基于Adam算法改进的相干光信号损伤的自适应补偿方法及系统

本发明提出基于adam算法改进的相干光信号损伤的自适应补偿方法及系统，涉及光纤通信技术非线性损伤补偿研究领域。

背景技术：

1、光信号在光纤链路的传输过程中，会由于光纤的材料等原因而受到损伤，具体损伤主要可以分为以下三部分：衰减损耗损伤、色散损伤和非线性效应损伤。损耗损伤指的是光信号在光纤介质中，光纤本身材质对信号进行散射和吸收，导致光信号强度降低，造成了信号的损伤。色散损伤是信号在传输中因为模式、材料和波导影响而造成的色散，色散的具体表现为信号的脉冲展宽，会产生一定的码间串扰。非线性效应损伤则是由光纤中的非线性效应造成的，非线性效应指的是光纤对入射到光纤中的光场进行的响应，此响应是固定的，产生该响应的原因是因为电场对束缚电子的影响而使其进行非谐振运动，发生非线性效应时光纤折射率会与入射光强有一定的相关性。非线性效应不仅仅会造成信号的频谱展宽，还会在某些传输情况下产生出额外的频率分量，这对光传输系统的性能有很大的负面影响。

2、而非线性效应对信号的影响和与传输距离，传输容量之间存在着关联。随着社会发展，对通信系统的要求不断提高，传输距离越来越长，传输容量越来越大。因此非线性效应对信号的损伤也越来越强。数字信号处理技术是目前解决相干光通信系统中通信容量瓶颈问题的主要方法，如今形成较为完备的的处理系统的有沃特拉级数、数字背向传输算法(digital backgroundpropagation，dbp)等。

3、dbp算法的补偿原理是模拟信号反向传输的过程，从接收端向发射端反向推算，通过数字处理技术对信号施加与传输时相反的损伤，对传输一定距离的信号进行分段处理，依次施加逆损伤，达到损伤补偿的目的。dbp算法运行的条件是已知光纤传输系统的损耗参数，对信号不断进行傅里叶变换(fast fouriertransform,fft)和傅里叶逆变换(inversefast fouriertransform,ifft)对信号的损伤进行补偿。从dbp算法的运行条件可以得出dbp算法的局限性：首先是要已知所有的损耗参数，其中损耗损伤参数和色散损伤参数与光纤的种类有关，而非线性损伤参数则无法确定，因为非线性效应与信号的容量、传输距离等因素都有一定的关系。其次是dbp算法在补偿的过程中需要反复进行时频转换，而时频转换会消耗大量的算力，影响算法的运行效率和补偿速度。因此一般通过改进dbp算法，提高其补偿效果和效率。经典的改进方法是引进其他算法，使dbp算法具有自适应能力，最早使用的是梯度下降算法，其中代价函数为相位噪声的方差，通过迭代过程中的梯度变化，寻找搜索最佳的γ。虽然梯度下降算法在一定程度上可以改善dbp算法的补偿效果，但是代价函数可能存在局部最小值、鞍点等影响迭代运算的情况，造成算法复杂度过高，补偿效果不好，因此需要进一步提高dbp算法的自适应能力，常用的有引进动量法改进dbp算法等。

4、本方案根据上述要求提出了基于adam算法改进的相干光传输系统信号损伤的自适应数字补偿方法及系统，利用adam算法对dbp算法进行改进，adam算法可以自适应改变学习率，从来加快算法的收敛速度，寻找到最优的补偿点，此外adam算法具有较强的鲁棒性，可以降低外界参数变化对性能的影响。相较于传统的dbp算法补偿方案，利用adam算法改进的方案可以减少复数乘法的数量，从而降低复杂度以及dsp芯片的功耗和成本。

技术实现思路

1、本发明提出基于adam算法改进的相干光传输系统信号损伤的自适应数字补偿方法及系统，系统结构如图1所示，由发射机、接收机和数字信号处理系统组成。其中，

2、发射机：用于产生光信号，且将光信号发送至光纤中。

3、接收机：用于接收光纤中传递的光信号，并将光信号转换成电信号，将电信号传递至数字信号处理系统中进行数字信号处理。

4、数字信号处理系统：用于对信号进行处理，包括模数转换模块、iq不平衡补偿模块、非线性和色散补偿模块、时钟恢复模块、自适应均衡模块、载波相位恢复模块、数字解调模块和非线性因子自适应调整模块。数字信号处理系统中，信号首先到达模数转换模块，从模拟信号获得了数字信号，然后到达iq不平衡补偿模块，处理信号的正交问题，然后利用色散和非线性补偿模块对信号的损伤进行dbp补偿。对补偿后的信号在时钟恢复模块中提取时钟信号，随后进入载波相位模块，对信号进行相位噪声的消除。处理后的信号进入数字解调模块进行数字解调，解调完毕后进入非线性因子自适应调整模块，对evm进行判定，符合要求则输出，不符合要求则进行非线性因子的计算。其中，各模块的功能如下：

5、模数转换模块：将相干接收机获得的电信号按照一定的采样频率进行采样，并将采样值转换为相应的数字编码，得到对应的数字信号。

6、iq不平衡补偿模块：利用正交不平衡算法(generalized subspaceorthogonalization and projection,gsop)对信号进行处理。

7、色散和非线性补偿模块：通过dbp算法对信号在光纤传输过程中所受的损伤进行补偿，需已知光纤传输链路的色散因子、非线性因子等。

8、时钟恢复模块：根据参考时钟，提取出信号中的时钟信号。

9、自适应均衡模块：估计接收到的数字信号与本振光源的频率差，并补偿频率偏差。

10、载波相位恢复模块：消除频偏和相移对信号施加的重大相位噪声。

11、数字解调模块：将补偿后的数字信号解映射成比特序列。

12、非线性因子自适应调整模块：对解调信号进行evm计算和判定，如果符合要求则输出信号，如果不符合要求则自适应对非线性因子进行迭代计算，并将计算出的信号输出到色散和非线性补偿模块中。

13、本发明在非线性因子自适应调整模块中提出一种光纤非线性损伤补偿方法，其流程图如图3所示，包括如下步骤：

14、步骤1：首先设定非线性尺度因子k(i)的初始值，迭代索引在开始的时候设置为1。

15、步骤2：将被分成n段的信号进行补偿处理，先进行快速傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号，然后补偿其1/2的色散损伤(线性损伤)，再将其进行傅里叶逆变换转换成时域信号进行非线性损伤的补偿，最后再次进行傅里叶变换得到频域信号，补偿另外的1/2的色散损伤(线性损伤)，完成一段信号的色散损伤和非线性损伤的补偿，对此过程重复n次，最后将频域信号转换为时域信号。

16、步骤3：计算补偿后信号的误差矢量幅度(error vector magnitude,evm)，将其作为代价函数，并通过代价函数的梯度是否小于0来判断代价函数的数值是否最小。

17、步骤4：如果代价函数的梯度不为0，即代价函数值并非最小，执行步骤5；如果代价函数的梯度趋于0，即代价函数值最小，执行步骤6。

18、步骤5：基于adam算法更新非线性尺度因子k(i+1)，其更新式为：k(i+1)＝k(i)-

19、

20、修正值，为的修正值，cf为代价函数evm，mi+1和分别是代价函数的一阶矩和二阶矩，利用adam算法改进的梯度下降算法通过一阶矩和二阶矩的计算提高了算法的自适应和鲁棒性，更新非线性尺度因子k(i+1)后重复步骤1-4。

21、步骤6：已迭代至代价函数值最小的补偿点，寻找到了最佳的非线性因子，循环结束，输出信号。

22、本发明优点及有益效果在于：

23、本发明面向的是相干光传输系统中非线性损伤较大、现有方案补偿不稳定的场景。利用adam算法对dbp算法进行改进，利用evm作为代价函数对adam算法的迭代进行控制，使得在补偿过程中所需的迭代次数减少，降低了系统的复杂度；补偿效果更好，降低了发射机可用的发射功率。相较于传统方案，本发明在相同条件下具有更好的补偿效果、更低的复杂度，在实际应用中，可以降低dsp芯片的功耗，提高运行效率、节省成本。