模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法及装置

摘要

本发明提供了一种模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法，所述方法包括S1.对比特信号进行星座调制；S2.对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码；S3.对模式偏振时间编码后的信号进行光调制；S4.对光调制后的信号进行光偏振合束；S5.对光偏振合束后的信号进行模式耦合；S6.对模式耦合信号进行解耦合；S7.对解耦合后的信号进行光偏振分束；S8.对光偏振分束后的信号进行相干解调；S9.对相干解调后的信号进行信道均衡；S10.对信道均衡后的信号进行模式偏振时间译码；S11.对译码后信号进行星座解调。本发明所述方法可以有效抑制传输过程中的模式相关损耗和偏振相关损耗，提升系统性能。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法及装置。 

背景技术

伴随着过去二十年中的指数型容量增长，波分复用成为数据光网络的重要技术形态。形成这种状况的一个重要原因就是持续飞速提升的数据网络流量。然而近期的研究进展表明波分复用光传输的容量增长正在明显减速，而且其系统实验正在快速接近非线性光纤传输的仙农极限。少模光纤中的模分复用技术(Mode Division Multiplexing，简称MDM)是一种崭新的光多输入多输出传输形式，并被人们期待为实现进一步提升光网络容量的重要潜在方案。 

MDM技术是利用光纤各个模式间的正交性，将每一个模式视为独立的信道加载信号，形成多输入多输出(Multiple Input,Multiple Output，简称MIMO)通道，以提高系统传输容量和频谱效率。少模光纤，顾名思义，通过合理设计光纤，只有有限个模式被激励并传输。这样，相比于单模光纤，可以采用MDM技术扩充单根光纤传输容量；相比于多模光纤，可以控制模式个数，优化模式色散和串扰。 

MDM技术虽然被认为是提升光网络容量的重要方法，但是MDM中的模式相关损耗(Mode Dependent Loss，简称MDL)和偏振相关损耗(Polarization Dependent Loss，简称PDL)的存在，不仅使光纤传输过程中其他传输特性发生变化，还给传输系统造成恶化，如传输时偏振态波动导致光信噪比变化，从而导致光功率的变化。它还能导致增益波动，而且接收端补偿器的性能也会受到影响。 

因此，如何提供一种模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方 法，降低模式相关损耗和偏振相关损耗对传输性能所造成的影响成为一个亟待解决的问题。 

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法及装置，降低了模式相关损耗和偏振相关损耗对传输性能所造成的影响。 

第一方面，本发明提供一种模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法，所述方法包括： 

在发送端， 

S1.对比特信号进行星座调制； 

S2.对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码； 

S3.对模式偏振时间编码后的信号进行光调制； 

S4.对光调制后的信号进行光偏振合束； 

S5.对光偏振合束后的信号进行模式耦合后，发送到少模光纤中传进行传输； 

在接收端， 

S6.对所述少模光纤中传输的模式耦合信号进行解耦合； 

S7.对解耦合后的信号进行光偏振分束； 

S8.对光偏振分束后的信号进行相干解调； 

S9.对相干解调后的信号进行信道均衡； 

S10.对信道均衡后的信号进行模式偏振时间译码； 

S11.对模式偏振时间译码后的信号进行星座解调，得到星座解调后的比特信号。 

优选地，所述步骤S2对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码包括： 

对星座调制后的信号进行分组，其中，每4T时间间隔内的信号s₁、s₂、s₃和s₄分为一组，所述s₁为第一信号周期内的信号，所述s₂为第二信号周期内的信号，所述s₃为第三信号周期内的信号，所述s₄为第 四信号周期内的信号； 

所述s₁、s₂、s₃和s₄经过模式偏振时间编码后，成为一个信息矩阵S， 

$S=\left(\begin{array}{cccccccc}{s}_1& -s_2& -s_3& {-s}_4& s_1^{*}& -s_2^{*}& -s_3^{*}& -s_4^{*}\\ s_2& s_1& s_4& -s_3& s_2^{*}& s_1^{*}& s_4^{*}& -s_3^{*}\\ s_3& -s_4& s_1& s_2& s_3^{*}& -s_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\\ s_4& s_3& s_2& s_1& s_4^{*}& s_3^{*}& -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right)$

对于上述信息矩阵S，分别从两个模式的两个偏振共四个信道在八个时间周期进行发射，在第一个信号周期T₁中，模式LP_11a的P_x发射信号s₁，模式LP_11a的P_y发射信号s₂，模式LP_11b的Q_x发射信号s₃，模式LP_11b的Q_y发射信号s₄，在第二个信号周期T₂中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第二列，同理，在第n个信号周期T_n中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第n列，n＝(1,2,3,4,5,6,7,8)；其中，s₁^*为s₁的共轭信号，LP_11a和LP_11b是光纤的两个空间模式，P_x和P_y是模式LP_11a的两个偏振态，Q_x和Q_y是模式LP_11b的两个偏振态。 

优选地，所述步骤S9对相干解调后的信号进行信道均衡包括： 

若相干解调后的信号为r_t，t＝1，2，3，4，分别表示第一个信号周期T₁至第四个信号周期T₄相干解调后的信号，则对相干解调后的信号r_t进行信道均衡包括： 

${\tilde{s}}_t=\Sigma r_t{h}_t^{*}$

其中，表示信号r_t经过信道均衡后的信号，h_t表示信道状态估计系数，t＝1，2，3，4，h_t^*是h_t的共轭，其中，h₁表示从模式LP_11a的P_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₂表示从模式LP_11a的P_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₃表示从模式LP_11b的Q_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₄表示从模式LP_11b的Q_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数。 

优选地，所述步骤S10对信道均衡后的信号进行模式偏振时间译 码包括： 

对信道均衡后的信号t＝1，2，3，4，根据下面公式进行译码，若满足下式，则将译码为s_i： 

$d^2({\tilde{s}}_t,s_i)<d^2({\tilde{s}}_t,s_k)$

其中，s_i为模式LP_11a的P_x偏振、模式LP_11a的P_y偏振、模式LP_11b的Q_x偏振或模式LP_11b的Q_y偏振发射的信号，i取值为1，2，3，4；s_k是预设的阈值信号，i≠k。 

优选地，所述步骤S1对比特信号进行星座调制包括对比特信号进行四相移键控QPSK、八相移键控8PSK、正交幅度调制16QAM或正交幅度调制64QAM的星座调制。 

第二方面，本发明提供一种模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿装置，所述装置包括： 

发送端包括： 

星座调制器，用于对比特信号进行星座调制； 

模式偏振时间编码器，用于对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码； 

光调制器，用于对模式偏振时间编码后的信号进行光调制； 

光偏振合束器，用于对光调制后的信号进行光偏振合束； 

模式耦合器，用于对光偏振合束后的信号进行模式耦合，并将模式耦合后的信号发送到少模光纤中传进行传输； 

接收端包括： 

模式解耦合器，用于对所述少模光纤中传输的模式耦合信号进行解耦合； 

光偏振分束器，用于对解耦合后的信号进行光偏振分束； 

相干解调器，用于对光偏振分束后的信号进行相干解调； 

信道均衡器，用于对相干解调后的信号进行信道均衡； 

模式偏振时间译码器，用于对信道均衡后的信号进行模式偏振时 间译码； 

星座解调器，用于对模式偏振时间译码后的信号进行星座解调，得到星座解调后的比特信号。 

优选地，所述模式偏振时间编码器具体用于： 

对星座调制后的信号进行分组，其中，每4T时间间隔内的信号s₁、s₂、s₃和s₄分为一组，所述s₁为第一信号周期内的信号，所述s₂为第二信号周期内的信号，所述s₃为第三信号周期内的信号，所述s₄为第四信号周期内的信号； 

所述s₁、s₂、s₃和s₄经过模式偏振时间编码后，成为一个信息矩阵S， 

$S=\left(\begin{array}{cccccccc}{s}_1& -s_2& -s_3& {-s}_4& s_1^{*}& -s_2^{*}& -s_3^{*}& -s_4^{*}\\ s_2& s_1& s_4& -s_3& s_2^{*}& s_1^{*}& s_4^{*}& -s_3^{*}\\ s_3& -s_4& s_1& s_2& s_3^{*}& -s_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\\ s_4& s_3& s_2& s_1& s_4^{*}& s_3^{*}& -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right)$

对于上述信息矩阵S，分别从两个模式的两个偏振共四个信道在八个时间周期进行发射，在第一个信号周期T₁中，模式LP_11a的P_x发射信号s₁，模式LP_11a的P_y发射信号s₂，模式LP_11b的Q_x发射信号s₃，模式LP_11b的Q_y发射信号s₄，在第二个信号周期T₂中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第二列，同理，在第n个信号周期T_n中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第n列，n＝(1,2,3,4,5,6,7,8)；其中，s₁^*为s₁的共轭信号，LP_11a和LP_11b是光纤的两个空间模式，P_x和P_y是模式LP_11a的两个偏振态，Q_x和Q_y是模式LP_11b的两个偏振态。 

优选地，所述信道均衡器具体用于： 

若相干解调后的信号为r_t，t＝1，2，3，4，分别表示第一个信号周期T₁至第四个信号周期T₄相干解调后的信号，则对相干解调后的信号r_t进行信道均衡包括： 

${\tilde{s}}_t=\Sigma r_t{h}_t^{*}$

其中，表示信号r_t经过信道均衡后的信号，h_t表示信道状态估计系数，t＝1，2，3，4，h_t^*是h_t的共轭，其中，h₁表示从模式LP_11a的P_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₂表示从模式LP_11a的P_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₃表示从模式LP_11b的Q_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₄表示从模式LP_11b的Q_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数。 

优选地，所述模式偏振时间译码器具体用于： 

对信道均衡后的信号t＝1，2，3，4，根据下面公式进行译码，若满足下式，则将译码为s_i： 

$d^2({\tilde{s}}_t,s_i)<d^2({\tilde{s}}_t,s_k)$

其中，s_i为模式LP_11a的P_x偏振、模式LP_11a的P_y偏振、模式LP_11b的Q_x偏振或模式LP_11b的Q_y偏振发射的信号，i取值为1，2，3，4；s_k是预设的阈值信号，i≠k。 

优选地，所述星座调制器用于对比特信号进行星座调制包括：对比特信号进行四相移键控QPSK、八相移键控8PSK、正交幅度调制16QAM或正交幅度调制64QAM的星座调制。 

由上述技术方案可知，本发明的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法，利用模式偏振时间编码，将模式、偏振传输信号和时间传输信号相结合，保证信号传输在时间上和空间上的正交性，本发明所述方法可以有效抑制传输过程中的模式相关损耗和偏振相关损耗，提升系统性能。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。 

图1是本发明实施例一提供的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法的流程图； 

图2是本发明实施例二提供的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿装置的结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。 

图1示出了本发明实施例一提供的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法的流程图，如图1所示，本实施例的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法如下所述。 

在发送端， 

步骤101：对比特信号进行星座调制。 

步骤102：对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码。 

步骤103：对模式偏振时间编码后的信号进行光调制。 

步骤104：对光调制后的信号进行光偏振合束。 

步骤105：对光偏振合束后的信号进行模式耦合后，发送到少模光纤中传进行传输。 

在接收端， 

步骤106：对所述少模光纤中传输的模式耦合信号进行解耦合。 

步骤107：对解耦合后的信号进行光偏振分束。 

步骤108：对光偏振分束后的信号进行相干解调。 

步骤109：对相干解调后的信号进行信道均衡。 

步骤110：对信道均衡后的信号进行模式偏振时间译码。 

步骤111：对模式偏振时间译码后的信号进行星座解调，得到星座解调后的比特信号。 

其中，所述步骤101对比特信号进行星座调制包括对比特信号进行四相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，简称QPSK)、八相移键控(8Phase Shift Keying，简称8PSK)、16正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，简称16QAM)或64QAM的星座调制。 

其中，所述步骤102对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码包括： 

对星座调制后的信号进行分组，其中，每4T时间间隔内的信号s₁、s₂、s₃和s₄分为一组，所述s₁为第一信号周期内的信号，所述s₂为第二信号周期内的信号，所述s₃为第三信号周期内的信号，所述s₄为第四信号周期内的信号； 

所述s₁、s₂、s₃和s₄经过模式偏振时间编码后，成为一个信息矩阵S， 

$S=\left(\begin{array}{cccccccc}{s}_1& -s_2& -s_3& {-s}_4& s_1^{*}& -s_2^{*}& -s_3^{*}& -s_4^{*}\\ s_2& s_1& s_4& -s_3& s_2^{*}& s_1^{*}& s_4^{*}& -s_3^{*}\\ s_3& -s_4& s_1& s_2& s_3^{*}& -s_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\\ s_4& s_3& s_2& s_1& s_4^{*}& s_3^{*}& -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right)$

对于上述信息矩阵S，分别从两个模式的两个偏振共四个信道在八个时间周期进行发射，在第一个信号周期T₁中，模式LP_11a的P_x发射信号s₁，模式LP_11a的P_y发射信号s₂，模式LP_11b的Q_x发射信号s₃，模式LP_11b的Q_y发射信号s₄，在第二个信号周期T₂中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第二列，同理，在第n个信号周期T_n中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第n列，n＝(1,2,3,4,5,6,7,8)；其中，s₁^*为s₁的共轭信号，LP_11a和LP_11b是光纤的两个空间模式，P_x和P_y是模式LP_11a的两个偏振态，Q_x和Q_y是模式LP_11b的两个偏振态。 

从上面可以看出，原来的信号s₁、s₂、s₃和s₄被编码为一个矩阵S。在传输的矩阵S中，矩阵每一行表示一个发射路径，也就是在光通信中的空间模式LP_11a的两个偏振态P_x、P_y和LP_11b的两个偏振态Q_x、Q_y。在传输的矩阵S中，每一列表示一个信号周期T，每一个矩阵S需要8T时间进行发射。经过模式偏振时间编码的信号将会在不同的时间和空间中同时发射，进行信号的传输。任意两个偏振方向上发射的信号内积为0，所以，在8T时间内任意两路的信号是相互正交的，正是由于这种正交性，保证了模式偏振时间编码可以提供信号的最大分集增益。 

发射的信号加载到不同模式后，经过光调制、光偏振合束和模式耦合，耦合后的信号在少模光纤中传输。在接收端，对所述少模光纤中传输的模式耦合信号进行解耦合，然后对解耦合后的信号进行光偏振分束和相干解调，将光信号转换为电信号后进行信道效应的均衡，最后再进行译码解调处理。 

其中，所述步骤107对相干解调后的信号进行信道均衡包括： 

若相干解调后的信号为r_t，t＝1，2，3，4，分别表示第一个信号周期T₁至第四个信号周期T₄相干解调后的信号，则对相干解调后的信号r_t进行信道均衡包括： 

${\tilde{s}}_t=\Sigma r_t{h}_t^{*}$

其中，表示信号r_t经过信道均衡后的信号，h_t表示信道状态估计系数，t＝1，2，3，4，h_t^*是h_t的共轭，其中，h₁表示从模式LP_11a的P_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₂表示从模式LP_11a的P_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₃表示从模式LP_11b的Q_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₄表示从模式LP_11b的Q_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数。 

其中，h₁、h₂、h₃和h₄可以通过发射端发射训练序列的方式获得。 

其中，所述步骤108对信道均衡后的信号进行模式偏振时间译码 包括： 

对信道均衡后的信号t＝1，2，3，4，根据下面公式进行译码，若满足下式，则将译码为s_i： 

$d^2({\tilde{s}}_t,s_i)<d^2({\tilde{s}}_t,s_k)$

其中，s_i为模式LP_11a的P_x偏振、模式LP_11a的P_y偏振、模式LP_11b的Q_x偏振或模式LP_11b的Q_y偏振发射的信号，i取值为1，2，3，4；s_k是预设的阈值信号，i≠k。 

其中，将分别与s_i求距离，若满足则则将译码为s_i。 

由此，本实施例的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿方法，利用模式偏振时间编码，将模式、偏振传输信号和时间传输信号相结合，保证信号传输在时间上和空间上的正交性，本实施例所述方法可以有效抑制传输过程中的模式相关损耗和偏振相关损耗，提升系统性能。 

图2示出了本发明实施例二提供的模式相关损耗和偏振相关损耗的联合补偿装置的结构示意图，如图2所示，所述装置包括： 

发送端包括： 

星座调制器21，用于对比特信号进行星座调制； 

模式偏振时间编码器22，用于对星座调制后的信号进行模式偏振时间编码； 

光调制器23，用于对模式偏振时间编码后的信号进行光调制； 

光偏振合束器24，用于对光调制后的信号进行光偏振合束； 

模式耦合器25，用于对光偏振合束后的信号进行模式耦合，并将模式耦合后的信号发送到少模光纤中传进行传输； 

接收端包括： 

模式解耦合器26，用于对所述少模光纤中传输的模式耦合信号进 行解耦合； 

光偏振分束器27，用于对解耦合后的信号进行光偏振分束； 

相干解调器28，用于对光偏振分束后的信号进行相干解调； 

信道均衡器29，用于对相干解调后的信号进行信道均衡； 

模式偏振时间译码器290，用于对信道均衡后的信号进行模式偏振时间译码； 

星座解调器291，用于对模式偏振时间译码后的信号进行星座解调，得到星座解调后的比特信号。 

其中，所述模式偏振时间编码器22具体用于： 

对星座调制后的信号进行分组，其中，每4T时间间隔内的信号s₁、s₂、s₃和s₄分为一组，所述s₁为第一信号周期内的信号，所述s₂为第二信号周期内的信号，所述s₃为第三信号周期内的信号，所述s₄为第四信号周期内的信号； 

所述s₁、s₂、s₃和s₄经过模式偏振时间编码后，成为一个信息矩阵S， 

$S=\left(\begin{array}{cccccccc}{s}_1& -s_2& -s_3& {-s}_4& s_1^{*}& -s_2^{*}& -s_3^{*}& -s_4^{*}\\ s_2& s_1& s_4& -s_3& s_2^{*}& s_1^{*}& s_4^{*}& -s_3^{*}\\ s_3& -s_4& s_1& s_2& s_3^{*}& -s_4^{*}& s_1^{*}& s_2^{*}\\ s_4& s_3& s_2& s_1& s_4^{*}& s_3^{*}& -s_2^{*}& s_1^{*}\end{array}\right)$

对于上述信息矩阵S，分别从两个模式的两个偏振共四个信道在八个时间周期进行发射，在第一个信号周期T₁中，模式LP_11a的P_x发射信号s₁，模式LP_11a的P_y发射信号s₂，模式LP_11b的Q_x发射信号s₃，模式LP_11b的Q_y发射信号s₄，在第二个信号周期T₂中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第二列，同理，在第n个信号周期T_n中，模式LP_11a的P_x，P_y，模式LP_11b的Q_x，Q_y依次发射上述矩阵S的第n列，n＝(1,2,3,4,5,6,7,8)；其中，s₁^*为s₁的共轭信号，LP_11a和LP_11b是光纤的两个空间模式，P_x和P_y是模式LP_11a的两个偏振态，Q_x和Q_y是模式LP_11b的两个偏振态。 

其中，所述信道均衡器29具体用于： 

若相干解调后的信号为r_t，t＝1，2，3，4，分别表示第一个信号周期T₁至第四个信号周期T₄相干解调后的信号，则对相干解调后的信号r_t进行信道均衡包括： 

${\tilde{s}}_t=\Sigma r_t{h}_t^{*}$

其中，表示信号r_t经过信道均衡后的信号，h_t表示信道状态估计系数，t＝1，2，3，4，h_t^*是h_t的共轭，其中，h₁表示从模式LP_11a的P_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₂表示从模式LP_11a的P_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₃表示从模式LP_11b的Q_x偏振态发射到接收端的信道状态估计系数，h₄表示从模式LP_11b的Q_y偏振态发射到接收端的信道状态估计系数。 

其中，所述模式偏振时间译码器290具体用于： 

对信道均衡后的信号t＝1，2，3，4，根据下面公式进行译码，若满足下式，则将译码为s_i： 

$d^2({\tilde{s}}_t,s_i)<d^2({\tilde{s}}_t,s_k)$

其中，s_i为模式LP_11a的P_x偏振、模式LP_11a的P_y偏振、模式LP_11b的Q_x偏振或模式LP_11b的Q_y偏振发射的信号，i取值为1，2，3，4；s_k是预设的阈值信号，i≠k。 

其中，所述星座调制器21用于对比特信号进行星座调制包括：对比特信号进行四相移键控QPSK、八相移键控8PSK、正交幅度调制16QAM或正交幅度调制64QAM的星座调制。 

本实施例所述的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。 

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。