2+|y-k|2)+w-(k-1)(|x-(k-1)|2+|y-(k-1)|2)+...+w0(|x0|2+|y0|2)+...+wk(|xk|2+|yk|2)]上式中，wi，xi，yi(i＝-k，-(k-1)...0...k)，分别表示相应位置上的加权系数、X偏振态的采样值和Y偏振态的采样值。需要说明的是，各采样点的功率值的加权系数为大于0的正数，可根据经验来确定。但本实施例的优选方案中，提出各采样点的功率值的加权系数与该采样点与当前采样点的距离成反比。即距离当前采样点位置越远的采样点，为其功率值配置的加权系数越小，而距离当前采样点位置越近的采样点，为其功率值的配置加权系数则越大。
另外，由图2可知，色散和非线性补偿的复杂度与所划分的步长数N是成正比的，传统反向补偿算法的补偿步长取值较小，总的步长数较多，因而计算量很大。而本实施例的优先方案对N的取值进行限定，优先推荐N为大于等于2小于等于5的整数，从而大大降低计算复杂度，减小计算量，提高补偿效率。
除了通过对N的取值进行限制，以降低计算的复杂度外。本实施例通过求功率加权求和的方式提高单步的非线性相角补偿幅度，也大大减少了总步数，减低了复杂度。且在一些优选方案中，计算非线性相角的过程中，对当前采样点的X和Y偏振态各2k+1个采样点也进行限制，即采样点个数不能过多也不能过少，优选推荐1≤k≤10，k为整数。
同时，在计算非线性相角的过程中，除了各采样点的功率值的加权系数外，还有一个重要的参数，即为设定系数W(也可称为调整因子)，该W的取值随着应用***的不同而设置为不同的值，即根据不同的***设置(如每个偏振态的入纤功率、传输长度、***信噪比等)设置适当的W，只要保证设置的W的取值可使***性能达到最优即可，这样可大大增加***的灵活性和适用范围。
下面参见图3，可以看看出16QAM偏振复用波分复用***不同的***性噪比(OSNR)对色散和非线性补偿效果的影响。图中所呈现的激光器线宽为100kHz，传输长度为1000km，每个偏振态的入纤光功率为1dBm，符号长度为8192，符号率为180Gbaud。***能在一定的信噪比范围之内将误码率保持在10-3的数量级。
图4所示为***在信噪比为25.16dB时经过上述色散和非线性补偿方法后X和Y偏振态的星座图情况。图中所呈现的激光器线宽为100kHz，传输长度为1000km，每个偏振态的入纤光功率为1dBm，符号长度为8192，符号率为180Gbaud。可以看见经过补偿算法处理后的星座图分散程度良好同时***的误码率也处在10-3的数量级。
实施例2
本实施例介绍一种相干光通信***中色散和非线性补偿***，该***至少包括如下各模块。
第一模块，将光纤总长划分为长度相等的N个步长；
第二模块，在每个步长内结合色散补偿算子对该步长内的各数据点进行色散补偿；
第三模块，在每个步长内进行非线性补偿；
其中，在每个步长内进行非线性补偿时，以当前采样点的位置为中心，对当前采样点的X和Y值偏振态各2k+1个采样点进行采样，计算该2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，对该2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W后得到当前采样点的非线性相角，根据所述非线性相角进行补偿。
具体地，第三模块可以按照如下公式来计算当前采样点的非线性相角：
W*[w-k(|x-k|2+|y-k|2)+w-(k-1)(|x-(k-1)|2+|y-(k-1)|2)+...+w0(|x0|2+|y0|2)+...+wk(|xk|2+|yk|2)]上式中，wi，xi，yi(i＝-k，-(k-1)...0...k)，分别表示相应位置上的加权系数、X偏振态的采样值和Y偏振态的采样值。需要说明的是，各采样点的功率值的加权系数为大于0的正数，可根据经验来确定。但本实施例的优选方案中，提出各采样点的功率值的加权系数与该采样点与当前采样点的距离成反比。即距离当前采样点位置越远的采样点，为其功率值配置的加权系数越小，而距离当前采样点位置越近的采样点，为其功率值的配置加权系数则越大。
另外，色散和非线性补偿的复杂度与所划分的步长数N是成正比的，传统反向补偿算法的补偿步长取值较小，总的步长数较多，因而计算量很大。而本实施例的优先方案对N的取值进行限定，优先推荐N为大于等于2小于等于5的整数，从而大大降低计算复杂度，减小计算量，提高补偿效率。
除了通过对N的取值进行限制，以降低计算的复杂度外。本实施例的优选方案中，计算非线性相角的过程中，还对当前采样点的X和Y偏振态各2k+1个采样点也进行限制，即采样点个数不能过多也不能过少，优选推荐1≤k≤10，k为整数。
另外，在计算非线性相角的过程中，还有一个重要的参数，即为设定系数W(也可称为调整因子)，该W的取值可随着应用***的不同而设置为不同的值，即根据不同的***设置(如每个偏振态的入纤功率、传输长度、***信噪比等)设置适当的W，只要保证设置的W的取值可使***性能达到最优即可，这样可大大增加***的灵活性和适用范围。
从上述实施例可以看出，本申请技术方案无需色散补偿光纤补偿色散，特别适用于16QAM偏振复用波分复用相干光通信***，避免了传统反向传输补偿法因对光纤细分时补偿较小而带来的庞大计算量，通过取以当前采样值的位置为中心的X和Y偏振态各2k+1(k值需要根据具体的***进行调节，本***中k值取10)个采样值，计算这2(2k+1)个采样值的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，然后求这2k+1个功率值的加权和，这个加权和乘以一个调整因子W后就得到当前采样点的非线性相角，通过计算这样的计算方法大大提高了每一次循环补偿中的非线性相角补偿幅度，减少了总的补偿步数和计算量。调整因子W也可以根据具体的***进行调节。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相干光通信***中色散和非线性补偿方法，应用于采用16QAM调制格式的***中，其特征在于，该方法包括：
将光纤总长划分为长度相等的N个步长，在每个步长内先结合色散补偿算子对该步长内的各数据点进行色散补偿，再进行非线性补偿；
其中，在每个步长内进行非线性补偿时，以当前采样点的位置为中心，对当前采样点的X和Y值偏振态各2k+1个采样点进行采样，计算该2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，对该2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W后得到当前采样点的非线性相角，根据所述非线性相角进行补偿；
其中，在对2k+1个功率值进行加权求和时采用的加权系数是为功率值配置的；距离当前采样点位置越远的采样点，为其功率值配置的加权系数越小，距离当前采样点位置越近的采样点，为其功率值的配置加权系数则越大；
其中，设定系数W是根据***参数进行设置的，***参数包括入纤功率、传输长度、***信噪比，随着应用***的不同而设置为不同的值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法中，对2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W得到当前采样点的非线性相角的计算公式如下：
W*[w-k(|x-k|2+|y-k|2)+w-(k-1)(|x-(k-1)|2+|y-(k-1)|2)+...+w0(|x0|2+|y0|2)+...+wk(|xk|2+|yk|2)]
上式中wi,xi,yi(i＝-k,-(k-1)...0...k)，分别表示相应采样点的功率值的加权系数、X偏振态的采样点和Y偏振态的采样点。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
N为整数，2≤N≤5。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
k为整数，1≤k≤10。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
各采样点的功率值的加权系数为大于0的正数。
6.一种相干光通信***中色散和非线性补偿***，应用于采用16QAM调制格式的***中，其特征在于，该***包括：
第一模块，将光纤总长划分为长度相等的N个步长；
第二模块，在每个步长内结合色散补偿算子对该步长内的各数据点进行色散补偿；
第三模块，在每个步长内进行非线性补偿；
其中，在每个步长内进行非线性补偿时，以当前采样点的位置为中心，对当前采样点的X和Y值偏振态各2k+1个采样点进行采样，计算该2(2k+1)个采样点的功率，将X和Y偏振态上位置相同的采样点的功率相加，得到2k+1个功率值，对该2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W后得到当前采样点的非线性相角，根据所述非线性相角进行补偿；在对2k+1个功率值进行加权求和时采用的加权系数是为功率值配置的；距离当前采样点位置越远的采样点，为其功率值配置的加权系数越小，距离当前采样点位置越近的采样点，为其功率值的配置加权系数则越大；
其中，设定系数W是根据***参数进行设置的，***参数包括入纤功率、传输长度、***信噪比，随着应用***的不同而设置为不同的值。
7.如权利要求6所述的***，其特征在于，所述第三模块，对2k+1个功率值进行加权求和，再将所述加权求和的值乘以设定系数W得到当前采样点的非线性相角的计算公式如下：
W*[w-k(|x-k|2+|y-k|2)+w-(k-1)(|x-(k-1)|2+|y-(k-1)|2)+...+w0(|x0|2+|y0|2)+...+wk(|xk|2+|yk|2)]
上式中wi,xi,yi(i＝-k,-(k-1)...0...k)，分别表示相应采样点的功率值的加权系数、X偏振态的采样点和Y偏振态的采样点。
8.如权利要求6或7所述的***，其特征在于，
N为整数，2≤N≤5。
9.如权利要求6或7所述的***，其特征在于，
k为整数，1≤k≤10。
10.如权利要求7所述的***，其特征在于，
各采样点的功率值的加权系数为大于0的正数。
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