强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法和系统

本发明涉及短距离光纤通信，特别涉及一种强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法和系统。

背景技术：

1、云服务、大数据等服务的高速发展使得光纤传输系统对于大容量、高速率的要求愈发紧迫。数据中心互联以及数据中心内部的数据传输是互联网通信中的主要业务，据思科2021年的全球云指数预测，两者支撑了70％以上的流量传输需求，属于短距离传输系统的范畴。受成本以及器件尺寸等因素影响，强度调制-直接检测范式成为短距离传输系统的首要选择。

2、在光纤传输系统中，光纤色散使得信号的波形发生失真，其引起的频率选择性衰弱效应使得信号频谱在部分频率发生严重的衰弱，恢复信号的频域信息尤为困难，在时域信号上体现为严重的isi效应。现有技术通常将频率选择性衰弱引起的isi视为一个线性fir滤波器对信道进行建模，并使用ffe、dfe均衡器对色散进行补偿。

3、同时，沃尔泰拉非线性fir滤波器以及机器学习等技术被用于对信道进行非线性建模从而补偿色散引起的信号失真。但通过pd检测后的信号通常仅具有光信号的强度信息，而缺少光信号的相位信息，使得基于强度信息进行补偿的技术无法完全准确地将色散补偿，信号中的残留色散需要使用一个后向滤波器结合似然估计，即ddftn的方式进行消除。

4、格伯赫-萨克斯顿(gerchberg-saxton)算法使用强度信息进行相位重构这一亮点在脉冲成型、相位恢复等领域逐渐受到关注，但是，用来描述信道状态的光纤的色散系数、光纤的长度、adc的采样率以及载波的中心波长等参数，出现微小扰动就会容易造成格伯赫-萨克斯顿算法的发散。

技术实现思路

1、本发明提供了一种强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法和系统，以解决描述信道状态的色散系数出现微小扰动就会容易造成格伯赫-萨克斯顿算法发散的问题，对光纤信道进行自适应估计以及调整。

2、本发明提供了如下技术方案：

3、一种强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，包括：将发射端随机生成的pbrs比特序列映射为符号序列；经由上采样后使用根升余弦滤波器进行脉冲成型；脉冲成型后的信号与光载波通过调制器进行调制，并将调制信号馈送到标准单模光纤中进行传输；接收端通过光电检测器进行探测，得到接收信号的强度信息；接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数；利用估计的频域传递函数以及接收信号的强度信息，通过格伯赫-萨克斯顿算法重构接收端的光场相位信息，并使用估计的频域传递函数进行色散补偿；补偿后的信号下采样后进行符号判决并统计误码率。

4、可选地，在所述脉冲成型后的信号与光载波通过强度调制器进行调制，并将调制信号馈送到标准单模光纤中进行传输中，所述调制信号u(t)表示为：其中，s(t)为经过上采样后的信号，为强度调制器的啁啾效应引起的相位失真。

5、可选地，在所述接收端通过光电检测器进行探测，得到接收信号的强度信息中，所述接收信号r(t)为：其中，光纤的冲激响应为h(t)，wo(t)、we(t)分别代表传输过程中的光噪声以及电噪声，且两者均为加性高斯白噪声，表示卷积。

6、可选地，所述接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数，包括：仅考虑群时延引起的一阶色散，则光纤信道的传递函数h(ω)表示为：h(ω)＝exp(jβ2ω2l)，其中，j为虚数单位，ω为离散傅里叶变换中相对应于采样率的频率网格，l为光纤的长度，β2是一个与光纤以及载波中心波长λ本身有关的常数，且满足d为光纤的色散系数。

7、可选地，所述接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数，还包括：将时域对应为频域，在离散傅里叶变换中，传递函数h表示为：β为一个与系统相关的常数，通过梯度下降法对β进行自适应估计以得到估计的光纤信道传递函数。

8、可选地，所述接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数，还包括：根据计算出的频域估计调制信号，建立损失函数l以衡量信道估计的质量，损失函数l表示为：l＝||f-1(f(y(t))·h-1(ω))|2-s(t)|，其中，f-1代表傅里叶逆变换，近似为接收光光场的强度信息。

9、可选地，所述利用估计的频域传递函数以及接收信号的强度信息，通过格伯赫-萨克斯顿算法重构接收端的光场相位信息，并使用估计的频域传递函数进行色散补偿，还包括使用adam优化器对梯度下降法进行自适应的步长调整以加速算法的收敛。

10、可选地，所述将发射端随机生成的pbrs比特序列映射为符号序列，包括：使用pam-4调制格式的信号进行传输，在发射端，随机生成的比特序列被映射为位于-3、-1、1、3的符号序列。

11、可选地，所述经由上采样后使用根升余弦滤波器进行脉冲成型，包括符号序列通过上采样后，使用滚降因子为0.1的根升余弦滤波器进行脉冲成型，以缓解传输过程中的码间干扰效应。

12、另外，本发明还提供一种强度调制-直接检测系统，使用如前所述的任一项的自适应色散补偿方法，包括：光信号发射模块包括激光器、pbrs生成单元、映射单元和采样单元，所述pbrs生成单元用于生成随机pbrs，所述映射单元用于将比特序列映射为符号序列，所述采样单元用于对所述符号序列进行上采样，所述根升余弦滤波器用于对所述上采样后的信号进行脉冲成型；信号传输模块，用于将脉冲成型后的信号与光载波通过调制器进行调制，并将调制信号馈送到标准单模光纤中进行传输；信号接收和处理模块，用于通过光电检测器探测得到接收信号的强度信息，对接收信号通过rto进行时钟同步，估计的光纤信道的传递函数通过格伯赫-萨克斯顿算法重构接收端的光场相位信息，并使用估计的频域传递函数进行色散补偿，对补偿后的信号下采样，进行符号判决并统计误码率。

13、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

14、本发明实施例中，结合训练序列以及接收端的光场强度信息对接收侧的光场进行重构。采用估计的光纤信道传递函数来刻画信道色散的影响，并利用格伯赫-萨克斯顿算法进行色散补偿。通过该方式能够在强度调制-直接检测范式下完成色散的自适应补偿，并且自适应算法相对传统的格伯赫-萨克斯顿算法对色散的容忍度有所提高。

15、本发明实施例中，避免了格伯赫-萨克斯顿算法，视为利用已知的信道信息来计算常数β，并在算法过程中固定该值以刻画色散的影响，忽略实际传输过程中的微小扰动以及计算过程中的数值扰动，使得算法对于色散的容忍度很低的问题。

16、本发明实施例中，对常数β进行自适应的估计，进而估计光纤信道的传递函数，增大算法对于色散的容忍度，实现更丰富的使用场景。

技术特征：

1.一种强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，在所述脉冲成型后的信号与光载波通过强度调制器进行调制，并将调制信号馈送到标准单模光纤中进行传输中，所述调制信号u(t)表示为：其中，s(t)为经过上采样后的信号，为强度调制器的啁啾效应引起的相位失真。

3.根据权利要求1所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，在所述接收端通过光电检测器进行探测，得到接收信号的强度信息中，所述接收信号r(t)为：其中，光纤的冲激响应为h(t)，wo(t)、we(t)分别代表传输过程中的光噪声以及电噪声，且两者均为加性高斯白噪声，表示卷积。

4.根据权利要求3所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，所述接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数，包括：仅考虑群时延引起的一阶色散，则光纤信道的传递函数h(ω)表示为：h(ω)＝exp(jβ2ω2l)，其中，j为虚数单位，ω为离散傅里叶变换中相对应于采样率的频率网格，l为光纤的长度，β2是一个与光纤以及载波中心波长λ本身有关的常数，且满足d为光纤的色散系数。

5.根据权利要求4所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，所述接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数，还包括：将时域对应为频域，在离散傅里叶变换中，传递函数h表示为：β为一个与系统相关的常数，通过梯度下降法对β进行自适应估计以得到估计的光纤信道传递函数。

6.根据权利要求5所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，所述接收信号通过rto进行时钟同步，时钟同步后的信号基于训练序列的方式使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数，还包括：根据计算出的频域估计调制信号，建立损失函数l以衡量信道估计的质量，损失函数l表示为：l＝||f-1(f(y(t))·h-1(ω))|2-s(t)|，其中，f-1代表傅里叶逆变换，近似为接收光光场的强度信息。

7.根据权利要求6所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，所述利用估计的频域传递函数以及接收信号的强度信息，通过格伯赫-萨克斯顿算法重构接收端的光场相位信息，并使用估计的频域传递函数进行色散补偿，还包括使用adam优化器对梯度下降法进行自适应的步长调整以加速算法的收敛。

8.根据权利要求1所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，所述将发射端随机生成的pbrs比特序列映射为符号序列，包括：使用pam-4调制格式的信号进行传输，在发射端，随机生成的比特序列被映射为位于-3、-1、1、3的符号序列。

9.根据权利要求1所述的强度调制-直接检测系统中的自适应色散补偿方法，其特征在于，所述经由上采样后使用根升余弦滤波器进行脉冲成型，包括符号序列通过上采样后，使用滚降因子为0.1的根升余弦滤波器进行脉冲成型，以缓解传输过程中的码间干扰效应。

10.一种强度调制-直接检测系统，用于实现如权利要求1-9任一项所述的自适应色散补偿方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种强度调制‑直接检测系统中的自适应色散补偿方法和系统，涉及短距离光纤通信技术领域，其中，强度调制‑直接检测系统中的自适应色散补偿方法包括将比特序列映射为符号序列；经由上采样后使用根升余弦滤波器进行脉冲成型；信号与光载波通过调制器进行调制，并馈送到标准单模光纤中进行传输；接收端探测得到接收信号的强度信息；接收信号通过RTO进行时钟同步，使用梯度下降法进行光纤信道的估计，并得到估计的光纤信道的传递函数；通过格伯赫‑萨克斯顿算法重构接收端的光场相位信息，并使用估计的频域传递函数进行色散补偿。本发明的系统和方法，能够完成色散的自适应补偿，对色散的容忍度有所提高。技术研发人员：霍佳皓,陶建龙,张晓营,秦鹏,朱津,刘少楠,皇甫伟,隆克平受保护的技术使用者：北京科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29