CN106789793B - 用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的lms方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，涉及相干光通信技术领域。该LMS方法包括以下步骤：对自适应均衡器的X偏振接收信号和Y偏振接收信号进行时域均衡；定义上述时域均衡的误差公式；根据上述误差定义，使用梯度算法更新自适应均衡器系数，以保证自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。本发明能使自适应均衡器系数的更新不再依赖频差与相差的反馈，即使遇到极端的偏振态变化，相干光通信***也能正确跟踪，保证了***的鲁棒性。

Description

用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法
技术领域
本发明涉及相干光通信技术领域，具体来讲是一种用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS(Least mean square，最小均方)方法。
背景技术
相干光通信的理论和实验始于80年代。相干光通信***被公认为具有灵敏度高、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，从而使得困扰业界的色散问题变得相对容易解决。而在40G、100G光通信时代，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，100G商用***采用的是基于相干光通信的PM-QPSK(PolarizationMultiplexed Quadri Phase Shift Keying，偏振复用四相移键控)技术。
由于电子技术的进步，使得DSP的成本大为降低，新一代的相干光通信***普遍引入DSP技术。在使用本征光载波解调信号光后，再使用ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)采样解调后的电子信号，最后进行数字信号处理。参见图1所示，相干光通信接收机的数字信号处理的流程一般为：色散补偿→时钟恢复→自适应均衡→载波恢复(频差估计与补偿)→载波恢复(相差估计与补偿)→码元判决。
自适应均衡器为数字信号处理的主要组成部分，起到偏振解复用与残余色散补偿作用，通常由线性均衡器与自适应均衡系数更新算法组成。相干光通信使用的是2×2多入多出自适应均衡器，输出均衡后的两个偏振信号。
目前，较流行的可用于PM-QPSK的自适应均衡系数更新算法为CMA(ConstantModulus Algorithms，恒模算法)。因为CMA不需要训练序列，且不需要事先补偿频差，相对简单且具有一定鲁棒性，被主流商用***广泛采用。恒模算法的误差定义公式为：
其中，为自适应均衡器的X端口输出，为自适应均衡器的Y端口输出，||为取模计算，1为设定的恒模大小，n为数据序列号。自适应均衡器的系数更新公式根据公式(1)、(2)所给出的误差公式由梯度算法得出。
但是，CMA算法利用的是QPSK(Quadri Phase Shift Keying，四相移键控)信号的恒模特点，无法辨别所跟踪的偏振态，所以算法可能会错误收敛，使自适应均衡器的两个输出都输出一个偏振态。当出现偏振态快速变化时，如架空光缆在台风下剧烈晃动时，CMA可能会丢失所跟踪的偏振态，并错误收敛到均衡器的两个输出都输出一个偏振态，带来***崩溃。
而作为改进的基于训练序列的LMS(Least mean square，最小均方)算法，由于使用的一阶统计量，可以比CMA跟踪更快的偏振变化。并且，由于训练序列的导引作用，自适应均衡器会输出所用训练序列所对应的偏振态。但是，在相干光通信***中，由于用于解调的本地激光器与发端激光器存在频差与相差，所以在使用LMS算法时，必须从其后的频差与相差补偿模块引入频差与相差反馈用于误差信号的计算，其具体的误差计算公式为：
其中，Dx与Dy为期望数据，为预先知道的训练序列数值，Δf为频差，T为码元周期，Φx与Φy分别为X、Y偏振信号的相差，n为数据序列号。
但是，现有的LMS方法的问题是：在实际的信号处理过程中，频差估计与相差估计都依赖于自适应均衡器的正确输出。在实际部署的***中，虽然多数情况下偏振态变化缓慢，但瞬时可能出现极快的偏振变化，此时不能保证自适应均衡器的正确输出，没有正确的频差与相差反馈，现有的LMS方法将不能正确工作，所以使用现有的LMS方法并不能保证***在极快的偏振变化下的生存。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，能使自适应均衡器系数的更新不再依赖频差与相差的反馈，即使遇到极端的偏振态变化，***也能正确跟踪，保证了***的鲁棒性。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，该LMS方法包括以下步骤：
S1：对自适应均衡器的X偏振接收信号[Einx]和Y偏振接收信号[Einy]进行时域均衡，时域均衡的公式为：
其中，和分别为自适应均衡器X偏振信号和Y偏振信号的输出，Fxx、Fxy、Fyx、Fyy为四个自适应均衡器系数，n为序列号，L为自适应均衡器级数，l为自适应均衡器级数序号；
S2：定义上述时域均衡的误差公式为：
Error(n)＝|Error_xy1(n)|2+|Error_xy2(n)|2，其中：
式中，Dx、Dy为期望数据，是预先已知的训练序列数值；为自适应均衡器的X端口输出，为自适应均衡器的Y端口输出；| |为取模计算，[]*为取共轭；
S3：根据上述误差定义，使用梯度算法更新自适应均衡器系数，以保证自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中所述更新自适应均衡器系数的公式为：
上述公式中，*为共轭符号，g表示第g次更新，μ1、μ2均为根据需要使用的微小系数。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，所述更新自适应均衡器系数的公式中的μ1和μ2可相同或不同。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，所述更新自适应均衡器系数的公式中的μ1和μ2的取值范围均为1～10-9。
在上述技术方案的基础上，步骤S3中，自适应均衡器更新自适应均衡器系数时，会锁定X偏振信号的相差Φx和Y偏振信号的相差Φy，使得Φx＝Φy；并且，当自适应滤波器正确输出时，自适应均衡器X偏振信号的输出和Y偏振信号的输出分别为：
其中，j为复数，Δf为频差，T为码元周期；且上述输出公式中的频差Δf将在误差公式中被消除掉。
在上述技术方案的基础上，在QPSK应用场景下，步骤S2中所述预先已知的训练序列数值在预先设计时需满足以下要求：Dx(n)/Dy(n)均匀地取1，j，-1，-j四个数值。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用相干光通信***中解调的两路信号具有相同的频差与相差的特点，提出了新的改进型的X、Y偏振信号的误差公式。采用改进型的误差公式，可实现无需频差与相差反馈的LMS算法。相较传统的LMS算法必须依赖频差与相差反馈来说，本方法由于自适应均衡器的系数更新不再依赖频差与相差反馈，即使遇到极端的偏振态变化，***也能正确跟踪，保证了***的鲁棒性，满足了实际使用需求。
(2)本发明实现简单，具有很强的实用性；且本发明的使用并不限于相干光通信领域，适用范围广。
附图说明
图1为现有技术中相干光通信接收机的数字信号处理流程图；
图2为本发明实施例中用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图2所示，本发明实施例提供一种用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，包括以下步骤：
步骤S1：对自适应均衡器的X偏振接收信号[Einx]和Y偏振接收信号[Einy]进行时域均衡，时域均衡的公式为：
其中，和分别为自适应均衡器X偏振信号和Y偏振信号的输出，Fxx、Fxy、Fyx、Fyy为四个自适应均衡器系数，n为序列号，L为自适应均衡器级数，l为自适应均衡器级数序号，转入步骤S2。
步骤S2：定义上述时域均衡的误差公式为：
Error(n)＝|Error_xy1(n)|2+|Error_xy2(n)|2， (7)
式中，Dx、Dy为期望数据，是预先已知的训练序列数值；为自适应均衡器的X端口输出，为自适应均衡器的Y端口输出；| |为取模计算，[]*为取共轭，转入步骤S3。
可以理解的是，在预先设计训练序列数值时，Dx(n)与Dy(n)的相差应均匀的取所有可能得取值。以QPSK为例，即要求在设计训练序列数值时，要满足Dx(n)/Dy(n)均匀地取1，j，-1，-j四个数值，其中，j为复数。
步骤S3：根据上述误差定义公式(7)～(9)，使用梯度算法更新自适应均衡器系数，以保证自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈。
其中，自适应均衡器的系数更新公式为：
上述公式中，*为共轭符号，g表示第g次更新，μ1、μ2均为根据需要使用的微小系数，两者可相同或不同，且μ1和μ2的取值范围可以为1～10-9。
另外，可以理解的是，自适应均衡器更新自适应均衡器系数时，会锁定X偏振信号的相差Φx和Y偏振信号的相差Φy，使得Φx＝Φy，从而使得自适应均衡器的系数更新不再依赖相差的反馈；并且，当自适应滤波器正确输出时，自适应均衡器X偏振信号的输出和Y偏振信号的输出分别为：
其中，j为复数，Δf为频差，T为码元周期；而上述输出公式中的频差Δf将在误差公式中被消除掉，从而使得自适应均衡器的系数更新不再依赖频差的反馈。
由上述实施例可以看出，本发明实现简单，具有很强的实用性。由于自适应均衡器的系数更新不再依赖频差与相差反馈，即使遇到极端的偏振态变化，***也能正确跟踪，保证了***的鲁棒性，满足了实际使用需求。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，其特征在于，该LMS方法包括以下步骤：
S1：对自适应均衡器的X偏振接收信号[Einx]和Y偏振接收信号[Einy]进行时域均衡，时域均衡的公式为：
其中，和分别为自适应均衡器X偏振信号和Y偏振信号的输出，Fxx、Fxy、Fyx、Fyy为四个自适应均衡器系数，n为序列号，L为自适应均衡器级数，l为自适应均衡器级数序号；
S2：定义上述时域均衡的误差公式为：
Error(n)＝|Error_xy1(n)|2+|Error_xy2(n)|2，其中：
式中，Dx、Dy为期望数据，是预先已知的训练序列数值；为自适应均衡器的X端口输出，为自适应均衡器的Y端口输出；| |为取模计算，[]*为取共轭；
S3：根据上述误差定义，使用梯度算法更新自适应均衡器系数，以保证自适应均衡器持续跟踪偏振态的变化，且无需频差与相差的反馈；
其中，自适应均衡器系数更新公式为：
上述公式中，*为共轭符号，g表示第g次更新，μ1、μ2均为根据需要使用的微小系数；
同时，自适应均衡器更新自适应均衡器系数时，会锁定X偏振信号的相差Φx和Y偏振信号的相差Φy，使得Φx＝Φy；并且，当自适应滤波器正确输出时，自适应均衡器X偏振信号的输出和Y偏振信号的输出分别为：
其中，j为复数，Δf为频差，T为码元周期；且上述输出公式中的频差Δf将在误差公式中被消除掉。
2.如权利要求1所述的用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，其特征在于：步骤S3中，所述更新自适应均衡器系数的公式中的μ1和μ2可相同或不同。
3.如权利要求1所述的用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，其特征在于：步骤S3中，所述更新自适应均衡器系数的公式中的μ1和μ2的取值范围均为1～10-9。
4.如权利要求1所述的用于自适应均衡器系数更新的无需频差相差反馈的LMS方法，其特征在于：在QPSK应用场景下，步骤S2中所述预先已知的训练序列数值在预先设计时需满足以下要求：Dx(n)/Dy(n)均匀地取1，j，-1，-j四个数值。
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