CN106998229B - 一种基于变步长无约束fd-lms的模分复用***解复用方法 - Google Patents
一种基于变步长无约束fd-lms的模分复用***解复用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于变步长无约束FD‑LMS的模分复用***解复用方法,属于通信技术领域,第一步,用一段训练序列使滤波器矩阵W实现预收敛,将训练序列作为期望信号,第二步,用直接判决的方法得到输出数据,将得到的预收敛的抽头向量值赋给S2步骤中的均衡器,并将判决得到的信号作为期望信号,其余步骤按照第一步的方法进行,不断迭代,直到输出数据误码率不再降低。本发明所使用的算法能够改变每个数据块的各个频率柜的步长值,从而达到快速收敛的目的。本发明可以弥补自适应无约束频域最小均方误差算法(Unconstrained FD‑LMS)收敛慢的问题,具有较高的解复用效率。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域,涉及一种模分复用(MDM)***的解复用方法,采用变步长无约束频域最小均方算法实现对MDM***的解复用。
背景技术
随着社会信息化进程的不断推进,大型数据中心、物联网、高清视频等“带宽消耗”型业务迅猛发展,对光纤通信网络的带宽需求不断增加。而时分复用(TDM)、波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)以及高维高阶调制等技术的广泛应用,使得单模光纤的***容量逐渐接近香农极限。为了应对光通信网络可预见的“带宽危机”,一种新的扩容技术----基于少模光纤(FMF)的模分复用技术应运而生。MDM技术利用少模光纤中各个模式间的正交性,将各模式当作独立信道进行信息传递,从而实现大容量传输。然而,在基于少模光纤的模分复用***中,模式耦合和差分模时延(DMGD)等损伤严重影响了***的传输性能。同时,在模式耦合和差分模时延共同作用下,模分复用***的解复用也变得相对复杂。
自适应滤波算法可以有效地实现解复用。其中,最小均方(LMS)算法因简单且易于实现而得到了广泛应用。LMS算法既可以在时域实现,也可以在频域实现。相比于时域算法,频域最小均方(Variable step-size unconstrained FD-LMS)算法通过快速傅里叶变换(FFT)节省了大量运算。而FD-LMS算法根据时域约束的有无,还可以分为有约束频域最小均方(Constrained FD-LMS)算法和无约束频域最小均方(Unconstrained FD-LMS)算法。其中无约束算法舍去了时域约束块,从而进一步节省了运算量,这种复杂度的优势在多输入多输出(MIMO)***中尤为明显。然而无约束FD-LMS算法的收敛速度较慢,需要较多的训练码元实现收敛,从而降低了频谱利用率。因此,进一步提升无约束FD-LMS算法的收敛速度,进而提高算法的解复用效率,是一个亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的无约束FD-LMS算法收敛慢的问题,本发明提供了一种基于变步长无约束FD-LMS算法的接收信号解复用方法,该方法具有较快的收敛速度、较低的复杂度,同时保证较好的误码性能,具有较好的解复用效果。
受差分模时延和模式耦合等损伤的影响,模分复用***的输出信号是输入信号与信道传输矩阵的卷积混合。本发明的原理是通过变步长无约束FD-LMS算法 估计出信道传输矩阵H的逆矩阵W,令W=H-1,其中W为M×M矩阵,将接收的时域信号u(n)=[u1(n),...,uM(n)]T与滤波器矩阵W卷积得到的恢复信号y(n),表示成矩阵形式为:
本发明通过如下技术方案实现:
一种基于变步长无约束FD-LMS的模分复用***解复用方法,具体步骤如下:
第一步,用一段训练序列使滤波器矩阵W实现预收敛,将训练序列作为期望信号,其中,W为M×M矩阵,其具体过程包括以下步骤:
S1、对二倍过采样、色散补偿后的第j(1≤j≤M)路时域待均衡信号uj(n)进行奇偶分路,得到并行的奇路数据和偶路数据对两路数据分别分块,并根据***时延与冲击响应的关系得到每块码元个数为N,将两个相继子块放在一起,顺次进行FFT变换得到第k块奇偶路频域信号 其中,diag{}代表对角矩阵运算,FFT[]代表傅里叶变换;
S2、对权向量长度为N的奇偶子均衡器进行初始化设置,当i与j不相等时,将每个权值设为0;当i与j相等时,将第N/2个权值设为1,其余权值设为0,并对其后N个权值补零;然后再进行FFT变换得到
S3、计算第i(1≤i≤M)路频域输出对其进行傅里叶反变换(IFFT)并舍弃前N个值,得到其第k块时域输出信号yi(k);
S4、加入载波相位噪声估计项φi(k),利用第k块期望信号di(k)计算时域误差ei(k)=(di(k)-yi(k))·exp(jφi(k)),对其前面N个值进行补零并进行FFT运算,得到第k块频域误差信号Ei(k);
S5、每块中每个频率柜的变步长:其中α为常数,为第k块输入信号功率,Se,i,m(k)=λSe,i,m(k-1)+(1-λ)|Ei(k)|2为第k块误差功率, 为第k块信号误差互功率,其中λ是遗忘因子;
S6、更新均衡器的抽头权向量其中[]H为取共轭运算,为步长矩阵,其具体值为步骤S5中得到的步长值;
S7、判断是否收敛,如不收敛,跳转至步骤S1,如果收敛则结束,得到预收敛的抽头向量
第二步,用直接判决的方法得到输出数据,将得到的预收敛的抽头向量值赋给S2步骤中的均衡器,并将判决得到的信号作为期望信号,其余步骤按照第一步的方法进行,不断迭代,直到输出数据误码率不再降低。
进一步地,所述的步骤S1中,分别采用奇偶子均衡器对信号进行奇偶分路处理,可以使均衡输出之和与半码元间隔的降采样输出相等,从而省去了降采样过程。
进一步地,所述的步骤S4中,载波相位估计项φi(k)采用M次方算法运算得到,其步骤为:一方面,对一个时刻的时域误差取幅角得到一个值,;另一方面,取时域误差的M次方,再进入低通滤波器,滤除高频成分,然后对得到的值进行取幅角以及除M运算,得到另一个值,将两个值相加得到载波相位估计项。载波相位估计分两步进行。其中第一步在数据辅助滤波器抽头预收敛阶段,第二步在判决反馈阶段。
所述步骤S5中,定义时域后向误差信号将步骤S6中的抽头权向量更新方程带入后向误差公式,并进行傅里叶变换,可以得到相应的后向误差频域形式进而对其改写得到每个频率柜的μ值表示形式:利用输入信号与误差信号之间的幅度相干方程可以得到:
将Sv,i,m(k)带入初步得到的步长表达式中,可以得到最终的步长表达式:
与现有技术相比,本发明具有如下优点:
本发明采用变步长无约束FD-LMS算法对混合信号进行还原,其具有计算复杂度低、频谱利用率高等优点,同时能够保证较好的误码性能,具有较好的解复用效果。
附图说明
图1为基于少模光纤的6×6模分复用***结构示意图;
图2为基于少模光纤的6×6模分复用***接收机结构示意图;
图3为本发明所提出的变步长无约束FD-LMS算法的流程图;
图4为本发明所提出的变步长无约束FD-LMS算法对于每个输出的原理框图;
图5为用本发明所提出的算法进行均衡,在不同光信噪比(OSNR)下,6个模式的误码率(BER)变化曲线;
图6为在不同光信噪比(OSNR)下,使用有约束FD-LMS算法、无约束FD-LMS算法以及变步长无约束FD-LMS算法进行均衡得到的BER对比图;
图7为OSNR为15dB的情况下,6个模式的收敛图;
图8为OSNR为15dB的情况下,有约束FD-LMS算法、无约束FD-LMS算法以及变步长无约束LMS算法的收敛速度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步地说明。
实施1基于少模光纤的6×6模分复用传输***对本发明提出的方法进行验证。图1显示了为验证本发明所提出的方法实际采用的基于少模光纤的6×6模分复用***示意图,其构成包括:6个数据发送模块1、模式复用器2、80km少模光纤3、模式解复用器4、6个相干接收机5和离线数据处理模6。其中FMF的随机耦合强度为-30dB/km,光纤损耗为0.2dB/km,LP01模的色度色散为20ps/nm/km,LP11模的色度色散为21ps/km/nm,差分模时延为27ps/km。模式复用器和模式解复用器引入的耦合强度为-21dB。
图1中6个56Gbit/s的QPSK光信号通过模式复用器耦合进FMF中的3个模式(LP01、LP11a和LP11b)及其相应的偏振模,经80km少模光纤传输后,进入模式解复用器进行分离。利用相干接收机对得到的信号进行接收,并经过数字信号处理模块对输出信号进行处理,得到恢复后的输出信号。
图1中的数据发送模块,由两个独立的速率为28Gbit/s的源信号对马赫增德尔调制器进行驱动,产生一个速率为56Gbit/s的QPSK信号,其中所用的光源是波长为1550nm,线宽为100kHz的激光器。
图2显示的是图1中的相干接收机组成结构,其包括:一个本机振荡器、一个90°混频器、两对平衡探测器以及两个低通滤波器。所接收到的每个模式的光与本振光一起送入90°混频器,经过混频之后的光信号通过平衡探测器得到电信号,再将两路电信号送入Bessel低通滤波器中,最后得到两路输出信号。
接收机接收到的信号首先进行二倍过采样、以及色散补偿处理,再对得到的信号进行均衡处理。本发明是其均衡算法,实现对模分复用***的解复用。图3给出了本发明的具体流程图,而图4给出了本发明对于各输出的原理框图。本发明的具体步骤如下:
第一步,利用数据辅助法实现对滤波器抽头w(n)的预收敛,将发端输入数据作为期望信号,取1≤i≤6,1≤j≤6,其具体包括以下步骤:
S1、对二倍过采样、色散补偿后的待均衡信号uj(n)进行奇偶分路,得到两路并行的齐路数据和偶路数据对两路串行数据分别分块,根据***时延与冲击响应的关系得到每块码元个数为64,相继子块放在一起,顺次进行FFT变换得到第k块频域信号其中diag{}代表对角矩阵运算,FFT[]代表傅里叶变换;
S2、对权向量长度为64的滤波器进行初始化设置,当i与j不相等时,将每个权值设为0,i与j相等时,将第32个权值设为1,其余权值设为0,而且对其后补64个零值,再进行FFT变换得到
S3、计算频域输出对其进行IFFT变换并舍弃前64个值,得到第k块输出信号yi(k);
S4、加入载波相位噪声估计项φi(k),载波相位估计项φi(k)采用M次方算法运算得到,其步骤为:一方面,对一个时刻的时域误差取幅角得到一个值,;另一方面,取时域误差的M次方,再进入低通滤波器,滤除高频成分,然后对得到的值进行取幅角以及除M运算,得到另一个值,将两个值相加得到载波相位估计项。利用第k块期望信号di(k)计算时域误差ei(k)=(di(k)-yi(k))·exp(jφi(k)),对其前面64个值进行补零并进行FFT运算,得到第k块频域误差信号Ei(k);
S5、每块中每个频率柜的变步长:α=0.01,k块输入信号功率,为第k块输入信号功率,Se,i,m(k)=λSe,i,m(k-1)+(1-λ)|Ei(k)|2为第k块误差功率, 为第k块信号误差互功率,其中λ=0.6;
S6、更新均衡器的抽头权向量其中为步长矩阵;
S7、判断是否收敛,如不收敛,跳转至步骤S1,如果收敛则结束,得到预 收敛的抽头向量
第二步,由于本***采用QPSK进行调制,则需要将均衡后数据判决到(-1,-1),(-1,1),(1,-1),(1,1)四个点上,并将判决得到的信号作为期望信号,将预收敛的抽头向量值赋给S2步骤中的均衡器,其余按照第一步的方法进行,当迭代次数为10的时候即可的到较为准确的输出数据。
图5给出了不同OSNR下,6个模式的BER变化曲线;而图6则给出了不同OSNR下,有约束FD-LMS算法、无约束FD-LMS算法以及变步长无约束LMS算法的BER对比图;图5显示6个信道经过本发明提出的算法解复用后的性能基本相同;当***误码率达到10-3时,6个信道达到目标误码率所需最小的OSNR为15dB;图6则显示相同OSNR下3种算法的误码率相当,其解复用效果几乎一致;结果表明,本发明所提出算法可以有效地对模分复用***进行解复用。
图7给出了OSNR为15dB的情况下,6个模式的收敛曲线;而图8给出了OSNR为15dB的情况下,有约束FD-LMS算法、无约束FD-LMS算法以及本发明提出的算法的收敛速度对比图;两图的横坐标均为FFT块数目,纵坐标均为归一化均方误差(NMSE);图7显示,6个模式几乎以相同的速度实现收敛,且最终均收敛于数值小于-12dB的NMSE;图8显示,未达到-12dB的NMSE,有约束FD-LMS算法、无约束FD-LMS算法以及本发明提出的算法所需要的FFT块的数目分别为65、73和45;结果表明,本发明所提出算法的收敛速度较快,能够解决无约束FD-LMS算法收敛速度慢的问题。
上述实例所述基于少模光纤的模分复用***是本领域所公知的,通过公知途径获得。
本发明中所用步长、权向量等术语仅仅为了更方便描述和解释本发明,不可作为其附加限制。
Claims (2)
1.一种基于变步长无约束FD-LMS的模分复用***解复用方法,其特征在于,具体步骤如下:
第一步,用一段训练序列使滤波器矩阵W实现预收敛,将训练序列作为期望信号,其中,W为M×M矩阵,其具体过程包括以下步骤:
S1、对二倍过采样、色散补偿后的第j路时域待均衡信号uj(n)进行奇偶分路,其中,1≤j≤M,得到并行的奇路数据和偶路数据对两路数据分别分块,并根据***时延与冲击响应的关系得到每块码元个数为N,将两个相继子块放在一起,顺次进行FFT变换得到第k块奇偶路频域信号其中,diag{}代表对角矩阵运算,FFT[]代表傅里叶变换;
S2、对权向量长度为N的奇偶子均衡器进行初始化设置,当i与j不相等时,将每个权值设为0;当i与j相等时,将第N/2个权值设为1,其余权值设为0,并对其后N个权值补零;然后再进行FFT变换得到
S3、计算第i路频域输出其中,1≤i≤M,对其进行傅里叶反变换(IFFT)并舍弃前N个值,得到其第k块时域输出信号yi(k);
S4、加入载波相位噪声估计项φi(k),利用第k块期望信号di(k)计算时域误差ei(k)=(di(k)-yi(k))·exp(jφi(k)),对其前面N个值进行补零并进行FFT运算,得到第k块频域误差信号Ei(k);
S5、每块中每个频率柜的变步长:其中α为常数,为第k块输入信号功率,Se,i,m(k)=λSe,i,m(k-1)+(1-λ)|Ei(k)|2为第k块误差功率,为第k块信号误差互功率,其中λ是遗忘因子;
S6、更新均衡器的抽头权向量其中[]H为取共轭运算,为步长矩阵,其具体值为步骤S5中得到的步长值;
S7、判断是否收敛,如不收敛,跳转至步骤S1,如果收敛则结束,得到预收敛的抽头向量
第二步,用直接判决的方法得到输出数据,将得到的预收敛的抽头向量值赋给S2步骤中的均衡器,并将判决得到的信号作为期望信号,其余步骤按照第一步的方法进行,不断迭代,直到输出数据误码率不再降低。
2.如权利要求1所述的一种基于变步长无约束FD-LMS的模分复用***解复用方法,其特征在于,所述的步骤S4中,载波相位噪声估计项φi(k)采用M次方算法运算得到,其步骤为:一方面,对一个时刻的时域误差取幅角得到一个值;另一方面,取时域误差的M次方,再进入低通滤波器,滤除高频成分,然后对得到的值进行取幅角以及除M运算,得到另一个值,将两个值相加得到载波相位噪声估计项。
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