阅读说明：本技术 一种光纤通信系统中非线性损伤预补偿方法 (Nonlinear damage precompensation method in optical fiber communication system ) 是由 忻向军 张琦 蒋锦坤 王曦朔 姚海鹏 刘炳春 田清华 田凤 王拥军 杨雷静 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种光纤通信系统中非线性损伤预补偿方法及装置,涉及光纤通信系统领域。其中,上述方法包括：根据符号之间的时间相关性和相互作用,在发射端进行高阶非线性建模,预测当前时刻输出；根据瞬时平方误差最小化准则,计算使预测值和接收误差最小的各阶预补偿抽头系数；根据时延组合和符号组合在各个阶次下建立二维查找表存储预补偿抽头系数；根据累加平均原则,更新查找表中元素；根据训练得到的查找表,对与模型匹配的滤波器进行配置,从而得到预补偿的信号。应用本发明实施例提供的方案进行非线性预补偿,可以提高系统的非线性容忍度,充分利用发射端计算资源和功耗潜能,降低接收端复杂度,平衡发射端与接收端的功耗成本。本发明同时还提供了一种预均衡与预补偿的联合方法,根据级联支路合并原则,将预均衡抽头系数乘入到含有相同时延项的与补偿抽头系数中,实现滤波器的共享。应用本发明实例提供的联合方法,可以提高发射端硬件资源利用率。(The invention provides a method and a device for pre-compensating nonlinear damage in an optical fiber communication system, and relates to the field of optical fiber communication systems. Wherein, the method comprises the following steps: according to the time correlation and interaction among the symbols, performing high-order nonlinear modeling at a transmitting end, and predicting the output at the current moment; calculating each order pre-compensation tap coefficient which minimizes the predicted value and the receiving error according to the instantaneous square error minimization criterion; establishing a two-dimensional lookup table at each order according to the time delay combination and the symbol combination to store a pre-compensation tap coefficient; updating elements in the lookup table according to an accumulation average principle; and configuring the filter matched with the model according to the lookup table obtained by training so as to obtain a precompensated signal. By applying the scheme provided by the embodiment of the invention to carry out nonlinear precompensation, the nonlinear tolerance of the system can be improved, the computing resources and the power consumption potential of the transmitting terminal are fully utilized, the complexity of the receiving terminal is reduced, and the power consumption cost of the transmitting terminal and the receiving terminal is balanced. The invention also provides a combined method of pre-equalization and pre-compensation, which multiplies the pre-equalization tap coefficient into the compensation tap coefficient containing the same time delay term according to the merging principle of the cascade branches to realize the sharing of the filter. The application of the combination method provided by the embodiment of the invention can improve the utilization rate of the hardware resources of the transmitting terminal.)

一种光纤通信系统中非线性损伤预补偿方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别是对系统成本尤其是接收端成本敏感的非线性光纤通信系统及一种非线性损伤预补偿方法及装置。

背景技术

随着光纤通信系统向超高速、超长距离发展，波分复用信道数、单通道速率以及信号功率不断增加，非线性效应成为了制约系统性能的重要因素，非线性预补偿和后补偿效果直接影响了系统的传输性能，因此对非线性预补偿和后补偿方案的研究具有重要的实际意义。为了保证传输的可靠性和设备的使用性，需要提供一种精度高且成本低的方案。目前，在发射端广泛使用的预补偿方案，由于多采用一阶非线性建模，信道估计和预补偿的精度都难以保证；而在接收端被大量使用的基于级数展开的后补偿方案，由于其复杂的实现结构，造成了接收端复杂度的提高，进一步增加了接收端的功耗成本，不利于硬件实现和在网络中普及。为了避免进一步加剧发射端与接收端功耗成本的不匹配，充分利用发射端潜能，开展基于发射端的非线性损伤预补偿方法研究具有重要意义。

本发明主要是设计一种适用于光纤通信系统的新型非线性预补偿方案，提出一个基于高阶非线性建模和抽头系数查找表的预补偿算法。在发射端考虑时间上具有相关性的、多个符号间相互作用的高阶项建立非线性模型并使用查找表完成对非线性滤波器的配置，达到预补偿的目的。本发明还提出了一种通过抽头系数运算的预均衡与预补偿联合方法，实现一阶滤波器抽头的共享，提高了发射端硬件资源利用率。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种光纤通信系统中非线性损伤预补偿方法及装置，以解决目前非线性损伤预补偿和后补偿方法面临的问题，包括：

基于一阶非线性建模的非线性预补偿方案建模精度不够、预补偿性能欠佳的问题；

基于级数展开方法的后补偿方案导致的接收端复杂度升高、成本增加，加剧发射端与接收端功耗成本不匹配的问题；

预均衡与预补偿不能有效联合造成硬件资源浪费的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种非线性预补偿方法，包括:

高阶非线性建模：根据符号之间的时间相关性和相互作用，在发射端建立高阶多项式项模型，预测当前时刻输出；

预补偿抽头系数计算：根据瞬时平方误差最小化准则，计算使预测值和接收误差最小的各阶预补偿抽头系数；

预补偿抽头系数存储：根据时延组合和模式在该时延组合下的符号组合，在各个阶次下建立二维查找表存储预补偿抽头系数；

查找表更新：根据累加平均原则，更新查找表中元素；

滤波器配置：根据训练得到的查找表，对与模型匹配的滤波器进行配置，从而得到预补偿的信号。

在上述的高阶非线性建模中，包括以下步骤：

设定预补偿考虑的符号间相互作用最高阶次D，以及时间相关长度2M+1，根据以下表达式建模计算预测符号：

其中，符号时间相关长度理解为一个时间窗，仅考虑在窗内的符号具有时间相关性，会对当前输出产生影响，该窗口根据当前时刻的移动而移动。模式X(k-M:k:k+M)为以当前时刻为中心的窗内符号，x(k-τ_j)为模式内时延为τ_j的发送符号，为预补偿抽头系数，y(k)为当前时刻的预测符号。

在上述的预补偿抽头系数计算中，包括以下步骤：

假设当前时刻接收端的接收为r(k)，根据以下表达式计算瞬时平方误差：

其中X_n为n阶项组成的列向量，W_n为对应的预补偿抽头系数列向量。

根据下式计算预补偿抽头系数向量：

当输入模式确定时，该模式下的预补偿抽头系数向量随之确定，记结果为预补偿抽头系数向量中为模型中的预补偿抽头系数组成的列向量。

在上述的预补偿抽头系数存储中，包括以下步骤：

根据设定的相互作用最高阶次D，建立3D张查找表，分别为预补偿抽头系数累加值查找表、累加抽头系数个数查找表和预补偿抽头系数累加平均值查找表，初始化表中元素为0。第d张表为阶次为d的相关元素查找表，其内容分别为：

以时延组合(τ₁,τ₂,...,τ_d)为纵向索引，模式在该时延组合下的符号组合(x(k-τ₁),x(k-τ₂),...,x(k-τ_d))为横向索引，在由两个索引指定位置存储的预补偿抽头系数累加值个数和累加平均值

在上述的查找表更新中，包括以下步骤：

根据累加平均的原则，对查找表中的元素分别进行如下更新：

第二方面，本发明实施例提供了一种预均衡与预补偿的联合方法，包括：

公共抽头处理：对于预均衡与预补偿均存在的抽头，将预均衡抽头系数乘入与其级联的预补偿抽头系数；

剩余抽头判断：判断是否还有未处理的抽头，若没有，则完成预均衡与预补偿的联合；若有，则进行剩余均衡抽头处理。

剩余均衡抽头处理：对于仅存在于预均衡中的抽头，进行保留，抽头系数不做处理。

在上述的公共抽头处理中，包括以下步骤：

设预均衡使用的抽头个数为2N+1，对于时延在-M:M的预均衡滤波器抽头，预补偿的一阶滤波器存在同样的抽头，去除预均衡抽头，抽头系数直接与含有相同时延项的各阶预补偿抽头系数相乘：

其中为时延为τ_i的预均衡抽头系数。

在上述的剩余抽头判断中，包括以下步骤：

对于预均衡一阶滤波器抽头个数2N+1，以及预补偿一阶滤波器抽头个数2M+1，判断是否满足N＞M。若不满足，预均衡一阶抽头少于预补偿一阶抽头，完成预均衡与预补偿的联合；若满足，进行剩余均衡抽头处理。

在上述的剩余均衡抽头处理中，包括以下步骤:

当N＞M时，预均衡一阶抽头多于预补偿一阶抽头，保留预补偿中不存在的抽头，抽头系数不做处理：

第三方面，本发明实施例提供了一种非线性预补偿装置，包括：

抽头系数计算模块，用于计算预补偿抽头系数、预补偿抽头系数累加值、抽头系数累加个数、预补偿抽头系数累加平均值和联合抽头系数；

查表存储模块，用于按照查找表的结构存储上述数据；

滤波器配置模块，用于按照查找表的数据进行滤波，实现预补偿。

在上述的抽头系数计算模块中，包括：

抽头系数更新子模块，用于计算预补偿抽头系数、预补偿抽头系数累加值和抽头系数累加个数；

抽头系数均值计算子模块，用于计算预补偿抽头系数累加平均值；

抽头系数联合子模块，用于计算联合抽头系数。

第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器、通信接口和通信总线，其中：

处理器，用于执行存储器上所存放的程序，实现权利要求1-5任一所述的方法步骤；

存储器，用于存放计算机程序和数据；

通信接口，用于电子设备与外部的通信；

通信总线：用于处理器、存储器和通信接口相互间的通信。

本发明实施例有益效果：

本发明实施例提供的方案中，采用高阶非线性模型对输出进行预测，并使用查找表的形式实现对预补偿抽头的配置，综合了预补偿方案响应速度快和高阶非线性建模补偿效果准确的优势，提高了系统抗非线性效应的能力，降低了接收端的复杂度和建网成本，充分利用了发射端的计算资源和功耗潜能，平衡了发射端与接收端的功耗成本。由于发射端预均衡滤波器与预补偿滤波器存在相同的抽头，根据级联支路的合并原理，将预均衡的抽头系数与其级联支路预补偿抽头系数相乘，可实现滤波器的共享，提高采用联合预均衡与预补偿方法的发射端硬件资源利用率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种光纤通信系统中非线性损伤补偿方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的与高阶非线性模型对应的预补偿滤波器结构图。

图3为本发明实施例提供的各阶查找表元素根据索引存储的示意图。

图4为本发明实施例提供的各阶查找表元素的更新过程示意图。

图5为本发明实施例提供的一种预均衡与预补偿联合方法的示意图。

图6为本发明实施例提供的一种非线性预补偿装置的示意图。

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。这些实施方式只是示例性的，不是对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域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。

实施例1:

目前，基于视频的多媒体和宽带移动业务对大带宽和高数据速率传输的需求逐渐增加。对于这种应用场景，基于强度调制直接检测(IM/DD)的脉冲调幅(PAM-4)系统由于其结构简单，功耗低而受到高度重视。然而，在传输信道中产生的非线性损伤严重限制了PAM-4系统的性能，因此，对PAM-4系统的非线性预补偿算法研究具有十分重要的意义。

在PAM-4系统中，发射端采用如图1所示的非线性预补偿方法，包括以下步骤S101-S110。

S101:设定预补偿考虑的符号间相互作用最高阶次D，符号时间相关长度2M+1，及预均衡抽头个数2N+1,预补偿滤波器结构如图2所示。进行初始化，通过查表存储模块602，以时延组合为纵向索引，在该时延组合下的符号组合为横向索引，建立3D张二维查找表，初始化其中元素为0，表中内容分别为预补偿抽头系数累加值、累加抽头系数个数和预补偿抽头系数累加平均值。各阶查找表中元素根据索引指定位置进行存储的过程如图3所示，读取的过程与图中相反。

S102:对训练序列进行预均衡，得到抽头系数ω_τ1.

S103:通过抽头系数更新子模块601A，使用预均衡后的数据进行预补偿抽头系数的计算。对于PAM-4信号，序列中的每个符号x∈{±1,±3}，以当前时刻k为中心建立长度为2M+1的时间窗口，窗口内的序列即为模式x(k-M:k:k+M)。根据时延组合和模式在该时延组合下的符号组合，计算预补偿抽头系数，而后右移当前时刻k＝k+1。

S104：通过抽头系数更新子模块601A，计算预补偿抽头系数累加值和累加抽头系数个数，并通过查表存储模块存储在相应的查找表中。随着当前时刻的右移，两个查找表中的内容会不断更新。

S105:判断时间窗中心是否处于训练序列外时，若是，结束对以上两个变量的计算，执行步骤S106；若否，执行步骤S103。

S106：通过抽头系数均值计算子模块601B，用预补偿抽头系数累加值除以其对应位置的累加抽头系数个数，得到各阶滤波器的预补偿抽头系数累加平均值，并通过查表存储模块602存储在对应的查找表中。查找表中元素的更新过程如图4所示，其中黑色实线代表存储，黑色虚线代表读取。

S107：公共抽头处理，对于预补偿中存在的抽头，通过抽头系数联合子模块601C，将预均衡抽头系数直接乘入与其级联的含有相同时延项的预补偿抽头系数，并通过查表存储模块存储602，去除预均衡抽头，实现一阶滤波器的共享，提高采用联合预均衡与预补偿方法的发射端硬件资源利用率，其过程如图5所示。

S108：剩余抽头判断，判断N＞M是否成立，是否需要进行剩余均衡抽头处理。若是，进行步骤S109；若否，进行步骤S110。

S109：剩余均衡抽头处理，保留多出的这一部分抽头，并不对抽头系数进行处理。

S110：完成与当前信道匹配的各阶滤波器的抽头系数查找表的建立后，即可进行信号传输。传输时，根据当前时刻在信号帧中选取时间窗口内的序列为发送模式，并通过滤波器配置模块603，以时延组合和与模式中与时延组合对应的符号组合为索引，从各阶查找表中找到相应的滤波器抽头系数。按照查找到的抽头系数对滤波器进行配置即可完成对当前信号的补偿。