基于Adam算法改进的相干光信号损伤的自适应补偿方法及系统

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202311209462.X 申请日 2023-09-19
公开(公告)号 CN117411552A 公开(公告)日 2024-01-16
申请人 北京航空航天大学; 申请人类型 学校
发明人 谢正洋; 马晨阳; 刘奕; 赵欣; 郑铮; 第一发明人 谢正洋
权利人 北京航空航天大学 权利人类型 学校
当前权利人 北京航空航天大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:北京市 城市 当前专利权人所在城市:北京市海淀区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:北京市海淀区学院路37号 邮编 当前专利权人邮编:100191
主IPC国际分类 H04B10/2507 所有IPC国际分类 H04B10/2507H04B10/588H04B10/61H04B10/50
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 北京慧泉知识产权代理有限公司 专利代理人 王顺荣; 唐爱华;
摘要 本 发明 提出一种基于Adam 算法 改进的相干光 信号 损伤的自适应补偿方法及系统,由发射机、接收机和 数字信号 处理系统组成;其中,发射机用于产生 光信号 ,且将光信号发送至光纤中;接收机用于接收光纤中传递的光信号,并将光信号转换成 电信号 ,将电信号传递至数字 信号处理 系统中进行数字信号处理;数字信号处理系统用于对信号进行处理。本发明利用Adam算法对DBP算法进行改进,利用EVM作为代价函数对Adam算法的 迭代 进行控制,使得在补偿过程中所需的迭代次数减少,降低了系统的复杂度;补偿效果更好,降低了发射机可用的发射功率。相较于传统方案,可以降低DSP芯片的功耗,提高运行效率、节省成本。
权利要求

1.一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:由发射机、接收机和数字信号处理系统组成;其中,发射机用于产生光信号,且将光信号发送至光纤中;接收机用于接收光纤中传递的光信号,并将光信号转换成电信号,将电信号传递至数字信号处理系统中进行数字信号处理;数字信号处理系统用于对信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
数字信号处理系统包括模数转换、IQ不平衡补偿模块、非线性和色散补偿模块、时钟恢复模块、自适应均衡模块、载波相位恢复模块、数字解调模块和非线性因子自适应调整模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:数字信号处理系统中,信号首先到达模数转换模块,从模拟信号获得了数字信号,然后到达IQ不平衡补偿模块,处理信号的正交问题,然后利用色散和非线性补偿模块对信号的损伤进行DBP补偿;对补偿后的信号在时钟恢复模块中提取时钟信号,随后进入载波相位模块,对信号进行相位噪声的消除;处理后的信号进入数字解调模块进行数字解调,解调完毕后进入非线性因子自适应调整模块,对EVM进行判定,符合要求则输出,不符合要求则进行非线性因子的计算。
4.根据权利要求3所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
在模数转换模块中,将相干接收机获得的电信号按照一定的采样频率进行采样,并将采样值转换为相应的数字编码,得到对应的数字信号。
5.根据权利要求3所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
在IQ不平衡补偿模块中,利用正交不平衡算法GSOP对信号进行处理。
6.根据权利要求3所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
在色散和非线性补偿模块中,通过DBP算法对信号在光纤传输过程中所受的损伤进行补偿,需已知光纤传输链路的色散因子、非线性因子。
7.根据权利要求3所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
在时钟恢复模块中,根据参考时钟,提取出信号中的时钟信号;在自适应均衡模块中,估计接收到的数字信号与本振光源的频率差,并补偿频率偏差
8.根据权利要求3所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
在载波相位恢复模块中,消除频偏和相移对信号施加的重大相位噪声;在数字解调模块中,将补偿后的数字信号解映射成比特序列。
9.根据权利要求3所述的一种基于Adam算法改进的相干光信号损伤系统,其特征在于:
在非线性因子自适应调整模块中,对解调信号进行EVM计算和判定,如果符合要求则输出信号,如果不符合要求则自适应对非线性因子进行迭代计算,并将计算出的信号输出到色散和非线性补偿模块中。
10.一种在非线性因子自适应调整模块中提出一种光纤非线性损伤补偿方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:首先设定非线性尺度因子k(i)的初始值,迭代索引在开始的时候设置为1;
步骤2:将被分成N段的信号进行补偿处理,先进行快速傅里叶变换,将时域信号转换成频域信号,然后补偿其1/2的色散损伤,再将其进行傅里叶逆变换转换成时域信号进行非线性损伤的补偿,最后再次进行傅里叶变换得到频域信号,补偿另外的1/2的色散损伤,完成一段信号的色散损伤和非线性损伤的补偿,对此过程重复N次,最后将频域信号转换为时域信号;
步骤3:计算补偿后信号的误差矢量幅度EVM,将其作为代价函数,并通过代价函数的梯度是否小于0来判断代价函数的数值是否最小;
步骤4:如果代价函数的梯度不为0,即代价函数值并非最小,执行步骤5;如果代价函数的梯度趋于0,即代价函数值最小,执行步骤6;
步骤5:基于Adam算法更新非线性尺度因子k(i+1),其更新式为:
其中k为非线性尺度因子,ε为一个设定的极小的值, 为mi的估修
正值, 为 的修正值,CF为代价函数EVM,mi+1和 分别是代价函数的一阶矩和二阶矩,利用Adam算法改进的梯度下降算法通过一阶矩和二阶矩的计算提高了算法的自适应和鲁棒性,更新非线性尺度因子k(i+1)后重复步骤1‑4;
步骤6:已迭代至代价函数值最小的补偿点,寻找到了最佳的非线性因子,循环结束,输出信号。

说明书全文

基于Adam算法改进的相干光信号损伤的自适应补偿方法及

系统

技术领域

[0001] 本发明提出基于Adam算法改进的相干光信号损伤的自适应补偿方法及系统,涉及光纤通信技术非线性损伤补偿研究领域。

背景技术

[0002] 光信号在光纤链路的传输过程中,会由于光纤的材料等原因而受到损伤,具体损伤主要可以分为以下三部分:衰减损耗损伤、色散损伤和非线性效应损伤。损耗损伤指的是光信号在光纤介质中,光纤本身材质对信号进行散射和吸收,导致光信号强度降低,造成了信号的损伤。色散损伤是信号在传输中因为模式、材料和波导影响而造成的色散,色散的具体表现为信号的脉冲展宽,会产生一定的码间串扰。非线性效应损伤则是由光纤中的非线性效应造成的,非线性效应指的是光纤对入射到光纤中的光场进行的响应,此响应是固定的,产生该响应的原因是因为电场对束缚电子的影响而使其进行非谐振运动,发生非线性效应时光纤折射率会与入射光强有一定的相关性。非线性效应不仅仅会造成信号的频谱展宽,还会在某些传输情况下产生出额外的频率分量,这对光传输系统的性能有很大的负面影响。
[0003] 而非线性效应对信号的影响和与传输距离,传输容量之间存在着关联。随着社会发展,对通信系统的要求不断提高,传输距离越来越长,传输容量越来越大。因此非线性效应对信号的损伤也越来越强。数字信号处理技术是目前解决相干光通信系统中通信容量瓶颈问题的主要方法,如今形成较为完备的的处理系统的有沃特拉级数、数字背向传输算法(Digital Backgroundpropagation,DBP)等。
[0004] DBP算法的补偿原理是模拟信号反向传输的过程,从接收端向发射端反向推算,通过数字处理技术对信号施加与传输时相反的损伤,对传输一定距离的信号进行分段处理,依次施加逆损伤,达到损伤补偿的目的。DBP算法运行的条件是已知光纤传输系统的损耗参数,对信号不断进行傅里叶变换(fast Fouriertransform,FFT)和傅里叶逆变换(inverse fast Fouriertransform,IFFT)对信号的损伤进行补偿。从DBP算法的运行条件可以得出DBP算法的局限性:首先是要已知所有的损耗参数,其中损耗损伤参数和色散损伤参数与光纤的种类有关,而非线性损伤参数则无法确定,因为非线性效应与信号的容量、传输距离等因素都有一定的关系。其次是DBP算法在补偿的过程中需要反复进行时频转换,而时频转换会消耗大量的算,影响算法的运行效率和补偿速度。因此一般通过改进DBP算法,提高其补偿效果和效率。经典的改进方法是引进其他算法,使DBP算法具有自适应能力,最早使用的是梯度下降算法,其中代价函数为相位噪声的方差,通过迭代过程中的梯度变化,寻找搜索最佳的γ。虽然梯度下降算法在一定程度上可以改善DBP算法的补偿效果,但是代价函数可能存在局部最小值、鞍点等影响迭代运算的情况,造成算法复杂度过高,补偿效果不好,因此需要进一步提高DBP算法的自适应能力,常用的有引进动量法改进DBP算法等。
[0005] 本方案根据上述要求提出了基于Adam算法改进的相干光传输系统信号损伤的自适应数字补偿方法及系统,利用Adam算法对DBP算法进行改进,Adam算法可以自适应改变学习率,从来加快算法的收敛速度,寻找到最优的补偿点,此外Adam算法具有较强的鲁棒性,可以降低外界参数变化对性能的影响。相较于传统的DBP算法补偿方案,利用Adam算法改进的方案可以减少复数乘法的数量,从而降低复杂度以及DSP芯片的功耗和成本。

发明内容

[0006] 本发明提出基于Adam算法改进的相干光传输系统信号损伤的自适应数字补偿方法及系统,系统结构如图1所示,由发射机、接收机和数字信号处理系统组成。其中,[0007] 发射机:用于产生光信号,且将光信号发送至光纤中。
[0008] 接收机:用于接收光纤中传递的光信号,并将光信号转换成电信号,将电信号传递至数字信号处理系统中进行数字信号处理。
[0009] 数字信号处理系统:用于对信号进行处理,包括模数转换、IQ不平衡补偿模块、非线性和色散补偿模块、时钟恢复模块、自适应均衡模块、载波相位恢复模块、数字解调模块和非线性因子自适应调整模块。数字信号处理系统中,信号首先到达模数转换模块,从模拟信号获得了数字信号,然后到达IQ不平衡补偿模块,处理信号的正交问题,然后利用色散和非线性补偿模块对信号的损伤进行DBP补偿。对补偿后的信号在时钟恢复模块中提取时钟信号,随后进入载波相位模块,对信号进行相位噪声的消除。处理后的信号进入数字解调模块进行数字解调,解调完毕后进入非线性因子自适应调整模块,对EVM进行判定,符合要求则输出,不符合要求则进行非线性因子的计算。其中,各模块的功能如下:
[0010] 模数转换模块:将相干接收机获得的电信号按照一定的采样频率进行采样,并将采样值转换为相应的数字编码,得到对应的数字信号。
[0011] IQ不平衡补偿模块:利用正交不平衡算法(Generalized  Subspace Orthogonalization and Projection,GSOP)对信号进行处理。
[0012] 色散和非线性补偿模块:通过DBP算法对信号在光纤传输过程中所受的损伤进行补偿,需已知光纤传输链路的色散因子、非线性因子等。
[0013] 时钟恢复模块:根据参考时钟,提取出信号中的时钟信号。
[0014] 自适应均衡模块:估计接收到的数字信号与本振光源的频率差,并补偿频率偏差
[0015] 载波相位恢复模块:消除频偏和相移对信号施加的重大相位噪声。
[0016] 数字解调模块:将补偿后的数字信号解映射成比特序列。
[0017] 非线性因子自适应调整模块:对解调信号进行EVM计算和判定,如果符合要求则输出信号,如果不符合要求则自适应对非线性因子进行迭代计算,并将计算出的信号输出到色散和非线性补偿模块中。
[0018] 本发明在非线性因子自适应调整模块中提出一种光纤非线性损伤补偿方法,其流程图如图3所示,包括如下步骤:
[0019] 步骤1:首先设定非线性尺度因子k(i)的初始值,迭代索引在开始的时候设置为1。
[0020] 步骤2:将被分成N段的信号进行补偿处理,先进行快速傅里叶变换,将时域信号转换成频域信号,然后补偿其1/2的色散损伤(线性损伤),再将其进行傅里叶逆变换转换成时域信号进行非线性损伤的补偿,最后再次进行傅里叶变换得到频域信号,补偿另外的1/2的色散损伤(线性损伤),完成一段信号的色散损伤和非线性损伤的补偿,对此过程重复N次,最后将频域信号转换为时域信号。
[0021] 步骤3:计算补偿后信号的误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM),将其作为代价函数,并通过代价函数的梯度是否小于0来判断代价函数的数值是否最小。
[0022] 步骤4:如果代价函数的梯度不为0,即代价函数值并非最小,执行步骤5;如果代价函数的梯度趋于0,即代价函数值最小,执行步骤6。
[0023] 步骤5:基于Adam算法更新非线性尺度因子k(i+1),其更新式为:k(i+1)=k(i)‑[0024]
[0025] 修正值, 为 的修正值,CF为代价函数EVM,mi+1和 分别是代价函数的一阶矩和二阶矩,利用Adam算法改进的梯度下降算法通过一阶矩和二阶矩的计算提高了算法的自适应和鲁棒性,更新非线性尺度因子k(i+1)后重复步骤1‑4。
[0026] 步骤6:已迭代至代价函数值最小的补偿点,寻找到了最佳的非线性因子,循环结束,输出信号。
[0027] 本发明优点及有益效果在于:
[0028] 本发明面向的是相干光传输系统中非线性损伤较大、现有方案补偿不稳定的场景。利用Adam算法对DBP算法进行改进,利用EVM作为代价函数对Adam算法的迭代进行控制,使得在补偿过程中所需的迭代次数减少,降低了系统的复杂度;补偿效果更好,降低了发射机可用的发射功率。相较于传统方案,本发明在相同条件下具有更好的补偿效果、更低的复杂度,在实际应用中,可以降低DSP芯片的功耗,提高运行效率、节省成本。附图说明
[0029] 图1为自适应系统框图
[0030] 图2为光纤非线性损伤补偿方法流程图。
[0031] 图3a为使用本算法和非自适应算法对光纤信号进行处理的性能展示图。
[0032] 图3b为使用本算法和其他自适应算法对光纤信号进行处理的性能展示图。

具体实施方式

[0033] 下面将结合附图,对本发明在相干光传输系统对受到损伤的光信号的补偿处理方法及处理效果展示。
[0034] 本发明提出的基于Adam算法改进的相干光传输系统信号损伤的自适应数字补偿方法及系统,具体实施例的工作流程如下:
[0035] 1.利用光纤传输中心波长为1550nm,传输速率为60Gbit/s的光信号,经过光纤传输后携带调制信号的光信号在相干接收机中被光电探测器转化为电信号,对电信号进行采样处理进行模数转换,得到携带调制信号的数字信号,数字信号在后续数字信号处理模块中被处理。
[0036] 2.由于接收器性能有问题,接收的IQ两路信号存在非正交或强度不一致的问题,使用Gram‑Schmidt正交化过程算法,利用偏振控制器和本地激光振荡器选定其中一路信号作为参考信号,另一路信号则根据参考信号映射到与其相正交的信号,得使其功率归一化,补偿IQ两路不平衡的问题,得到正交信号。
[0037] 3.得到的正交信号进行非线性和色散补偿处理,信号被分为了n段,每段进行单独处理。首先对第一段信号E(t)进行傅里叶变换,得到频域信号FE(f),对频域信号进行1/2的色散补偿,得到信号 为色散补偿因子,由光纤的性质给出,l为每段光纤的长度),之后进行傅里叶逆变换得到对应的时域信号E(t‑t0)(t0为与D有关的代数),对得到的2 iγl
信号利用已知的非线性因子值进行非线性补偿,得到E(t‑t0)γLeff|E (t‑t0)|e (γ为非线性因子,Leff为光纤有效长度),再次进行傅里叶变换,得到补偿完非线性损伤后的信号,对变换后的信号进行剩余的1/2色散补偿(方法同上),对此过程重复n次,最后进行傅里叶逆变换,得到补偿后的信号。
[0038] 4.利用相环(Phase Locked Loop,PLL)进行时钟恢复。从接收到的数字信号中跟踪时钟信号,捕获时钟的相位,锁相环用于调节时钟频率的抖动,提高时钟恢复的精准度。
[0039] 5.通过恒模盲均衡算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)算法对滤波器抽头系数进行自适应调整。其中误差函数 R为依赖于信源序列高阶*
统计量的一个实常数, 为输出序列,抽头系数更新为W(n+1)=W(n)‑μe(n)x (n),对信号进行偏振解复用,补偿信号中残余的偏振色散.。
[0040] 6.使用Viterbi‑Viterbi算法(VVPE)估算信号的相位噪声对信号进行载波恢复。在VVPE算法中,对接收信号进行四次方运算, 根据
信号长度对四次方信号进行运算,如果信号长度不大于N,则进行均值滤波,并对其求,所求角除以4即为近似估计的相位噪声,去除相位噪声后及得到相对稳定的信号。
[0041] 7.根据信号的调制方式进行对应的数字解调得到比特序列,并对信号进行误码率(Bit Error Rate,BER)计算,评估信号的质量
[0042] 8.相对稳定的信号进行星座图映射,并与参考信号进行EVM计算。EVM表示了所得信号与参考信号的误差程度。EVM越大,表示信号质量越差,对于QPSK信号来说,工业规定EVM不超过17.5%。根据EVM值判断是否进行Adam算法更新非线性因子。如果EVM较高或不满足系统的设定需求,则通过Adam算法继续迭代寻找,将计算出的新的非线性因子保存下来,进入步骤3,若EVM满足要求,则输出信号。
[0043] 根据本发明的特性,设计了仿真实验用于检验本设计在相干光传输系统中的补偿性能,最终结果如图3所示。本次测试的实验参数如下,光纤长度为1200km(100km*12),光纤的工作模式为单模,色散系数为16.75ps/nm/km,损耗衰减系数为0.2dB/km,非线性系数为1.31/W/km。
[0044] 由图3(a)可得,利用本发明改进的Adam‑DBP算法相较于普通的DBP算法优化后的信号的EVM值更低,信号的质量更高平均约低3%左右。同时由图3(b)可知,同样经过改进的基于动量法改进的DBP算法的性能也低于本发明的性能,在不同的发射功率下,本发明Adam‑DBP算法都具有更好的补偿效果。
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