用恒定转动符号训练序列解偏振复用的方法

摘要

本发明属于光通信领域，应用于偏振分集复用相干光通信系统，进行偏振解复用。本发明针对偏振分集复用相干光通信系统中偏振解复用的问题，设计了一种特殊的训练序列和相关算法。运用这种方法相干接收器可以快速、自动、准确地进行偏振解复用。本发明提出的训练序列，符号功率归一化之后，在星座图上看其轨迹是沿着单位圆上转动的，因此叫做恒定转动符号训练序列。本发明提出了两种针对恒定转动符号训练序列的处理算法，分别是频域算法和时域算法。频域算法可以和频域色散补偿相结合，而不需要增加额外的求频谱的模块。使用本方法，接收端不需要和训练序列初始位置同步。

权利要求

1.用恒定转动符号训练序列在偏振分集复用相干光通信系统中偏振解复用的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)在通信系统初始化阶段，发射端在两个偏振方向上分别发送转动速度不同的恒定转动符号训练序列；

(2)相干接收器接收训练序列并对其进行处理，初始化蝶形滤波器的权值，从而进行偏振解复用，所述相干接收器初始化蝶形滤波器的权值的方法有频域算法和时域算法，频域算法包含如下步骤：(1)对接收到的训练序列求离散傅里叶变换以计算频谱；

(2)从频谱中找到峰值；

(3)从峰值估计出信道传递函数；

(4)用传递函数的逆来初始化蝶形滤波器的权值，时域算法包含如下步骤：

(1)计算上一时刻蝶形滤波器两支路输出信号的角度；

(2)从上一时刻输出信号的角度和偏振支路的训练序列符号转动速度推算出当前时刻输出信号的预期值；

(3)当前时刻输出信号的预期值和当前时刻输出信号的实际值之差作为时域算法的误差信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述训练序列经过符号功率归一化之后在星座图上看其轨迹是沿着单位圆以恒定速度转动的，所述转动速度不同包括转动速率不相同或转动方向不同。

说明书

用恒定转动符号训练序列解偏振复用的方法

技术领域

[0001] 本发明属于光通信领域，应用于偏振分集复用相干光通信系统，进行偏振解复用。

背景技术

[0002] 相干光通信不仅可以使用高阶调制技术、偏振分集复用技术来提高频谱效率，还可以运用自适应数字信号处理技术来动态补偿信号的损伤。是一种有广阔应用前景的重要技术。在偏振分集复用相干光通信系统中，发射端把偏振方向相互垂直的两路光信号输入到光纤中传输。图1表示偏振分集复用系统的输入信号。光信号在光纤中传输会受到光纤偏振模色散的影响。偏振模色散会使光信号的偏振态转动。如图2所示。而且，光纤偏振模色散是随机的，致使经过光纤传输的光信号的偏振态随机转动。接收端的光信号偏振态如图3所示。

[0003] 偏振分集复用相干光通信系统接收端如图4所示，偏振分束器402将接收信号401分解成两个偏振态互相垂直的光信号，分别进入X偏振支路403和Y偏振支路404。本地激光器(LO)405发射和光信号载波频率相同或很接近的激光，被分成两路，分别与X偏振支路403、Y偏振支路404的信号进入两个90°混频器406、407。两个90°混频器的输出被光电二极管408接收转化成电信号，电信号被模数转化器(ADC)409采样之后，得到的是接收光信号401的基带数字信号410。基带数字信号进入DSP模块411进行色散补偿、时钟同步、偏振解复用、偏振模色散补偿、解调等操作，恢复出原始数据412。

[0004] 接收端的偏振分束器402摆放方向是固定的，即在固定的相互垂直的两个偏振方向上接收信号。通常情况下，这两个偏振方向不能分别对准到达接收端的光信号的两个偏振方向。这使得两个偏振方向上的光信号各有一部分进入接收端的X偏振支路403和Y偏振支路404。X偏振支路403和Y偏振支路404上的接收信号是两个偏振方向上的发送信号的叠加。通常相干接收器(图4)运用数字信号处理(DSP)模块(图5)中的蝶形滤波器506进行偏振解复用，给蝶形滤波器设定合理的数值是解偏振复用的关键。

[0005] 本发明旨在解决偏振分集复用相干光通信系统的偏振解复用问题。

发明内容

[0006] 本发明适用于偏振分集复用相干光通信系统中，系统的调制方式可以为MPSK(M≥4)或MQAM(M≥4)。本发明针对偏振分集复用相干光通信系统中偏振解复用的问题，设计了一种特殊的训练序列和相关算法。运用这种方法相干接收器可以快速、自动、准确地进行偏振解复用。本发明提出的训练序列，符号功率归一化之后，在星座图上看其轨迹是沿着单位圆上转动的，因此命名为恒定转动符号训练序列。发射端的两个偏振方向上分别发送一定长度的转动速度不相同且恒定的符号序列，其中转动速度不相同的含义包括转动速率不相同或转动方向不同(例如，一个偏振方向上顺时针旋转，另一个偏振方向上逆时针旋转)。相干接收器已知发送端在两个偏振方向上发送的训练序列的转动速度。本发明提出了两种针对恒定转动符号训练序列的处理算法。这两种算法用于接收端，可以给蝶形滤波器506赋予适当的权值，进行偏振解复用。

[0007] 这两种算法中，一种算法需要计算接收信号的频谱，从接收信号的频域估计出信道传递函数矩阵，从而给蝶形滤波器506赋初值。因此，这种算法命名为频域算法。算法的主要步骤包括：

[0008] (1)对接收到的训练序列求离散傅里叶变换(DFT)以计算频谱；

[0009] (2)从频谱中找到峰值；

[0010] (3)从峰值估计出信道传递函数；

[0011] (4)用传递函数的逆来初始化蝶形滤波器的权值。

[0012] 从频谱峰值出现的位置还可以方便地估算出相干接收机中本地振荡器(LO)405与发送光信号载波的频差。

[0013] 另一种算法属于最小均方误差(LMS)算法，在接收信号的时域上处理，优化蝶形滤波器506的权值。因此，这种算法命名为时域算法。算法的主要步骤包括：

[0014] (1)计算上一时刻蝶形滤波器两支路输出信号(此信号为复数)的角度；

[0015] (2)从上一时刻输出信号的角度和此偏振支路的训练序列符号转动速度推算出当前时刻输出信号的预期值；

[0016] (3)当前时刻输出信号的预期值和当前时刻输出信号的实际值之差作为LMS算法的误差信号。

附图说明

[0017] 图1：偏振分集复用系统的发射信号示意图；

[0018] 图2：光纤偏振模色散使传输的光信号偏振态随机旋转的示意图；

[0019] 图3：接收端初接收光信号偏振态示意图；

[0020] 图4：偏振分集复用相干光通信系统的接收器；

[0021] 图5：偏振分集复用相干光通信系统的接收器中的DSP模块；

[0022] 图6：偏振分集复用QPSK系统的星座图，恒定转动符号训练序列在星座图上的转动示意图；

[0023] 图7：用恒定转动符号训练序列进行偏振解复用的频域算法结构图；

[0024] 图8：频域算法详细流程图；

[0025] 图9：用恒定转动符号训练序列进行偏振解复用的时域算法结构图；

[0026] 图10：时域算法详细流程图。

具体实施方式

[0027] 偏振分集复用光通信系统的接收器如图4所示，相干接收机包括前端处理部分413和数字信号处理(DSP)模块411。前端处理部分413把光信号变成基带数字信号410。
DSP模块411对基带数字信号410进行处理，执行时钟同步、补偿各种信号损伤，解调等操作恢复出数据412。DSP模块411的详细结构如图5所示，DSP模块的输出510对应相干接收器中的412，DSP模块的输入501、502连接相干接收器中的基带数字信号410。注意到，DSP电路的输入xin501，yin502是复数，与410的关系是：

[0028] xin＝xRe+i×xIm

[0029] yin＝yRe+i×yIm

[0030] 输入信号xin501，yin502首先进入503进行色散补偿和时钟同步。色散补偿和时钟同步模块503的输出xp504、yp505是已经同步的信号，接着进入蝶形滤波器506进行偏振解复用、偏振模色散补偿和残余色散补偿。蝶形滤波器506由4个复数滤波器511、512、513、514和两个加法器515、516组成。复数滤波器511、512、513、514的权值hxx、hxy、hyx、hyy是复数，可以是一维或多维向量。蝶形滤波器506的操作为：

[0031] xout＝xp*hxx+yp*hxy

[0032] yout＝xp*hxy+yp*hyy

[0033] 其中，公式中的变量都是复数；*是卷积操作；xout507，yout508是滤波器输出；适当地设定滤波器的权值hxx、hxy、hyx、hyy即可偏振解复用。蝶形滤波器的输出507、508进入相位恢复和解调模块509得到解调数据510。

[0034] 偏振分集复用光通信系统的线性信道模型

[0035] 偏振分集复用系统的发送信号，时域和频域表示分别为：

[0036]

[0037] 其中x，y是两个相互垂直的偏振方向。

[0038] 接收信号的时域和频域表示分别为：

[0039]

[0040] 信道传输矩阵：

[0041]

[0042] 信道传输方程：

[0043]

[0044] 恒定转动符号训练序列

[0045] 本发明提出的训练序列，符号功率归一化之后，在星座图上看其轨迹是沿着单位圆上转动的，因此命名为恒定转动符号训练序列。发射端的两个偏振方向上分别发送一定长度的转动速度不相同且恒定的符号序列，其中转动速度不相同的含义包括转动速率不相同或转动方向不同(例如，一个偏振方向上顺时针旋转，另一个偏振方向上逆时针旋转)。

[0046] X偏振上信号在星座图上以角频率ωx转动：

[0047] sx(t)＝exp(iφx)exp(iωxt)

[0048] 其中，φx是训练序列的初始相位，t＝0，1，2...

[0049] Y偏振上信号在星座图上以角频率ωy转动：

[0050] sy(t)＝exp(iφy)exp(iωyt)

[0051] 其中，φy是训练序列的初始相位，t＝0，1，2...

[0052] 注意，X，Y偏振方向上的转动速度不相同，即ωx≠ωy。

[0053] 例如，对于QPSK信号，ωx，ωy分别取为 训练序列在星座图上的转动方向如图6所示。在X偏振方向上发送训练序列的星座图如图605所示，符号序列的相位依次为等，以此类推。在Y偏振方向上发送训练序列的星座图如图610所示，符号序列的相位依次为
等，以此类推。

[0054] X偏振方向发送上信号的频域表示：

[0055]

[0056] Y偏振方向上发送信号的频域表示：

[0057]

[0058] 将Sx(ω)，Sy(ω)的表达式带入信号传输方程：

[0059]

[0060] 得到：

[0061] Rx(ω)＝Hxx(ωx)exp(iφx)+Hxy(ωy)exp(iφy)

[0062] Ry(ω)＝Hyx(ωx)exp(iφx)+Hyy(ωy)exp(iφy)

[0063] 用恒定转动符号训练序列进行偏振解复用的频域算法：

[0064] 图7为频域算法的结构图，发送端发送恒定转动符号训练序列，到达蝶形滤波器的输入端为xp701、yp702。蝶形滤波器的输出为xout705、yout706。xp701、yp702进入信道传递函数估计器704，估计器704估算出信道传递函数并根据传递函数给蝶形滤波器703的权值赋初值。赋值后的蝶形滤波器703可以顺利地进行偏振解复用。图8为传递函数估计器704的流程图。离散傅里叶变换(DFT)模块803、804对输入信号xp801、yp802求频谱，频谱为Rx(ω)805和Ry(ω)806。频谱Rx(ω)805和Ry(ω)806分别输入到取峰值模块807、808。
峰值模块807、808对Rx(ω)和Ry(ω)在ω＝ωx和ω＝ωy附近寻找绝对值最大的点即峰值，总共应找到4个峰值，分别为：

[0065] 1.Rx(ω)在ω＝ωx附近的峰值大小为h1＝Hxx(ωx)exp(iφx)，峰值位置为ω＝ω1；

[0066] 2.Rx(ω)在ω＝ωy附近的峰值大小为h2＝Hxy(ωy)exp(iφy)，峰值位置为ω＝ω2；

[0067] 3.Ry(ω)在ω＝ωx附近的峰值大小为h3＝Hyx(ωx)exp(iφx)，峰值位置为ω＝ω3；

[0068] 4.Ry(ω)在ω＝ωy附近的峰值大小为h4＝Hyy(ωy)exp(iφy)，峰值位置为ω＝ω4。

[0069] 峰值大小812、813输入到用来估算信道传递函数矩阵814，峰值位置809、810可以估算出本地振荡器(LO)405与信号光载波的频差811。814模块从频谱峰值中估算信道传递函数矩阵。具体操作为：把频谱Rx(ω)和Ry(ω)中的峰值组成矩阵H′：

[0070]

[0071] H′可写为：

[0072]

[0073] 其中，

[0074] 假定信道传递函数的单位脉冲响应的长度是1。这样，其傅里叶变换Hxx(ω)，Hxy(ω)，Hyx(ω)，Hyy(ω)在所有ω上相等。所以可以估算出信道传递函数：

[0075]

[0076] 对H′求逆H′-1，并用H′-1给蝶形滤波器赋权值。信道和蝶形滤波器总的传递函数为：

[0077]

[0078] 注意到总的传递函数已经成功地进行了偏振解复用，只是给x，y偏振方向上的输入信号分别乘了一个相位因子exp(-iφx)，exp(-iφy)，这个相位因子可以在后续的相位恢复和解调模块509中去除。

[0079] 矩阵求逆模块816用H′的逆，并对蝶形滤波器的权值赋初值。

[0080] H′的逆为：

[0081]

[0082] 如果蝶形滤波器的权值向量hxx，hxy，hyx，hyy长度为1，则分别设初值为：

[0083]

[0084]

[0085] 如果，蝶形滤波器的权值向量hxx，hxy，hyx，hyy长度大于1，则将权值向量最终中间的权值设为上面的值，其余位置上的权值设为0。以上所述是用恒定转动符号训练序列进行偏振解复用的频域算法。

[0086] 根据接收信号的频谱Rx(ω)805和Ry(ω)中峰值出现的位置809、810，可以方便地估算出本地振荡器(LO)405与信号载波的频差811，其方法如下：

[0087] 设：r是接收信号角频率为ωr；L是本地激光器输出光信号，其基带表示为：

[0088]

[0089] 其中ωL为LO的角频率，ωr是信号角频率，包含了LO与接收信号的初始相位差和LO的相位噪声。

[0090] r和L输入到90°混频器，经过PD接收后的信号为：

[0091]

[0092]

[0093] 其中，Δω＝ωL-ωr是LO与信号的频率差。

[0094] 从以上分析可以看出，当LO与信号的载频有频率差时，接收信号会在星座图上以-Δω的角频率旋转。从频域上看，频差使得PD接收信号的频谱比接收信号r的频谱搬移-Δω。如果r是恒定转动符号训练序列，那么经过DFT后，其峰值将不出现在ωx或ωy上，而是偏移-ΔωTs，其中Ts是一个符号周期。Rx(ω)在ω＝ωx附近的峰值位置为ω＝ω1，应满足-ΔωTs＝ω1-ωx，可用如下公式来估算频差Δf：

[0095]

[0096] 其中Ts是符号周期。还可以联合运用ω1，ω2，ω3，ω4来提高频差估计的准确性。

[0097] 用恒定转动符号训练序列进行偏振解复用的时域算法：

[0098] 本算法属于最小均方误差(LMS)算法。算法结构图如图9所示，LMS算法模块904利用蝶形滤波器903的输入xp901、yp902和输出xout905、yout906更新蝶形滤波器903的权值。迭代多次后，蝶形滤波器903的权值hxx907，hxy908，hyx909，hyy910将收敛于信道传递函数矩阵的逆，从而顺利地解偏振复用。时域算法的基本思想是利用恒定转动符号训练序列的性质：在训练序列中，X偏振方向上发送的符号相位，后一个总比前一个增加ωx。Y偏振方向上发送的符号相位，后一个比前一个增加ωy。另外，符号应该处在星座图上的单位圆上。因此，LMS算法的误差信号为：

[0099]

[0100]

[0101] 其中，xout905是当前时刻蝶形滤波器x支路的输出信号，xout′是上一时刻输出信号， 是上一时刻输x支路的输出xout′的角度，即 εx为x支路的误差；yout906是当前时刻蝶形滤波器y支路的输出信号，yout′是上一时刻输出信号， 是上一时刻输y支路的输出yout′的角度，即 εy为y支路的误差。

[0102] 用以下公式更新蝶形滤波器903的权值hxx907，hxy908，hyx909，hyy910：

[0103]

[0104]

[0105]

[0106]

[0107] 其中，μ是LMS算法的步长，*是取复共轭操作。

[0108] 图10是更新hxx907的算法结构图，更新hxy908，hyx909，hyy910的算法与此类似。蝶形滤波器的输入xp1002和输出xout1001是更新算法的输入，ωx1007和μ1012是更新算法的参数。xout1001进入取角度器1003，所得角度经过延时器1006，再通过加法器1008与ωx1007相加，相加结果进入模块1009计算得到 xout1001进入反号器
1005，再经过加法器1010与 相加得到
xp1002进入共轭器1004，再进入乘法器1011与参数μ1012和εx1015相乘得到hxx的修正量μεxyp*1016。修正量1016与hxx1014相加1013，相加结果1017作为hxx的新值。hxx的新值输出1018更新蝶形滤波器权值。以上所述是用恒定转动符号训练序列进行偏振解复用的时域算法。

[0109] 主要技术优势

[0110] 本发明针对偏振分集复用相干光通信系统中偏振解复用的问题，设计了一种特殊的训练序列叫做运用恒定转动符号训练序列和相关算法包括频域算法和时域算法。运用这种方法相干接收器可以快速、自动、准确地进行偏振解复用。运用恒定转动符号训练序列的最重要优势是接收端不需要和发送的训练序列同步，亦即接收端不需要知道发送训练序列的初始相位。

[0111] 本发明提出了两种针对恒定转动符号训练序列的处理算法，分别是频域算法和时域算法。频域算法的优点是，可以根据接收信号的频谱直接估算蝶形滤波器的权值。如果，相干接收器在频域补偿色散，那么必然需要得到接收信号的频谱。频域算法可以直接运用这个频谱，而不需要增加额外的计算频谱的模块。

[0112] 时域算法的优点是使用最小均方误差(LMS)算法更新蝶形滤波器权值，这种算法复杂度低。