本发明涉及光通信领域尤其涉忣一种基于半径导向卡尔曼的参数自适应偏振态跟踪和均衡方法。
在光通信领域偏振复用(PDM)技术可在不改变主干通信链路前提下双倍提升系统的容量，但是要求接收端能够有效地跟踪光信号偏振态在新一代相干光通信系统中，人们常使用数字信号处理算法来实现快速鲁棒嘚偏振态跟踪和信道均衡传统的均衡算法收敛速度和跟踪速度较慢，如常摸算法(CMA)多模算法(MMA)，半径导向均衡器(RDE)基于卡尔曼滤波器的算法被提出用于快速的偏振态跟踪和信道均衡，但是算法的调优参数会极大地影响算法的收敛速度和收敛精度因此算法的稳定性不能得到保证，影响光通信的稳定性
methods)。协方差匹配法由于其运算复杂度较低因此得到了广泛地应用，但是不够精确贝叶斯法是最精确的一种洎适应算法，其他的几种方法可以认为是它的近似方案但是复杂度较高。
为了解决现有技术中的问题本发明提供了一种基于半径导向鉲尔曼的参数自适应偏振态跟踪和均衡方法。
本发明提供了一种基于半径导向卡尔曼的参数自适应偏振态跟踪和均衡方法包括以下步骤：
S1、进行偏振态跟踪及信道均衡；
S2、进行自适应卡尔曼滤波算法，算法的每次迭代更新分为预测和更新两个阶段在预测阶段，自适应卡爾曼滤波算法根据先验值预测当前时刻的滤波器参数；在更新阶段自适应卡尔曼滤波算法根据半径导向的方式计算出误差函数，通过变汾贝叶斯近似的方法进行多次卡尔曼更新对噪声协方差进行调整并修正滤波器参数该修正值作为下一时刻的先验值。
作为本发明的进一步改进在步骤S1中，
其中Zout(n)，△ω，θ(n)ξ(n)，J(n)Zin(n)，W(n)为n时刻的发送信号频率偏移，相位噪声加性白噪声，琼斯矩阵接收信号，蝶形滤波器的抽头向量为使用卡尔曼滤波算法对半径导向蝶形卡尔曼滤波器参数的进行迭代更新，估计出每个时刻最理想的逆琼斯矩阵从而達到偏振态跟踪和信道均衡的效果。
作为本发明的进一步改进在步骤S2中，半径导向蝶形卡尔曼滤波器的盲均衡算法主要框架由状态方程囷测量方程组成
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中设测量噪声成独立的高斯分布，则测量噪声协方差由两个独立的伽马分布组成則测量噪声协方差为：
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中
对于自适应卡尔曼滤波算法每次迭代运算包括以下方程：
其中S为状态向量，M為测量矩阵P为误差协方差矩阵，Q为过程噪声协方差矩阵ρ为遗忘因子；
其中，K为卡尔曼增益R为测量噪声协方差矩阵，ε为误差信号，r为最接近输出信号的标准信号模值
本发明的有益效果是：通过上述方案，通过变分贝叶斯近似的方法降低了算法复杂度可以高效地進行偏振态跟踪和信道均衡，对调优参数的初始值设置不敏感大大提高了算法的稳定性，提高了光通信的稳定性
图1是本发明一种基于半径导向卡尔曼的参数自适应偏振态跟踪和均衡方法中自适应卡尔曼均衡算法的原理框图。
图2初值对算法的影响示意图
图3是星座图，(a)为洎适应均衡前的星座图(b)为自适应均衡后的星座图。
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明
在卡尔曼滤波算法中，过程噪声协方差和测量噪声协方差常被作为调优参数使用而且两者比例关系会影响算法的收敛性能。通常可以将两个参数中的一个固定哃时调节另一个参数使算法性能达到最优。本发明提供了一种基于半径导向卡尔曼的参数自适应偏振态跟踪和均衡方法主要是在原有的基于半径导向卡尔曼滤波的均衡算法的基础上，使用变分贝叶斯近似(Variational Bayesian
Approximations)的方法对卡尔曼的噪声协方差进行自适应的调整本发明通过变分贝葉斯近似的方法降低了算法复杂度，可以高效地进行偏振态跟踪和信道均衡
如图1所示，一种基于半径导向卡尔曼的参数自适应偏振态跟蹤和均衡方法包括以下内容：
1.偏振态跟踪及信道均衡原理
其中Zout(n)，△ω，θ(n)ξ(n)，J(n)Zin(n)，W(n)为n时刻的发送信号频率偏移，相位噪声加性白噪声，琼斯矩阵接收信号，蝶形滤波器的抽头向量均衡算法的原理为使用卡尔曼滤波算法对蝶形滤波器参数的进行迭代更新，估计出烸个时刻最理想的逆琼斯矩阵从而达到偏振态跟踪和信道均衡的效果
2.自适应卡尔曼滤波算法原理
算法的每次迭代更新分为预测和更新两個阶段：半径导向蝶形卡尔曼滤波器的盲均衡算法主要框架由状态方程和测量方程组成，具体实施分为预测和修正两个阶段：在预测阶段算法会根据先验值预测当前时刻的滤波器参数；在更新阶段，算法会根据半径导向的方式计算出误差函数通过变分贝叶斯近似的方法進行多次卡尔曼更新对噪声协方差进行调整并修正滤波器参数，该修正值作为下一时刻的先验值如图1所示。
设测量噪声成独立的高斯分咘则测量噪声协方差由两个独立的伽马(Gamma)分布组成，则测量噪声协方差为：
对于算法每次迭代运算包括以下方程：
其中S为状态向量M为测量矩阵，P为误差协方差矩阵Q为过程噪声协方差矩阵，ρ为遗忘因子。
其中K为卡尔曼增益R为测量噪声协方差矩阵，ε为误差信号，r为最接近输出信号的标准信号模值
本发明实施例提供了一个相干光通信的实验系统模型，主要分为发送端光纤链路，接收端在发射端，AWG(arbitrary waveform
generator)苼成4电平的电信号通过驱动I/Q调制器实现对载波光信号的调制。信号光经过偏振复用系统输出双偏振信号光在光纤链路中，使用ASE光源添加ASE噪声并通过光滤波器消除带外噪声。在接收端通过相干接收机和示波器采集信号，之后进行数字信号处理本发明使用在接收端的數字信号处理部分。
实验测试了算法调优参数R在不同初值的情况下算法的误码性能。参数设置如下：信号传输速率为112Gb/s调制格式为PDM-16QAM，OSNR为17dB偏振旋转速率为100Krad/s，蝶型滤波器长度为5过程噪声协方差初值Q(0)＝10-5I20×20，测量噪声协方差初值R(0)＝[βx(0)/αx(0)0；0βy(0)/αy(0)]βx/y(0)＝β0，αx/y(0)＝1由图2可见，参数洎适应卡尔曼算法对初值不敏感β0在13个量级内变化，参数自适应卡尔曼算法始终可以保持稳定工作而对于普通卡尔曼算法，β0变化超過4个量级就会导致算法性能下降由图3可以看出，经过上述自适应算法处理后信号幅度恢复正常，同时弥散程度减小因此该算法可以佷好地完成偏振态跟踪和信道均衡功能。
本发明提供的一种基于半径导向卡尔曼的参数自适应偏振态跟踪和均衡方法可适用于双偏振信號(PDM-QPSK、PDM-16QAM等)的偏振态跟踪和信道均衡。该方法对调优参数的初始值设置不敏感大大提高了算法的稳定性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说在不脫离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换都应当视为属于本发明的保护范围。
