CN101359964B - 频率偏移监测装置及光相干接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种频率偏移监测装置及光相干接收机。一种低速频率偏移监测装置包括：信号降速部分，用于降低输入信号的速度，并输出经降速的信号；频率偏移监测器，用于对由所述信号降速部分输出的所述经降速的信号进行频率偏移监测。

Description

频率偏移监测装置及光相干接收机

技术领域

本发明总体上涉及光通信系统中的光相干接收机，更具体地说，本发明涉及一种光相干接收机中的自动频率控制装置和方法。

背景技术

随着对容量、系统灵活性的要求的不断增长，光相干技术再次引起了越来越多的关注。与非相干技术(例如，开关键控(OOK)直接检测、和延迟检测(即，差分相移键控(DPSK)自相干技术))相比，相干技术具有以下优点：与差分检测相比，其可以容忍更差的光信噪比(OSNR)(大约3dB)；可以使用均衡技术来对抗光域中的线性失真；其可以处理诸如正交调幅(QAM)等先进调制方案。

在相干接收机中，一个非常重要的问题是如何恢复载波相位。这可以通过反馈控制(锁相环)或通过前向相位估计来实现。这两种方法都要求载波与本机振荡器之间的频率偏移足够小。这通常通过器件精度规范或通过自动频率控制(AFC)来满足。Francis D.Natali在“AFC trackingalgorithms”，IEEE transactions on communications，Vol.Com-32，No.8August 1984，P935中总结了几种自动频率控制方法。典型的模拟方法是使用模拟导数电路鉴频器的自动频率控制。这在电通信中是常见的，但是这种求导电路在光通信系统中很难实现，这是由于光通信中电信号的带宽通常为～10GHz的量级。典型的数字方法是交叉自动频率控制，但是交叉自动频率控制要求数字信号处理(DSP)的处理速度与模数转换器(ADC)的采样速率一致。在光通信中，该采样速率也为～10GHz的量级，例如40G采样/秒。目前，这样高速的DSP是非常困难的。

图1示出了利用现有技术的交叉自动频率控制的光相干接收机。该光相干接收机包括：本机振荡器103，用于提供本振光信号；光混频器102，用于对光输入101与本振光信号进行混合；第一双光电探测器104和第二双光电探测器105，用于将光混频器的输出光信号转换成基带电信号；自动频率控制部，用于根据该经转换的信号监测光输入101的频率偏移，并且根据该频率偏移控制本机振荡器103输出本振光信号；以及信号处理部106，用于对该经转换的信号进行处理，以获得数据输出。该光相干接收机接收光输入，将该光输入转换成包括同相分量I和正交分量Q的基带电信号，并将其输出给信号处理部106，该信号处理部106对所输入的信号进行处理，以获得数据输出。

该自动频率控制部包括控制逻辑111以及频率偏移监测器109。其中，控制逻辑111根据频率偏移对本机振荡器103的本振光信号的频率进行控制。

光混频器102的第一输入端连接到光输入101，第二输入端与本机振荡器103的输出端相连，光混频器102的第一和第二输出端分别与第一双光电探测器104的第一和第二输入端相连，第三和第四输出端分别与第二双光电探测器105的第一和第二输入端相连，第一双光电探测器104和第二双光电探测器105的输出端分别连接到信号处理部106的第一和第二输入端，并且第一双光电探测器104的输出端还与频率偏移监测器109的第一输入端和第二输入端相连，第二双光电探测器105的输出端还与频率偏移监测器109的第三输入端和第四输入端相连，控制逻辑111的输入端与频率偏移监测器109的输出端118相连，控制逻辑111的输出端与本机振荡器103的输入端相连。

频率偏移监测器109包括：第一延迟器114，用于使经由频率偏移监测器109的第四输入端输入的第四输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第四输入信号；第二延迟器115，用于使经由频率偏移监测器109的第二输入端输入的第二输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第二输入信号；第一乘法器112，用于计算经由频率偏移监测器109的第一输入端输入的第一输入信号与经延迟的第四输入信号的乘积，并输出计算结果；第二乘法器113，用于计算经由频率偏移监测器109的第三输入端输入的第三输入信号与经延迟的第二输入信号的乘积，并输出计算结果；减法器116，用于计算第二乘法器113的计算结果减去第一乘法器112的计算结果的差值，并输出该差值；以及平均器110，用于计算减法器116输出的差值的平均值作为频率偏移监测的结果。第一延迟器114的输入端连接到该频率偏移监测器109的第四输入端，第一延迟器114的输出端连接到第一乘法器112的第二输入端，第二延迟器115的输入端连接到该频率偏移监测器109的第二输入端，第二延迟器115的输出端连接到第二乘法器113的第二输入端，第一乘法器112的第一输入端连接到该频率偏移监测器109的第一输入端，第一乘法器112的输出端连接到减法器116的负输入端，第二乘法器113的第一输入端连接到该频率偏移监测器109的第三输入端，第二乘法器113的输出端连接到减法器116的正输入端，减法器116的输出端连接到平均器110的输入端，平均器110的输出端连接到该频率偏移监测器109的输出端118。

上述装置将接收到的光输入101(例如为s(t)exp(jωt)，其中s(t)为调制基带数据信号，ω为载波频率)和本机振荡器103的本振光信号(例如为exp(jω_Lt)，其中，ω_L是本机振荡器的频率)馈送到光混频器102中。该光混频器102生成第一、第二光信号和第三、第四光信号：S+L、S-L和S+jL、S-jL，其中，S是接收到的光输入101，L是本振光信号。第一双光电探测器104和第二双光电探测器105将这四个光信号转换成两个基带电信号。这两个电基带信号分别为同相信号I 107和正交信号Q 108，并且存在I+jQ＝s(t)exp(jΔωt)，其中，Δω＝ω-ω_L是本机振荡器与载波之间的频率偏移。信号处理部106通过执行模拟或数字载波相位恢复、匹配滤波、数据恢复等，从同相信号I和正交信号Q中恢复数据。这可以在模拟域或数字域中实现。频率偏移监测器109是一个自相关计算器，并且其输出118为：

<-I(t)Q(t-τ)+Q(t)I(t-τ)>

＝Im(<s(t)exp(jΔωt)s^*(t-τ)exp(-jΔωt)exp(jΔωτ)>)          (1)

＝Im(exp(jΔωτ)<s(t)s^*(t-τ)>)

＝sin(Δωτ)<s(t)s^*(t-τ)>

在式(1)中，τ对应延迟器114/115的时延，“<.>”表示取平均，上标*表示复数取共轭。如果信号s(t)的自相关是实数，则该输出118与频率偏移成正比。只要时延比调制信号s(t)的相关时间短，该比例系数就不为0。控制逻辑111和本机振荡器103与通常的相干接收机中所使用的相同。

为了正确地实现式(1)，第一乘法器112、第二乘法器113、第一延迟器114、第二延迟器115、减法器116的速度应在数字域或模拟域中与s(t)的带宽相匹配。在光通信中，s(t)的带宽通常为～10GHz的量级。对于目前的电技术来说，实现这种～10GHz高速器件是困难的。

此外，光信号的频率通常高达200THz，使得经常发生几GHz的频移。无论如何，如此大的频率偏移都对相干系统不利，即使采用锁相环也是如此。

发明内容

为了解决这些问题，本发明提供了一种低速模拟方法和一种简化的数字方法，这两种方法降低了对硬件速度的严格要求。这对于高容量光通信系统来说是非常重要的。

在本发明中使用了自动频率控制，并且提供了模拟域和数字域中的两种自动频率控制装置。

本发明的第一方面提供了一种低速频率偏移监测装置，该低速频率偏移监测装置包括：信号降速部分，用于降低输入信号的速度，并输出经降速的信号；频率偏移监测器，用于对由所述信号降速部分输出的所述经降速的信号进行频率偏移监测。

本发明提供了根据本发明的第一方面的一种可以通过低速电路实现的模拟自动频率监测/控制。

本发明的第二方面提供了根据本发明第一方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述信号降速部分包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，用于对输入信号进行低通滤波，并输出经滤波的信号，并且其中，所述频率偏移监测器包括：第一延迟器，用于使经由所述频率偏移监测器的所述第四输入端输入的第四输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第四输入信号；第二延迟器，用于使经由所述频率偏移监测器的所述第二输入端输入的第二输入信号延迟所述预定时间，并输出经延迟的第二输入信号；第一乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第一输入端输入的第一输入信号与所述经延迟的第四输入信号的乘积，并输出计算结果；第二乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第三输入端输入的第三输入信号与所述经延迟的第二输入信号的乘积，并输出计算结果；减法器，用于计算所述第二乘法器的计算结果减去所述第一乘法器的计算结果的差值，并输出该差值；以及平均器，用于计算所述减法器输出的差值的平均值作为频率偏移监测的结果。

本发明的第三方面提供了根据本发明第二方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述信号降速部分还包括：第一和第二模数转换器，用于将所述经滤波的信号转换成数字信号，并且其中，所述第一模数转换器连接在所述第一低通滤波器的输出端与所述频率偏移监测器的第一输入端和第二输入端之间，所述第二模数转换器连接在所述第二低通滤波器的输出端与所述频率偏移监测器的第三输入端和第四输入端之间。

本发明的第四方面提供了根据本发明第三方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述频率偏移监测器包括：第一延时寄存器，用于使经由所述频率偏移监测器的所述第四输入端输入的第四输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第四输入信号；第二延时寄存器，用于使经由所述频率偏移监测器的所述第二输入端输入的第二输入信号延迟所述预定时间，并输出经延迟的第二输入信号；第一数字乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第一输入端输入的第一输入信号与所述经延迟的第四输入信号的乘积，并输出计算结果；第二数字乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第三输入端输入的第三输入信号与所述经延迟的第二输入信号的乘积，并输出计算结果；数字减法器，用于计算所述第二数字乘法器的计算结果减去所述第一数字乘法器的计算结果的差值，并输出该差值；以及数字平均器，用于计算所述数字减法器输出的差值的平均值作为所述频率偏移监测的结果，其中，所述第一延时寄存器的输入端连接到所述频率偏移监测器的第四输入端，所述第一延时寄存器的输出端连接到所述第一数字乘法器的第二输入端，所述第二延时寄存器的输入端连接到所述频率偏移监测器的第二输入端，所述第二延时寄存器的输出端连接到所述第二数字乘法器的第二输入端，所述第一数字乘法器的第一输入端连接到所述频率偏移监测器的第一输入端，所述第一数字乘法器的输出端连接到所述数字减法器的负输入端，所述第二数字乘法器的第一输入端连接到所述频率偏移监测器的第三输入端，所述第二数字乘法器的输出端连接到所述数字减法器的正输入端，所述数字减法器的输出端连接到所述数字平均器的输入端，所述数字平均器的输出端连接到所述频率偏移监测器的输出端。

根据本发明的第一至第四方面，第一低通滤波器和第二低通滤波器将第一乘法器、第二乘法器、第一延迟器、第二延迟器以及减法器的器件速度从全带减小到该低通滤波器的带宽。同时，监测范围也减小为第一低通滤波器和第二低通滤波器的带宽。

本发明还提供了一种以远低于比特率的速度进行工作的简单的数字频率监视/控制。

本发明的第五方面提供了根据本发明第一方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述信号降速部分包括：第一和第二串行至并行转换器，用于将串行信号转换为并行信号，以降低信号速度。

本发明的第六方面提供了根据本发明第五方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述第一串行至并行转换器和所述第二串行至并行转换器各自的两个连续的并行输出端口连接到所述频率偏移监测器。

本发明的第七方面提供了根据本发明第六方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述信号降速部分还包括：第一到第四数字下采样器，用于进一步降低信号速度，并且其中，所述第一数字下采样器连接在所述第一串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的所述第二并行输出端口与所述频率偏移监测器的第一输入端之间，所述第二数字下采样器连接在所述第二串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的所述第一并行输出端口与所述频率偏移监测器的第二输入端之间，所述第三数字下采样器连接在所述第二串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的所述第二并行输出端口与所述频率偏移监测器的第三输入端之间，所述第四数字下采样器连接在所述第一串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的所述第一并行输出端口与所述频率偏移监测器的第四输入端之间。

本发明的第八方面提供了根据本发明第六方面或第七方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述频率偏移监测器包括：第一乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第一输入端和第二输入端输入的信号的乘积，并输出计算结果；第二乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第三输入端和第四输入端输入的信号的乘积，并输出计算结果；减法器，用于计算所述第一乘法器的计算结果减去所述第二乘法器的计算结果的差值，并输出该差值；以及平均器，用于计算所述减法器输出的差值的平均值作为所述频率偏移监测的结果。

本发明的第九方面提供了根据本发明第五方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述第一串行至并行转换器和所述第二串行至并行转换器各自的四个连续的并行输出端口连接到所述频率偏移监测器。

本发明的第十方面提供了根据本发明第一方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述信号降速部分包括：第一到第六延时寄存器，用于对输入信号进行延时寄存，并且其中，所述第一延时寄存器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第一输入端，并且所述第一延时寄存器的输入端还连接到所述频率偏移监测器的第七输入端，所述第一延时寄存器的输出端连接到所述第二延时寄存器的输入端，并且所述第一延时寄存器的输出端还连接到所述频率偏移监测器的第五输入端，所述第二延时寄存器的输出端连接到所述第三延时寄存器的输入端，并且所述第二延时寄存器的输出端还连接到所述频率偏移监测器的第三输入端，所述第三延时寄存器的输出端连接到所述频率偏移监测器的第一输入端，所述第四延时寄存器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第二输入端，并且所述第四延时寄存器的输入端还连接到所述频率偏移监测器的第八输入端，所述第四延时寄存器的输出端连接到所述第五延时寄存器的输入端，并且所述第四延时寄存器的输出端还连接到所述频率偏移监测器的第六输入端，所述第五延时寄存器的输出端连接到所述第六延时寄存器的输入端，并且所述第五延时寄存器的输出端还连接到所述频率偏移监测器的第四输入端，所述第六延时寄存器的输出端连接到所述频率偏移监测器的第二输入端。

本发明的第十一方面提供了根据本发明第九方面或第十方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述频率偏移监测器包括：第一辐角差计算器，用于计算经由所述频率偏移监测器的第一、第二输入端和第三、第四输入端输入的复数信号的辐角差，并输出计算结果；第二辐角差计算器，用于计算经由所述频率偏移监测器的第三、第四输入端和第五、第六输入端输入的复数信号的辐角差和自相关，并输出计算结果；第三辐角差计算器，用于计算经由所述频率偏移监测器的第五、第六输入端和第七、第八输入端输入的复数信号的辐角差，并输出计算结果；门限值比较器，用于分别将所述第一辐角差计算器、第二辐角差计算器和第三辐角差计算器计算的辐角差与预定的门限值进行比较；以及平均器，用于计算所述第二辐角差计算器输出的自相关的平均值，作为频率偏移监测的结果。

本发明的第十二方面提供了根据本发明第十一方面的低速频率偏移监测装置，其中，当所述第一辐角差计算器、第二辐角差计算器和第三辐角差计算器输出的辐角差的绝对值都小于所述预定的门限值时，所述门限值比较器向所述平均器输出一使能信号，以使所述平均器从所述第二辐角差计算器的所述第二输出端读入所述自相关的计算结果。

本发明的第十三方面提供了根据本发明第十一方面的低速频率偏移监测装置，其中，所述第一到第三辐角差计算器包括：第一乘法器，用于计算经由辐角差计算器的第一输入端输入的第一输入和经由第四输入端输入的第四输入的乘积；第二乘法器，用于计算经由辐角差计算器的第二输入端输入的第二输入和经由第三输入端输入的第三输入的乘积；第三乘法器，用于计算第一输入和第三输入的乘积；第四乘法器，用于计算第二输入和第四输入的乘积；加法器，用于计算第一输入和第三输入的乘积与第二输入和第四输入的乘积的和；减法器，用于计算第一输入和第四输入的乘积减去第二输入和第三输入的乘积的差；以及取辐角器，用于根据加法器和减法器的计算结果来计算辐角差，并且其中，在所述第二辐角差计算器中，所述减法器具有第二输出端，该第二输出端连接到所述第二辐角差计算器的所述第二输出端。

根据本发明的第五方面到第十三方面，由于经所述第一和第二串行至并行转换器转换后的信号的速度比全带信号s(t)低N倍，所以对频率偏移监测中使用的电器件的要求大大降低，从而解决了上述现有技术中的速度问题。

此外，还可以进一步降低对本发明第五方面的频率偏移监测中使用的电器件的要求。在本发明的第七方面中，在本发明的低速频率偏移监测装置的第一和第二串行至并行转换器和频率偏移监测器之间插入数字下采样器，以进一步降低对频率偏移监测的操作速度的要求。

在根据本发明的第五方面到第十三方面的低速频率偏移监测装置中，第一辐角差计算器、第二辐角差计算器和第三辐角差计算器分别计算相邻复数采样信号的辐角差，并将计算结果输出至门限值比较器。门限值比较器将这三个辐角差的绝对值与一门限值进行比较，并判断三个辐角差的绝对值是否同时小于该门限值。如果结果为真(即，可以认为四个连续采样承载了同样的调制信息)，则门限值比较器向平均器输出使能信号，使平均器读入第二辐角差计算器的第二输出；反之，如果结果为假，则门限值比较器不输出使能信号，从而平均器不接收第二辐角差计算器的第二输出。这样做的好处在于：使得用于产生有效第二输出的两个连续采样具有相同的相位调制信息，也就是说，调制器的状态在这两个符号间是不变的，这就避免了由暂态效应等某些不理想因素引起的监测信号的零点偏移。

本发明的第十四方面提供了一种自动频率控制装置，该自动频率控制装置包括：根据本发明第一方面的低速频率偏移监测装置，用于监测输入光信号的频率偏移；以及控制逻辑，该控制逻辑根据所述频率偏移输出控制信号，以对所述频率偏移进行控制。

本发明的第十五方面提供了一种光相干接收机，该光相干接收机包括：根据本发明第十四方面的自动频率控制装置；本机振荡器，用于根据来自所述自动频率控制装置的控制信号提供本振光信号；光混频器，用于对输入光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中所述自动频率控制装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

在本发明第十五方面的光相干接收机中使用的本机振荡器通常是其频率可以通过控制电压进行控制的压控振荡器(VCO)，但是也可以使用其它的方式来实现该光频率控制。

本发明还提供了使用光移频器取代标准的压控振荡器(VCO)的光相干接收机。

本发明的第十六方面提供了一种光相干接收机，该光相干接收机包括：根据本发明第十四方面的自动频率控制装置；本机振荡器，用于提供本振光信号；第一光移频器，用于根据来自所述自动频率控制装置的第一控制信号对所述本振光信号进行移频；第二光移频器，用于对输入光信号进行移频；光混频器，用于对经移频的所述输入光信号与经移频的所述本振光信号进行混合；第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中所述自动频率控制装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

本发明的第十七方面提供了一种光相干接收机，该光相干接收机包括：根据本发明第十四方面的自动频率控制装置；本机振荡器，用于提供本振光信号；光移频器，用于根据来自所述自动频率控制装置的控制信号对所述本振光信号进行移频；光混频器，用于对输入光信号与经移频的所述本振光信号进行混合；第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中所述自动频率控制装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

本发明的第十八方面提供了一种光相干接收机，该光相干接收机包括：根据本发明第十四方面的自动频率控制装置；本机振荡器，用于提供本振光信号；光移频器，用于根据来自所述自动频率控制装置的控制信号对所述输入光信号进行移频；光混频器，用于对经移频的所述输入光信号与所述本振光信号进行混合；第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中所述自动频率控制装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

本发明的第十九方面提供了一种根据本发明第十五方面到第十八方面中的任意一项的光相干接收机，该光相干接收机还包括：第一和第二模数转换器，分别用于将所述第一和第二双光电探测器输出的基带电信号转换成数字信号，其中所述第一和第二模数转换器分别连接在所述第一和第二双光电探测器与所述自动频率控制装置之间。

本发明的第二十方面还提供了一种低速频率偏移监测方法，该低速频率偏移监测方法包括：降低输入信号的速度，并输出经降速的信号；对所述经降速的信号进行频率偏移监测。

附图说明

所包含的附图用于提供对本发明的进一步理解，附图被并入说明书并构成说明书的一部分，附图说明了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1示出了利用现有技术的交叉自动频率控制的光相干接收机；

图2示出了利用本发明的可以通过低速电路来实现的模拟交叉自动频率控制的光相干接收机；

图3示出了交叉自动频率控制的组合了模拟和数字技术的另一种实现方式；

图4示出了利用本发明的可以通过速度远低于现有技术的DSP来实现的数字交叉自动频率控制的光相干接收机；

图5示出了图4的处理速度进一步降低的另一种实现方式；

图6表示具有采样信号选择功能的频率偏移监测器；

图7表示在如图6所示的频率偏移监测器中使用的辐角差计算器的结构；

图8表示获取连续四个采样信号的延时寄存结构；

图9示出了本发明的通过光移频器而不是普通VCO技术来实现的光频率控制。

具体实施方式

本发明的主要目的是克服上述现有技术中的速度问题，下面将参照附图详细描述本发明的实施例。

图2示出了利用本发明的可以通过低速电路来实现的模拟交叉自动频率控制的光相干接收机。

图2中所示的光相干接收机的结构与图1所示的结构相似，并且使用与图1中所示相同的标号来表示与图1中相同或相似的组件。在图2中，除了图1所示结构中的那些组件以外，还添加了两个低通滤波器(LPF)，第一低通滤波器201和第二低通滤波器202，并且频率偏移监测器209计算经低通滤波的信号207和208的自相关，而不是计算全带信号(即，同相信号I 107和正交信号Q 108)的自相关。

与现有技术的图1所示的结构相似，图2所示的光相干接收机包括：本机振荡器103，用于提供本振光信号；光混频器102，用于对光输入101与本振光信号进行混合；第一双光电探测器104和第二双光电探测器105，用于将光混频器的输出光信号转换成基带电信号；自动频率控制部，用于根据该经转换的信号监测光输入101的频率偏移，并且根据该频率偏移控制本机振荡器103输出本振光信号；以及信号处理部106，用于对该经转换的信号进行处理，以获得数据输出。该光相干接收机接收光输入，将该光输入转换成两个基带电信号，并将这两个基带电信号输出给信号处理部106，该信号处理部106通过执行模拟或数字载波相位恢复、匹配滤波、数据恢复等，对所输入的信号进行处理，以获得数据输出。

该自动频率控制部包括控制逻辑111和低速模拟频率偏移监测部分。其中，该控制逻辑111根据频率偏移对本机振荡器103的本振光信号的频率进行控制。

光混频器102的第一输入端连接到光输入101，第二输入端与本机振荡器103的输出端相连，光混频器102的第一和第二输出端分别与第一双光电探测器104的第一和第二输入端相连，第三和第四输出端分别与第二双光电探测器105的第一和第二输入端相连，第一双光电探测器104和第二双光电探测器105的输出端107和108分别连接到信号处理部106的第一和第二输入端，并且第一双光电探测器104的输出端还连接到该低速模拟频率偏移监测部分的第一输入端，第二双光电探测器105的输出端还连接到该低速模拟频率偏移监测部分的第二输入端，控制逻辑111的输入端与低速模拟频率偏移监测部分的输出端相连，控制逻辑111的输出端与本机振荡器103的输入端相连。

该低速模拟频率偏移监测部分包括：第一低通滤波器201和第二低通滤波器202，分别用于对第一双光电探测器104和第二双光电探测器105的输出进行低通滤波；以及频率偏移监测器209，用于根据由第一低通滤波器201和第二低通滤波器202输出的经滤波的信号来进行频率偏移监测。第一低通滤波器201的输入端连接到该低速模拟频率偏移监测部分的第一输入端，第一低通滤波器201的输出端连接到频率偏移监测器209的第一输入端和第二输入端，第二低通滤波器202的输入端连接到该低速模拟频率偏移监测部分的第二输入端，第二低通滤波器202的输出端连接到频率偏移监测器209的第三输入端和第四输入端，频率偏移监测器209的输出端118连接到该低速模拟频率偏移监测部分的输出端。

频率偏移监测器209的结构与图1中所示的频率偏移监测器109的结构基本相同。如图2所示，频率偏移监测器209包括：第一延迟器114，用于使经由频率偏移监测器209的第四输入端输入的第四输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第四输入信号；第二延迟器115，用于使经由频率偏移监测器209的第二输入端输入的第二输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第二输入信号；第一乘法器112，用于计算经由频率偏移监测器209的第一输入端输入的第一输入信号与经延迟的第四输入信号的乘积，并输出计算结果；第二乘法器113，用于计算经由频率偏移监测器209的第三输入端输入的第三输入信号与经延迟的第二输入信号的乘积，并输出计算结果；减法器116，用于计算第二乘法器113的计算结果减去第一乘法器112的计算结果的差值，并输出该差值；以及平均器110，用于计算减法器116输出的差值的平均值作为频率偏移监测的结果。第一延迟器114的输入端连接到该频率偏移监测器209的第四输入端，第一延迟器114的输出端连接到第一乘法器112的第二输入端，第二延迟器115的输入端连接到该频率偏移监测器209的第二输入端，第二延迟器115的输出端连接到第二乘法器113的第二输入端，第一乘法器112的第一输入端连接到该频率偏移监测器209的第一输入端，第一乘法器112的输出端连接到减法器116的负输入端，第二乘法器113的第一输入端连接到该频率偏移监测器209的第三输入端，第二乘法器113的输出端连接到减法器116的正输入端，减法器116的输出端连接到平均器110的输入端，平均器110的输出端连接到该频率偏移监测器209的输出端118。

假设第一低通滤波器201和第二低通滤波器202的脉冲响应为h(t)，则经滤波的复数信号是输入信号107/108和脉冲响应h(t)的卷积，可以表示为：

$s\left(t\right)\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)\&CircleTimes;h\left(t\right)$

$=\&Integral;s(t-u)\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)\exp (-\mathrm{j\&Delta;\&omega;u})h\left(u\right)\mathrm{du}$

$=\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)\&Integral;s(t-u)\exp (-\mathrm{j\&Delta;\&omega;u})h\left(u\right)\mathrm{du}$

其中u是积分变量。

当Δωu＜＜1时，

$s\left(t\right)\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)\&CircleTimes;h\left(t\right)$

$\&ap;\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)\&Integral;s(t-u)h\left(u\right)\mathrm{du}$

$=\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)s\left(t\right)\&CircleTimes;h\left(t\right)$

$=\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;t}\right)s^{\&prime;}\left(t\right)$

根据式(1)可以得出频率偏移监测器209的输出为：

sin(Δωτ)<s′(t)s′^*(t-τ)>。

只要延迟τ比s′(t)的相关时间(这主要由第一低通滤波器201和第二低通滤波器202的带宽确定)短，该输出就与频率偏移成正比。第一低通滤波器201和第二低通滤波器202将第一乘法器112、第二乘法器113、第一延迟器114、第二延迟器115以及减法器116的器件速度从全带宽减小到该低通滤波器的带宽。但是，监测范围也减小为第一低通滤波器201和第二低通滤波器202的带宽，这是因为Δωu＜＜1要求频率偏移小于第一低通滤波器201和第二低通滤波器202的带宽。

如图2中所示，频率偏移监测器209的第一乘法器112、第二乘法器113、第一延迟器114、第二延迟器115以及减法器116都是模拟的，但是他们也可以在数字域中实现，图3示出了交叉自动频率控制的组合了模拟和数字技术的另一种实现方式。

如图3所示，低速模拟-数字混合频率偏移监测部分包括：第一低通滤波器201和第二低通滤波器202，用于对光频率控制部分的输出进行低通滤波；第一模数转换器203和第二模数转换器204，用于将从第一低通滤波器201和第二低通滤波器202输出的模拟信号转换成数字信号；以及频率偏移监测器209’。第一低通滤波器201的输入端连接到该低速模拟-数字混合频率偏移监测部分的第一输入端，第一低通滤波器201的输出端207连接到第一模数转换器203的输入端，第二低通滤波器202的输入端连接到该低速模拟-数字混合频率偏移监测部分的第二输入端，第二低通滤波器202的输出端208连接到第二模数转换器204的输入端，第一模数转换器203的输出端207’连接到频率偏移监测器209’的第一和第二输入端，第二模数转换器204的输出端208’连接到频率偏移监测器209’的第三和第四输入端，频率偏移监测器209’的输出端118连接到该低速模拟-数字混合频率偏移监测部分的输出端。

该频率偏移监测器209’包括：第一延时寄存器214，用于使经由频率偏移监测器209’的第四输入端输入的第四输入信号延迟一个采样，并输出经延迟的第四输入信号；第二延时寄存器215，用于使经由频率偏移监测器209’的第二输入端输入的第二输入信号延迟一个采样，并输出经延迟的第二输入信号；第一数字乘法器212，用于计算经由频率偏移监测器209’的第一输入端输入的第一输入信号与经延迟的第四输入信号的乘积，并输出计算结果；第二数字乘法器213，用于计算经由频率偏移监测器209’的第三输入端输入的第三输入信号与经延迟的第二输入信号的乘积，并输出计算结果；数字减法器216，用于计算第二数字乘法器213的计算结果减去第一数字乘法器212的计算结果的差值，并输出该差值；以及数字平均器210，用于计算数字减法器216输出的差值的平均值作为频率偏移监测的结果。

第一延时寄存器214的输入端连接到频率偏移监测器209’的第四输入端，第一延时寄存器214的输出端连接到第一数字乘法器212的第二输入端，第二延时寄存器215的输入端连接到频率偏移监测器209’的第二输入端，第二延时寄存器215的输出端连接到第二数字乘法器213的第二输入端，第一数字乘法器212的第一输入端连接到频率偏移监测器209’的第一输入端，第一数字乘法器212的输出端连接到数字减法器216的负输入端，第二数字乘法器213的第一输入端连接到频率偏移监测器209’的第三输入端，第二数字乘法器213的输出端连接到数字减法器216的正输入端，数字减法器216的输出端连接到数字平均器210的输入端，数字平均器210的输出端连接到该频率偏移监测器209’的输出端118。

上述图2和图3中的光相干接收机基于模拟交叉自动频率控制，但是也可以通过数字信号处理(DSP)来实现数字交叉自动频率控制。

图4示出了利用本发明的可以通过低速数字信号处理(DSP)来实现的数字交叉自动频率控制的光相干接收机的一个实施例。

图4所示的光相干接收机的结构与图2所示的光相干接收机的结构相似，但是添加了两个模数转换器(ADC)301和302，用于将模拟信号转换到数字域，并且还添加了两个1:N串行至并行转换器305和306，用于将信号速度降低N倍。

与图2所示的结构相似，图4所示的光相干接收机包括：本机振荡器103，用于提供本振光信号；光混频器102，用于对光输入101与本振光信号进行混合；第一双光电探测器104和第二双光电探测器105，用于将光混频器的输出光信号转换成基带电信号；第一模数转换器301和第二模数转换器302，用于将所述基带电信号转换成数字信号；自动频率控制部，用于根据所述数字信号监测光输入101的频率偏移，并且根据该频率偏移控制本机振荡器103输出本振光信号；以及数字信号处理部106，用于对信号进行处理，以获得数据输出。该光相干接收机接收光输入，将该光输入转换成数字信号，并将该数字信号输出给数字信号处理部106，该数字信号处理部106通过执行数字载波相位恢复、匹配滤波、数据恢复等，对所输入的信号进行处理，以获得数据输出。

该自动频率控制部包括控制逻辑111和低速数字频率偏移监测部分。其中，该控制逻辑111，用于根据频率偏移对本机振荡器103的本振光信号的频率进行控制。

光混频器102的第一输入端连接到光输入101，第二输入端与本机振荡器103的输出端相连，光混频器102的第一和第二输出端分别与第一双光电探测器104的第一和第二输入端相连，第三和第四输出端分别与第二双光电探测器105的第一和第二输入端相连，第一双光电探测器104的输出端I连接到第一模数转换器301的输入端，第二双光电探测器105的输出端Q连接到第二模数转换器302的输入端，第一模数转换器301的输出端303连接到该低速数字频率偏移监测部分的第一输入端，第二双光电探测器105的输出端304连接到该低速数字频率偏移监测部分的第二输入端，控制逻辑111的输入端与该低速数字频率偏移监测部分的输出端相连，控制逻辑111的输出端与本机振荡器103的输入端相连。

该低速数字频率偏移监测部分包括：第一1:N串行至并行转换器305和第二1:N串行至并行转换器306，用于使信号速度降低N倍；以及频率偏移监测器309。第一1:N串行至并行转换器305和第二1:N串行至并行转换器306构成监测信号采样部分。第一1:N串行至并行转换器305的输入端连接到该低速数字频率偏移监测部分的第一输入端，第二1:N串行至并行转换器306的输入端连接到该低速数字频率偏移监测部分的第二输入端，第一1:N串行至并行转换器305和第二1:N串行至并行转换器306的并行输出端口连接到数字信号处理部106的输入端，并且第一1:N串行至并行转换器305的第二并行输出端口308连接到频率偏移监测器309的第一输入端，第一1:N串行至并行转换器305的第一并行输出端口307连接到频率偏移监测器309的第四输入端，第二1:N串行至并行转换器306的第一并行输出端口310连接到频率偏移监测器309的第二输入端，第二1:N串行至并行转换器306的第二并行输出端口311连接到频率偏移监测器309的第三输入端，频率偏移监测器309的输出端118连接到该低速数字频率偏移监测部分的输出端。

频率偏移监测器309包括：第一乘法器312，用于计算经由频率偏移监测器309的第一输入端和第二输入端输入的信号的乘积，并输出计算结果；第二乘法器313，用于计算经由频率偏移监测器309的第三输入端和第四输入端输入的信号的乘积，并输出计算结果；减法器314，用于计算第一乘法器312的计算结果减去第二乘法器313的计算结果的差值，并输出该差值；以及平均器110，用于计算减法器314输出的差值的平均值作为频率偏移监测的结果。第一乘法器312的第一输入端连接到该频率偏移监测器309的第一输入端，第一乘法器312的第二输入端连接到该频率偏移监测器309的第二输入端，第一乘法器312的输出端连接到减法器314的正输入端，第二乘法器313的第一输入端连接到该频率偏移监测器309的第三输入端，第二乘法器313的第二输入端连接到该频率偏移监测器309的第四输入端，第二乘法器313的输出端连接到减法器314的负输入端，减法器314的输出端117连接到平均器110的输入端，平均器110的输出端连接到该频率偏移监测器309的输出端118。

第一和第二1:N串行至并行转换器305和306主要由数字信号处理部106的设计优化和/或第一和第二1:N串行至并行转换器305和306与数字信号处理部106之间的物理电连接来确定，而不是由频率偏移监测器309的设计优化来确定。

尽管在图4中，第一双光电探测器104和第二双光电探测器105被显示为直接连接到第一模数转换器301和第二模数转换器302，并且第一模数转换器301和第二模数转换器302直接连接到第一和第二1:N串行至并行转换器305和306，但是也可以在它们之间插入匹配滤波器。

在图4所示的光相干接收机中，数字采样信号I 303和数字采样信号Q 304为：

I+jQ＝s_n exp(jΔωnτ)＝s(t)exp(jΔωt)|_t＝nτ，

其中，n为采样索引，τ为采样周期。

在由第一和第二1:N串行至并行转换器305和306进行转换之后，下采样信号(307)+j(310)为：

s_mN exp(jΔωmNτ)＝s(t)exp(jΔωt)|_t＝mNτ，

下采样信号(308)+j(311)为：

s_mN-1 exp(jΔωmNτ)exp(-jΔωτ)＝s(t)exp(jΔωt)|_t＝mNτ-τ。

因此，频率偏移监测器309的输出118为：

$\&lang;\left(308\right)*\left(310\right)-\left(307\right)*\left(311\right)\&rang;$

$=\&lang;\mathrm{Im}[(\left(307\right)+j\left(310\right))*(\left(308\right)-j\left(311\right))]\&rang;$

$=\&lang;\mathrm{Im}\left[s_{\mathrm{mN}}\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;mN\&tau;}\right)s_{\mathrm{mN}-1}^{*}\exp (-\mathrm{j\&Delta;\&omega;mN\&tau;})\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)\right]\&rang;$

$=\mathrm{Im}(\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)\&lang;s_{\mathrm{mN}}{s}_{\mathrm{mN}-1}^{*}\&rang;)$

$=\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)\&lang;s_{\mathrm{mN}}{s}_{\mathrm{mN}-1}^{*}\&rang;$

该输出仍与频率偏移成正比。由于信号307、308、310以及311的速度比全带信号s(t)低N倍，所以对频率偏移监测器309中的电器件的要求大大降低，从而解决了上述现有技术中的速度问题。

尽管在图4中，并行输出端口307、308和并行输出端口310、311分别被显示为第一和第二1:N串行至并行转换器305和306的第一和第二并行输出端口，但是它们可以是任意两个连续的并行输出端口。

此外，在图4所示的自动频率控制中，还可以进一步降低对频率偏移监测器中的电器件的要求。

如图5所示，可以在第一乘法器312和第二乘法器313的输入端处分别插入数字下采样器315至318，以进一步降低对频率偏移监测器309’的操作速度的要求。

在图4所示的实施例中，使用了连续两个复数采样信号来计算信号的自相关，由此进行频率偏移的监测，但是这种方法不能有效地对抗由于相位调制中的某些不理想因素而引起的监测信号的零点偏移。

图6示出了图4中所示实施例的一个变型例，该变型例具有采样信号选择功能，可用于对抗相位调制中的某些不理想因素，例如暂态效应所引入的啁啾等。

与图4的实施例的结构相比，图6所示变型例的结构的不同之处在于频率偏移监测器309”的结构更为复杂，该频率偏移监测器309”的输入由图4的实施例中的连续的两个复数采样信号((307)+j(310)和(308)+j(311))增加为连续的四个复数采样信号((307)+j(310)、(308)+j(311)、(319)+j(321)、(320)+j(322))。

下面仅对图6中所示的与图4中所示不同的低速数字频率偏移监测部分进行说明，图6所示的光相干接收机的其它部分与图4中所示的相同，在此省略对这些部分的说明。

图6所示的光相干接收机的低速数字频率偏移监测部分包括：第一1:N串行至并行转换器305和第二1:N串行至并行转换器306，用于使信号速度降低N倍；以及频率偏移监测器309”。第一1:N串行至并行转换器305和第二1:N串行至并行转换器306构成监测信号采样部分323。第一1:N串行至并行转换器305的输入端连接到该低速数字频率偏移监测部分的第一输入端，第二1:N串行至并行转换器306的输入端连接到该低速数字频率偏移监测部分的第二输入端，第一1:N串行至并行转换器305和第二1:N串行至并行转换器306的并行输出端口连接到数字信号处理部106的输入端，并且第一1:N串行至并行转换器305的第四并行输出端口320连接到频率偏移监测器309”的第一输入端，第一1:N串行至并行转换器305的第三并行输出端口319连接到频率偏移监测器309”的第三输入端，第一1:N串行至并行转换器305的第二并行输出端口308连接到频率偏移监测器309”的第五输入端，第一1:N串行至并行转换器305的第一并行输出端口307连接到频率偏移监测器309”的第七输入端，第二1:N串行至并行转换器306的第四并行输出端口322连接到频率偏移监测器309”的第二输入端，第二1:N串行至并行转换器306的第三并行输出端口321连接到频率偏移监测器309”的第四输入端，第二1:N串行至并行转换器306的第二并行输出端口311连接到频率偏移监测器309”的第六输入端，第二1:N串行至并行转换器306的第一并行输出端口310连接到频率偏移监测器309”的第八输入端，频率偏移监测器309”的输出端118连接到该低速数字频率偏移监测部分的输出端。

频率偏移监测器309”包括：第一辐角差计算器326，用于计算经由频率偏移监测器309”的第一、第二输入端和第三、第四输入端输入的复数信号的辐角差，并输出计算结果；第二辐角差计算器325，用于计算经由频率偏移监测器309”的第三、第四输入端和第五、第六输入端输入的复数信号的辐角差和自相关，并输出计算结果；第三辐角差计算器324，用于计算经由频率偏移监测器309”的第五、第六输入端和第七、第八输入端输入的复数信号的辐角差，并输出计算结果；门限值比较器330，用于分别将第一辐角差计算器326、第二辐角差计算器325和第三辐角差计算器324计算的辐角差与预定的门限值进行比较；以及平均器110，用于计算第二辐角差计算器325输出的自相关的平均值作为频率偏移监测的结果。

第一辐角差计算器326的第一和第二输入端分别连接到第一1:N串行至并行转换器305的第四并行输出端口320和第二1:N串行至并行转换器306的第四并行输出端口322，第一辐角差计算器326的第三和第四输入端分别连接到第一1:N串行至并行转换器305的第三并行输出端口319和第二1:N串行至并行转换器306的第三并行输出端口321，第一辐角差计算器326的输出端329连接到门限值比较器330的第一输入端；第二辐角差计算器325的第一和第二输入端分别连接到第一1:N串行至并行转换器305的第三并行输出端口319和第二1:N串行至并行转换器306的第三并行输出端口321，第二辐角差计算器325的第三和第四输入端分别连接到第一1:N串行至并行转换器305的第二并行输出端口308和第二1:N串行至并行转换器306的第二并行输出端口311，第二辐角差计算器325的第一输出端328连接到门限值比较器330的第二输入端，并且第二辐角差计算器325的第二输出端117连接到平均器110的第一输入端；第三辐角差计算器324的第一和第二输入端分别连接到第一1:N串行至并行转换器305的第二并行输出端口308和第二1:N串行至并行转换器306的第二并行输出端口311，第三辐角差计算器324的第三和第四输入端分别连接到第一1:N串行至并行转换器305的第一并行输出端口307和第二1:N串行至并行转换器306的第一并行输出端口310，第三辐角差计算器324的输出端327连接到门限值比较器330的第三输入端；门限值比较器330的输出端331连接到平均器110的第二输入端，平均器110的输出端连接到该频率偏移监测器309”的输出端118。

第一辐角差计算器326、第二辐角差计算器325和第三辐角差计算器324分别计算相邻复数采样信号的辐角差，并将计算结果329、328和327输出至门限值比较器330。门限值比较器330将三个辐角差的绝对值与一门限值

进行比较，并判断三个辐角差的绝对值是否同时小于该门限值。如果结果为真(即，可以认为四个连续采样承载了同样的调制信息)，则门限值比较器330向平均器110输出使能信号331，使平均器110读入第二辐角差计算器325的第二输出117；反之，如果结果为假，则门限值比较器330不输出使能信号，从而平均器110不接收第二辐角差计算器325的第二输出117。这样做的好处在于：用于产生有效的输出117的两个连续采样具有相同的相位调制信息，也就是说，调制器的状态在这两个符号间是不变的，这就避免了由暂态效应等某些不理想因素引起的监测信号的零点偏移。

在图6所示的结构中，四个连续采样是从头四个并行输出端口得到的，然而，本发明不限于此，可以从任意连续的四个并行输出端口得到四个连续采样。

除了第二辐角差计算器325还具有第二输出117以外，第一辐角差计算器326、第二辐角差计算器325和第三辐角差计算器324的结构完全相同。

下面将参照图7，以第二辐角差计算器325为例，描述这些辐角差计算器的内部结构。

如图7所示，辐角差计算器包括：第一乘法器312，用于计算经由辐角差计算器的第一输入端输入的第一输入和经由第四输入端输入的第四输入的乘积；第二乘法器313，用于计算经由辐角差计算器的第二输入端输入的第二输入和经由第三输入端输入的第三输入的乘积；第三乘法器332，用于计算第一输入和第三输入的乘积；第四乘法器333，用于计算第二输入和第四输入的乘积；加法器334，用于计算第一输入和第三输入的乘积与第二输入和第四输入的乘积的和；减法器314，用于计算第一输入和第四输入的乘积减去第二输入和第三输入的乘积的差；以及取辐角器337，用于根据加法器334和减法器314的计算结果来计算辐角差。

第一乘法器312的第一输入端连接到该辐角差计算器的第一输入端，第一乘法器312的第二输入端连接到该辐角差计算器的第四输入端，第二乘法器313的第一输入端连接到该辐角差计算器的第二输入端，第二乘法器313的第二输入端连接到该辐角差计算器的第三输入端，第三乘法器332的第一输入端连接到该辐角差计算器的第一输入端，第三乘法器332的第二输入端连接到该辐角差计算器的第三输入端，第四乘法器333的第一输入端连接到该辐角差计算器的第二输入端，第四乘法器312的第二输入端连接到该辐角差计算器的第四输入端，第一乘法器312的输出端连接到减法器314的正输入端，第二乘法器313的输出端连接到减法器314的负输入端，减法器314的输出端连接到取辐角器337的第二输入端，第三乘法器332的输出端连接到加法器334的第一输入端，第四乘法器333的输出端连接到加法器334的第二输入端，加法器334的输出端连接到取辐角器337的第一输入端。

如图7中所示，(308)+j(311)为：

s_mN-1 exp(jΔωmNτ)exp(-jΔωτ)＝s(t)exp(jΔωt)|_t＝mNτ-τ

(319)+j(321)为：

s_mN-2 exp(jΔωmNτ)exp(-jΔω2τ)＝s(t)exp(jΔωt)|_t＝mNτ-2τ

取辐角器337的输入(335)+j(336)为：

$(\left(308\right)*\left(319\right)+\left(311\right)*\left(321\right))+j(\left(311\right)*\left(319\right)-\left(308\right)*\left(321\right))$

$=(\left(308\right)+j\left(311\right))*(\left(319\right)-j\left(321\right))$

$=s_{\mathrm{mN}-1}\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;mN\&tau;}\right)s_{\mathrm{mN}-2}^{*}\exp (-\mathrm{j\&Delta;\&omega;mN\&tau;})\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)$

$=s_{\mathrm{mN}-1}{s}_{\mathrm{mN}-2}^{*}\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)$

取辐角器337的输出328为：

$\arg \left(s_{\mathrm{mN}-1}{s}_{\mathrm{mN}-2}^{*}\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)\right).$

对于第二辐角差计算器325，减法器314的另一输出117为：

$\mathrm{Im}\left(s_{\mathrm{mN}-1}{s}_{\mathrm{mN}-2}^{*}\exp \left(\mathrm{j\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)\right).$

前面已经提到，由门限值比较器330对平均器110进行控制而选择出的输出117满足arg(s_mN-1)＝arg(s_mN-2)，即s_mN-1s_mN-2 ^*为实数，因此输出117可以表示为s_mN-1s_mN-2 ^* sin(Δωτ)。这样，频率偏移监测器309”的输出118仍可以表示为：

$\sin \left(\mathrm{\&Delta;\&omega;\&tau;}\right)\&lang;s_{\mathrm{mN}-1}{s}_{\mathrm{mN}-2}^{*}\&rang;.$

在图7中，取辐角器337的输入为复数，其第一输入端输入该复数的实部，而其第二输入端为该复数的虚部，并且该取辐角器337的输出为该复数的辐角。该取辐角器337可以使用公知的技术来实现。

在如图6所示的光相干接收机的结构中，频率偏移监测器309”的八个输入是通过图6中的监测信号采样部分323所示的串并变换方式得到的，但是，本发明不限于此，还可以通过如图8所示的延时方式来得到频率偏移监测器309”的八个输入，此时系统以串行方式工作。

图8示出了获取连续四个采样信号的延时寄存结构。

如图8所示，监测信号采样部分323’包括第一到第六延时寄存器338-343，其中，第一延时寄存器338的输入端连接到第一模数转换器301的输出端，并且第一延时寄存器338的输入端还连接到频率偏移监测器309”的第七输入端，第一延时寄存器338的输出端连接到第二延时寄存器339的输入端，并且第一延时寄存器338的输出端还连接到频率偏移监测器309”的第五输入端，第二延时寄存器339的输出端连接到第三延时寄存器340的输入端，并且第二延时寄存器339的输出端还连接到频率偏移监测器309”的第三输入端，第三延时寄存器340的输出端连接到频率偏移监测器309”的第一输入端，第四延时寄存器341的输入端连接到第二模数转换器302的输出端，并且第四延时寄存器341的输入端还连接到频率偏移监测器309”的第八输入端，第四延时寄存器341的输出端连接到第五延时寄存器342的输入端，并且第四延时寄存器341的输出端还连接到频率偏移监测器309”的第六输入端，第五延时寄存器342的输出端连接到第六延时寄存器343的输入端，并且第五延时寄存器342的输出端还连接到频率偏移监测器309”的第四输入端，第六延时寄存器343的输出端连接到频率偏移监测器309”的第二输入端。

在以上图1、图2、图4和图6中，控制逻辑111和本机振荡器103是本领域中公知的器件。通常，本机振荡器是其频率可以通过控制电压进行控制的压控振荡器(VCO)。

尽管在以上说明中，使用VCO技术来实现本发明的自动频率控制中的光频率控制，但是，也可以使用其它的方式来实现该光频率控制。

图9示出了根据本发明的光相干接收机中的自动频率控制中的光频率控制的另一种方案。在图9所示的光频率控制方案中，通过光移频器而不是普通的VCO技术来实现光频率控制。

如图9所示，在通过光移频器来实现光频率控制的结构中，分别在本机振荡器103与光混频器102之间和/或光输入101与光混频器102之间增加了第一光移频器401和/或第二光移频器402。

图9所示的光频率控制的结构包括：本机振荡器103，用于提供本振光信号；第一光移频器401，用于对本机振荡器103的本振光信号进行移频；第二光移频器402，用于对光输入101进行移频；光混频器102，用于对光输入与本振光信号进行混合；第一双光电探测器104和第二双光电探测器105，用于将光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及控制逻辑111，用于根据频率偏移对第一光移频器401和第二光移频器402的操作进行控制。

本机振荡器103的输出端连接到第一光移频器401的第一输入端，第一光移频器401的第二输入端连接到控制逻辑111的第一输出端，第一光移频器401的输出端连接到光混频器102的第二输入端，控制逻辑111的输入端连接到频率偏移监测器的输出118，控制逻辑111的第二输出端连接到第二光移频器402的第二输入端，第二光移频器402的第一输入端连接到光输入101，第二光移频器402的输出端连接到光混频器102的第一输入端，光混频器102的第一和第二输出端分别与第一双光电探测器104的第一和第二输入端相连，第三和第四输出端分别与第二双光电探测器105的第一和第二输入端相连。

在图9所示的结构中，第一光移频器401和第二光移频器402在不造成其他影响的情况下改变光频率，使光频率受到等同的控制。第一光移频器401和第二光移频器402可以通过声光移频(AOFS)来实现，正如“Integrated acousto-optic frequency shifter with surface acoustic wave”，Zhang，Bin，Pan，Zhenwu，Mi，Bin，Tang，Quan’an，Proc.SPIE Vol.3551，p.107-111中所说明的那样。

在图9所示的结构中，同时使用了第一光移频器401和第二光移频器402两者，但是也可以仅使用第一光移频器401或者仅使用第二光移频器402，也就是说，单独使用第一光移频器401或第二光移频器402也可以实现上述效果。

在单独使用第一光移频器401的情况下，光混频器102的第一输入直接连接到光输入101，并且控制逻辑111的输出端仅连接到第一光移频器401的第二输入端。

在单独使用第二光移频器402的情况下，光混频器102的第二输入直接连接到本机振荡器103的输出端，并且控制逻辑111的输出端仅连接到第二光移频器402的第二输入端。

本发明所属领域的技术人员根据以上对本发明原理的详细说明，很容易想到本发明的多种修改和其它实施例。因此，本发明不限于所公开的具体实施例，而是旨在涵盖落入所附权利要求范围内的本发明的所有修改和其它实施例。

Claims (11)

1.一种低速频率偏移监测装置，该低速频率偏移监测装置包括：

信号降速部分，用于降低输入信号的速度，并输出经降速的信号；

频率偏移监测器，用于对由所述信号降速部分输出的所述经降速的信号进行频率偏移监测，

其中，所述信号降速部分包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，用于对输入信号进行低通滤波，并输出经滤波的信号，

其中，所述第一低通滤波器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第一输入端，所述第一低通滤波器的输出端连接到所述频率偏移监测器的第一输入端和第二输入端，所述第二低通滤波器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第二输入端，所述第二低通滤波器的输出端连接到所述频率偏移监测器的第三输入端和第四输入端，所述频率偏移监测器的输出端连接到所述低速频率偏移监测装置的输出端，并且

其中，所述频率偏移监测器包括：

第一延迟器，用于使经由所述频率偏移监测器的所述第四输入端输入的第四输入信号延迟预定时间，并输出经延迟的第四输入信号；

第二延迟器，用于使经由所述频率偏移监测器的所述第二输入端输入的第二输入信号延迟所述预定时间，并输出经延迟的第二输入信号；

第一乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第一输入端输入的第一输入信号与所述经延迟的第四输入信号的乘积，并输出计算结果；

第二乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第三输入端输入的第三输入信号与所述经延迟的第二输入信号的乘积，并输出计算结果；

减法器，用于计算所述第二乘法器的计算结果减去所述第一乘法器的计算结果的差值，并输出该差值；以及

平均器，用于计算所述减法器输出的差值的平均值作为频率偏移监测的结果，

其中，所述第一延迟器的输入端连接到所述频率偏移监测器的第四输入端，所述第一延迟器的输出端连接到所述第一乘法器的第二输入端，所述第二延迟器的输入端连接到所述频率偏移监测器的第二输入端，所述第二延迟器的输出端连接到所述第二乘法器的第二输入端，所述第一乘法器的第一输入端连接到所述频率偏移监测器的第一输入端，所述第一乘法器的输出端连接到所述减法器的负输入端，所述第二乘法器的第一输入端连接到所述频率偏移监测器的第三输入端，所述第二乘法器的输出端连接到所述减法器的正输入端，所述减法器的输出端连接到所述平均器的输入端，所述平均器的输出端连接到所述频率偏移监测器的输出端。

2.一种低速频率偏移监测装置，该低速频率偏移监测装置包括：

信号降速部分，用于降低输入信号的速度，并输出经降速的信号；

频率偏移监测器，用于对由所述信号降速部分输出的所述经降速的信号进行频率偏移监测，

其中，所述信号降速部分包括：

第一和第二串行至并行转换器，用于将串行信号转换为并行信号，以降低信号速度，

其中，所述第一串行至并行转换器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第一输入端，所述第二串行至并行转换器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第二输入端，所述第一串行至并行转换器和所述第二串行至并行转换器的多个并行输出端口连接到所述频率偏移监测器，

其中，所述第一串行至并行转换器和所述第二串行至并行转换器各自的两个连续的并行输出端口连接到所述频率偏移监测器，并且

其中，所述第一串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的第一并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第四输入端，所述第一串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的第二并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第一输入端，所述第二串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的第一并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第二输入端，所述第二串行至并行转换器的所述两个连续的并行输出端口中的第二并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第三输入端，所述频率偏移监测器的输出端连接到所述低速频率偏移监测装置的输出端，并且

其中，所述频率偏移监测器包括：

第一乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第一输入端和第二输入端输入的信号的乘积，并输出计算结果；

第二乘法器，用于计算经由所述频率偏移监测器的所述第三输入端和第四输入端输入的信号的乘积，并输出计算结果；

减法器，用于计算所述第一乘法器的计算结果减去所述第二乘法器的计算结果的差值，并输出该差值；以及

平均器，用于计算所述减法器输出的差值的平均值作为所述频率偏移监测的结果，其中，

所述第一乘法器的第一输入端连接到所述频率偏移监测器的第一输入端，所述第一乘法器的第二输入端连接到所述频率偏移监测器的第二输入端，所述第一乘法器的输出端连接到所述减法器的正输入端，所述第二乘法器的第一输入端连接到所述频率偏移监测器的第三输入端，所述第二乘法器的第二输入端连接到所述频率偏移监测器的第四输入端，所述第二乘法器的输出端连接到所述减法器的负输入端，所述减法器的输出端连接到所述平均器的输入端，所述平均器的输出端连接到所述频率偏移监测器的输出端。

3.一种低速频率偏移监测装置，该低速频率偏移监测装置包括：

信号降速部分，用于降低输入信号的速度，并输出经降速的信号；

频率偏移监测器，用于对由所述信号降速部分输出的所述经降速的信号进行频率偏移监测，

其中，所述信号降速部分包括：

第一和第二串行至并行转换器，用于将串行信号转换为并行信号，以降低信号速度，

其中，所述第一串行至并行转换器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第一输入端，所述第二串行至并行转换器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第二输入端，所述第一串行至并行转换器和所述第二串行至并行转换器的多个并行输出端口连接到所述频率偏移监测器，

其中，所述第一串行至并行转换器和所述第二串行至并行转换器各自的四个连续的并行输出端口连接到所述频率偏移监测器，并且

其中，所述第一串行至并行转换器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第一输入端，所述第二串行至并行转换器的输入端连接到所述低速频率偏移监测装置的第二输入端，并且所述第一串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第四并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第一输入端，所述第一串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第三并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第三输入端，所述第一串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第二并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第五输入端，所述第一串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第一并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第七输入端，所述第二串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第四并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第二输入端，所述第二串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第三并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第四输入端，所述第二串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第二并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第六输入端，所述第二串行至并行转换器的所述四个连续的并行输出端口中的第一并行输出端口连接到所述频率偏移监测器的第八输入端，所述频率偏移监测器的输出端连接到所述低速频率偏移监测装置的输出端，并且

其中，所述频率偏移监测器包括：

第一辐角差计算器，用于计算经由所述频率偏移监测器的第一、第二输入端和第三、第四输入端输入的复数信号的辐角差，并输出计算结果；

第二辐角差计算器，用于计算经由所述频率偏移监测器的第三、第四输入端和第五、第六输入端输入的复数信号的辐角差和自相关，并输出计算结果；

第三辐角差计算器，用于计算经由所述频率偏移监测器的第五、第六输入端和第七、第八输入端输入的复数信号的辐角差，并输出计算结果；

门限值比较器，用于分别将所述第一辐角差计算器、第二辐角差计算器和第三辐角差计算器计算的辐角差与预定的门限值进行比较；以及

平均器，用于计算所述第二辐角差计算器输出的自相关的平均值，作为频率偏移监测的结果，其中，

所述第一辐角差计算器的第一到第四输入端分别连接到所述频率偏移监测器的第一到第四输入端，所述第一辐角差计算器的输出端连接到所述门限值比较器的第一输入端，所述第二辐角差计算器的第一到第四输入端分别连接到所述频率偏移监测器的第三到第六输入端，所述第二辐角差计算器的第一输出端连接到所述门限值比较器的第二输入端，并且所述第二辐角差计算器的第二输出端连接到所述平均器的第一输入端，所述第三辐角差计算器的第一到第四输入端分别连接到所述频率偏移监测器的第五到第八输入端，所述第三辐角差计算器的输出端连接到所述门限值比较器的第三输入端，所述门限值比较器的输出端连接到所述平均器的第二输入端，所述平均器的输出端连接到所述频率偏移监测器的输出端，

其中，当所述第一辐角差计算器、第二辐角差计算器和第三辐角差计算器输出的辐角差的绝对值都小于所述预定的门限值时，所述门限值比较器向所述平均器输出一使能信号，以使所述平均器从所述第二辐角差计算器的所述第二输出端读入所述自相关的计算结果，

其中，所述第一到第三辐角差计算器包括：

第一乘法器，用于计算经由辐角差计算器的第一输入端输入的第一输入和经由第四输入端输入的第四输入的乘积；

第二乘法器，用于计算经由辐角差计算器的第二输入端输入的第二输入和经由第三输入端输入的第三输入的乘积；

第三乘法器，用于计算第一输入和第三输入的乘积；

第四乘法器，用于计算第二输入和第四输入的乘积；

加法器，用于计算第一输入和第三输入的乘积与第二输入和第四输入的乘积的和；

减法器，用于计算第一输入和第四输入的乘积减去第二输入和第三输入的乘积的差；以及

取辐角器，用于根据加法器和减法器的计算结果来计算辐角差，其中，

所述第一乘法器的第一输入端连接到所述辐角差计算器的第一输入端，所述第一乘法器的第二输入端连接到所述辐角差计算器的第四输入端，所述第二乘法器的第一输入端连接到所述辐角差计算器的第二输入端，所述第二乘法器的第二输入端连接到所述辐角差计算器的第三输入端，所述第三乘法器的第一输入端连接到所述辐角差计算器的第一输入端，所述第三乘法器的第二输入端连接到所述辐角差计算器的第三输入端，所述第四乘法器的第一输入端连接到所述辐角差计算器的第二输入端，所述第四乘法器的第二输入端连接到所述辐角差计算器的第四输入端，所述第一乘法器的输出端连接到所述减法器的正输入端，所述第二乘法器的输出端连接到所述减法器的负输入端，所述减法器的输出端连接到所述取辐角器的第二输入端，所述第三乘法器的输出端连接到所述加法器的第一输入端，所述第四乘法器的输出端连接到所述加法器的第二输入端，所述加法器的输出端连接到所述取辐角器的第一输入端，并且

其中，在所述第二辐角差计算器中，所述减法器具有第二输出端，该第二输出端连接到所述第二辐角差计算器的所述第二输出端。

4.一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

根据权利要求1-3中任一项所述的低速频率偏移监测装置，用于监测输入光信号的频率偏移；

控制逻辑，该控制逻辑根据所述频率偏移输出控制信号，以对所述频率偏移进行控制；

本机振荡器，用于根据来自所述控制逻辑的控制信号提供本振光信号；

光混频器，用于对输入光信号与所述本振光信号进行混合；

第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及

信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中

所述低速频率偏移监测装置根据所述经转换的信号来监测所述输入光信号的频率偏移。

5.根据权利要求4所述的光相干接收机，该光相干接收机还包括：

第一和第二模数转换器，分别用于将所述第一和第二双光电探测器输出的基带电信号转换成数字信号，

其中所述第一和第二模数转换器分别连接在所述第一和第二双光电探测器与所述低速频率偏移监测装置之间。

6.一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

根据权利要求1-3中任一项所述的低速频率偏移监测装置，用于监测输入光信号的频率偏移；

控制逻辑，该控制逻辑根据所述频率偏移输出第一和第二控制信号，以对所述频率偏移进行控制；

本机振荡器，用于提供本振光信号；

第一光移频器，用于根据来自所述控制逻辑的第一控制信号对所述本振光信号进行移频；

第二光移频器，用于根据来自所述控制逻辑的第二控制信号对输入光信号进行移频；

光混频器，用于对经移频的所述输入光信号与经移频的所述本振光信号进行混合；

第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及

信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中

所述低速频率偏移监测装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

7.根据权利要求6所述的光相干接收机，该光相干接收机还包括：

第一和第二模数转换器，分别用于将所述第一和第二双光电探测器输出的基带电信号转换成数字信号，

其中所述第一和第二模数转换器分别连接在所述第一和第二双光电探测器与所述低速频率偏移监测装置之间。

8.一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

根据权利要求1-3中任一项所述的低速频率偏移监测装置，用于监测输入光信号的频率偏移；

控制逻辑，该控制逻辑根据所述频率偏移输出控制信号，以对所述频率偏移进行控制；

本机振荡器，用于提供本振光信号；

光移频器，用于根据来自所述控制逻辑的控制信号对所述本振光信号进行移频；

光混频器，用于对输入光信号与经移频的所述本振光信号进行混合；

第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及

信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中

所述低速频率偏移监测装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

9.根据权利要求8所述的光相干接收机，该光相干接收机还包括：

第一和第二模数转换器，分别用于将所述第一和第二双光电探测器输出的基带电信号转换成数字信号，

其中所述第一和第二模数转换器分别连接在所述第一和第二双光电探测器与所述低速频率偏移监测装置之间。

10.一种光相干接收机，该光相干接收机包括：

根据权利要求1-3中任一项所述的低速频率偏移监测装置，用于监测输入光信号的频率偏移；

控制逻辑，该控制逻辑根据所述频率偏移输出控制信号，以对所述频率偏移进行控制；

本机振荡器，用于提供本振光信号；

光移频器，用于根据来自所述控制逻辑的控制信号对所述输入光信号进行移频；

光混频器，用于对经移频的所述输入光信号与所述本振光信号进行混合；

第一和第二双光电探测器，用于将所述光混频器的输出光信号转换成基带电信号；以及

信号处理装置，用于对所述经转换的信号进行处理，以获得数据输出，其中

所述低速频率偏移监测装置根据所述经转换的信号的来监测所述输入光信号的频率偏移。

11.根据权利要求10所述的光相干接收机，该光相干接收机还包括：

第一和第二模数转换器，分别用于将所述第一和第二双光电探测器输出的基带电信号转换成数字信号，

其中所述第一和第二模数转换器分别连接在所述第一和第二双光电探测器与所述低速频率偏移监测装置之间。

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