一种用于超高阶数相干光传输系统的级联MIMO结构

本发明涉及相干光传输，尤其是指一种用于超高阶数相干光传输系统的级联mimo结构。

背景技术：

1、随着人工智能、云计算、vr/ar甚至元宇宙等爆炸性数字应用流量的持续增长，无疑对底层光传输系统提出了新的挑战。为了满足对信道容量不断增长的需求，科学界和工业界不断将系统容量扩展到越来越高的数值。因此，为具有成本效益的光传输系统找到可行的技术解决方案至关重要。

2、在光通信传输系统中，相干光通信已成为一项突破性技术，可实现400 gbit/s或更高的数据传输速率。由于其相干接收器的高灵敏度延长了传输距离，为高效数据传输提供了新的可能性，因此高速数字相干光通信在满足当今吞吐量要求方面极为重要。目前，800g和1.6t相干光模块的开发研究已成为主流。为了进一步扩展更高的系统容量，通常可以采用提高信号调制阶数、提高信号单信道传输速率和增加信号并行传输信道数(波分复用)等方法。其中，高速单载波传输的直接提升方法是通过增加调制格式来提高频谱效率(se)。目前，国内外已经开展了高阶调制格式的研究，通过概率整形(ps)技术在标准单模光纤(ssmf)上传输256qam、1024qam和4096qam信号，这种方法在未来的实际应用中大有可为。然而，目前超高阶调制格式的工作仍面临一些挑战。

3、在使用超高阶qam格式时，传输性能更容易受到系统缺陷的影响，例如光纤中的非线性、发射端激光器和本地振荡器之间的偏移以及相干光传输中iq之间的不平衡。需要对传统mimo的结构进行了修改，使其可以容忍前人提到的任何一种不平衡现象，并能纠正传输系统中任何一个信道的缺陷，从而实现误码率的显著降低。

4、在使用超高阶qam时，收发器中由元件缺陷或错位引起的同相(i)和正交(q)损伤会导致性能显著下降。为了补偿qam相干光通信中的iq损伤，人们开发了许多dsp算法。但现有研究对超高阶调制格式中的iq不平衡算法都有局限性，迫切需要研究适用于超高阶调制格式的iq不平衡算法。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中相干光传输系统iq不平衡的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于超高阶数相干光传输系统的级联mimo结构，所述级联mimo结构包括第一级结构和第二级结构；

3、所述第一级结构位于相干光传输系统的信号接收端，采用基于恒模算法cma的2×2mimo均衡器进行信号偏振解复用，并对相干光传输的第一iq不平衡进行部分补偿，其中，所述2×2mimo均衡器为2×2复值滤波器，所述第一iq不平衡包括来自信号接收端的iq不平衡；

4、所述第二级结构在第一级结构之后且位于相干光传输系统的信号接收端的判决输出之前，并采用基于恒模算法cma的4×4mimo均衡器以对相干光传输的第二iq不平衡进行补偿，其中，所述4×4mimo均衡器为4×4实值滤波器，所述第二iq不平衡包括来自信号发射端和信号接收端的iq不平衡。

5、在本发明的一个实施例中，所述4×4实值滤波器的输出信号的迭代公式为：

6、vab(n)＝hab-rr(n)ub-r(n)+hab-ri(n)ub-i(n)

7、+j{hab-ir(n)ub-r(n)+hab-ri(n)ub-i(n)}       (14)

8、其中，u(a,b)-(e,f)(n)是四个输入列的向量，hab-ef(n)是十六个滤波器抽头系数的向量，ab＝xx,xy,yx或yy，ef＝rr,ri,ir或ii，x表示x偏振，y表示y偏振，i表示虚部，r表示虚部，n表示当前时刻；

9、计算实值滤波器的最终输出vx(n)和vy(n)，公式为：

10、vx(n)＝vxx(n)+vxy(n)                             (15)

11、vy(n)＝vyx(n)+vyy(n)                             (16)

12、基于恒模算法cma更新抽头系数计算出相应的误差信号，公式为：

13、ex,y(n)＝s(n)-vx,y(n)                           (17)

14、其中，s(n)是训练模式下的训练符号，vx,y(n)为vx(n)或vy(n)；

15、最后，基于恒模算法cma，将下一时刻n+1的抽头系数更新为：

16、hab-ef(n+1)＝hab-ef(n)+μea-e(n)ub-f(n)             (18)

17、其中，μ是步长参数，ex-r,y-r(n)，ex-i,y-i(n)分别是ex,y(n)的实部和虚部；

18、基于更新完的抽头系数得到最终的4×4实值滤波器。

19、在本发明的一个实施例中，所述信号接收端的iq不平衡包括iq相位失配、iq增益不匹配、iq延迟偏斜，并分别构建对应的传递矩阵，根据构建的传递矩阵得到第一整体传递函数，根据所述第一整体传递函数得到第一逆矩阵，所述第一逆矩阵用于与接收信号相乘以滤除信号接收端的iq不平衡，所述第一逆矩阵通过4×4实值滤波器实现；

20、其中，所述信号接收端的iq相位失配、iq增益不匹配还通过2×2复值滤波器来均衡。

21、在本发明的一个实施例中，所述iq相位失配的传递矩阵构建方法包括：

22、将接收信号的x偏振分量的i路和q路分别设为rx-i(t)和rx-q(t)，将y偏振分量的i路和q路分别设为ry-i(t)和ry-q(t)；将接收信号的复振幅建模为：

23、rx,y(t)＝rx-i,y-i(t)+jrx-q,y-q(t)                   (4)

24、对于iq相位失配，将x偏振分量的i轴和q轴在复平面上的旋转角度分别记为θx-i和θx-q，将y偏振分量的旋转角度用θy-i和θy-q表示，将iq相位失配与偏离正确角度90°的角度分别表示为θx-i、θx-q和θy-i、θy-q；为解决iq相位失配，将iq相位失配的传递矩阵定义为：

25、px,y＝(-sin(θx-q,y-q)cos(θx-q,y-q))                    (5)。

26、在本发明的一个实施例中，所述iq增益不匹配的传递矩阵构建方法包括：

27、对于iq增益不匹配，用βx-i和βx-q表示x偏振i端口和q端口的增益，用βy-i和βy-q表示y偏振i端口和q端口的增益，则iq增益失配表示为：

28、

29、当βx-i≠βx-q时，表明在x偏振中存在iq增益不平衡；当βy-i≠βy-q时，表明在y偏振中存在iq增益不平衡，则将iq增益不平衡的传递矩阵定义为：

30、

31、在本发明的一个实施例中，所述iq延迟偏斜的传递矩阵构建方法包括：

32、对于iq延迟偏斜，将接收信号分为x偏振和y偏振，则x偏振的i信号和q信号、y偏振的i信号和q信号的时间延迟分别为τx-i、τx-q、τy-i和τy-q，因此将信号的复振幅建模为：

33、

34、当τx-i≠τx-q时，iq延迟偏斜存在于x偏振分量中；当τy-i≠τy-q时，iq延迟偏斜存在于y偏振分量中；为iq延迟偏斜，将式(8)变换到频域为：

35、

36、其中，ω为从载波频率测得的光信号角频率rdx-i,y-i(ω)，rdx-q,y-q(ω)，rx-i,y-i(ω)和rx-q,y-q(ω)分别为rdx-i,y-i(t)，rdx-q,y-q(t)，rx-i,y-i(t)和rx-q,y-q(t)，rx-q,y-q(t)的傅里叶变换，则iq延迟偏斜传递矩阵表示为：

37、

38、在本发明的一个实施例中，所述根据构建的传递矩阵得到整体传递函数，找出所述整体传递函数的逆矩阵，方法包括：

39、通过对iq相位失配、iq增益不平衡和iq延迟偏移进行建模，则将整体传递函数简化为：

40、ix,y(ω)＝px,ygx,ydx,y(ω)                       (11)

41、其中，px,y,gx,y,dx,y(ω)分别为iq相位失配、iq增益不平衡和iq延迟偏移的传递矩阵；

42、则逆矩阵i-1x,y(ω)的表达式为：

43、

44、在本发明的一个实施例中，所述信号发射端的iq不平衡包括iq延迟偏斜、iq增益不匹配、iq相位失配，并分别构建对应的传递矩阵，根据构建的传递矩阵得到整体传递函数，根据所述第二整体传递函数得到第二逆矩阵，所述第二逆矩阵用于与接收信号相乘以滤除信号发射端的iq不平衡，所述第二逆矩阵通过4×4实值滤波器实现。

45、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

46、本发明的级联mimo结构可补偿因发送器和接收器部分的硬件损伤而导致的iq不平衡造成的误码率大幅下降，并可补偿因超高阶算法积累而导致的iq不平衡造成的信号劣化，传输信号质量大大提高，误码率显著降低；

47、本发明的级联mimo结构可增强不同调制格式的信号，对于超高阶信号，该结构能使在80km单模光纤上传输的ps-pdm-1024qam信号在较低信噪比的情况下达到3.8e-3的判定阈值，而原先是无法达到硬判定线的，该结构还能显著改善ps-pdm-4096qam信号质量；

48、本发明级联mimo结构的研究工作可以大大节约成本，弥补硬件损坏造成的信号衰减，并显著提高误码率，这对未来将超高阶调制格式投入实际应用具有重要意义。