自相位調製噪聲計算裝置、消除裝置和光相干接收機的製作方法
2023-06-28 04:26:56
專利名稱：自相位調製噪聲計算裝置、消除裝置和光相干接收機的製作方法
技術領域：
本發明涉及光通信領域，特別涉及一種自相位調製噪聲計算裝置、消除裝置和光相干接收機。
背景技術：
光纖信道的非線性噪聲主要包括因本信道信號功率波動引起的自相位調製(SPM， klf-phase沒、Modulation)噪聲和因鄰近信道信號功率波動引起的交叉相位調製(XPM， Cross-Phase Modulation)噪聲。對於信號經過一段光纖傳輸後產生的自相位調製噪聲，它的數值可以根據在本段傳輸中的信號功率來計算。對於整個傳輸鏈路的自相位調製噪聲， 因為鏈路中的光纖色散，傳輸中的信號功率隨傳輸距離變化，要將整個鏈路分為多段來分逐段計算，而計算的精度取決於分段的粒度。分段的粒度越細，計算的精度就越高，但是計算的複雜度也越高。圖1是現有技術中典型的光纖傳輸系統結構示意圖。圖2是現有技術中自相位調製示意圖。如圖1所示，該系統包括S段級聯的光纖傳輸段(Fiber Span)，每一段主要包括一段光纖102，一個光放大器G 103以及一個色散補償光纖(DCF，Dispersion Compensation Fiber) 104和另一個光放大器G 105，其中，圖1所示的系統實際上有時並不要求色散補償光纖DCF 104和光放大器G 105的存在，並且各傳輸段的光纖配置也並不要求是一樣。信號在光纖102和色散補償光纖DCF 104中傳輸時會產生自相位調製噪聲，並且自相位調製噪聲和傳輸中信號所受到的色散相互作用。由於傳輸鏈路中的光纖色散，傳輸中的信號功率隨傳輸距離變化，因此，在計算自相位調製噪聲時要把一段光纖102和104沿著傳輸方向切分為很多小段，在每一小段之內忽略色散和自相位調製的相互作用。如圖2所示，將一段光纖102、104沿傳輸方向切為N 段，在每一段之內的信號波形的隨色散的變化可以直接根據色散係數等計算，如由色散計算單元202,204以及206，208計算；在每一小段的自相位調製是根據在該段入口
處的信號波形的功率直接乘以光纖的非線性係數(Ytfito或YNu。f)得到，然後轉換為複數形式，如由計算單元209、210、211、212計算；在每一小段獲得複數形式的自相位調製噪聲後送至如圖2中的乘法器201、203和205、207與該段入口處的信號波形相乘後由該段的色散補償單元傳輸至下一段。其中，計算單元209、210、211、212計算自相位調製噪聲採
用公式表示一>^1 )|2，其中^^為光纖的非線性係數，s(t)是某一時刻的信號波形，
s (t) I 2為對信號波形取模後平方後獲得的某一時刻的信號功率，i表示第i段，為正整數， i < N。採用上述方式計算自相位調製噪聲時，由於在各個分段中忽略了自相位調製和色散的相互作用，若要保證計算精度，則需要用精細的分段粒度，計算精度越高，計算越複雜。此外，還可通過利用各分段不同位置的波形(或其平均值)或者鄰近傳輸信道的信息來提高計算的精度。
圖3是現有技術中單偏振光相干接收機中自相位調製噪聲消除裝置示意圖，圖4 是現有技術中雙偏振光相干接收機中自相位調製噪聲消除裝置示意圖。所謂自相位調製噪聲的消除是應用數位訊號處理技術對接收到的信號進行模擬的反向傳輸從而得到信號功率在傳輸過程中的波動，再根據波動來計算自相位調製噪聲的數值，最後將自相位調製噪聲反乘到信號上以實現對自相位調製噪聲的消除。其中，該裝置的補償性能直接依賴於自相位調製的計算精度。如圖3所示，接收到的基帶電信號301經過N個級聯的電色散補償模塊⑶C_1 CDC_N ；其中，如對第一級的電色散補償後，由功率計算模塊304計算出當前時刻的信號功率(對當前時刻CDC_1輸出的波形信號s(t)取模後平方)；將該當前時刻的信號功率輸入
複數相位生成器305，複數相位生成器305將該信號功率與光纖的非線性係數;相乘後取
反，從而得到當前時刻的自相位調製噪聲的值的相反數，並將該自相位調製噪聲的值的相
反數轉化為複數形式(用公式表示為其中，複數相位生成器305的輸出
經由乘法器303與電色散模塊CDC_1的輸出的信號波形相乘就實現了對自相調製噪聲的消除。如圖4所示，雙偏振光相干接收機的自相位調製噪聲的計算及消除模塊的原理與單偏振的相似。不同之處在於對雙偏振接收機，因為信號是同時調製在兩個偏振態上，計
算自相位調製時要同時計算兩個偏振態的信號功率，再將其相加後乘以；。此外，也有一
些公知技術是將兩個偏振態上的信號功率乘以不同的;後再相加。但是發明人在實現本發明的過程中發現現有技術的缺陷在於目前在進行自相位調製時，某個時刻的自相位調製只與該時刻的信號波形有關，但是由於各時刻的信號波形在傳輸過程中隨色散累積而變化，因此當各個分段內的色散累積值變化很大時，這種自相位調製計算技術的精度會很差；所以，為了保證計算的精度，各個分段內的色散累積值的變化必須小到可以忽略該變化對自相位調製的影響，需要將整個傳輸鏈路在邏輯上切分為很多段來計算，分段越多，計算複雜度越高；對於自相位調製噪聲消除裝置，其工作性能直接取決於自相位調製的計算精度， 在現有技術中，模擬的傳輸段數M要等於實際信道中的光纖級聯段數S的N倍(即M = NXS)，一般認為為了獲得可接受的補償性能，N應該至少大於等於1，即數位訊號處理模擬的傳輸段數至少要大於等於傳輸信道中光纖級聯段數。通常情況下，實際傳輸信道中的光纖級聯段數為十幾到幾十段，如此高的算法複雜度對數位訊號處理的硬體實現提出了極高的要求。下面列出了對於理解本發明和常規技術有益的文獻，通過引用將它們併入本文中，如同在本文中完全闡明了一樣。1)非線性光纖光學原理及應用，美Govind P. Agrawal,電子工業出版社，2002年 12月第一版；2)US Patent Application Publication,Pub No. :US 2009/0214215 Al,Guifang Li ；3) 「112 Gb/s DP-QPSK Transmission Using a Novel Nonlinear Compensatorin Digital Coherent Receiver，，，Shoichiro Oda et. al. , paper 0ThR6, 0FC2009 ；4) "Systematic Analysis on Multi-Segment Dual-Polarisation Nonlinear Compensation in 112 Gb/s DP-QPSK Coherent Receiver，，，Takahito Tanimura et. al., paper 9. 4. 5，EC0C2009 ；5) 「Improved single channel backpropagation for intra-channel fiber nonlinearity compensation in long-haul optical communication systems",Liang B, Du et. al.，Optical Express, page 7347-7360，2010 年 7 月 28 日出版。
發明內容
本發明實施例的目的在於提供一種自相位調製噪聲計算裝置、消除裝置和光相干接收機，可利用信號波形在某一時刻的前後多個數字採樣周期的信號功率來計算某一時刻的自相位調製噪聲，在保證一定計算精度的情況下，較少分段粒度，降低計算複雜度。根據本發明實施例的一個方面提供了一種自相位調製噪聲計算裝置，該裝置包括信號接收單元，用於接收輸入信號；計算單元，與該信號接收單元連接，用於利用輸入信號波形在當前時刻、以及與該當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算該當前時刻的自相位調製噪聲。在本發明實施例中，當進行自相位調製時，可包括接收輸入信號；利用輸入信號波形在當前時刻、以及與該當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算該當前時刻的自相位調製噪聲。因此，通過將多個數字採樣周期的信號功率聯合起來計算，可以在保證一定精度的情況下，若採用上述方法計算輸入信號在光纖傳輸鏈路上的自相位調製噪聲時，使得分段的粒度較大，從而降低了自相位調製的計算複雜度。根據本發明實施例的另一個方面提供了一種自相位調製噪聲消除裝置，該裝置包括信號接收單元，用於接收基帶電信號；噪聲消除單元，用於對接收到的該基帶電信號逐級進行處理，以消除自適應調製噪聲；其中，在每一級處理中，利用當前一級電色散補償後的信號波形在當前時刻、以及與該當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算該當前時刻的自相位調製噪聲並獲得該自相位調製噪聲的相反數，並且將該自相位調製噪聲的相反數轉化為複數形式，將該自相位調製噪聲的值的相反數的複數形式與當前一級電色散補償後的信號波形相乘，以消除當前級的自相調製噪聲；信號發送單元，用於發送該噪聲計算單元處理後的信號。在本發明實施例中，當消除自適應調製噪聲時，可採用如下方式接收基帶電信號；對接收到的該基帶電信號逐級進行處理，以消除自適應調製噪聲；其中，在每一級處理中，利用當前一級電色散補償後的信號波形在當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算所述當前時刻的自相位調製噪聲並獲得所述自相位調製噪聲的相反數，並將所述自相位調製噪聲的相反數轉化為複數形式，將所述自相位調製噪聲的相反數的複數形式與當前一級電色散補償後的信號波形相乘，以消除當前級的自相調製噪聲；信號發送單元，用於發送所述噪聲消除單元處理後的信號。由上述可知，通過將多個數字採樣周期的信號功率聯合起來計算，可以在保證一定精度的情況下，降低了自相位噪聲消除裝置中電色散補償模塊的級聯數量，降低自相位噪聲消除裝置的硬體實現複雜度。根據本發明實施例的又一個方面提供了一種光相干接收機，該光相干接收機包括上述自相位調製噪聲消除裝置。本發明實施例的有益效果在於該自相位調製噪聲計算裝置在計算某個時刻的自相位調製時，不但考慮該時刻的信號功率同時還考慮該時刻前後的多個數字採樣周期的信號功率，這樣，在將該裝置應用於圖1所示的光纖傳輸系統時，通過將多個數字採樣周期的信號功率聯合起來計算，可以在保證一定精度的情況下，使得分段的粒度較大，從而降低了自相位調製的計算複雜度；在將上述裝置應用到自相位噪聲消除裝置中時，也降低了自相位噪聲消除裝置中電色散補償模塊的級聯數量，降低自相位噪聲消除裝置的硬體實現複雜度。參照後文的說明和附圖，詳細公開了本發明的特定實施方式，指明了本發明的原理可以被採用的方式。應該理解，本發明的實施方式在範圍上並不因而受到限制。在所附權利要求的精神和條款的範圍內，本發明的實施方式包括許多改變、修改和等同。針對一種實施方式描述和/或示出的特徵可以以相同或類似的方式在一個或更多個其它實施方式中使用，與其它實施方式中的特徵相組合，或替代其它實施方式中的特徵。應該強調，術語「包括/包含」在本文使用時指特徵、整件、步驟或組件的存在，但並不排除一個或更多個其它特徵、整件、步驟或組件的存在或附加。
圖1是現有技術中典型的光纖傳輸系統結構示意圖；圖2是現有技術中自相位調製示意圖；圖3是現有技術中單偏振光相干接收機中自相位調製噪聲消除裝置示意圖；圖4是現有技術中雙偏振光相干接收機中自相位調製噪聲消除裝置示意圖；圖5是本發明實施例1的自相位調製噪聲計算裝置的構成示意圖；圖6是本發明實施例1中計算單元502的構成示意圖；圖7是本發明實施例1的自相位調製噪聲計算裝置應用實例圖；圖8是本發明實施例1的權值獲取單元的構成示意圖；圖9是本發明實施例1中接收到單偏振信號時的計算權值的示意圖；圖10本發明實施例1中接收到雙偏振信號時的計算權值的示意圖；圖11至圖14是計算權值序列的示意圖；圖15是本發明實施例的調製方法流程圖；圖16是圖15中步驟1502實現方法流程圖；圖17是本發明實施例的光纖傳輸鏈路上計算自相位調製噪聲的方法流程圖；圖18是本發明實施例2的自相位調製噪聲消除裝置的構成示意圖19是單偏振信號時本發明實施例2中噪聲消除單元的構成示意圖；圖20是單偏振信號時本發明實施例2中噪聲消除單元1502的構成示意圖；圖21是本發明實施例3的單偏振光相干接收機的構成示意圖；圖22是本發明實施例4的雙偏振光相干接收機的構成示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的各種實施方式進行說明。這些實施方式只是示例性的， 不是對本發明的限制。為了使本領域的技術人員能夠容易地理解本發明的原理和實施方式，本發明的實施方式以光通信系統的光纖信道的自相位調製噪聲的計算為例進行說明。 但應該注意的是，本發明的實施方式適用於所有存在自相位調製噪聲的通信系統，而不局限於光通信系統。圖1是本發明實施例的自相位調製噪聲計算裝置的構成示意圖。如圖1所示，該裝置包括信號接收單元501和計算單元502 ；其中，信號接收單元501用於接收輸入信號；計算單元502，與信號接收單元501連接， 用於利用輸入信號波形在當前時刻、以及與該當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算當前時刻的自相位調製噪聲。此外，在本實施例中，該裝置還可包括發送單元(圖中未示出)，用於將計算單元 502計算出來的自相位調製噪聲進行發送。由上述實施例可知，當利用該裝置計算某個時刻的自相位調製噪聲時，不但考慮該時刻的信號功率同時還考慮該時刻前後的多個數字採樣周期的信號功率，這樣，在將該裝置應用於圖1所示的系統時，可以在保證一定精度的情況下，使得分段的粒度較大，從而降低了自相位調製的計算複雜度。此外，在將上述裝置應用到自相位噪聲消除裝置中時，也降低了自相位噪聲消除裝置中電色散補償模塊的級聯數量，降低自相位噪聲消除裝置的硬體實現複雜度。在本實施例中，計算單元502具體用於，利用輸入信號波形在當前時刻、以及與當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率的加權平均來計算當前時刻的自相位調製噪聲。圖6是本發明實施例1中計算單元502的構成示意圖。如圖6所示，噪聲計算單元502包括功率計算單元601、加權平均單元602和噪聲計算單元603 ；其中，功率計算單元601，用於計算接收到的輸入信號波形在當前時刻、以及與當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率；加權平均單元602，用於將功率計算單元601計算的當前時刻、以及與當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率進行加權平均；噪聲計算單元603，用於將加權平均單元602計算的加權平均後的信號功率與預定的係數相乘並轉化為複數形式，以獲得複數形式的當前時刻的自相位調製噪聲。在本實施例中，加權平均單元602採用如下公式計算
i=+kA = Σw^it _ix7%(1)噪聲計算單元603採用如下公式獲得當前時刻的自相位調製噪聲的複數形式
權利要求
1.一種自相位調製噪聲計算裝置，其特徵在於，所述裝置包括 信號接收單元，用於接收輸入信號；計算單元，與所述信號接收單元連接，用於利用輸入信號波形在當前時刻、以及與該當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算該當前時刻的自相位調製噪聲。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述計算單元包括功率計算單元，用於計算接收到的輸入信號波形在當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率；加權平均單元，用於將所述功率計算單元計算的所述當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率進行加權平均；噪聲計算單元，用於將所述加權平均單元計算的加權平均後的信號功率與預定的係數相乘並轉化為複數形式，以獲得複數形式的所述當前時刻的自相位調製噪聲。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述加權平均單元採用如下公式計算
4.根據權利要求2或3所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括權值獲取單元，所述權值獲取單元用於通過監測自相位調製噪聲與相鄰時刻信號的時域相關度來獲取所述權值&序列；或者，用於通過逐一假設所述權值Wi中的一個或幾個，經過若干次的逐一確定所述裝置應用的設備性能最優時對應的值的過程來獲取所述權值Wi序列；或者，用於假設所述權值K序列所滿足的函數，通過改變所述函數的係數，確定所述裝置應用的設備性能最優時對應的係數來獲取所述權值Wi序列；或者，用於假設所述權值K序列的形狀，按照假設的形狀獲取所述權值Wi序列。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，在所述權值獲取單元用於通過監測自相位調製噪聲與相鄰時刻信號的時域相關度來獲取所述權值Wi序列時，所述權值獲取單元包括第一接收單元，用於接收含有自相位調製噪聲的信號，所述含有自相位調製噪聲的信號為單偏振信號或雙偏振信號；第一判決單元，用於對所述第一接收單元接收到的信號進行數據判決，以獲取不含有自相位調製噪聲的信號；第一計算單元，用於利用所述第一接收單元接收的信號、第一判決單元進行數據判決後獲得的信號、以及在當前時刻的前i個時刻、前i+N個時刻的信號來計算所述權值序列； 其中，N是預定的大於或等於零、或者大於或等於1的整數。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，當所述第一接收單元接收到的信號為單偏振信號時，所述第一計算單元採用如下公式計算所述權值Wi序列
7.一種自相位調製噪聲消除裝置，其特徵在於，所述裝置包括信號接收單元，用於接收基帶電信號；噪聲消除單元，用於對接收到的所述基帶電信號逐級進行處理，以消除自適應調製噪聲；其中，在每一級處理中，利用當前一級電色散補償後的信號波形在當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算所述當前時刻的自相位調製噪聲並獲得所述自相位調製噪聲的相反數，並將所述自相位調製噪聲的相反數轉化為複數形式， 將所述自相位調製噪聲的相反數的複數形式與當前一級電色散補償後的信號波形相乘，以消除當前級的自相調製噪聲；信號發送單元，用於發送所述噪聲消除單元處理後的信號。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述噪聲消除單元包括多級聯信號處理單元，其中，每一級信號處理單元包括電色散補償單元，用於對接收到的信號進行電色散補償；功率計算單元，用於根據所述電色散補償單元電色散補償後的信號波形計算當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率；加權平均單元，用於對所述功率計算單元獲取的當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率進行加權平均；複數相位生成單元，用於對所述加權平均單元獲得的加權平均後的信號功率與預定的係數相乘並取反，以獲得自相位調製噪聲的相反數，對所述自相位調製噪聲的相反數進行複數轉換處理，以得到當前時刻的自相位調製噪聲的值的相反數的複數形式；乘法單元，用於對所述複數相位生成單元生成的自相位調製噪聲的值的相反數的複數形式與所述電色散補償單元補償後的信號波形相乘，以消除當前級的自相調製噪聲。
9.根據權利要求8所述的裝置，其特徵在於，所述加權平均單元採用如下公式計算
10. 一種光相干接收機，其特徵在於，所述光相干接收機包括權利要求7至9的任意一項權利要求所述的自相位調製噪聲消除裝置。
全文摘要
本發明提供一種自相位調製噪聲計算裝置、消除裝置和光相干接收機。該計算裝置包括信號接收單元，用於接收輸入信號；計算單元，與所述信號接收單元連接，用於利用輸入信號波形在當前時刻、以及與所述當前時刻相鄰的若干個採樣時刻的信號功率來計算所述當前時刻的自相位調製噪聲。本發明實施例通過利用信號波形在某一時刻的前後多個數字採樣周期的信號功率來計算某一時刻的自相位調製噪聲，在採用該裝置計算光纖傳輸鏈路每個分段上的自相位調製噪聲時，在保證一定計算精度的情況下，可減少分段粒度，降低計算複雜度。
文檔編號H04B10/08GK102386968SQ20101027081
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者星田剛司, 李磊, 陶振寧 申請人:富士通株式會社