一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统及补偿方法

1.本发明提出一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统及补偿方法，涉及光纤通信技术散与非线性补偿研究领域。

背景技术：

2.光通信系统中，光信号在光纤中传输会受到损耗、散、非线性等效应的影响，引起信号畸变，导致传输性能下降。采用光放大器可以补偿光纤损耗引起的信号光功率下降，散、非线性损伤成为光信号传输的主要限制因素。业界就光信号传输损伤的补偿方案开展了大量研究，主要包括光域信号处理和电域信号处理两大类。
3.光域信号处理方法主要基于模拟信号处理在光域直接对光信号进行散和非线性损伤补偿，如采用散补偿光纤、光栅等进行散补偿，采用半导体光放大器(soa)、高非线性光纤(hnlf)构造光信号处理方案补偿非线性损伤。光域信号处理方法直接在光域处理，有助于全光组网，并且无需进行光电转换，处理时延低，但是存在补偿能力有限、较为固定、不够灵活的缺点，且技术处于前沿探索阶段，仍需理论和技术突破。
4.伴随相干光通信系统的出现以及在全球的广泛部署，电域信号处理方案成为业界主流，在相干接收机中采用数字信号处理技术(dsp)在数字域对传输损伤进行补偿。在接收端，先将光信号转换为电信号，再通过数模转换器转变为数字信号后被送入到dsp芯片中，通过dsp算法对数字信号进行补偿恢复。对于不同的损伤补偿，只需要在dsp芯片中写入相应的算法即可，通过规模应用可快速降低成本，具有技术灵活度高、成本较低的优点。在目前的单载波100gbit/s及以上的相干光通信系统中，均采用dsp技术对光纤传输损伤进行补偿。见图1所示。
5.实际相干光通信系统应用中，对于同一速率同一编码方式，通常厂商仅生产一种或少量几种光模块/板卡型号来覆盖所有传输距离场景下的需求。对于规模部署中面临的各种传输距离场景，采用同一种固定的算法能力或几档可配置的算法能力来补偿链路传输损伤，往往相比实际传输距离具有一定或较大的dsp算法能力冗余，会导致dsp算力资源的浪费和功耗的增加。另一种解决方案是采用传统的自适应补偿算法估计先验信息的波动。如图2所示，自适补偿部分受到一个反馈信号的控制，这个反馈信号是接收信号在进行载波恢复后，经过某种代价函数计算得到的一个对波动的先验信息的调整信号，经过n次迭代最终得到最优值。但是，该方案需要多次计算代价函数进行迭代，高计算复杂度会给dsp芯片的性能带来巨大的挑战，同时也增加了芯片的功耗和成本，并且由于收敛时间较长，主要面向业务开通场景。

技术实现要素：

6.针对面对网络部署中同一规格相干光模块或板卡实际应用的传输距离相差较大的场景的问题，本发明提出了一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统及补偿方法。通过在dsp中增加纠错前误码率监测和计算比对功能，对比前后两次纠错前误码率数值以
及设定的纠错前误码率阈值，实现快速调整dsp散和非线性算法补偿程度的功能，使得同一规格相干光模块/板卡尽可能匹配实际链路对dsp算法补偿能力的需求，释放了dsp算力资源、降低了运行功耗。见图3所示。
7.本发明提出一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统架构的示意图，如图4所示，具体为：
8.该系统由第一光模块、第二光模块和数字信号处理模块组成。需要指出的是，此部分仅说明了该系统不同组成部分间的逻辑关系，数字信号处理模块在实际物理实现时，可集成在第二光模块中，也可在光模块外的板卡上。其中：
9.第一光模块：第一光模块中的光发送单元用于发送光信号给第二光模块；
10.第二光模块：第二光模块中的光接收单元通过光接收单元的光电探测器将接收到的由第一光模块发送的光信号转换成电信号，并由数字信号处理模块进行处理。
11.数字信号处理模块：主要由纠错前误码率监测单元、存储单元、计算单元、控制单元、散补偿单元和非线性补偿单元等组成；其中，纠错前误码率监测单元用于监测信号的实时或者固定间隔时间的纠错前误码率值，并将监测到的纠错前误码率值发送给存储单元；存储单元用于存储设置当前散/非线性补偿算法能力和前一次散/非线性补偿算法能力对应的纠错前误码率值以及设定的纠错前误码率阈值，并发送给计算单元；计算单元用于比较前后两次设置散/非线性补偿算法能力后对应的纠错前误码率数值的大小关系，以及设置为当前散/非线性补偿算法能力后的纠错前误码率值与设定的纠错前误码率阈值间的大小关系，并将计算结果发送给控制单元；控制单元用于接收计算单元的结果，根据计算单元结果生成设置散和非线性补偿强度的控制信息，并将该控制信息发送给散补偿单元与非线性补偿单元。散补偿单元与非线性补偿单元根据接收到的由控制单元发送的控制信息，分别配置散和非线性补偿算法的强度。散和非线性补偿算法的强度通过补偿强度因子控制，补偿强度因子作为散补偿算法和/或非线性补偿算法的控制变量，可包括算法补偿的传输距离、算法补偿的步长设置、散/非线性补偿算法中的其他与传输距离相关参数等的调节权重，取值范围为：[0,1]。
[0012]
本发明的优点及有益效果在于：
[0013]
本发明面对网络部署中同一规格相干光模块或板卡实际应用中传输距离相差较大的场景，通过在dsp中增加纠错前误码率监测和计算比对功能，对比前后两次纠错前误码率数值以及设定的纠错前误码率阈值，实现快速调整dsp散和非线性算法的补偿程度的功能，使得同一规格相干光模块/板卡尽可能匹配实际链路对dsp算法补偿能力的需求，释放了dsp算力资源、降低了运行功耗。同时相较于传统自适应补偿算法，本发明仅对dsp散和非线性算法补偿量进行单一方向的增大或减小的配置，大幅降低了计算复杂度和收敛时间，不仅可以应用于业务开局，还支持业务在线运行中的性能调节并具备性能门限预警功能。
附图说明
[0014]
图1是相干光通信系统数字域补偿方案框架图。
[0015]
图2是传统自适应补偿算法原理图。
[0016]
图3是创新光信号传输损伤的自适应数字域补偿方法算法原理图。
[0017]
图4是光信号传输损伤的自适应数字域补偿方法的系统架构示意图。
具体实施方式
[0018]
本发明又提出了一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，该方法可以应用于业务开局，还支持业务在线运行中的性能调节并具备性能门限预警功能，具体步骤如下：
[0019]
应用于业务开局时：
[0020]
步骤1：第一光模块的光发送单元发射中心波长1550nm、速率为56gbit/s的光信号，经光纤信道传输至第二光模块，单段光纤传输链路为80km的标准单模光纤；
[0021]
步骤2：第二光模块的光接收单元通过光电探测单元将接收到的光信号转换成电信号后，发送给数字信号处理模块进行数字域补偿；
[0022]
步骤3：数字信号处理模块的纠错前误码率监测单元监测此时实时纠错前误码率值或者固定间隔时间的纠错前误码率值，并将监测到的纠错前误码率值发送给存储单元；
[0023]
步骤4：存储单元存储设置当前散/非线性补偿算法能力时对应的纠错前误码率值pre-fec ber
now
，存储设置前一次散/非线性补偿算法能力时对应的纠错前误码率值pre-fec ber
last
，以及存储设定的纠错前误码率阈值pre-fec ber
threshold
，并发送给计算单元。考虑存储单元的能力和占据的资源，可以一直存储至全部资源占用后清除存储数值，或者定期/按资源占用比例清除存储数值，或者每一次迭代即替换原有存储资源。
[0024]
步骤5：计算单元比较前后两次设置散/非线性补偿算法能力后对应的纠错前误码率数值间的大小关系，以及设置为当前散/非线性补偿算法能力后的纠错前误码率值与设定的纠错前误码率阈值间的大小关系，并将计算结果发送给控制单元。计算大小关系可采用减法器。
[0025]
步骤6：控制单元用于接收计算单元的结果，根据计算单元结果生成设置散和非线性补偿强度的控制信息，即散补偿强度因子a与非线性补偿强度因子b，a、b初始值均为1，并将该控制信息发送给散补偿单元与非线性补偿单元。若监测到的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值，如监测到的纠错前误码率值为pre-fec ber
now
＝5e-5(5e-5是5
×
10-5，科学计数法)、设定的纠错前误码率阈值为pre-fec ber
threshold
＝2.4e-2、调整后的散/非线性算法补偿能力对应的下一次纠错前误码率值pre-fec ber
next
＝4e-2，则减小散和非线性补偿强度，生成对应的控制信息，即减小补偿强度因子a、b,并发送给散补偿单元与非线性补偿单元进行调整；若监测到的调整后的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值、并且大于调整前的纠错前误码率值，如监测到的调整前的纠错前误码率值为pre-fec ber
now
＝5e-5、设定的纠错前误码率阈值为ptr-frc brt
threshold
＝2.4e-2、调整后的散/非线性算法补偿能力对应的下一次纠错前误码率值pre-fec ber
next
＝5e-4，则继续减小散和非线性补偿强度，即继续减小补偿强度因子a、b；若监测到的调整后的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值、并且小于调整前的纠错前误码率值，如监测到的调整前的纠错前误码率值为pre-fec ber
now
＝5e-5、设定的纠错前误码率阈值为pre-fec ber
threshold
＝2.4e-2、调整后的散/非线性算法补偿能力对应的下一次纠错前误码率值pre-fec ber
next
＝5e-6，说明调整参数与预期结果相反，将参数进行反方向配置，即增大补偿强度因子a、b；若监测到的调整后的纠错前误码率值大于设定的纠错前误码率阈值，如
ber
now
＝5e-5、设定的纠错前误码率阈值为pre-fec ber
threshold
＝2.4e-2、调整后的散/非线性算法补偿能力对应的下一次纠错前误码率值pre-fec ber
next
＝5e-6，说明调整参数与预期结果相反，将参数进行反方向配置，即增大补偿强度因子a、b；若监测到的调整后的纠错前误码率值大于设定的纠错前误码率阈值，如监测到的监测到的调整后的纠错前误码率值为pre-fec ber
now
＝3e-2、设定的纠错前误码率阈值为pre-fec ber
threshold
＝2.4e-2、调整后的散/非线性算法补偿能力对应的下一次纠错前误码率值pre-fec ber
next
＝4e-2，则恢复配置至调整前的散和非线性补偿强度，保留一定余量，即补偿强度因子恢复成比调整前的a、b略大；或者保持调整后的散和非线性补偿强度，不再继续减小散和非线性补偿强度，即补偿强度因子a、b不变。可根据设定规则，在监测到纠错前误码率达到一定数值时，向管控系统上报告警信息。
[0035]
步骤7：散补偿单元与非线性补偿单元根据接收到的由控制单元发送的控制信息——补偿强度因子，分别配置散和非线性补偿算法的能力和强度。可同时改变散和非线性补偿强度，或仅改变散补偿强度，或仅改变非线性补偿强度。
[0036]
步骤8：若传输链路、设备发生故障等情形，需要光模块/板卡掉电重启时，则数字信号处理模块中的散补偿单元与非线性补偿单元、存储单元等该方案中涉及到的动态调整单元均恢复为初始状态，散补偿算法强度因子和非线性补偿算法强度因子都重置为1，再根据后续上电后新的运行状态重复上述步骤进行散和非线性补偿强度调整。

技术特征：

1.一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统，其特征在于，具体为：该系统由第一光模块、第二光模块和数字信号处理模块组成；其中，第一光模块中的光发送单元用于发送光信号给第二光模块；第二光模块中的光接收单元通过光接收单元的光电探测器将接收到的由第一光模块发送的光信号转换成电信号，并由数字信号处理模块进行处理；数字信号处理模块的纠错前误码率监测单元监测此时实时纠错前误码率值或者固定间隔时间的纠错前误码率值，并将监测到的纠错前误码率值发送给存储单元。2.根据权利要求1所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统，其特征在于：数字信号处理模块由纠错前误码率监测单元、存储单元、计算单元、控制单元、散补偿单元和非线性补偿单元组成；其中，纠错前误码率监测单元用于监测信号的实时或者固定间隔时间的纠错前误码率值，并将监测到的纠错前误码率值发送给存储单元；存储单元用于存储设置当前散/非线性补偿算法能力和前一次散/非线性补偿算法能力对应的纠错前误码率值以及设定的纠错前误码率阈值，并发送给计算单元；计算单元用于比较前后两次设置散/非线性补偿算法能力后对应的纠错前误码率数值的大小关系，以及设置为当前散/非线性补偿算法能力后的纠错前误码率值与设定的纠错前误码率阈值间的大小关系，并将计算结果发送给控制单元；控制单元用于接收计算单元的结果，根据计算单元结果生成设置散和非线性补偿强度的控制信息，并将该控制信息发送给散补偿单元与非线性补偿单元；散补偿单元与非线性补偿单元根据接收到的由控制单元发送的控制信息，分别配置散和非线性补偿算法的强度；散和非线性补偿算法的强度通过补偿强度因子控制，补偿强度因子作为散补偿算法和/或非线性补偿算法的控制变量，包括算法补偿的传输距离、算法补偿的步长设置、散/非线性补偿算法中的其他与传输距离相关参数的调节权重。3.一种根据权利要求1-2任一项所述的光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：应用于业务开局时：步骤1：第一光模块的光发送单元发射光信号，经光纤信道传输至第二光模块，单段光纤传输链路为标准单模光纤；步骤2：第二光模块的光接收单元通过光电探测单元将接收到的光信号转换成电信号后，发送给数字信号处理模块进行数字域补偿；步骤3：数字信号处理模块的纠错前误码率监测单元监测此时实时纠错前误码率值或者固定间隔时间的纠错前误码率值，并将监测到的纠错前误码率值发送给存储单元；步骤4：存储单元存储设置当前散/非线性补偿算法能力时对应的纠错前误码率值pre-fec ber
now
，存储设置前一次散/非线性补偿算法能力时对应的纠错前误码率值pre-fec ber
last
，以及存储设定的纠错前误码率阈值pre-fec ber
threshold
，并发送给计算单元；步骤5：计算单元比较前后两次设置散/非线性补偿算法能力后对应的纠错前误码率数值间的大小关系，以及设置为当前散/非线性补偿算法能力后的纠错前误码率值与设定的纠错前误码率阈值间的大小关系，并将计算结果发送给控制单元；步骤6：控制单元用于接收计算单元的结果，根据计算单元结果生成设置散和非线性补偿强度的控制信息，即散补偿强度因子a与非线性补偿强度因子b，a、b初始值均为1，并将控制信息发送给散补偿单元与非线性补偿单元；步骤7：散补偿单元与非线性补偿单元根据接收到的由控制单元发送的控制信息即
补偿强度因子，分别配置散和非线性补偿算法的能力和强度；同时改变散和非线性补偿强度，或仅改变散补偿强度，或仅改变非线性补偿强度；步骤8：若传输链路或设备发生故障，需要光模块/板卡掉电重启时，则数字信号处理模块中的散补偿单元与非线性补偿单元、存储单元均恢复为初始状态，散补偿算法强度因子和非线性补偿算法强度因子都重置为1，再根据后续上电后新的运行状态重复上述步骤进行散和非线性补偿强度调整。4.根据权利要求3所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值，则减小散和非线性补偿强度，生成对应的控制信息，即减小补偿强度因子a、b,并发送给散补偿单元与非线性补偿单元进行调整。5.根据权利要求3所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的调整后的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值、并且大于调整前的纠错前误码率值；则继续减小散和非线性补偿强度，即继续减小补偿强度因子a、b。6.根据权利要求3所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的调整后的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值、并且小于调整前的纠错前误码率值；说明调整参数与预期结果相反，将参数进行反方向配置，即增大补偿强度因子a、b。7.根据权利要求3所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的调整后的纠错前误码率值大于设定的纠错前误码率阈值；则恢复配置至调整前的散和非线性补偿强度，且保留一定余量，即补偿强度因子恢复成比调整前的a、b大；或者保持调整后的散和非线性补偿强度，不再继续减小散和非线性补偿强度，即补偿强度因子a、b不变。8.一种根据权利要求1-2任一项所述的光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：应用于业务在线运行时：步骤1：第一光模块的光发送单元发射光信号，经光纤信道传输至第二光模块，单段光纤传输链路为标准单模光纤；步骤2：第二光模块的光接收单元通过光电探测单元将接收到的光信号转换成电信号后，发送给数字信号处理模块进行数字域补偿；步骤3：数字信号处理模块的纠错前误码率监测单元监测此时实时纠错前误码率值或者固定间隔时间的纠错前误码率值，并将监测到的纠错前误码率值发送给存储单元；步骤4：存储单元存储设置当前散/非线性补偿算法能力时对应的纠错前误码率值pre-fec ber
now
，存储设置前一次散/非线性补偿算法能力时对应的纠错前误码率值pre-fec ber
last
，以及存储设定的纠错前误码率阈值pre-fec ber
threshold
，并发送给计算单元；步骤5：计算单元比较前后两次设置散/非线性补偿算法能力后对应的纠错前误码率数值间的大小关系，以及设置为当前散/非线性补偿算法能力后的纠错前误码率值与设定的纠错前误码率阈值间的大小关系，并将计算结果发送给控制单元；计算大小关系采用减法器；步骤6：控制单元用于接收计算单元的结果，根据计算单元结果生成设置散和非线性
补偿强度的控制信息，即散补偿强度因子a与非线性补偿强度因子b，a、b初始值均为1，并将该控制信息发送给散补偿单元与非线性补偿单元；步骤7：散补偿单元与非线性补偿单元根据接收到的由控制单元发送的控制信息即补偿强度因子，分别配置散和非线性补偿算法的能力和强度；同时改变散和非线性补偿强度，或仅改变散补偿强度，或仅改变非线性补偿强度；步骤8：若传输链路或设备发生故障，需要光模块/板卡掉电重启时，则数字信号处理模块中的散补偿单元与非线性补偿单元、存储单元均恢复为初始状态，散补偿算法强度因子和非线性补偿算法强度因子都重置为1，再根据后续上电后新的运行状态重复上述步骤进行散和非线性补偿强度调整。9.根据权利要求8所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的调整后的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值、并且大于调整前的纠错前误码率值，则继续减小散和非线性补偿强度，即减小补偿强度因子a、b。10.根据权利要求8所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的调整后的纠错前误码率值小于设定的纠错前误码率阈值、并且小于调整前的纠错前误码率值，说明调整参数与预期结果相反，将参数进行反方向配置，即增大补偿强度因子a、b。11.根据权利要求8所述的一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统的补偿方法，其特征在于：在步骤6中，若监测到的调整后的纠错前误码率值大于设定的纠错前误码率阈值，则恢复配置至调整前的散和非线性补偿强度，保留一定余量，即补偿强度因子恢复成比调整前的a、b大；或者保持调整后的散和非线性补偿强度，不再继续减小散和非线性补偿强度，即补偿强度因子a、b不变。

技术总结

本发明提出了一种光信号传输损伤的自适应数字域补偿系统及补偿方法，通过在DSP中增加纠错前误码率监测和计算比对功能，对比前后两次纠错前误码率数值以及设定的纠错前误码率阈值，实现快速调整DSP散和非线性算法补偿程度的功能，使得同一规格相干光模块/板卡尽可能匹配实际链路对DSP算法补偿能力的需求，释放了DSP算力资源、降低了运行功耗。同时相较于传统自适应补偿算法，本发明仅对DSP散和非线性算法补偿量进行单一方向的增大或减小的配置，大幅降低了计算复杂度和收敛时间，不仅可以应用于业务开局，还支持业务在线运行中的性能调节并具备性能门限预警功能。运行中的性能调节并具备性能门限预警功能。运行中的性能调节并具备性能门限预警功能。