一种联合调制和均衡全局优化的光纤通信系统

本发明涉及光通信，特别是涉及一种联合调制和均衡全局优化的光纤通信系统。

背景技术：

1、轨道角动量模分复用强度直调直检（oam-mdm im/dd）技术已经广泛应用于数据中心光互连，例如用于oam-mdm传输的20-gbaud三维64阶载波无调幅调相（cap-64）架构，实现了不同距离的超高容量传输。2.3公里、2.6公里上用于im/dd oam-mdm的300-gbit/s 8阶脉冲幅度调制（pam8）传输，以及2公里上用于im/dd oam-mdm的400-gbit/s pam8传输。然而，在短距离oam-mdm im/dd系统中，马赫曾德调制器、光电二极管和空间光调制器等光电器件会显着增加非线性损伤。此外，由于oam-mdm传输中的模式耦合，不同oam模式的非线性失真会相互影响。因此，oam-mdm表现出很强的复杂非线性损伤，这对于多oam模式传输系统尤为突出。对于传统的块结构oam-mdm系统，基于人工智能的补偿方法通过优化独立块取得了显着的效果，例如概率整形、线性均衡和非线性均衡。然而，虽然上述方法可以有效提高oam-mdm系统的性能，但由于模式耦合和复杂的非线性损伤，单独优化的块是否可以实现im/ddoam-mdm系统的全局优化仍然不确定。因此，oam-mdm系统的最优调制和均衡方案仍然是一个长期存在的挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种联合调制和均衡全局优化的光纤通信系统，减轻了oam-mdm im/dd系统的非线性损伤。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案。

3、一种联合调制和均衡全局优化的光纤通信系统，包括：依次连接的编码器、调制器、信道和解码器；所述编码器和所述解码器是对编码模块和解码模块进行训练得到的；所述信道是对kp信道模型进行训练得到的；

4、所述编码器用于获取常数，并基于常数生成星座图和所述星座图中各星座点的概率分布；所述星座图包括m个星座点，m为所述调制器的调制阶数；

5、所述调制器，用于：

6、利用星座图中各星座点的概率分布，对各星座点进行归一化，得到对应的归一化后的星座点；

7、获取待传信号的one-hot向量；所述one-hot向量的维度的数值与所述调制器的调制阶数的数值相等；

8、利用各归一化后的星座点对待传信号的one-hot向量进行调制，得到待传输的同相正交信号；

9、所述信道用于将待传输的同相正交信号传输给所述解码器；

10、所述解码器用于对接收到的同相正交信号进行解码，得到解码后的信号，完成通信。

11、可选地，所述信道的训练过程，包括：

12、获取信道训练数据集；所述信道训练数据集包括：多个信道训练用数据对应的条件向量和实际接收数据；

13、基于线性损伤预测模块和非线性损伤预测模块，构建所述kp信道模型；所述线性损伤预测模块包括：两个线性层；所述非线性损伤预测模块包括：两个全连接层和一个库普曼预测层；

14、以各信道训练用条件向量为输入，以对应的实际接收数据为输出，对所述kp信道模型进行训练，得到所述信道。

15、可选地，获取信道训练数据集，包括：

16、利用数字信号处理模块产生多个连续的信道训练用数据；

17、将任一信道训练用数据确定为当前信道训练用数据：

18、将当前信道训练用数据编码到任意波形发生器产生的波形上后进行采样，得到当前信道训练用电信号，当前信道训练用电信号经过电吸收调制器进行信号增强后，得到当前信道训练用增强电信号；

19、利用外腔激光器产生光载波，光载波通过极性控制器进行偏振状态调制，得到调制后的光载波；

20、利用马赫-曾德尔调制器将当前信道训练用增强电信号调制到调制后的光载波上，得到当前信道训练用调制光信号；

21、利用掺铒光纤放大器对当前信道训练用调制光信号进行放大后，放大后的当前信道训练用调制光信号依次通过极性控制器、准直器、光纤分束器和线性偏振器，从光纤耦合到空间中；

22、利用两个空间光调制器分别对放大后的当前信道训练用调制光信号进行不同模分复用模式的调制后，得到两路当前信道训练用模分复用调制光信号；

23、利用光纤分束器将两路当前信道训练用模分复用调制光信号进行合束，得到合束后的当前信道训练用光信号；

24、利用四分之一波片将合束后的当前信道训练用光信号由线性偏振转换为圆偏振；

25、基于合束后的当前信道训练用光信号与位于合束后的当前信道训练用光信号前后的预设个数的合束后的信道训练用光信号，确定当前信道训练用数据对应的条件向量；

26、通过准直器将当前信道训练用数据对应的条件向量耦合至环芯光纤进行传输；

27、接收传输后的当前信道训练用数据对应的条件向量，得到当前信道训练用数据对应的实际接收数据；

28、基于所有信道训练用数据对应的条件向量和对应的实际接收数据，确定所述信道训练数据集。

29、可选地，以各信道训练用条件向量为输入，以对应的实际接收数据为输出，对所述kp信道模型进行训练，得到所述信道，包括：

30、初始化所述kp信道模型；

31、以各信道训练用条件向量为输入，以对应的实际接收数据为输出，对所述kp信道模型进行多次训练，得到所述信道，其中，任一当前训练次数下的训练过程，包括：

32、将各信道训练用条件向量输入至当前训练次数下的线性损伤预测模块中，得到对应的当前训练次数下的线性输出数据；

33、将各信道训练用条件向量输入至当前训练次数下的非线性损伤预测模块中，得到对应的当前训练次数下的非线性输出数据；

34、基于各当前训练次数下的线性输出数据和对应的当前训练次数下的非线性输出数据，确定对应的当前训练次数下的总输出数据；

35、基于各当前训练次数下的总输出数据和对应的实际接收数据，计算当前训练次数下的第一误差；

36、判断是否满足第一停止条件；所述第一停止条件为当前训练次数下的第一误差小于第一预设误差阈值或达到第一预设训练次数；

37、若是，则将当前训练次数下的kp信道模型确定为所述信道；

38、若否，则更新当前训练次数下的kp信道模型的参数，并返回“将各信道训练用条件向量输入至当前训练次数下的线性损伤预测模块中，得到对应的当前训练次数下的线性输出数据”。

39、可选地，所述编码器和所述解码器的训练过程，包括：

40、初始化所述编码模块和所述解码模块；

41、基于初始化的编码模块、采样器、调制器、所述信道、解调器和初始化的解码模块构建待训练系统；

42、对所述待训练系统进行多次训练，得到所述编码器和所述解码器。

43、可选地，在对所述待训练系统进行多次训练，得到所述编码器和所述解码器中，任一当前训练次数下的训练过程，包括：

44、随机获取一个常数；

45、将常数输入到当前训练次数下的编码模块中，得到当前训练次数下的星座图和当前训练次数下的星座图中各星座点的概率分布；

46、所述采样器基于当前训练次数下的星座图中各星座点的概率分布进行采样，得到当前训练次数下的多批次采样信号的one-hot向量；

47、所述调制器利用当前训练次数下的星座图中各星座点的概率分布，对当前训练次数下的星座图中的各星座点进行归一化，得到对应的当前训练次数下的归一化后的星座点；

48、所述调制器利用各当前训练次数下的归一化后的星座点对当前训练次数下的多批次采样信号的one-hot向量进行调制，得到当前训练次数下的训练用同相正交信号；

49、所述信道将当前训练次数下的训练用同相正交信号分别传输给当前训练次数下的解码器和所述解调器；

50、当前训练次数下的解码器对接收到的当前训练次数下的训练用同相正交信号进行解码，得到当前训练次数下的解码后的信号；

51、所述解调器对接收到的当前训练次数下的训练用同相正交信号进行解调，得到当前训练次数下的解调后的信号；

52、基于当前训练次数下的解码后的信号和当前训练次数下的解调后的信号，计算当前训练次数下的第二误差；

53、判断是否满足第二停止条件；所述第二停止条件为当前训练次数下的第二误差小于第二预设误差阈值或达到第二预设训练次数；

54、若是，则将当前训练次数下的编码模块确定为所述编码器，将当前训练次数下的解码模块确定为所述解码器；

55、若否，则更新当前训练次数下的编码模块的参数和当前训练次数下的解码模块的参数，并返回“随机获取一个常数”。

56、可选地，所述编码器，包括：第一隐藏层和第二隐藏层；所述第一隐藏层包括：第一全连接层和第一rulu激活函数组成，所述第二隐藏层包括：第二全连接层。

57、可选地，所述解码器，包括：三个解码层和一个激活函数；各所述解码层均包括一个全连接层和一个rulu激活函数。

58、可选地，利用星座图中各星座点的概率分布，对各星座点进行归一化，得到对应的归一化后的星座点，包括：

59、利用星座点归一化公式，基于星座图中各星座点的概率分布，对各星座点进行归一化，得到对应的归一化后的星座点；所述星座点归一化公式为：

60、；

61、其中，为第个归一化后的星座点；为第个星座点；为第个星座点的概率分布；为第个星座点。

62、可选地，基于当前训练次数下的星座图中各星座点的概率分布进行采样，得到当前训练次数下的多批次采样信号的one-hot向量，包括：

63、利用采样公式，根据当前训练次数下的星座图中各星座点的概率分布进行采样，得到当前训练次数下的多批次采样信号的one-hot向量；采样公式为：

64、；

65、其中，为采样信号的one-hot向量中的第个元素；为自然常数；为从标准gumbel分布中抽取的第个星座点对应的独立同分布样本；为第个星座点的概率分布；为正参数；为从标准gumbel分布中抽取的第个星座点对应的独立同分布样本；为第个星座点的概率分布。

66、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

67、本发明公开了一种联合调制和均衡全局优化的光纤通信系统，通过编码器生成不同星座点出现的概率，并通过迭代训练过程不断更新，在编码器训练完成后，得到适配传输信道的不同星座点出现概率；采样器构建满足概率分布的one-hot向量并映射到发射星座；通过库普曼kp信道模型对信号的线性损伤和非线性损伤分别建模，利用库普曼定理实现对随机非线性信号损伤的拟合，准确构建oam-mdm im/dd通信系统信道模型；发射信号通过训练好的信道模型添加信号损伤；接收信号通过解码器还原为比特序列，将低维信息重构回高维表达式，实现对oam-mdm im/dd系统中损伤的拟合，从而实现高精度、高稳定性、超大容量光纤模分复用通信。