本發(fā)明涉及光纖通信領(lǐng)域，具體是涉及一種光纖通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)非線性均衡器及方法。

背景技術(shù)：

光纖通信一直朝著更高通信容量、更長通信距離的方向發(fā)展，而如今限制信號速率進一步提高、傳輸距離進一步延長的因素，即為光纖中的非線性效應(yīng)，以及這些非線性效應(yīng)與光放大器的ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大的自發(fā)輻射噪聲)噪聲之間相互作用帶來的傳輸損傷。光纖中的非線性效應(yīng)主要為克爾效應(yīng)和受激散射，克爾效應(yīng)包括自相位調(diào)制SPM(Self-Phase Modulation，自相位調(diào)制)、XPM(Cross-phase Modulation，交叉相位調(diào)制)和FWM(Four Wave Mixing，四波混頻)，受激散射包括SBS(Stimulated Brillouin Scattering，受激布里淵散射)和SRS(Stimulated Raman Scattering，受激拉曼散射)。在單載波通信系統(tǒng)中，影響信號的非線性效應(yīng)主要是SPM、帶內(nèi)FWM和ASE噪聲在非線性作用下對信號產(chǎn)生的干擾NSNI(Nonlinear Signal-Noise Interference，非線性噪聲-信號相干)；在DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分復(fù)用)系統(tǒng)中，除了要考慮上面的3種非線性，還要考慮帶間FWM、受激散射。由于非線性效應(yīng)的存在，當(dāng)信號功率增加到一定值后，信號的性能反而會下降，這就是所謂的非線性香農(nóng)極限，為了獲得更大的通信容量，必須對信號進行非線性補償，以提高甚至突破非線性香農(nóng)極限。

目前主流的非線性補償方法均為電補償，即在接收端將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過ADC(Analog-to-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)采樣后，再進行數(shù)字信號處理，如非線性均衡、DBP(Digital Backpropagation，數(shù)字背向傳輸)算法等等，但傳統(tǒng)的非線性均衡和DBP算法只能部分地解決SPM、XPM效應(yīng)，無法解決NSNI的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種光纖通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)非線性均衡器及方法，能夠同時補償信號在光纖中傳輸帶來的色散和非線性效應(yīng)的影響，并解決一部分NSNI的問題。

本發(fā)明提供一種光纖通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)非線性均衡器，該自適應(yīng)非線性均衡器的接收端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，該自適應(yīng)非線性均衡器包括N個非線性補償模塊、(N+N²)/2個色散補償模塊、一個抽頭系數(shù)計算模塊和一個加法器，N為大于1的正整數(shù)，非線性補償模塊的輸入為A時，輸出為|A|²*A；

所述非線性補償模塊用于：補償信號在光纖中傳輸過程中累積的非線性效應(yīng)；

所述色散補償模塊用于：補償信號在光纖中傳輸?shù)纳ⅲ?/p>

所述抽頭系數(shù)計算模塊用于：采用自適應(yīng)算法，通過迭代計算非線性均衡器的最佳抽頭系數(shù)；

所述加法器用于：將均衡器的各個支路的輸出相加，得到最終經(jīng)過補償?shù)男盘枴?/p>

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述自適應(yīng)非線性均衡器接收到經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，(N+N²)/2個色散補償模塊CD對該數(shù)字信號依次進行長度為的光纖色散補償，光纖分為N段，其中L為信號傳輸?shù)墓饫w的總長度，N為分段數(shù)，得到N個經(jīng)過不同程度色散補償?shù)男盘?A₁，A₂，...，A_N)；

N個非線性補償模塊對前面得到的N個信號A₁、A₂、…、A_N進行非線性補償?shù)倪\算：A′_i＝|A_i|²×A_i，i＝1,2,…，N，得到(A′₁，A′₂，...，A′_N)，此處(A′₁，A′₂，...，A′_N)為一個中間量，表示信號在光纖傳輸過程中非線性的強度；

對(A′₁，A′₂，...，A′_N)進行剩余的色散補償，具體操作為：對A′_i進行長度為的色散，最終得到(A″₁，A″₂，...，A″_N)，(A″₁，A″₂，...，A″_N)為非線性均衡器N個支路的輸出；

將(A″₁，A″₂，...，A″_N)分別乘以均衡器的抽頭系數(shù)，然后與完全補償色散的信號A_N相加，得到最佳抽頭系數(shù)，作為均衡器的輸出A_out；

將最佳抽頭系數(shù)代入均衡器，得到最終輸出。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述均衡器的抽頭系數(shù)由自適應(yīng)算法決定，自適應(yīng)算法的流程為：

S401、設(shè)定一組非線性均衡的N個初始抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀，代入均衡器，得到輸出A_out0；

S402、在S401初始設(shè)定的抽頭系數(shù)上增加一個微小的量，得到另外一組抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N）₁，將(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁代入均衡器，得到輸出A_out1；

S403、計算A_out0和A_out1的代價函數(shù)，用CF(A_out0)和CF(A_out1)表示：CF(A)＝σ²(|A|²)，其中，σ²為方差，||為取模運算，此處A取A_out0或A_out1；

S404、計算代價函數(shù)的梯度：

其中，為代價函數(shù)CF的梯度；

S405、抽頭系數(shù)更新，由一組抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁推出新的抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₂：

其中u為步長；

S406、重復(fù)S403到S405的步驟，進行迭代，從(γ₁，γ₂，...，γ_N)₂一直遞推到(γ₁，γ₂，...，γ_N)₂，直到滿足以下條件，迭代終止：CF(A_N)＜ε，其中，ε為設(shè)定的閾值，得到(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N；

S407、S406得到的(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N即為最佳抽頭系數(shù)，將其回饋給自適應(yīng)均衡器。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟S402中，所述(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁的計算過程如下：

(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁＝(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀+δ，

上式中，(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀為初始設(shè)定的一組抽頭系數(shù)，δ為一個比較小的數(shù)，在初始設(shè)定的一組抽頭系數(shù)中每個系數(shù)分別加上δ，即得到(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述光纖分為N段時，均勻分段，每段長度均為L/N；或者不均勻分段，即N段的長度不相同。

本發(fā)明還提供一種應(yīng)用于上述自適應(yīng)非線性均衡器的光纖通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)非線性均衡方法，包括以下步驟：

S1、自適應(yīng)非線性均衡器接收到經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，(N+N²)/2個色散補償模塊CD對該數(shù)字信號依次進行長度為的光纖色散補償，光纖分為N段，其中L為信號傳輸?shù)墓饫w的總長度，N為分段數(shù)，得到N個經(jīng)過不同程度色散補償?shù)男盘?A₁，A₂，...，A_N)；

S2、N個非線性補償模塊對步驟S1得到的N個信號A₁、A₂、…、A_N進行非線性補償?shù)倪\算：A′_i＝|A_i|²×A_i，i＝1,2,…，N，得到(A′₁，A′₂，...，A′_N)，此處(A′₁，A′₂，...，A′_N)為一個中間量，表示信號在光纖傳輸過程中非線性的強度；

S3、對步驟S2得到的(A′₁，A′₂，...，A′_N)進行剩余的色散補償，具體操作為：對A′_i進行長度為的色散，最終得到(A″₁，A″₂，...，A″_N)，(A″₁，A″₂，...，A″_N)為非線性均衡器N個支路的輸出；

S4、將步驟S3得到的(A″₁，A″₂，...，A″_N)分別乘以均衡器的抽頭系數(shù)，然后與完全補償色散的信號A_N相加，得到均衡器的輸出A_out；

S5、將步驟S4得到的最佳抽頭系數(shù)代入均衡器，得到最終輸出。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟S4中，均衡器的抽頭系數(shù)由自適應(yīng)算法決定，自適應(yīng)算法的流程為：

S401、設(shè)定一組非線性均衡的N個初始抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀，代入均衡器，得到輸出A_out0；

S402、在S401初始設(shè)定的抽頭系數(shù)上增加一個微小的量，得到另外一組抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁，將(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁代入均衡器，得到輸出A_out1；

S403、計算A_out0和A_out1的代價函數(shù)，用CF(A_out0)和CF(A_out1)表示：CF(A)＝σ²(|A|²)，其中，σ²為方差，||為取模運算，此處A取A_out0或A_out1；

S404、計算代價函數(shù)的梯度：

其中，為代價函數(shù)CF的梯度；

S405、抽頭系數(shù)更新，由一組抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁推出新的抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N）₂：

其中u為步長；

S406、重復(fù)S403到S405的步驟，進行迭代，從(γ₁，γ₂，...，γ_N）₂一直遞推到(γ₁，γ₂，...，γ_N）_N，直到滿足以下條件，迭代終止：CF(A_N)＜ε，其中，ε為設(shè)定的閾值，得到(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N；

S407、S406得到的(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N即為最佳抽頭系數(shù)，將其回饋給自適應(yīng)均衡器。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟S402中，(γ₁，γ₂，...，γ_N）₁的計算過程如下：

(γ₁，γ₂，...，γ_N）₁＝(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀+δ，

上式中，(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀為初始設(shè)定的一組抽頭系數(shù)，δ為一個比較小的數(shù)，在初始設(shè)定的一組抽頭系數(shù)中每個系數(shù)分別加上δ，即得到(γ₁，γ₂，...，γ_N）₁。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟S1中，光纖分為N段時，均勻分段，每段長度均為L/N；或者不均勻分段，即N段的長度不相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：

(1)本發(fā)明公開了一種用于光纖通信系統(tǒng)中非線性傳輸損傷補償?shù)淖赃m應(yīng)非線性均衡器，該自適應(yīng)均衡器是在接收端電域中進行的一套算法，包括一個非線性均衡器的結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)算法。其中非線性均衡器包括將接收到的信號進行不同光纖長度的色散補償，此處不同光纖長度的色散補償一般來說為系統(tǒng)光纖總長度的1/N到N/N，得到N個經(jīng)過部分色散補償?shù)臄?shù)據(jù)和經(jīng)過完全色散補償?shù)臄?shù)據(jù)，然后將N個經(jīng)過部分色散補償?shù)臄?shù)據(jù)乘以抽頭系數(shù)，疊加至經(jīng)過完全色散補償?shù)男盘柹?；自適應(yīng)算法的流程為：先設(shè)定一組初始的抽頭系數(shù)，然后在初始的抽頭系數(shù)上進行一個小的調(diào)整，這樣會得到兩組信號，根據(jù)最終信號強度的方差，可以求出信號強度方差隨抽頭系數(shù)變化的梯度，然后用最陡下降法進行迭代，最終得到一組最佳的抽頭系數(shù)，代入前面的非線性均衡器中，輸出最終結(jié)果。本發(fā)明能夠同時補償信號在光纖中傳輸帶來的色散和非線性效應(yīng)的影響，并且采用了自適應(yīng)算法來調(diào)整均衡器的抽頭系數(shù)，可以能在一定程度上，能夠同時抑制光纖傳輸過程中非線性效應(yīng)帶來的傳輸損傷、以及非線性效應(yīng)與光纖通信系統(tǒng)中光放大器帶來ASE噪聲結(jié)合所帶來的傳輸損傷。

(2)本發(fā)明提出的自適應(yīng)非線性均衡能夠解決一部分NSNI的問題，從而性能要較DBP算法更佳。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中自適應(yīng)非線性均衡器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中自適應(yīng)算法的流程圖。

圖3是未經(jīng)補償?shù)男盘栃亲鶊D。

圖4是經(jīng)過自適應(yīng)均衡后的信號星座圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。

為了補償光纖傳輸中的非線性損傷、以及非線性效應(yīng)和ASE噪聲結(jié)合的傳輸損傷，本發(fā)明實施例提供一種光纖通信系統(tǒng)中的自適應(yīng)非線性均衡器，該自適應(yīng)非線性均衡器的接收端與ADC(Analog-Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)相連，參見圖1所示，該自適應(yīng)非線性均衡器包括N個非線性補償模塊、(N+N²)/2個色散補償模塊CD(Chrome Dispersion，色散)、一個抽頭系數(shù)計算模塊和一個加法器，N為大于1的正整數(shù)，非線性補償模塊的輸入為A時，輸出為|A|²*A，此處A為非線性補償模塊的輸入。

非線性補償模塊用于：補償信號在光纖中傳輸過程中累積的非線性效應(yīng)；

色散補償模塊CD用于：補償信號在光纖中傳輸?shù)纳ⅲ?/p>

抽頭系數(shù)計算模塊用于：采用自適應(yīng)算法，通過迭代計算非線性均衡器的最佳抽頭系數(shù)；

加法器用于：將均衡器的各個支路的輸出相加，得到最終經(jīng)過補償?shù)男盘枴?/p>

參見圖2所示，本發(fā)明實施例還提供一種基于上述自適應(yīng)非線性均衡器的自適應(yīng)計算方法，包括以下步驟：

S1、自適應(yīng)非線性均衡器接收到經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，(N+N²)/2個色散補償模塊CD對該數(shù)字信號依次進行長度為的光纖色散補償，光纖分為N段，其中L為信號傳輸?shù)墓饫w的總長度，N為分段數(shù)，此處的N與前面的N一致，是同一個量，得到N個經(jīng)過不同程度色散補償?shù)男盘?A₁，A₂，...，A_N)；

需要注意的是，此處光纖分為N段時，可以均勻分段，每段長度均為L/N；也可以不均勻分段，即N段的長度可以不相同。

S2、N個非線性補償模塊對步驟S1得到的N個信號A₁、A₂、…、A_N進行非線性補償?shù)倪\算：A′_i＝|A_i|²×A_i，i＝1,2,…，N，得到(A′₁，A′₂，…，A′_N)，此處(A′₁，A′₂，…，A′_N)為一個中間量，表示信號在光纖傳輸過程中非線性的強度；

S3、對步驟S2得到的(A′₁，A′₂，…，A′_N)進行剩余的色散補償，具體操作為：對A′_i進行長度為的色散，最終得到(A″₁，A″₂，...，A″_N)，(A″₁，A″₂，...，A″_N)為非線性均衡器N個支路的輸出；

S4、將步驟S3得到的(A″₁，A″₂，...，A″_N)分別乘以均衡器的抽頭系數(shù)，然后與完全補償色散的信號A_N相加，得到最佳抽頭系數(shù)，作為均衡器的輸出A_out；

其中，均衡器的抽頭系數(shù)由自適應(yīng)算法決定，自適應(yīng)算法的流程為：

S401、設(shè)定一組非線性均衡的N個初始抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，…，γ_N)₀，代入均衡器，得到輸出A_out0；

S402、在S401初始設(shè)定的抽頭系數(shù)上增加一個微小的量，得到另外一組抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁，

(γ₁，γ₂，…，γ_N)₁的計算過程如下：

(γ₁，γ₂，…，γ_N)1＝(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀+δ，

上式中，(γ₁，γ₂，...，γ_N)₀為初始設(shè)定的一組抽頭系數(shù)，δ為一個比較小的數(shù)，如0.1，在初始設(shè)定的一組抽頭系數(shù)中每個系數(shù)分別加上δ，即得到(γ₁，γ₂，…，γ_N)₁；

將(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁代入均衡器，得到輸出A_out1；

S403、計算A_out0和A_out1的代價函數(shù)，用CF(A_out0)和CF(A_out1)表示：CF(A)＝σ²(|A|²)，其中，σ²為方差，||為取模運算，此處A取A_out0或A_out1；

S404、計算代價函數(shù)的梯度：

其中，為代價函數(shù)CF的梯度；

S405、抽頭系數(shù)更新，由一組抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₁推出新的抽頭系數(shù)(γ₁，γ₂，...，γ_N)₂：

其中u為步長；

S406、重復(fù)S403到S405的步驟，進行迭代，從(γ₁，γ₂，...，γ_N)₂一直遞推到(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N，直到滿足以下條件，迭代終止：CF(A_N)＜ε，其中，ε為設(shè)定的閾值，得到(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N；

S407、S406得到的(γ₁，γ₂，...，γ_N)_N即為最佳抽頭系數(shù)，將其回饋給自適應(yīng)均衡器。

S5、將步驟S4得到的最佳抽頭系數(shù)代入均衡器，得到最終輸出。

下面將給出本發(fā)明提出的自適應(yīng)均衡器應(yīng)用的一個實例。信號經(jīng)過一個雙向拉曼放大的系統(tǒng)傳輸后由相干接收機接收，然后經(jīng)過ADC采樣后成為數(shù)字信號，然后經(jīng)過本發(fā)明提出的自適應(yīng)非線性均衡器處理。雙向拉曼系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示，圖3、圖4對比了未經(jīng)過處理的信號星座圖和經(jīng)過自適應(yīng)非線性均衡器處理的星座圖，可以明顯地看出，經(jīng)過自適應(yīng)非線性均衡后，信號的非線性得到了大部分的補償。

表1、實驗參數(shù)設(shè)置

本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明實施例進行各種修改和變型，倘若這些修改和變型在本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則這些修改和變型也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

說明書中未詳細描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。