CN104486277B - 调制解调方法、***以及自适应滤波系数的更新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振移位键控调制解调方法、***以及接收端自适应滤波系数的更新方法，偏振移位键控调制解调方法包括：在发送端，采用正交相移键控方式，在X偏振方向上调制出任意QPSK信号在Y偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X偏振信号相同或相反的Y偏振信号在接收端，采用偏振复用正交相移键控方式将接收信号解调为相应的电信号，然后再用ADC采样、量化后进行数字信号处理还原出输入信号S(n),数字信号处理采用改进的CMA方法更新自适应滤波器系数。本发明，具有偏振移位键控免疫相位噪声，并降低光纤非线性影响的优点，能在超长跨距传输中发挥重要作用，并且，发送接收信号完全继承偏振复用QPSK的成熟硬件架构，实现简单，具有很强的实用性。

Description

调制解调方法、***以及自适应滤波系数的更新方法
技术领域
本发明涉及相干光通信，具体涉及偏振移位键控调制解调方法、***以及接收端自适应滤波系数的更新方法。
背景技术
相干光通信的理论和实验始于80年代，被公认为具有灵敏度高的优势，相干光通信还有频率选择性好、频谱效率高的特点，这些特点有利于通信容量的提高。另外，在相干光通信中，色散与偏振模色散对信号的损伤都为线性损伤，此时通信信道可建模为线性时不变***。故通过适度复杂的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)技术就可以补偿线性损伤，以前困扰业界的色散问题变得相对容易解决。随着光通信进入40G、 100G时代，相干光通信与数字信号处理技术相结合，并取得巨大商业成功。
综合考虑谱效率与光信噪比容限的要求，基于相干光通信的100G商用***采用的是PM-QPSK(Polarization Multiplexed Quadri Phase Shift Keying，偏振复用四相移键控)技术。但在实际网络中，光纤中的波长通道甚至光纤并没被充分使用。而在超长跨距***中，谱效率并不那么重要，可以采用更低阶的调制格式。
超长跨距无中继光传输***，即除了两端外，中间不使用任何EDFA (Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，有源光纤放大器)。在一些特殊场合,如沼泽、沙漠、森林等无人区,或跨海通信中,有源光纤放大器会带来巨大建设、运营维护成本，超长跨距无中继光传输***具有显著的成本优势。
要实现超长跨距，要求注入光纤更大的激光功率，但过大的注入激光功率会增大非线性损伤。故超长跨距***需要抗非线性损伤能力更强的调制格式。例如,由于2-BPSK(2-Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)星座点的相位距离高于QPSK一倍，更能抵抗非线性效应引起的相位畸变，所以比QPSK更适合超长跨距传输。
在光波中，除了幅度、频率、相位外，电场矢量的方向也可用于调制信息。POLSK(polarization shift keying，偏振移位键控)即用光信号的偏振态携带信息的调制格式，POLSK技术具有免疫相位噪声，并能降低光纤非线性影响的特点，但传统的POLSK要求接收端对准光的偏振态，而由于光纤信道中偏振态的随机变化，故要求使用复杂的偏振***，所以 POLSK并没有得到规模应用。
综上所述，现有POLSK技术存在如下问题：
(1)实现起来较复杂；
(2)实用性不强。
发明内容
本发明所要解决的问题是现有POLSK技术实现起来较复杂以及实用性不强的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种接收端自适应滤波系数的更新方法，包括以下步骤：
对X偏振接收信号[Einx(n-l)]和Y偏振接收信号[Einy(n-l)]进行时域均衡；
采用如下公式进行滤波：
其中：
Eoutx(n)和Eouty(n)分别为自适应滤波器X偏振接收信号和Y偏振接收信号的输出，Fxx、Fxy、Fyx、Fyy为四个自适应滤波器系数，n为序列号，L为自适应滤波器级数，l为自适应滤波器级数序号；
采用梯度算法更新Fxx、Fxy、Fyx、Fyy值，自动收敛到误差ε的最小值时的取值：ε的定义为：
εx＝{1-Eoutx(n)[Eoutx(n)]*}；
εy＝{1-Eouty(n)[Eouty(n)]*}；
εxy＝{2-[Eoutx(n)+jEouty(n)][Eoutx(n)+jEouty(n)]*}；
对应的系数更新算法为。
Fxx(l,g+1)＝Fxx(l,g)+4μ1εxEoutx(n)[Einx(n-l)]* +4μ2εxy[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einx(n-l)]*；
Fxy(l,g+1)＝Fxy(l,g)+4μ1εxEoutx(n)[Einy(n-l)]* +4μ2εxy[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einy(n-l)]*；
Fyx(l,g+1)＝Fyx(l,g)+4μ1εyEouty(n)[Einx(n-l)]*－4μ2εxyj[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einx(n-l)]*；
Fyy(l,g+1)＝Fyy(l,g)+4μ1εyEouty(n)[Einy(n-l)]* -4μ2εxyj[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einy(n-l)]*；
*为共轭符号，g表示第g次更新，μ1为根据需要使用的微小系数，取值范围可以是1-10-9，j为复数符号。
本发明还提供了一种偏振移位键控调制解调方法，包括以下步骤：
在发送端，采用正交相移键控方式，在X偏振方向上调制出任意QPSK 信号作为X偏振信号在Y偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X 偏振信号相同或相反的Y偏振信号
当S(n)＝0
当S(n)＝1
其中：
输入信号S(n)表示要传送的二进制数据，n为序列号；
在接收端，采用偏振复用正交相移键控方式将接收信号解调为相应的电信号，然后再用ADC采样、量化，最后进行数字信号处理还原出输入信号S(n)；
数字信号处理的过程依次包括：色散补偿、时钟恢复、自适应滤波、相关检测、码元判决和差分解码，其中自适应滤波通过线性均衡器采用上述自适应滤波系数的更新方法实现。
在上述方法中，当自适应滤波器收敛后，输出信号为：
cos(α)、sin(α)表示任意平方和等于1的系数，α为任意角度,j为复数符号，jωt为收发端频差与时间的乘积，jθXY可为任意角度值。
在上述方法中，利用以下公式恢复输入信号S(n)：
其中：±代表两歧义解，可通过差分编解码消除。
本发明还提供了一种偏振移位键控调制解调***，包括发送端和接收端：
所述发送端设有调制单元，所述调制单元采用正交相移键控方式，在X 偏振方向上调制出任意QPSK信号作为X偏振信号在Y偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X偏振信号相同或相反的Y偏振信号
当S(n)＝0
当S(n)＝1
其中：
输入信号S(n)表示要传送的二进制数据，n为序列号；
所述接收端设有解调单元和数字信号处理单元，所述解调单元采用偏振复用正交相移键控方式将接收信号解调为相应的电信号，再通过所述数字信号处理单元还原出输入信号S(n)，所述数字信号处理单元上设有自适应滤波器，所述自适应滤波器采用上述方法进行自适应滤波系数的更新。
本发明具有偏振移位键控免疫相位噪声，抵抗一定非线性效应，并降低光纤非线性影响的优点，并能有效补偿色散、PMD等线性损伤，自动补偿偏振态的变化，能在超长跨距传输中发挥重要作用。并且，发送接收信号完全继承偏振复用QPSK的成熟硬件架构，实现简单，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的偏振移位键控调制解调方法流程图；
图2为本发明实施例提供的数字信号处理的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种偏振移位键控调制解调方法，发送和接收信号完全继承了偏振复用QPSK的成熟硬件架构，具有偏振移位键控免疫相位噪声、降低光纤非线性影响等优点。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供的偏振移位键控调制解调方法包括以下步骤：
在发送端，采用QPSK(Quadrature Phase Shift Keying,正交相移键控)方式，在X偏振方向上调制出任意QPSK信号作为X偏振信号在Y 偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X偏振信号相同或相反的Y 偏振信号即：
当S(n)＝0
当S(n)＝1 (1)
其中：
输入信号S(n)表示要传送的二进制数据(0或1)，n为序列号；
如果采用与XY坐标系成45度的另一坐标系xy，则对应于x或y方向有能量，而另一方向无信号能量的情况。
在接收端，采用PDM-QPSK(Polarization Division Multiplexing QuadraturePhase Shift Keying,偏振复用正交相移键控)方式将接收信号(由第一光信号和第二光信号组成)解调为相应的电信号，再用ADC采样、量化后进行数字信号处理还原出输入信号S(n)。
如图2所示，数字信号处理的过程依次包括：色散补偿、时钟恢复、自适应滤波、相关检测、码元判决和差分解码。其中色散补偿、时钟恢复、相关检测、码元判决和差分解码采用现有技术实现，自适应滤波通过线性均衡器利用自适应滤波系数更新算法实现，用于偏振解复用与残余色散补偿。
本发明采用的是改进的恒模算法(CMA，constant modulus algorithm) 实现自适应滤波系数更新。CMA是最常用自适应滤波系数更新算法，因为不需要训练序列，且不需要事先补偿频差相差，所以被主流商用***采用。但对于如公式(1)所示的2-POLSK信号，X偏振信号(第一光信号)与Y偏振信号(第二光信号)具有相关性，所以自适应滤波器的系数可能错误收敛，自适应滤波器最后的输出可能为：
其中，表示X偏振的调制信号，表示Y偏振的调制信号。 cos(α)、sin(α)与cos(β)、sin(β)表示任意平方和等于1的系数，α/β为任意角度，j为虚数单位。ω为收发端光源频差，T为码元周期，θ为相差。可以看出，虽然公式(2)和(3)所示的输出信号仍满足恒模条件，但并没有将X、Y偏振分开。
故本发明提出改进的CMA算法，对X偏振接收信号[Einx(n-l)]和Y 偏振接收信号[Einy(n-l)]进行时域均衡；
采用如下公式进行滤波：
Eoutx(n)和Eouty(n)分别为自适应滤波器X偏振接收信号和Y偏振接收信号的输出，Fxx、Fxy、Fyx、Fyy为四个自适应滤波器系数，n为序列号，L为自适应滤波器级数，l为自适应滤波器级数序号；
采用梯度算法更新Fxx、Fxy、Fyx、Fyy值，自动收敛到误差ε的最小值时的取值，ε的定义为：
εx＝{1-Eoutx(n)[Eoutx(n)]*} (7)
εy＝{1-Eouty(n)[Eouty(n)]*} (8)
εxy＝{2-[Eoutx(n)+jEouty(n)][Eoutx(n)+jEouty(n)]*} (9)
误差公式中的第一项和第二项即为经典的CMA算法误差式，而本发明所添加的第三项利用了2-POLSK的特点，使用梯度算法更新Fxx、Fxy、Fyx、 Fyy值，系数更新公式为：
Fxx(l,g+1)＝Fxx(l,g)+4μ1εxEoutx(n)[Einx(n-l)]* +4μ2εxy[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einx(n-l)]* (10)
Fxy(l,g+1)＝Fxy(l,g)+4μ1εxEoutx(n)[Einy(n-l)]* +4μ2εxy[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einy(n-l)]* (11)
Fyx(l,g+1)＝Fyx(l,g)+4μ1εyEouty(n)[Einx(n-l)]*－4μ2εxyj[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einx(n-l)]* (12)
Fyy(l,g+1)＝Fyy(l,g)+4μ1εyEouty(n)[Einy(n-l)]* -4μ2εxyj[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einy(n-l)]* (13)
*为共轭符号，g表示第g次更新，μ1为根据需要使用的微小系数(取值范围可以是1-10-9)，j为复数符号。
当自适应滤波器收敛后，输出将等于：
cos(α)、sin(α)表示任意平方和等于1的系数，α为任意角度,j为复数符号，jωt为收发端频差与时间的乘积，jθXY可为任意角度值。
将两输出做复相关运算，结合公式(1)，可得
则可恢复输入信号S(n)。
式(16)的±代表两歧义解，可通过差分编解码消除。
本发明具有偏振移位键控免疫相位噪声，抵抗一定非线性效应，并降低光纤非线性影响的优点，并能有效补偿色散、PMD等线性损伤，自动补偿偏振态的变化，能在超长跨距传输中发挥重要作用。并且，发送接收信号完全继承偏振复用QPSK的成熟硬件架构，实现简单，具有很强的实用性。
本发明实施例还提供了一种偏振移位键控调制解调***，包括发送端和接收端：
所述发送端设有调制单元，所述调制单元采用正交相移键控方式，在X 偏振方向上调制出任意QPSK信号作为X偏振信号在Y偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X偏振信号相同或相反的Y偏振信号
当S(n)＝0
当S(n)＝1
其中：
输入信号S(n)表示要传送的二进制数据，n为序列号；
接收端设有解调单元和数字信号处理单元，解调单元采用偏振复用正交相移键控方式将接收信号解调为相应的电信号，再通过数字信号处理单元还原出输入信号S(n)，数字信号处理单元上设有自适应滤波器，自适应滤波器采用上述自适应滤波系数的更新方法进行更新。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.接收端自适应滤波系数的更新方法，其特征在于，包括以下步骤：
对X偏振接收信号[Einx(n-l)]和Y偏振接收信号[Einy(n-l)]进行时域均衡；
采用如下公式进行滤波：
其中：
Eoutx(n)和Eouty(n)分别为自适应滤波器X偏振接收信号和Y偏振接收信号的输出，Fxx、Fxy、Fyx、Fyy为四个自适应滤波器系数，n为序列号，L为自适应滤波器级数，l为自适应滤波器级数序号；
采用梯度算法更新Fxx、Fxy、Fyx、Fyy值，自动收敛到误差ε的最小值时的取值，ε的定义为：
εx＝{1-Eoutx(n)[Eoutx(n)]*}；
εy＝{1-Eouty(n)[Eouty(n)]*}；
εxy＝{2-[Eoutx(n)+jEouty(n)][Eoutx(n)+jEouty(n)]*}；
对应的系数更新公式为：
Fxx(l,g+1)＝Fxx(l,g)+4μ1εxEoutx(n)[Einx(n-l)]*
+4μ2εxy[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einx(n-l)]*；
Fxy(l,g+1)＝Fxy(l,g)+4μ1εxEoutx(n)[Einy(n-l)]*
+4μ2εxy[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einy(n-l)]*；
Fyx(l,g+1)＝Fyx(l,g)+4μ1εyEouty(n)[Einx(n-l)]*
－4μ2εxyj[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einx(n-l)]*；
Fyy(l,g+1)＝Fyy(l,g)+4μ1εyEouty(n)[Einy(n-l)]*
-4μ2εxyj[Eoutx(n)+jEouty(n)][Einy(n-l)]*；
*为共轭符号，g表示第g次更新，μ1为根据需要使用的微小系数，取值范围可以是1-10-9，j为复数符号。
2.偏振移位键控调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
在发送端，采用正交相移键控方式，在X偏振方向上调制出任意QPSK信号作为X偏振信号在Y偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X偏振信号相同或相反的Y偏振信号
当S(n)＝0
当S(n)＝1
其中：
输入信号S(n)表示要传送的二进制数据，n为序列号；
在接收端，采用偏振复用正交相移键控方式将接收信号解调为相应的电信号，然后再用ADC采样、量化，最后进行数字信号处理还原出输入信号S(n)；
数字信号处理的过程依次包括：色散补偿、时钟恢复、自适应滤波、相关检测、码元判决和差分解码，其中自适应滤波通过线性均衡器采用如权利要求1所述的方法实现。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当自适应滤波器收敛后，输出信号为：
cos(α)、sin(α)表示任意平方和等于1的系数，α为任意角度，j为复数符号，jωt为收发端频差与时间的乘积，jθXY可为任意角度值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，利用以下公式恢复输入信号S(n)：
其中：±代表两歧义解，可通过差分编解码消除。
5.偏振移位键控调制解调***，包括发送端和接收端，其特征在于：
所述发送端设有调制单元，所述调制单元采用正交相移键控方式，在X偏振方向上调制出任意QPSK信号作为X偏振信号在Y偏振方向上，根据输入信号S(n)调制成与X偏振信号相同或相反的Y偏振信号
当S(n)＝0
当S(n)＝1
其中：
输入信号S(n)表示要传送的二进制数据，n为序列号；
所述接收端设有解调单元和数字信号处理单元，所述解调单元采用偏振复用正交相移键控方式将接收信号解调为相应的电信号，再通过所述数字信号处理单元还原出输入信号S(n)，所述数字信号处理单元上设有自适应滤波器，所述自适应滤波器采用如权利要求1所述的方法进行自适应滤波系数的更新。
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偏振复用差分相移键控信号的数字相干解调与偏振解复用算法研究;冯勇、闻和、张汉一;《光学学报》;20100531;第30卷(第5期);全文 *
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