非线性加权系数的计算装置以及方法
【专利摘要】本发明实施例提供一种非线性加权系数的计算装置以及方法，所述非线性加权系数的计算装置包括：近似处理单元，利用有理函数对信道内非线性失真估计中的链路损耗/增益函数进行近似处理；系数计算单元，通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对非线性失真估计中的非线性加权系数进行计算，以获得所述非线性加权系数的解析闭解。通过本发明实施例，可以获得高精度的加权系数，从而在有损情况下对非线性失真进行高精度估计。
【专利说明】非线性加权系数的计算装置以及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及长距离光纤通信系统，特别涉及一种非线性加权系数的计算装置以及 方法。
【背景技术】
[0002] 多媒体等宽带业务需求的增长推动光纤通信系统向单信道传输100Gbit/S以上 方向发展。当单信道速率达到40Gbit/ S以上时，信道内非线性效应会显著作用于传输信 号，从而对通信质量产生影响。
[0003] 信道内非线性效应的物理机制源于电磁波与光纤媒质相互作用的非线性克尔效 应。在高速长距离光纤传输系统中，由于光脉冲信号符号周期很短（〈l〇〇ps)同时发送功率 较高（30dBln)，使色散长度L D与非线性长度远小于系统传输距离，因此光脉冲信号受到 信道内非线性效应与光纤色散效应的联合作用，导致相邻脉冲之间产生能量交换，造成显 著的信号波形失真。在这种情况下，即使在接收端对链路中的残余色散进行补偿，脉冲信号 仍然会产生非线性畸变，传输系统也依然会受到显著的非线性损伤。
[0004] 考虑光纤中信道内非线性和色散的联合作用，时域脉冲序列主要受到由信道内交 叉相位调制（IXPM)与信道内四波混频（IFWM)效应导致的波形失真。这些失真可定性描述 为：定时抖动、脉冲幅度波动以及影子脉冲的产生。其中定时抖动与脉冲幅度波动源于由 IXPM效应导致的非对称啁啾；影子脉冲则来源于IFWM效应导致的脉冲能量交换。如何定 量计算以上脉冲失真现象对长距离光纤系统的影响以及评价传输系统性能一直是光纤通 信系统研究的重要课题。
[0005] 基于慢变包络近似和恒定偏振态假设，光纤内脉冲演化的传输方程可由非线性薛 定谔方程来描述(随机偏振下用Manakov方程描述)。但由于非线性薛定谔方程在考虑非线 性和色散效应共同作用下没有解析解，故针对信道内非线性的定量研究以及相关的理论模 型都是针对非线性薛定谔方程的近似解法发展和建立的。目前求解非线性薛定谔方程的方 法分为数值解法和近似解析法两类，其中数值解法主要包括分布傅里叶法和时域有限差分 法；近似解析法主要包括反散射法和Volterra展开方法。
[0006] 随着数字信号处理（DSP)技术在长距离光纤通信系统中的广泛应用，在数字域进 行对系统非线性失真的估计或补偿成为对抗光纤链路非线性的有效方法。分布傅里叶算法 作为非线性薛定谔方程的标准数值解法，可以作为估计和消除非线性畸变的候选方法。
[0007] Kahn等人考察了计算步长等于光纤跨段长度时的非线性补偿性能。F. Yaman等人 将该方法应用于偏振复用系统之中，当步长为光纤跨段的1/3以下时，补偿的性能达到最 优。分布傅里叶数值解法的缺点在于复杂度过大，即便步长等于光纤跨段的长度时，该方法 的计算次数仍然对目前的DSP技术是一个巨大的挑战。
[0008] 由于近似解析方法有望显著减小非线性分析的计算复杂度，因而受到了学术界的 广泛关注并且在近些年得到了迅速的发展。利用反散射法求解薛定谔方程可用于导出非 线性传输系统的孤子解，从而用于孤子通信系统的分析。Volterra级数展开方法作为求解 非线性薛定谔方程的另外一种方法，使传统通信系统的分析框架可以被借用到光纤通信系 统，并且对不同的脉冲形状和链路类型具有较好的通用性。Paolo Serena基于Volterra 展开方法发展得到了常规微扰法（RP)并赋予各阶微扰较明确的物理意义，从而使微扰求解 薛定谔的方法得到了迅速的发展，衍生出了多种理论框架用于在时域或频域定量非线性失 真。
[0009] 但是，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术的缺陷在于：加权系数在非线 性失真估计中占有重要位置，但是目前没有对如何获得高精度的加权系数进行研究，不能 在有损情况下对非线性失真进行高精度估计。
[0010] 下面列出了对于理解本发明和常规技术有益的文献，通过引用将它们并入本文 中，如同在本文中完全阐明了一样。
[0011] [非专利文献 1] :A.Mecozzi et. al.，IEEE PTL Vol. 12, No. 4, ρρ· 392-394, 2000
[0012] [非专利文献 2] :G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 2nd ed. New York:Academic, 1995
[0013] [非专利文献 3] :Κ· V. Peddanarappagari et. al.，IEEE JLT Vol. 15, pp. 2232-2241, 1997
[0014] [非专利文献 4] :IEEE JLT Vol. 16, pp. 2046-1055, 1998
[0015] [非专利文献5] :E. Ip and J. Kahn, IEEE JLT Vol. 26, No. 20, pp. 3416-3425, 2008
[0016] [非专利文献 6] :F. Yaman et. al·，IEEE Photonics Journal Vol. 1，No. 2, pp. 144-152, 2009
[0017] [非 专 利 文献 7]:A.Vannucci et. al. , IEEE JLT Vol. 20, No. 7, pp. 1102-1111, 2002
[0018] [非专利文献 8] :S. Kumar et. al· , Optics Express, Vol. 20, No. 25, pp. 27740-27 754,2012
[0019] [非专利文献 9] :E. Ciaramella et. al·，IEEE PTL Vol. 17, No. 1，pp. 91-93, 2005
[0020] [非 专 利 文献 10] ： A . C a r e n a et. al. , IEEE JLT Vol. 30, No. 10, pp. 1524-1539, 2012
[0021] [非专利文献 11] :X. Chen et. al·，Optics Express, Vol. 18, No. 18, pp. 19039-19 054, 2010
[0022] [非专利文献 12] :X. Wei, Optics Letters, Vol. 31，No. 17, pp. 2544-2546, 2006
【发明内容】
[0023] 本发明实施例提供一种非线性加权系数的计算装置以及方法，目的在于获得高精 度的加权系数，从而在有损情况下对非线性失真进行高精度估计。
[0024] 根据本发明实施例的一个方面，提供一种非线性加权系数的计算装置，所述非线 性加权系数的计算装置包括：
[0025] 近似处理单元，利用有理函数对信道内非线性失真估计中的链路损耗/增益函数 进行近似处理；
[0026] 系数计算单元，通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对非线性 失真估计中的非线性加权系数进行计算。
[0027] 根据本发明实施例的另一个方面，提供一种非线性加权系数的计算方法，所述非 线性加权系数的计算方法包括：
[0028] 利用有理函数对非线性失真估计中的链路损耗/增益函数进行近似处理；
[0029] 通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对非线性失真估计中的 非线性加权系数进行处理。
[0030] 根据本发明实施例的另一个方面，提供一种非线性失真的预补偿装置，其中，所述 预补偿装置包括：
[0031] 如前所述的非线性加权系数的计算装置；以及
[0032] 微扰项计算单元，利用由所述非线性加权系数的计算装置获得的非线性加权系数 计算叠加在发送信号上的矢量微扰项；
[0033] 预补偿单元，利用所述矢量微扰项预补偿所述发送信号，以获得输入到发射机的 预失真号。
[0034] 根据本发明实施例的另一个方面，提供一种非线性失真的后补偿装置，其中，所述 后补偿装置包括：
[0035] 如前所述的非线性加权系数的计算装置；以及
[0036] 微扰项计算单元，利用由所述非线性加权系数的计算装置获得的非线性加权系数 计算叠加在发送信号上的矢量微扰项；
[0037] 补偿单元，利用所述矢量微扰项对接收到的信号进行补偿。
[0038] 本发明实施例的有益效果在于：利用有理函数对链路损耗/增益函数进行近似， 从而使非线性加权系数具有解析闭解的表达形式；可以获得高精度的加权系数，从而在有 损情况下对非线性失真进行高精度估计。
[0039] 参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原 理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附 权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
[0040] 针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更 多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特 征。
[0041] 应该强调，术语"包括/包含"在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但 并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
【专利附图】
【附图说明】
[0042] 图1为典型的光通信系统示意图；
[0043] 图2是无色散补偿情况下的功率加权色散分布函数的一示意图；
[0044] 图3是95%色散补偿情况下的功率加权色散分布函数的一示意图；
[0045] 图4是本发明实施例1的非线性加权系数的计算装置的一构成示意图；
[0046] 图5是本发明实施例1的非线性加权系数的计算装置的另一构成示意图；
[0047] 图6是本发明实施例1的非线性加权系数的计算装置的另一构成示意图；
[0048] 图7是本发明实施例1的近似衰减函数的一示意图；
[0049] 图8是本发明实施例2的非线性加权系数的计算方法的一流程示意图；
[0050] 图9是本发明实施例2的非线性加权系数的计算方法的另一流程示意图；
[0051] 图10是本发明实施例2的非线性加权系数的计算方法的另一流程示意图；
[0052] 图11是本发明实施例3的非线性失真的预补偿装置的一构成示意图；
[0053] 图12是本发明实施例3的非线性失真的预补偿方法的一流程示意图；
[0054] 图13是本发明实施例4的非线性失真的后补偿装置的一构成示意图；
[0055] 图14是本发明实施例4的非线性失真的后补偿方法的一流程示意图。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合附图对本发明的各种实施方式进行说明。这些实施方式只是示例性的， 不是对本发明的限制。为了使本领域的技术人员能够容易地理解本发明的原理和实施方 式，本发明的实施方式以偏振复用型光纤传输系统为例进行说明。但应该注意的是，本发明 不限于此，本发明的实施方式可以适用于所有长距离光纤通信系统中。
[0057] 对于典型的长距离光纤传输系统，非线性作用主要可以由三阶以下的Volterra 级数(一阶微扰)充分地予以描述，故目前流行的非线性分析均接受低阶Volterra级数展开 的分析框架，即准线性近似。在准线性近似下，非线性微扰理论向以下分支发展：
[0058] 例如常规微扰法：基于准线性近似的常规微扰法用一阶微扰项近似非线性失真。 一阶微扰描述经过色散作用的脉冲在传播路径上各点所受非线性失真的矢量和，解析表达 为以发送脉冲三项乘积为被积函数的三重积分。理论分析表明，一阶微扰的数值积分与分 布傅里叶方法具有相近的计算复杂度，因此，在不进行积分解析计算的情况下，一阶微扰方 法也不适用于非线性估计的DSP实现。为了进一步减小常规微扰法的计算复杂度，需要对 三重积分进行进一步解析运算。目前，对此三重积分的计算仅见两种方法被报道：
[0059] (1)无损大色散链路的闭解：此方法假设光纤传输链路无损耗且积累色散足够大， 同时保证发送波形为高斯脉冲的情况下，一阶微扰的三重积分严格可积，可表达为特殊函 数的闭解形式，从而使三重积分的计算无需数值积分，直接通过函数查表法即可实现。此方 法虽可大幅降低计算复杂度，但由于存在无损和大色散约束，计算精度有限并且无法应用 于色散管理链路；同时高斯脉冲的假设进一步限制了此方法的应用范围。
[0060] (2)有损大色散链路的一重积分：此方法在色散足够大的假设下，利用静态相位 (Stationary Phase)近似可计算对时间的二重积分，使原三重积分化简为一重积分。此 方法不对链路损耗和脉冲波形进行约束，但得到的一重积分通常无法进一步表达为闭解形 式，从而仍需要利用数值积分计算非线性失真。
[0061] 或者，例如增强的常规微扰法（ERP)与乘性微扰模型：由于常规微扰法只考虑一 阶微扰，故其通常只适用于发射功率很小的情况。为了进一步增加在较大功率水平下的非 线性失真估计精度，基于外推的高阶微扰理论得到了相应的发展。增强的常规微扰法是常 规微扰法的高阶修正，通过在常规一阶微扰中直观引入相移因子，可以显著改善微扰法在 较大功率下的精确度。乘性微扰模型[9]是另一种考虑高阶微扰的近似解法，基本思想是 把加性微扰修正为乘性微扰，从而近似得到常规微扰法的高阶微扰项，增加在较大功率下 的精确度。
[0062] 或者，例如功率谱密度（PSD)分析：由于计算非线性失真波形的复杂度较高，而评 价传输系统性能通常只需要了解非线性噪声的统计特性，故目前针对准线性传输系统比较 通用的分析方法是把非线性失真视为噪声，针对噪声的功率谱密度进行分析。这种分析方 法的优点在于可以简化二重积分的计算并且适用于对色散管理链路的分析，但通常假设发 送信号频谱之间没有相关性并且满足高斯假设，这种约束成为降低谱密度分析精确度的主 要因素。
[0063] 图1为典型的光通信系统示意图，其中，发射机发射的信号经过传输链路中不同 的器件(光纤、光放大器、色散补偿光纤等）到达接收机。在图1所示的系统中，为了在发射 端对输入的脉冲信号进行补偿，可以在实现本发明的过程中首先建立信道内非线性模型， 以下对信道内非线性的基本模型进行简要说明。偏振复用型光纤传输系统在慢包络、随机 偏振旋转的假设下，可以抽象为Manakov方程：
[0064]
[0065]
【权利要求】
1. 一种非线性加权系数的计算装置，所述非线性加权系数的计算装置包括： 近似处理单元，利用有理函数对信道内非线性失真估计中的链路损耗/增益函数进行 近似处理； 系数计算单元，通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对非线性失真 估计中的非线性加权系数进行计算。
2. 根据权利要求1所述的非线性加权系数的计算装置，其中，所述非线性加权系数的 计算装置还包括： 系数处理单元，利用色散分布函数对非线性失真估计中的非线性加权系数进行积分处 理； 并且，所述系数计算单元通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对积 分处理后的非线性加权系数进行计算。
3. 根据权利要求1或2所述的非线性加权系数的计算装置，其中，所述非线性加权系数 的计算装置还包括： 光纤划分单元，将整个传输链路的光纤划分为多个光纤跨段； 系数求和单元，对分别获得的不同光纤跨段的非线性加权系数进行求和，以得到整个 传输链路的非线性加权系数的解析闭解。
4. 根据权利要求1或2所述的非线性加权系数的计算装置，其中，所述近似处理单元还 用于使用高斯脉冲函数、或者非归零脉冲函数、或者归零脉冲函数、或者内奎斯特脉冲函数 来近似信道内非线性失真估计中的脉冲形状。
5. 根据权利要求3所述的非线性加权系数的计算装置，其中，所述近似处理单元采用 如下公式对链路损耗/增益函数进行近似处理，
其中，G(Zi)为所述链路损耗/增益函数,Ν为衰减控制因子，α为光纤的衰减系数，Zi 为在第i段光纤内的传输距离。
6. -种非线性加权系数的计算方法，所述非线性加权系数的计算方法包括： 利用有理函数对非线性失真估计中的链路损耗/增益函数进行近似处理； 通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对非线性失真估计中的非线 性加权系数进行计算。
7. 根据权利要求6所述的非线性加权系数的计算方法，其中，所述非线性加权系数的 计算方法还包括： 利用色散分布函数对非线性失真估计中的非线性加权系数进行积分处理； 并且，通过近似后的所述链路损耗/增益函数以及大色散近似对积分处理后的非线性 加权系数进行计算。
8. 根据权利要求6或7所述的非线性加权系数的计算方法，其中，所述非线性加权系数 的计算方法还包括： 将整个传输链路的光纤划分为多个光纤跨段； 对分别获得的多个不同光纤跨段的非线性加权系数进行求和，以得到整个传输链路的 非线性加权系数的解析闭解。
9. 一种非线性失真的预补偿装置，其中，所述预补偿装置包括： 根据权利要求1至5任一项所述的非线性加权系数的计算装置；以及 微扰项计算单元，利用由所述非线性加权系数的计算装置获得的非线性加权系数计算 叠加在发送信号上的矢量微扰项； 预补偿单元，利用所述矢量微扰项预补偿所述发送信号，以获得输入到发射机的预失 真信号。
10. -种非线性失真的后补偿装置，其中，所述后补偿装置包括： 根据权利要求1至5任一项所述的非线性加权系数的计算装置；以及 微扰项计算单元，利用由所述非线性加权系数的计算装置获得的非线性加权系数计算 叠加在发送信号上的矢量微扰项； 补偿单元，利用所述矢量微扰项对接收到的信号进行补偿。
【文档编号】H04B10/2513GK104104445SQ201310122443
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2013年4月10日 优先权日:2013年4月10日
【发明者】赵颖, 窦亮, 陶振宁 申请人:富士通株式会社