CN101369850A - 发送光学正交频分复用信号的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发送光学正交频分复用信号的方法和设备。由实值OFDM信号(S_O(t))获得基带信号(S_B(t))并且将该基带信号(S_B(t))转换成复单边带调制信号(n(t))。该复单边带调制信号(n(t))被调制到光载波(f_OC)上，以产生具有小带宽并且在包络中或在包络的功率中承载信息的SSB传输信号(S_OT)。根据所述调制，直接检测是可能的。为了传输仅需小的带宽。

Description

发送光学正交频分复用信号的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于发送光学正交频分复用(OFDM)信号的方法和设备。

背景技术

正交频分复用是一种能够克服光传输系统中的色散的有前途的调制技术。OFDM在无线和有线通信中是众所周知的。被解释为连续正交子载波(在这里称为信道)的加权的多个二进制信息符号经由快速傅立叶逆变换(IFFT)从频域被转换到时域，并且作为块经由光纤被发送。二进制信息符号的下一组合在下一块中被发送。在接收机处，使用快速傅立叶变换(FFT)将这些块转换回频域以及然后进行解调。

光纤的色散是大多数光传输系统的问题。色散对于不同的频率导致不同的延时。为了克服色散，当将OFDM信号调制到光载波上时，重要的是避免产生两个边带。因此，必须应用单边带(SSB)调制。音频信号的单边带调制理论由E.Kettel在Telefunken-Zeitung(第37发行年度，第3/4期，特别是第247-251页)中被描述。“兼容的”SSB调制的主要优点是能够用于直接检测的高频谱效率(spectrallyefficient)信号。为了接收OFDM信号，通常要求相干接收机。但是，特殊的信号设计还允许更简单的并且因此更廉价的直接检测。

如Lowery等人提出的一种直接检测的可能性(Proceedings ofOptical Fiber Communications，OFC 2006，PDP39，第247-259页)是让载波与信号之间的间隙具有与OFDM信号本身相同的宽度(参见图2或图3a的插图)。这种方法被称为“偏移(Offset)SSB”。在光电二极管之后，根据接收到的光学OFDM信号在将其转换成电信号的同时的自乘(squaring)，信号-信号差拍(beat)乘积落入该区域中，而有用信号(信号-载波差拍项)被发现与间隙间隔邻接。这种方法的缺点是间隙间隔占据大量的带宽，这意味着低的频谱效率。这种方法还要求附加调制到射频子载波上以及附加的分量。

发明内容

本发明的目的是克服这些问题并且找到高质量传输OFDM信号而不用大量带宽的方法和设备。

克服这些问题的方式可以通过用于直接检测而不浪费间隙间隔的带宽的兼容的SSB调制来实现。这能够通过在包络中或(在自乘接收机的上下文中)在包络的功率中承载信息来实现。载波的相对功率取决于信号的峰值因数(峰值/平均功率)。由于OFDM信号的峰值因数通常相当高，这意味着大的载波功率，所以这样也引起了要求大的光信噪比(OSNR)。OFDM方法的主要优点在于：色散并不影响载波的正交性。当然，当SSB调制被使用时，也可能补偿色散。

为了实现适当的传输信号，以下步骤是必需的：

产生具有被限制的值的实际(real)OFDM基带信号，

将OFDM基带信号转换成复调制信号，

利用调制信号调制光载波的幅度和相位，从而产生在其包络的幅度中承载被修改的OFDM基带信号的信息的光传输信号。

通过光电二极管能够根据卷积乘积不失真地直接解调所述接收到的传输信号。

所述方法能通过以下步骤来改进：

产生被修改的具有被限制的值的实际OFDM基带信号

将该被修改的OFDM基带信号转换成复调制信号，

利用被修改的调制信号来调制光载波的幅度和相位，从而产生在其包络的功率中承载被修改的基带信号的信息的被修改的光传输信号(S_OTC(t))。

通过应用这种方法，在发射机侧不必计算OFDM信号的平方根。通过接收机执行平方根处理。其结果是性能的巨大改善。

出于系统设计原因，有利的是应用数字信号处理来产生单边带调制信号。

通过应用第一种方法，产生根据 $S_B\left(t\right)=\sqrt{S_1\left(t\right)}$ 和

计算的调制信号

其中S₁(t)＝被限制的OFDM信号，

相位调制项。

通过应用改进的方法，有利的是产生根据计算的被修改的单边带调制信号

其中S_1C(t)＝被限制的OFDM信号，

＝被修改的相位调制项。

根据两种调制方法，可行的是在接收机处将直接检测应用于接收到的传输信号。

通过利用改进的方法，必需在接收机处将平方根处理应用于被检测的信号。

因为利用模拟元件能够更容易地产生a1函数和信号，所以数字处理在发射机处以及在接收机处是有利的。

附图说明

下面参考附图来描述包括优选实施例的本发明实例，其中

图1示出OFDM发射机和OFDM接收机的示意图，

图2示出现有技术的“偏移SSB OFDM”系统和本发明的“兼容的OFDM SSB”系统的频谱，

图3以两幅图示出两个系统的性能以及在这些图的插图中示出偏移OFDM SSB OFDM系统的实际频谱和根据本发明的兼容的OFDMSSBOFDM系统的频谱，

图4示出兼容的SSB OFDM传输系统的改进的第二实施例，以及

图5示出将改进的兼容的OFDM SSB系统的性能与偏移SSB OFDM系统的性能进行比较的图示。

具体实施方式

图1示出具有OFDM发射机1-10和OFDM接收机12-15的OFDM传输系统的第一实施例。仅仅图示了必要的部件，滤波器等等未示出。数字域中的图示的单元是例如以第一数字处理器(2-6)和第二数字处理器14来实现的功能块。

至少一个数据信号DS被馈送到OFDM发射机1-10的OFDM信号发生器2的输入端1。数据信号DS被转换成与多个子信道相关联的并行信号。每个子信道的特征在于正交子载波频率。所述信号被馈送到发射机的OFDM信号发生器2。OFDM信号发生器2将所述信号调制到正交子载波频率信号上。能够应用例如强度调制、四相位调制、差分相位调制或相位与强度调制的组合。

通过快速傅立叶逆变换将子信道的调制过的信号从频域转换成时域中的实值OFDM信号S₀(t)。调制和变换通过数字数据处理完成(模拟OFDM信号能够通过添加调制过的模拟载波信号来实现)。OFDM信号的产生对于本领域普通技术人员来说是熟知的。

缩放(scaling)单元3与OFDM信号发生器2串联并将OFDM信号S₀(t)的值(幅度)转换成仅包含预定范围中的正值的被限制的OFDM信号S₁(t)，例如S₁(t)的值在第一步被限制于范围±1，然后添加1来仅仅获得正值。对于每个块执行计算。对于多个块，最大值max(|S₀(t)|)可以是恒定的。

S₁(t)＝1+S_o(t)/max(|S_o(t)|)        (1)

为了补偿接收机中的光电二极管的自乘效应，通过根处理器4来产生OFDM基带信号S_B(t)，该根处理器将平方根应用于S₁(t)来产生OFDM基带信号，

$S_B\left(t\right)=\sqrt{S_1\left(t\right)}=\sqrt{1+S_0\left(t\right)/\max \left(\left|S_0\left(t\right)\right|\right)}---\left(2\right)$

该OFDM基带信号被馈送到相位调制器5和希尔伯特(Hilbert)变换器6，以产生复调制信号。

通常，根据Kettel的文献，任意实信号σ(t)的理想SSB信号m(t)通过下式给出：

m(t)＝σ(t)+jH{σ(t)},    (3)

H{σ(t)}是σ(t)的希尔伯特变换。根据所述定义，定义调制信号n(t)(该调制信号调制光载波)：

这仍然是SSB信号，经由方程(3)，其幅度S_B(t)和相位是相互依赖的。所述幅度S_B(t)在方程(2)中被定义。根据方程3和4，获得SSB信号所要求的其他相位调制项

变为：

通过方程(4)，该相位调制信号

得自OFDM基带信号S_B(t)，该方程(4)计算自然对数的希尔伯特变换。为了避免混叠，在信号处理的这个部分中应该使用过采样。

如果应用m₂(t)＝σ(t)-jH{σ(t)}或

能够产生其他边带，则以下考虑仅仅一个边带信号。

相位调制器5将相位调制应用于基带信号S_B(t)，从而根据方程(4)组合调制项S_B(t)和

并且结果输出复单边带调制信号n(t)。

为了将SSB调制信号n(t)调制到光载波f_0C上，使用光学IQ-调制器10(IQ：同相、正交分量)，该光学IQ-调制器10产生光场：

E(t)＝n(t)·exp(j²Πf_0Ct)     (6)。

数字调制信号n(t)被分成实分量n_R(t)和虚分量n_I(t)。通过数模转换器7和8将这些数字调制分量转换成模拟调制信号，并馈送到光学IQ-调制器10。光载波f_0C通过光源(激光器)9产生并且也被馈送到光学IQ-调制器。IQ-调制器10具有双重并行的Mach-Zehner结构，并且能够产生幅度和相位都被调制的光学单边带传输信号S_OT(t)。

传输信号S_OT(t)包含光载波f_0C和基带信号S_B(t)，该基带信号S_B(t)的频谱被定位与光载波f_0C相邻。在图3b的插图中示出传输信号S_OT(t)的频谱。

根据方程(2)和(4)，在传输信号S_OT(t)的包络的功率中承载OFDM基带信号的信息，所述功率对应于包络幅度的平方。

传输信号S_OT(t)通过光网络11(光纤)被发送到接收机12-15。接收机包括串联的光电转换器12、模数转换器13和OFDM接收机14。

通过光电二极管12或光电晶体管将接收到的传输信号S_ROT(t)转换成电“检测的”信号S_RE(t)。所述光电转换产生与接收到的光信号的功率成比例的光电流，接收到的光信号的幅度被平方，并且信息通过所谓的直接检测被恢复。时间信号的自乘对应于信号频谱与自身在频域中的卷积。因此，接收到的光信号S_ROT(t)的频谱与自身进行卷积以及被转换成电基带域中的“接收到的基带信号”S_RB(t)。

图2在上部示出如由Lowery建议的“偏移SSB OFDM”信号的频谱。传输信号在载波f_0C与带宽为B的基带信号的频谱之间具有频谱间隙GAP。间隙GAP与基带信号(或调制信号)的频谱具有相同的频率宽度。因此，在光电二极管之后，由光电转换产生的所有的失真差拍乘积落入间隙GAP中。

当使用根据本发明的兼容的SSB“CompSSB”时，在载波与所发送的基带信号n(t)的频谱之间不具有实际的间隙，如在图2的下部所示出的那样。根据兼容的SSB调制，仅产生较少的失真差拍乘积并且只需要一半的带宽来发送OFDM信号。

通过模数转换器13将所检测的电信号S_RE(t)转换成数字基带信号S_RB(t)，并且在OFDM接收机14中以数字方式被处理，该接收机14执行“快速傅立叶变换”，从而将OFDM基带信号S_RB(t)转换回在输出端15输出的接收到的数据信号DS_R。

图3在插图中示出相等总信号功率(包括载波)的光传输信号的实际频谱并且以多幅图示出现有技术的偏移SSB OFDM系统和新的兼容的SSB OFDM系统的性能。当QPSK调制(正交相移键控)分别被应用于在10GHz和5GHz带宽信道中大约10Gb/s的传输时，图3a和3b根据以每纳米百亿分之一秒为单位的色散D[ps/nm]示出符号误码率为SER＝10^-3的所要求的光信噪比OSNR。针对15个(虚线)、127个(点划线)和1023个(实线)OFDM信道示出结果。

根据图3b，对于使用兼容的SSB调制的系统，较高的光信噪比是必需的，以达到与偏移SSB系统相同的误差率，但是带宽被减小到一半。

在图4中图示本发明的改进的第二实施例。新发射机(1，2，3C，5-9)和新接收机(11-15)类似于如在图1中所示的发射机和接收机。但是第一实施例的发射机的缩放单元3和平方根处理器4被缩放和限幅(clipping)单元3C所替换。在第二实施例的接收机(12，13，4C，14，15)中，在模数转换器13与OFDM接收机14之间插入平方根处理器4C，以补偿由光电二极管12产生的自乘。在新系统中应用的信号处理的改进方法避免产生由根计算产生的干扰频率，并且与传输信号的OFDM部分相比具有较小的载波。

缩放和限幅单元3C将所产生的OFDM信号S_O(t)的幅度/功率限制到预定的正值。为了能够将任意的实际OFDM信号映射到n(t)的包络，修改过的类似于信号S₁(t)的被限制的信号S_1C(t)必须被约束于正值地来构造，例如

S_OC(t)＝1+S₀(t)/max(|S₀(t)|)        (7)

对应于第一描述实施例的信号的、第二实施例的所有信号被称为“修改过的”信号并且承载附加索引“C”。

通过避免计算OFDM信号S_O(t)的平方根，修改过的被限制的信号S₁(t)变成修改过的基带信号S_BC(t)以及方程(5)和(6)变化成

(8)和(9)

并且根据方程(4)，修改过的调制信号n_C(t)变成

CompSSB的主要问题是高的载波信号功率比。减小它的可能性是在将修改过的基带信号S_BC(t)的计算应用于光载波f_0C的调制之前减小OFDM信号的功率范围。能够应用不同的限幅方法。例如恒定的或可变的限幅系数c_lin能够被应用于S_O(t)或S_1C(t)，例如

$S_{0C}\left(t\right)=\frac{S_0\left(t\right)}{\sqrt{\mathrm{mean}\left({\left|S_0\left(t\right)\right|}^2\right)\·c_{\mathrm{lin}}}}---\left(11\right)$

S_OC(t)是在图中未示出的内部计算的信号。

然后根据方程(7)处理该信号。

如上所提及的那样，通过从接收到的数字OFDM基带信号S_RB(t)的值取平方根而在接收机(12-15，4C)处执行光电转换器11的补偿。

图5示出图示与偏移SSB相比的改进方法(或系统)的性能的曲线图。对于SER＝10^-3的所要求的OSNR在偏移SSB传输(10GHz总带宽)与具有用于产生CompSSB信号的不同限幅系数的CompSSB传输(5GHz总带宽)之间进行比较。针对127个子载波示出结果。实线示出偏移SSB的性能，虚线是针对小的限幅系数，点划线是针对中间限幅系数，而点线是针对高的限幅系数。通过减小限幅系数，可能将CompSSB与偏移SSB相比的OSNR损失减小到低于3dB。

所建议的通过在接收机中取平方根而与光电二极管的补偿组合使用所述CompSSB的方法允许在所要求的OSNR上与偏移SSB相比以5dB的损失为代价而以所要求的带宽的一半来传输数据。通过在将相位调制应用于CompSSB信号之前在该信号上应用限幅，以色散的容限为代价，所述OSNR损失能够被减小到3dB并且更少。与没有限幅的偏移SSB相比，色散容限是类似的，但是特别是当使用大量子载波以及色散的容限相当高时，CompSSB的所要求的OSNR趋向更早地增加而且比偏移SSB更慢地增加。

参考标记

1-10               OFDM发射机

12-15              OFDM接收机

1                  输入端

2                  OFDM信号发生器

3                  缩放单元

4                  根处理器

5                  相位调制器

6                  希尔伯特变换器

7                  数模转换器

8                  数模转换器

9                  CW源

10                 光学IQ调制器

11                 光网络

12                 光电转换器

13                 模数转换器

14                 OFDM接收机

15                 输出端

3C                 缩放和限幅单元

4C                 根处理器

DS                 数据信号

S_O(t)              OFDM信号

S₁(t)              被限制的OFDM信号

S_B(t)              (OFDM)基带信号

n(t)               调制信号

                相位调制项

n_R(t)              实分量

n_I(t)              虚分量

f_0C                光载波

S_OT(t)             光传输信号

S_ROT(t)                  接收到的传输信号

S_RE(t)                   所检测的信号

S_RB(t)                   接收到的(OFDM)基带信号

DS_R                      接收到的数据信号

GAP                      间隙

B                        基带信号n(t)的带宽

S_1C(t)                   修改过的被限制的OFDM信号

S_BC(t)                   修改过的(OFDM)基带信号

                     修改过的相位调制项

n_C(t)                    修改过的调制信号

S_OTC(t)                  修改过的光传输信号

S_REC(t)                  修改过的所检测的信号

S_RBC(t)                  接收到的修改过的(OFDM)基带信号

DS_R                      接收到的数据信号

Claims (14)

1.一种用于在光网络(11)中发送正交频分复用信号(S_O(t))的方法，

该方法包括以下步骤：

产生实值正交频分复用信号(S_O(t))，

由所述正交频分复用信号(S_O(t))获得被限制的正交频分复用信号(S₁(t))，

将根处理应用于被限制的正交频分复用信号(S₁(t))，以产生正交频分复用基带信号(S_B(t))，

将该正交频分复用基带信号(S_B(t))转换成复调制信号(n(t))，

利用调制信号(n(t))来调制光载波(f_OC(t))，以产生在其包络的功率中承载基带信号(S_B(t))的信息的光学单边带传输信号(S_OT(t))。

2.一种用于在光网络(11)中发送正交频分复用信号(S_O(t))的方法，

该方法包括以下步骤：

产生实值正交频分复用信号(S_O(t))，

由所述正交频分复用信号(S_O(t))获得被修改的被限制的正交频分复用信号(S_1C(t))，以及

产生被修改的正交频分复用基带信号(S_BC(t))，

将该被修改的正交频分复用基带信号(S_BC(t))转换成复调制信号(n_C(t))，

利用该被修改的调制信号(n_C(t))调制光载波(f_O(t))，从而产生被修改的光传输信号(S_OTC(t))，该被修改的光传输信号(S_OTC(t))在其包络的幅度中承载该被修改的基带信号(S_BC(t))的信息。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

产生单边带调制信号(n(t))或被修改的单边带调制信号(n_C(t))。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

利用 $S_B\left(t\right)=\sqrt{S_1\left(t\right)}$ 和

来产生单边带调制信号

其中，S₁(t)＝被限制的正交频分复用信号，

＝相位调制项。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

在第二实施例的发射机(1，2，3C，5-10)处，利用

来产生被修改的单边带调制信号其中，S_1C(t)＝被限制的正交频分复用信号，

＝被修改的相位调制项。

6.根据权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，

在接收机(12-15；12-15，4C)处，直接检测被应用于接收到的传输信号(S_ROT(t)，S_ROTC(t))。

7.根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于，

在第二实施例的接收机(12-15，4C)处，根处理被应用于所检测的信号(S_REC(t))，以恢复接收到的被修改的基带信号(S_RBC(t))。

8.根据权利要求1到7所述的方法，其特征在于，

在发射机(1-10；1，2，3C，5-10)处，以数字方式计算被限制的正交频分复用信号(S₁(t))、基带信号(S_B(t))和调制信号(n(t))，以及在所述接收机处，以数字方式计算接收到的数据信号(DS_R)。

9.根据权利要求1到8所述的方法，其特征在于，

产生第二单边带调制信号和第二单边带传输信号。

10.一种用于通过光网络(11)发送正交频分复用信号(S_O(t))的设备，该设备包括：

具有第一数字处理器(2-6；1，2，3C，5，6)的发射机(1-10；1，2，3C，5-10)，用于产生正交频分复用信号(S_O(t))，用于由所述正交频分复用信号(S_O(t))获得具有被限制的值的实值基带信号(S_B(t)，S_BC(t))，用于将基带信号(S_B(t))转换成具有实调制分量(n_R(t))和虚调制分量(n_I(t))的复调制信号(n(t)，n_C(t))，

数模转换器(7，8)，用于将所述调制分量(n_R(t)，n_I(t))转换成模拟调制分量，

IQ调制器(10)，该IQ调制器(10)接收所述模拟调制分量以及利用所述调制分量调制光载波(f_O(t))，以产生分别在其包络中或在包络的功率中承载基带信号(S_B(t))的信息的光传输信号(S_OT(t)，S_OTC(t))。

11.根据权利要求10所述的设备，其包括：

第一实施例的发射机(1-10)，用于利用 $S_B\left(t\right)=\sqrt{S_1\left(t\right)}$ 和来产生单边带调制信号

其中，S₁(t)＝被限制的正交频分复用信号，

＝相位调制项，H＝希尔伯特变换。

12.根据权利要求10所述的设备，其包括：

第二实施例的发射机(1，2，3C，5-10)，用于利用

来产生被修改的单边带调制信号

其中，S_1C(t)＝被修改的被限制的正交频分复用信号，

＝被修改的相位调制项，H＝希尔伯特变换。

13.一种用于接收在包络的功率中或在包络中承载正交频分复用信号(S_O(t))的信息的光传输信号(S_OT(t)，S_OTC(t))的设备，该设备包括：

光电二极管(12)，用于直接检测接收到的传输信号(S_ROT(t))并输出电检测的信号(S_RE(t))，

模数转换器(13)，该模数转换器(13)将所述所检测的信号(S_RE(t)，S_REC(t))转换成以数字方式接收到的正交频分复用基带信号(S_RB(t)，S_RBC(t))，以及

第二数字处理器(12-14；12，4C，14)，用于解调接收到的正交频分复用基带信号(S_RB(t))并且输出接收到的数据信号(DS_R；DS_RC)。

14.根据权利要求13所述的设备，

在第二实施例的接收机(12，4C，14)处，该设备包括用于从接收到的正交频分复用基带信号(S_RBC(t))取平方根的根处理器(4C)。

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