[发明专利]一种基于卡尔曼滤波的偏振态快速跟踪监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及相干光通信系统中的偏振态跟踪监测以及解偏振方法。

背景技术

随着全球宽带数据业务的快速增长，数据信息传送量激增，现有的强度调制直接监测(intensity modulation/direct detection，IM/DD)光通信系统已经不能满足日益增长的需求。新一代的光通信系统往往采用如图1所示的结构，将高阶调制与偏振复用(PDM)相结合以获得高的频谱效率，使用数字信号处理的方法补偿光纤色散、解偏振态、补偿频偏、恢复载波相位等。其中解偏振算法是新一代光通信系统中必不可少的核心算法，尤其在长距离传输光通信系统中，光纤链路受到的外界干扰因素极多，往往会造成随机双折射引起的高频偏振态变化，使偏振态混叠而无法分辨接收信号的星座点，因此需要一种可以快速跟踪的算法进行解偏振态，同时在突发短距离传输中，仪器测量环境中往往需要对偏振态进行快速收敛的跟踪和监测。

目前最常被提及的解偏振算法有恒模算法(constant modulus algorithm，CMA)/多模算法(multimodulus algorithms，MMA)，但是这些算法在10^-3误码率对应的光信噪比(optical signal to noise ratio，OSNR)下，所能解偏的极限偏振态旋转速率较低，接近1Mrad/s，并且其实现代价往往较大。除此以外，独立分量分析法(independent component analysis，ICA)，斯托克斯空间法(Stokes space)，直接检测最小均方法(decision-directed least mean square，DD-LMS)也是解偏算法研究的热点，然而这些方法有其共同的缺点：往往只突出收敛速度、收敛精度和计算量三方面中某一项，而忽略其他方面。本发明所提出的基于卡尔曼滤波的偏振态跟踪和均衡算法不仅所能解偏的极限偏振旋转速率是CMA/MMA算法的将近100倍，在100个点内就可以收敛到适当的估计值，而且能够实现比CMA/MMA小的多的解偏代价，同时易于建立模型，以应用到偏振态跟踪监测问题中。

以上所提优点也是卡尔曼滤波器所具有的优点。卡尔曼滤波器是由R.E.Kalman于1960年提出的一种时域滤波器，之后一直不断发展，已经衍生出包括扩展卡尔曼滤波器，无味卡尔曼滤波器等一系列理论，由于其具有收敛速度快、最优估计的特性，被广泛应用于数据融合以及雷达跟踪等领域，近年逐渐有人将这种算法移接到光通信相干接收机中，例如将其运用到频偏估计中，在100个采样点内卡尔曼滤波器就可以达到稳定，并且频偏估计接近理想值。基于卡尔曼滤波的载波相位跟踪方法，基于卡尔曼滤波的偏振态和载波相位跟踪方法也已相继被提出，并已被安捷伦公司申请专利(参见中国专利文献1，公开号CN101931457 A)。安捷伦公司已经提出的卡尔曼偏振态和载波相位跟踪方法，是基于扩展卡尔曼滤波的，它使接收到的偏振态混叠信号收敛到期望的理想星座点，以实现同时解偏和相位估计，但是其非线性测量方程使扩展卡尔曼滤波器的计算量和内存需求大大增加，尤其在处理高阶正交调幅信号，如PDM-16QAM时，需要增加滤波器的测量方程，造成计算量成倍增长；并且由于滤波器要同时解偏和相位均衡，这就需要信号在进入卡尔曼滤波器之前必须进行频偏估计，或者本地振荡与载波之间的频偏接近0，这对于一般的外差探测相干接收机是不容易实现的，尤其是对于高速率高阶QAM调制相干通信系统；此外扩展卡尔曼测量方程由于对相位采用了一阶泰勒近视，因此对相位均衡能力有限，当光通信系统发射端和接收端激光器线宽较大时，基于以上算法的相干光通信系统性能下降严重。综合以上一些缺点，专利文献1提出的基于卡尔曼的信道均衡算法只能应用于一些特定的相干接收环境中，无法得到广泛的普及。而本发明使用线性卡尔曼滤波器实现对信号的偏振态跟踪和均衡，是基于半径的解偏振方法，没有专利文献1中的卡尔曼滤波器的几个主要缺点，在对偏振态跟踪的过程中不受信号频偏和相位噪声的影响，并且比传统的基于卡尔曼的偏振态和载波相位跟踪方法计算量小很多，针对高阶调制方式，也仅仅是增加少量的计算量，可以直接应用于一般的外差探测相干接收机。

发明内容