基于計算機仿真的光通信偏振復(fù)用系統(tǒng)的ICA解復(fù)用問題研究

楊廣馳

（陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000)

0 引言

傳輸速率的不斷改變，使人們對傳輸容量的需求也變得愈發(fā)強烈。在光纖通信偏振復(fù)用系統(tǒng)中，為了能獲取到更為高效的傳輸速度與更為強大的傳播信號，于是利用交叉型偏振膜的形式來創(chuàng)設(shè)出不同的信道[1]。這個信道是由2個分別獨立存在的信道而組成，擁有獨立的容量，卻將個體交互到一起，從而形成2個傳輸不同的信號，也實現(xiàn)了加大傳輸容量的目的。但由于雙折射效應(yīng)的存在，使這2個獨立信道會受到偏振模色散（polarization mode dispersion，PMD）和偏振相關(guān)損耗(polarization dependent loss，PDL)等因素的影響，而這種破壞性的影響會直接到傳輸本身[2]。因此2個相對獨立的傳輸通道受到阻礙，傳輸性能就此產(chǎn)生了“異化”性，這種“異化”性表現(xiàn)為傳輸能力的弱化。因此，偏振復(fù)用技術(shù)的實用性，以及由它所產(chǎn)生的價值性，如何從輸出信號中分離出源信號，這對于計算機技術(shù)層面發(fā)展而言，又將是一項新的挑戰(zhàn)[3]。

對于PMD，盡管它實現(xiàn)了偏振模式散補償系統(tǒng)的一部分功能，但這種補償性仍帶有極大的局限性。特別是在實際應(yīng)用過程中，這種性能差異會愈發(fā)的明顯。對于PDL，由它所引發(fā)的偏振之路間的功率差異性變得更為明顯，這種差異性的產(chǎn)生，不僅影響了振幅的平穩(wěn)，還使2個通道之間的正交性變得躁動且弱化，從而直接削弱了偏振模塑展補償系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和交互性。如果想要以PDL與PMD相結(jié)合的方式作為解決此問題的一個策略，而結(jié)果表明，這樣的決定方式并不能完全解決問題，因為它會增長通信系統(tǒng)中的誤碼率，甚至嚴(yán)重時直接會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓[4]。本文采用獨立分量分析（independent component analysis，ICA）算法[5]對偏振復(fù)用系統(tǒng)的接收端進行解復(fù)用，通過采用信號通道獨立建設(shè)的方法來形成多維度的目標(biāo)體系，使其能夠精準(zhǔn)地將源信號進行合理性分離。并結(jié)合基于負(fù)熵最大化的不動點復(fù)數(shù)這種策略方式以此來證明計算機仿真技術(shù)的可行性。

1 ICA解復(fù)用

1.1 ICA算法

ICA并非一個單純的概念可以進行文字性定義，假設(shè)s=[s1，s2，…，sn]T表示n個未知的源信號，x=[x1，x2，…，xm]T表示m個觀測到的混合信號，且m≥n；設(shè)置A為系統(tǒng)未知的混合矩陣，則x=As。此式就是一個ICA的模型，由這個模型所產(chǎn)生的觀測信號能夠作為研究的初始量被加以運用。利用ICA算法，可以精準(zhǔn)得到預(yù)估的源信號值，而在這一過程中，信號的發(fā)出完全要依據(jù)混合矩陣的方式進行合理性預(yù)算[5]，并找到一個分離矩陣W，需滿足y = Wx=WAs，其中，y為源信號S的估計值，這個數(shù)值的產(chǎn)生完全依據(jù)上述推算的可能性來進行，它是一種策略方式的采用。在這里，y中的各個分量之間是作為個體數(shù)值而存在的，它們的關(guān)系性好比是“獨立包裝”一般，以個體的形式存在，存在的方式是以個體獨立的方式來進行，則y就是S的近似估計。

1.2 基于負(fù)熵最大化的不動點復(fù)數(shù)ICA算法

關(guān)于偏振復(fù)用系統(tǒng)，它的存在方式變得更為復(fù)雜一些，但如果將其納入合理的范疇中去進行分析，則會發(fā)現(xiàn)它的存在方式更具獨立性，能夠有效地將復(fù)數(shù)信號分離開，而這個分離化的過程也是它優(yōu)越性的顯現(xiàn)。基于負(fù)熵最大化的不動點復(fù)數(shù)ICA算法在這時變得更為強大，它的存在方式將取締傳統(tǒng)的代價函數(shù)和源信號分布，它無論是以計算機方向的發(fā)展，還是人們生活需求的增長相匹配，且它的性能極其強大，即便是將信號進行分離，也能夠獲得完整的信息鏈條，而不會影響到信號的傳輸效果。

基于負(fù)熵最大化的不動點復(fù)數(shù)ICA算法總結(jié)如下[6]：

步驟1 白化處理觀測信號數(shù)據(jù)x，得到z=Vx，并初始化矩陣wk，k=1，…，n；

步驟2 根據(jù)更新；

步驟3 利用W←（WWH）-1/2W，正則化W；

步驟4 若W尚未收斂返回步驟2；

步驟5 根據(jù)y=WHx估計源信號[7]。

2 計算機仿真結(jié)果

在此文中所要探討的核心內(nèi)容就是偏振復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的使用問題，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在所設(shè)計的結(jié)構(gòu)中，重點部分被放置到了發(fā)送端，這個重點部分是由2個集成QPSK信號發(fā)送模塊組成。每個模塊均包含了電路信號系統(tǒng)，并以獨立的形式存在，將所要傳輸?shù)膹?fù)數(shù)信號內(nèi)容清晰地進行劃分，從而形成2個支路。

圖1 偏振復(fù)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

接收部分能精準(zhǔn)地把握偏振態(tài)的復(fù)振幅度和振態(tài)頻次[8]，具體接收結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，偏振分束器（polarization beam splitter，PBS）會將信號進行分離，并將其歸納到X偏振光中。隨后，偏振器又將本振光設(shè)定為Y值，這樣就形成了XY正交方向的偏振光，這2組信號值會以交錯的形式出現(xiàn)，并混頻。再經(jīng)BPD得到分量IPD1～IPD4，可用公式表示為[9]

圖2 相干接收結(jié)構(gòu)

式中：Ix為X方向偏振光；Iy為Y方向偏振光，j為色散系數(shù)。

采用該方法將使傳輸變得更為順暢，它能消除信號中所存在的一些干擾項，并且還能在傳輸?shù)恼麄€過程中，將錯誤的分析代碼進行去除，從而計算出誤碼率。仿真過程使用的參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

星座圖對比如圖3所示，對解復(fù)用及進行解復(fù)用它們之間的比較可以看出，在3種不同情況下，原始信號星圖產(chǎn)生了不同的差異性，這種差異性的顯現(xiàn)充分說明了在不同參數(shù)信號傳播的過程中，所得到的圖樣也是完全不同的。在這個圖中可以看到，利用ICA算法偏振解復(fù)用后的星座圖清晰度更高一些，并且在分布的過程中是較為均勻的狀態(tài)，每個圖像因素均能夠清晰可辨。圖中顯示，它的信號星圖各自分布在4個相位。對比圖3（b）和圖3（c）可知，采用ICA算法對于有效地排除掉信道之中的干擾因素，起到了很好的作用效果。

圖3 星座圖對比

眼圖對比如圖4所示，對比了未進行解復(fù)用和進行解復(fù)用，以及相位估計2種情況下2路信號的眼圖。在這2幅圖例中可以明顯看到它們之間的區(qū)別性，它也充分顯現(xiàn)出了該系統(tǒng)作用方式的一種優(yōu)越性能。其中圖4（a）和圖4（b）為未解復(fù)用的兩路分量的眼圖，圖4（c）和圖4（d）為解復(fù)用之后的分量眼圖，通過對2幅圖之間的對比會發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過解復(fù)用和相位估計后的星座圖發(fā)生了明顯改變，圖像內(nèi)容變得更為清晰，它的張力闊度及傳輸質(zhì)量均優(yōu)于前面圖片中所顯示的結(jié)果。由此表明這種傳輸質(zhì)量的提升不僅有效地增強了計算機仿真供通信偏振復(fù)用系統(tǒng)的效能性，也由此奠定了其使用的價值性。而未進行解復(fù)用的眼圖信號存在明顯的缺陷性，不僅圖像存在著較為嚴(yán)重的失真狀態(tài)，并且它的清晰度和擴展度均具有很明顯的局限性，這也說明了ICA算法在消除串?dāng)_方面的作用性是較為明顯的。

圖4 眼圖對比

3 加入噪聲后的性能分析

噪聲的干擾性在實際應(yīng)用中不容忽視，如果未能做到有效的降噪，在使用的過程中會直接會影響到傳輸?shù)男ЧＵ`碼率隨信噪比的變化曲線如圖5所示，利用此變化曲線可以清晰地看到誤碼率的變化趨勢，從而有效地減少噪聲的出現(xiàn)。且可以得到當(dāng)信噪比為20.89 dB時誤碼率小于，是符合通信系統(tǒng)的要求。信噪比為20.89 dB時的信號星座圖和信號眼圖分別如圖6和圖7所示，可見，盡管噪聲在某些程度上干擾了信號的傳輸性，但它依舊可以保持正常的通信，而不必過慮的擔(dān)憂。由此看來，它的穩(wěn)定性能還是比較強大的。

圖5 誤碼率隨信噪比的變化曲線

圖6 信噪比為20.89 dB時的信號星座圖

圖7 信噪比為20.89 dB時的信號眼圖

4 結(jié)語

本文通過將ICA算法應(yīng)用到偏振復(fù)用系統(tǒng)的解復(fù)用中，以及在此基礎(chǔ)上結(jié)合負(fù)熵最大化的不動點復(fù)數(shù)，從而實現(xiàn)了計算機仿真光通信的穩(wěn)定性能。在這個過程中，它利用將信號傳輸?shù)膫€體進行獨立的方式，做到了將信號進行穩(wěn)定性分離，這樣不僅能有效提升傳輸?shù)乃俣龋材苁箓鬏數(shù)木珳?zhǔn)性得到有效的保障，這在計算機仿真光通信應(yīng)用技術(shù)中將是一個不小的進步。它不僅有效地改善了仿真光傳輸系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性能，也使操作系統(tǒng)變得更為簡易與快捷，使用者更為方便。可以說它的應(yīng)用性具有明顯的優(yōu)勢，值得推廣。