滤波器的构建方法和装置、及非线性噪声抑制方法和系统与流程

本发明涉及通信技术领域的光传输技术领域，尤其涉及基于载波相关适配的信道补偿滤波器的构建方法、及信道间非线性噪声抑制方法和系统。

背景技术：

近年来，高清、3D、超高清等视频技术迅速发展，大数据、云计算、云存储等业务需求爆炸式增长，对光纤系统传输距离和容量提出了更高的要求，因此超高速长距离光纤传输成为国内研究热点之一，人们一直向着速度更快、距离更长的目标迈进。

传输容量和传输距离的每一次突破，总是源于新技术的采用和关键问题的克服，但是也由此引入了新的问题，限制光纤传输系统的进一步发展。从早期的模间色散和损耗限制，到后来的群速度色散限制，到如今的光纤非线性和色散综合限制，随着传输速率的提高和传输距离的增长，光纤传输系统面临的问题也在不断发生变化。

在大容量长距离光纤传输系统中，多跨段级联，多信道并存，光纤相互作用长度加大，使ASE噪声、色散和非线性效应的累积更加严重，限制了大容量长距离光传输系统的性能。近几年，国内外已有诸多研究人员对大容量长距离光传输系统中的色散和非线性效应及其补偿方法进行了研究，主要集中在分析各非线性效应在光纤传输系统中的影响、相互之间的影响以及非线性损伤的补偿方法。

目前的非线性损伤补偿方法主要包括两类：光域补偿和电域补偿。随着大规模集成电路的发展，使得利用DSP技术对系统的色散和非线性补偿成为可能，不仅灵活性较强，且成本较低，使得商业实用成为可能。在电域补偿中，最为常用的是反向传输算法，通过模拟光信号的反向数字传输链路，来达到消除光信号在传输过程中所受到的色散及非线性影响的目的。DBP算法需要首先对信道中的非线性噪声进行估计和预测，目前常用的方法有时域高斯噪声模型(GN model)和频域对数微扰模型(FRLP model) 等。但是由于DBP算法的复杂度，补偿效果不佳。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基于载波相关适配的信道补偿滤波器的构建方法和装置、及信道间非线性噪声抑制方法和系统，实现对非线性噪声进行动态补偿，从而有效降低信道的误码率，提高系统性能。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例公开了滤波器的构建方法，包括如下步骤：

S1)发射端发送检验序列，数据信号经过MZ调制器调制后经过复用进入光纤信道，在经过M跨段传输后经过解复用和相干接收，获得相干探测数据信号；

S2)利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路，对相干探测数据信号进行色散补偿和非线性补偿，在每一跨段补偿之前加光衰减器对光信号进行衰减；

S3)重复上述步骤S1)和S2)，获得不同干涉信道对目标信道的影响系数，包括自相位调制对信号的影响系数、交叉相位调制导致的噪声影响系数；

S4)利用不同干涉信道对目标信道的影响系数，获得不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差；

S5)利用不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差，获得不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数；

S6)利用不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数，获得不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小；

S7)利用不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小，获得与信道间隔和干涉信道发射序列相关的基于载波相关适配的信道补偿滤波器。

进一步，步骤S4)中，所述基于载波相关适配的信道补偿滤波器表示为：

其中，为不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声，ω_k-ω_s为信道间隔，{b₀}为干涉信道发射序列，L为传输距离，γ为非线性系数，β₂为二阶色散参数。

进一步，所述步骤S11)中，光纤信道采用固定步长的对称分步傅立叶算法进行建模，步长为h，在步长h内，线性算子和非线性算子相互独立，每一个跨段进行N次补偿，共传输M跨段，在每一跨段后接光放大器对光信号进行放大。

进一步，所述步骤S2)中，所述非线性补偿在每一跨段中间位置进行，用于补偿的滤波器为：

进一步，所述步骤S2)中，所述色散补偿采用频域滤波器，用于补偿的滤波器表示为：

其中，λ-载波波长，ω-载波频率，S-色散斜率，c-光速。

进一步，所述非线性补偿中，每一信道的光信号采用XPM模块计算其它信道的交叉相位调制对该信道的影响，其中第q个信道的XPM模块的计算公式为：

其中，E_out–输出光场。

第二方面，本发明实施例公开了滤波器的构建装置，包括：

相干探测信号获取模块，用于发射端发送检验序列，数据信号经过MZ调制器调制后经过复用进入光纤信道，在经过M跨段传输后经过解复用和相干接收，获得相干探测数据信号；

相干探测信号补偿模块，用于利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路，对相干探测数据信号进行色散补偿和非线性补偿，在每一跨段补偿之前加光衰减器对光信号进行衰减；

DSP处理模块，用于通过所述相干探测信号获取模块和相干探测信号补偿模块的多次处理，得到不同干涉信道对目标信道的影响系数，包括自相位调制对信号的影响系数、交叉相位调制导致的噪声影响系数；

XPM相位噪声获取模块，用于利用不同干涉信道对目标信道的影响系数，获得不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差；

XPM自相关系数获取模块，用于利用不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差，获得不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数；

不同干涉信道的XPM效应获取模块，用于利用不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数，获得不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小；

信道补偿滤波器获取模块，用于利用不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小获得与信道间隔和干涉信道发射序列相关的基于载波相关适配的信道补偿滤波器。

第三方面，本发明实施例公开了非线性噪声抑制方法，包括：

利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路；

在反向虚拟光纤链路中，对相干探测数据信号采用基于载波相关适配的信道补偿滤波器计算不同信道下的XPM相位噪声补偿值；

根据不同信道下的XPM相位噪声补偿值，对目标信道中的XPM相位噪声进行补偿。

进一步，所述基于载波相关适配的信道补偿滤波器为：

其中，为不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声，ω_k-ω_s为信道间隔，{b₀}为干涉信道发射序列，L为传输距离，γ为非线性系数，β₂为二阶色散参数。

第四方面，本发明实施例公开了非线性噪声抑制系统，包括：

反向虚拟光纤链路建立模块，用于利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路；

XPM相位噪声补偿计算模块，用于在反向虚拟光纤链路中对相干探测数据信号采用基于载波相关适配的信道补偿滤波器计算不同信道下的XPM相位噪声补偿值；

XPM相位噪声补偿模块，用于根据不同信道下的XPM相位噪声补偿值，对目标信道中的XPM相位噪声进行补偿。

由上述的技术方案可见，本发明实施例在接收端对目标信道的符号进行接收，得到未补偿的序列{r_k}，由{r_k}得到的值，根据不同频率下的信道对中心信道影响的大小构造与信道间隔和干涉信道发射序列相关的基于载波相关适配的信道补偿滤波器，对光纤信道模型中不同信道的功率进行动态分配，并根据数字反向传输算法的原理对非线性噪声进行补偿，由于不需要计算所有干涉信道对中心信道的非线性影响，因此可以有效降低现有DSP补偿算法的复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的大容量长距离WDM光传输系统结构示意图；

图2为本发明实施例的光纤信道模型结构示意图；

图3为本发明实施例WDM系统中非线性补偿处理流程示意图；

图4为本发明实施例的利用基于载波相关适配的信道间非线性噪声抑制方法对接收信号进行非线性补偿的处理流程示意图；

图5为本发明实施例的不同干涉信道对中心信道非线性效应影响的曲线示意图；

图6为本发明实施例的根据图5得到的滤波器的频率特性示意图；

图7为本发明实施例的每一跨段在光纤信道中的正向传输示意图；

图8为本发明实施例的每一跨段利用DBP算法的虚拟光纤链路中反向传输示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面首先对本发明实施例中用到的函数及其参数做一个说明：

E(z,t)-光场慢变包络；

E_in–输入光场；

E_out–输出光场；

γ-非线性系数；

G–放大器的放大增益；

H(ω)为色散补偿滤波器的传递函数，其中：

λ-载波波长ω-载波频率D-色散系数S-色散斜率c-光速；

Δa_k-在z＝L时刻，接收到的信号受到非线性效应的影响；

L–传输距离；

S_h,u,m-表征自相位调制(SPM)对相位噪声贡献的大小；

X_h,u,m-表征交叉相位调制(XPM)对相位噪声贡献的大小；

θ-干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声；

-相位噪声方差；

R_k,s(l)-不同干涉信道的相位噪声同中心信道的自相关函数；

ω_k-ω_s-信道间隔。

本发明针对长距离大容量WDM光纤传输系统，采用数字反向传输算法(DBP)，对色散和非线性进行联合补偿。整个传输系统如图1所示，光纤信道建模如图2所示，WDM传输系统中的色散非线性联合补偿模块算法框图如图3所示。

实施例1

本实施例公开了滤波器的构建方法，包括如下步骤：

S1)发射端发送检验序列，数据信号经过MZ调制器调制后经过复用进入光纤信道，在经过M跨段传输后经过解复用和相干接收，获得相干探测数据信号；

S2)利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路，对相干探测数据信号进行色散补偿和非线性补偿，在每一跨段补偿之前加光衰减器对光信号进行衰减；每一跨段DBP算法框图如图8所示。

S3)重复上述步骤S1)和S2)，获得不同干涉信道对目标信道的影响系数，包括自相位调制对信号的影响系数、交叉相位调制导致的噪声影响系数；

S4)利用不同干涉信道对目标信道的影响系数，获得不同干涉信道对 目标信道造成的XPM相位噪声及其方差；

S5)利用不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差，获得不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数；

S6)利用不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数，根据叠加原理获得不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小；

S7)利用不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小，获得与信道间隔和干涉信道发射序列相关的基于载波相关适配的信道补偿滤波器。

进一步，所述步骤S11)中，光纤信道采用固定步长的对称分步傅立叶(SSF)算法进行建模(如图2所示)，在步长h内，线性算子 和非线性算子相互独立。其中α是光纤损耗系数，β₂是光纤色散常数，β₃是二阶群速度色散斜率，γ是非线性系数，A(z,t)是光场包络。假设每一跨段长度为L_span，对跨段进行N次补偿，则补偿次数N＝L_span/h，每一跨段后接光放大器对光信号进行放大，共传输M跨段，即总传输长度为L＝M×L_span。每一跨段传输框图如图7所示。

进一步，所述步骤S2)中，所述非线性补偿中，每一信道的光信号采用XPM模块计算其它信道的交叉相位调制对该信道的影响，其中第q个信道的XPM模块的计算公式为：

其中，E_out为输出光场。

进一步，所述步骤S2)中，采用对称分步傅立叶算法，所述非线性补偿在每一跨段中间位置进行，用于补偿的滤波器为：

需要说明的是，步骤S2)中的非线性损伤补偿函数滤波器用来消除光放大器带来的自发辐射(ASE)噪声，应用窗函数法设计该滤波器，抑制信号的带宽，限制高频噪声分量，当窗函数选择为高斯型时，表达式如下：

其中，f_c是滤波器的中心频率，B为滤波器的3dB带宽，m为滤波器阶数。恰当的选择该滤波器的3dB带宽参数，使得其在带宽符合要求的前提下，旁瓣衰减较大，以实现有效滤除噪声的目的。

进一步，所述步骤S2)中，所述色散补偿采用频域滤波器，用于补偿的滤波器表示为：

进一步，步骤S4)中，所述基于载波相关适配的信道补偿滤波器表示为：

其中，为不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声，ω_k-ω_s为信道间隔，{b₀}为干涉信道发射序列，L为传输距离，γ为非线性系数，β₂为二阶色散参数。

需要说明的是，步骤S4)-S7)的具体方法如下：

在发射端目标信道发送一段检验序列{a_k}，干涉信道发射序列{b_k}，根据时域分析模型，传输信号的零阶解可表示为：

其中，g⁽⁰⁾(z,t)＝Ψ(z)g(0,t)，g(0,t)具有正交特性。

信号的一阶解可以通过解非线性薛定谔方程(NLSE)获得：

其中，f(z)代表链路的损耗特性，方程(2)的解如下式所示：

u(L,t)＝u⁽⁰⁾(L,t)+u⁽¹⁾(L,t) (4)

在接收端经过匹配滤波，u⁽⁰⁾(L,t)对非线性相位噪声没有贡献，u⁽¹⁾(L,t)对非线性噪声的贡献可表示为：

把公式(3)代入到公式(5)中，可以得到：

其中，S_h,k,m表示自相位调制对信号的影响，X_h,k,m表示交叉相位调制导致的噪声。

当h＝0，u＝m时可得到非线性引起的相位噪声，如下式所示：

其中，为相位噪声，方差为：

需要说明的是，本发明仅考虑大色散累积值和没有内嵌色散补偿的条件，在该条件下，X_0,m,m可用表示为：

因此可得到相位噪声的方差为：

相位噪声的自相关函数为：

其中，[u]⁺＝max{u,0}

该式表示不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小，当干涉信道距离中心信道足够远时，其对中心信道的非线性影响可以忽略不计。

实施例2

本发明实施例公开了采用实施例1的方法的滤波器的构建装置，包括：

相干探测信号获取模块，用于发射端发送检验序列，数据信号经过MZ调制器调制后经过复用进入光纤信道，在经过M跨段传输后经过解复用和相干接收，获得相干探测数据信号；

相干探测信号补偿模块，用于利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路，对相干探测数据信号进行色散补偿和非线性补偿，在每一跨段补偿之前加光衰减器对光信号进行衰减；

DSP处理模块，用于通过所述相干探测信号获取模块和相干探测信号补偿模块的多次处理，得到不同干涉信道对目标信道的影响系数，包括自相位调制对信号的影响系数、交叉相位调制导致的噪声影响系数。

XPM相位噪声获取模块，用于利用不同干涉信道对目标信道的影响系数，获得不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差；

XPM自相关系数获取模块，用于利用不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声及其方差，获得不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数；

不同干涉信道的XPM效应获取模块，用于利用不同干涉信道对目标信道的XPM相位噪声的自相关系数，获得不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小；

信道补偿滤波器获取模块，用于利用不同频率的信道对中心信道XPM效应的影响大小获得与信道间隔和干涉信道发射序列相关的基于载波相关适配的信道补偿滤波器。

实施例3

本发明实施例公开了采用实施例1的滤波器的构建方法的非线性噪声抑制方法，包括：

利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路，对相干探测数据信号采用基于载波相关适配的信道补偿滤波器计算不同信道下的XPM相位噪声补偿值，对目标信道中的XPM相位噪声进行补偿。

进一步，所述基于载波相关适配的信道补偿滤波器为：

其中，为不同干涉信道对目标信道造成的XPM相位噪声，ω_k-ω_s为信道间隔，{b₀}为干涉信道发射序列，L为传输距离，γ为非线性系数，β₂为二阶 色散参数。

具体地，在进行光信号传输之前，先发送一段检验序列，得到不同干涉信道对中心信道的影响系数，利用该系数构造基于载波相关适配的信道间非线性噪声抑制滤波器R-filter，利用该滤波器对接收到的信号进行非线性补偿，计算流程如图4中所示，在大色散累积、没有色散管理的光纤链路中，发射信号的调制格式为16QAM时，得到R_θ(l)的影响曲线如图5所示，图中横坐标表示归一化的信道间隔(比如离目标信道最近的干涉信道归一化后的信道间隔为1)；纵坐标表示权重系数，即代表不同信道间隔的干涉信道对目标信道非线性噪声影响的大小；图例中离散的点表示相位旋转的方差，直线表示利用二次拟合后得到的权重系数。根据此曲线得到的滤波器频率R-filter的频率特性如图6所示，图中横坐标表示载波波长，纵坐标表示归一化幅值。图5中的曲线代表了不同干涉信道对中心信道非线性效应影响的大小，根据此曲线构造具有功率选择性滤波器，对非线性噪声进行补偿，由图中可知，当干涉信道距离中心信道足够远时，干涉信道噪声的影响可以忽略不计，因此在误差允许的范围内可以大大减小DBP算法的复杂度。

实施例4

本发明实施例公开了采用实施例3的方法的非线性噪声抑制系统，包括：

反向虚拟光纤链路建立模块，用于利用DBP算法根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路；

XPM相位噪声补偿计算模块，用于在反向虚拟光纤链路中对相干探测数据信号采用基于载波相关适配的信道补偿滤波器计算不同信道下的XPM相位噪声补偿值；

XPM相位噪声补偿模块，用于根据不同信道下的XPM相位噪声补偿值，对目标信道中的XPM相位噪声进行补偿。

实施例5

多信道色散非线性联合补偿算法在长距离大容量WDM光纤传输系统 中的具体应用过程如下：

S1、发射端采用16QAM调制，符号映射方式为格雷码映射，脉冲成型滤波器选择为高斯脉冲，满足如下关系式：

S2、数据信号经过MZ调制器调制后经过复用进入光纤信道，信道模型采用对称分步傅立叶算法，在经过M跨段传输后经过解复用和相干接收，进入DSP处理模块。

S3、在DSP处理模块利用数字反向传输算法对信号的色散和非线性进行联合补偿，根据“先进后出”的原则建立反向虚拟光纤链路，在每一跨段补偿之前加光衰减器对光信号进行衰减。其中，

光衰减器的公式为

具体地，在线性补偿单元，对信号的色散补偿通过频域滤波器方法实现。在非线性补偿单元，每一信道的光信号经过XPM模块计算其它信道的交叉相位调制对该信道的影响。

S4、为进一步优化算法的补偿效果，在进行光信号传输之前，先发送一段检验序列，得到不同干涉信道对中心信道的影响系数，利用该系数构造基于载波相关适配的信道间非线性噪声抑制滤波器R-filter，利用该滤波器对接收到的信号进行非线性补偿，计算流程如图4中所示，在大色散累积、没有色散管理的光纤链路中，发射信号的调制格式为16QAM时，得到R_k,s(l)的影响曲线如图5所示，根据此曲线得到的滤波器频率R-filter的频率特性如图6所示。

根据上述实施例可知，在接收端对目标信道的符号进行接收，得到未补偿的序列{r_k}，由{r_k}得到R_k,s(l)的值，根据不同频率下的信道对中心信道影响的大小构造具有频率选择功能的滤波器，对光纤信道模型中不同信道的功率进行动态分配，并根据数字反向传输算法的原理对非线性噪声进行补偿，由于不需要计算所有干涉信道对中心信道的非线性影响，因此可以有效降低补偿算法的复杂度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。