CN101692628A - 基于单边带调制的单载波频域均衡技术的光纤通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通信和光网络传输信号均衡处理技术领域，具体为一种基于单边带调制的单载波频域均衡的光纤通信系统。本发明是在光纤通信的传输系统中，利用DSP等高速数字信号处理方式，对单边带调制的直接检测接收到的电信号采用FFT变换从时域变换到频域，采用针对传输链路所设计的均衡模块在频域进行均衡补偿，最后再将经均衡模块后的信号经过IFFT从频域变换到时域，得到最终的均衡信号。本发明能改善信号的传输质量，具有自适应光纤传输链路的信号均衡补偿能力。

Description

基于单边带调制的单载波频域均衡技术的光纤通信系统

技术领域

本发明属于光纤通信和光网络传输的信号均衡处理技术领域，具体涉及一种基于单边带调制单载波频域均衡的光纤通信系统。

背景技术

在当今的光网络发展中有两个越来越明显的趋势：(i)单个传输通道的传输速率正已迅速增加，并迅速的接近100Gb/s；(ii)由于光分插复用器的使用，使得能够动态重构的光网络已经逐渐变成现实。这些趋势对光网络的传输链路提出重大的挑战。特别地，当传输网络变得更加灵活时，传统精确的间隔距离光色散补偿(Optical Dispersion Compensation，ODC)会变得过于昂贵且费时，因为色散补偿需要在传输波段范围内的精确的对光纤色散测量和匹配补偿。更为重要的是，一个具有动态重构的光网络应具有快速的链路建立能力，这使得人工配置的光色散补偿变得不太现实。

电子均衡技术在解决动态光纤链路的色散、偏振模色散以及各种非线性效应等方面具有潜在优势。电子色散补偿作为一种色散补偿方案，作用类似于光域的色散补偿光纤、布拉格光栅以及光学谐振腔。电子均衡技术主要有以下几点优势：1，能够灵活地适用于临时的色散补偿需求；2，在光标记交换网络中具有自适应链路色散补偿的特性；3，在传输层面对于光通信网络能实现传输速率透明适配；4，比较传统的光学色散补偿方案，所需的光子外围器件更少。

单载波频域均衡技术(Single Carrier Frequency Domain Equalization：SC-FDE)作为一种电子均衡技术，是无线通信极为成熟且研究广泛的信道均衡和补偿技术，该技术采用高速DSP处理将电信号从时域变换到频域进行均衡补偿。然而，对于直接检测的光纤通信系统，由于大部分传输都是基于双边带调制的，因此接受到的信号也都是双边带的信号。而对于双边带的信号，在直接检测时，会存在平方率折叠效应，接受到的信号双会将上下边带不同的色散影响混叠，因此频域均衡方案对双边带的光纤通信系统效果不佳。

单边带光通信(Optical single sideband：OSSB)在解决直接检测时避免平方率频谱折叠效应上具有很好的效果。单边带光通信在光纤通信中也具有独有的优势，由于单边带信号的频谱只有双边带信号的一半，因此所受的色散影响要小的多。如图1所示为M.Sieben等人提出的调制法产生单边带信号的方法。见J.Conradi，B.Davies，M.Sieben，D.Dodds，andS.Walklin，Proc.Optical Fiber Commun.Conf.’97，Feb.1997，postdeadline paper PD-29。

这种方式采用了如图2所示的基于希尔伯特变换的有限冲击响应数字滤波器，其中S(t)为原信号，

为信号的希尔伯特变换，τ为延时量。这种方式能够很好的近似产生单边带信号。

基于以上的一些事实，本发明首次提出了在光纤通信系统中，采用基于单边带调制的单载波频域均衡技术对接收信号进行电子均衡的色散补偿。该技术使得频域均衡技术在光纤通信中成为可能，同时结合了单边带信号和电子均衡技术的所有优势，能进一步的提高系统的传输性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能进一步提高系统传输性能的基于单边带调制单载波频域均衡的光纤通信系统

本发明提出在光纤通信系统中，采用基于单边带传输的单载波频域均衡技术，该技术在的核心是在光纤通信的传输系统中，利用DSP等高速数字信号处理方式，对通过直接检测接收到的电信号采用FFT变换从时域变换到频域，采用针对传输链路所设计的均衡模块在频域进行均衡补偿，最后再将经均衡模块后的信号经过IFFT从频域变换到时域，得到最终的均衡信号。该系统基于单边带调制，接收端直接检测单边带信号。

本发明在基于单载波调制的光纤通信系统中，采用单载波的频域均衡技术，对直接接收到的单边带信号进行电子色散补偿。所述的系统包括调制法产生的单边带信号发射机、光纤传输链路、直接检测接收机和单载波的频域均衡模块。见图2所示。

所述的单边带信号发射机利用调制法产生单边带信号，其包括：

一个基带信号源11，用于产生所需要传输的基带信号；

一个连续工作的固定波长的激光源12，作为光载波；

一个单边带信号调制器10，用于进行光信号单边带外调制。

所述的单边带信号调制器基于信号的希尔伯特变换有限冲击响应(Finite impulseresponse：FIR)数字滤波器，利用一个双臂的马赫哲德调制器级联一个相位调制器产生单边带信号。信号与信号的希尔伯特变换分别驱动双臂马赫哲德调制器和相位调制器。

所述的双臂马赫哲德调制器的驱动信号分别为反向关系，上下直流偏置也相反。

所述的驱动信号，都根据信号的产生需要进行了适当的偏置。

希尔伯特变换有限冲击响应数字滤波器要根据传输信号的速率选取适当的延时单位参数，使接收端进行均衡处理时能取得最佳效果。

单边带信号经过普通单模光纤的传输链路之后进行直接检测。直接检测的电信号送给所设计的单载波频域均衡模块。

单载波频域均衡模块采用了高速DSP的数字信号处理技术，包括三个部分：信号的傅立叶变换部分(FFT)，频域均衡部分(FDE)，信号的反傅立叶变换部分(IFFT)。所述信号的傅立叶变换部分是进行快速傅立叶变换(Fast Fourier Transformation：FFT)，其作用是将电信号从时域变换到频域。对信号进行FFT变换之前，需要进行适当的串变并的变换，以适合FFT处理。所述的频域均衡部分是根据信号的传输链路建立的频域均衡模型。所述的频域均衡模型是用于传输信号的光纤链路的频域传输函数的逆过程，即需要先根据传输光纤的色散系数，传输长度，非线性效应系数等求出光纤的频域传输函数，然后其倒数便是所求的频域均衡函数。所述的光纤频域传输函数，是根据光纤的传输信道，采用分布傅立叶算法，求出时域解析解，转换到频域，建立频域传输函数，所述的频域传输函数可以根据需要忽略适当的小量，以达到效率与效果的平衡。所述的频域均衡模型能自适应与光纤传输参数的变换，当传输链路的参数发生动态变换时，只需要同步随之修改模型的参数即可。所述的信号的反傅立叶变换部分是进行快速的反傅立叶变换(Inverse FastFourier Transformation：IFFT)，其作用是将电信号从频域变换到时域。在对信号进行了IFFT之后，需要进行适当的并变串的变换，以得到最后的经过均衡的输出信号。该均衡输出信号经过判决，输出数据。

本发明系统中的均衡模块，对接收到的电信号的整个处理步骤是：a、串行信号变并行信号；b、经过FFT将信号变换到频域；c、通过频域均衡模型进行补偿；d、补偿后的信号经过IFFT变换到时域；e、并行的信号变成串行的信号；f、信号输出。

本发明所采用的基于单边带传输的单载波频域均衡技术能够有效的提高系统的传输质量，并且相比较于一般的光域色散补偿方面具有如下的优势：

1.本发明采用的调制法产生单边带信号，信号产生简单，不需要额外的滤波器抑制边带，而一般的滤波法产生单边带需要非常精确的滤波器同时还会使传输功率减半。

2.本发明所采用的频域均衡，能够灵活地适用于临时的色散补偿需求，可以根据光纤传输参数的改变，而动态的同步修改均衡模型参数，即具有自适应链路色散补偿的特性。

3.本发明所述的频域均衡模块只在光信号的接收端，比较传统的光学色散补偿方案，所需的光子外围器件更少，同时也不会因为均衡模块的引入而产生额外的光功率损耗。

4.本发明所采用的频域均衡模块在传输层面对于光通信传输速率是透明适配，因此，对于传输链路的升级，能够很好的自适应，而不需要新增外围部件。

5.本发明结合了单边带信号传输的抗色散能力强的优势和单载波频域均衡模块能动态均衡补偿信道色散的优点，使系统具有很好的传输性能。

附图说明

图1Mike Sieben等人提出的调制法产生单边带信号的结构

图2为本发明系统结构图示。

图3希尔伯特有限冲击数字滤波器相移结构。

图4对比采用了基于单边带调制单载波频域均衡技术的传输系统和传统的双边带传输系统传输性能的结构图。

图5希尔伯特延时单位τ对单边带调制信号边带抑制作用的影响。

图6希尔伯特变换延时时间单位对信号均衡效果影响。

图7传输长度为100km时，(a)为双边带信号，(b)为FDE均衡前的单边带信号，(c)为FDE均衡后的单边带信号眼图。

图8不同传输处理信号的眼开度代价随传输长度变化情况。

图9不同传输处理信号时钟抖动失真量随传输长度变化情况。

图10不同传输处理信号眼开度代价随光纤色散系数变化情况。

图11不同传输处理信号时钟失真量随光纤色散系数变化情况。

图中标号：1为单边带发射机，2为光纤传输链路，3为直接检测接收机，4为单载波频域均衡模块，5为判决模块，10为单边带调制器，11为基带信号源，12为激光源，13为信号处理模块，14为双臂马赫哲德调制器，15为相位调制器，41为FFT模块，42为FDE频域均衡处理部分，43为IFFT模块，44为串/并变换模块，45为并/串变换模块。

具体实施方式

下面将根据本方案提出的基于单边带调制的单载波频域均衡技术，完整的进行本方案的实施。同时为了体现本方案的均衡效果，与同样传输条件的一般双边带传输系统进行对比。

图4为对比传输性能的系统结构图：即将传统的双边带传输系统和采用了基于单边带调制单载波频域均衡技术的传输系统进行对比。其中上半部分为单边带频域均衡系统，采用的是单边调制的发射机，接收时采用的直接接收；下半部分采用的双边带调制，调制时采用平衡马赫哲德调制器，接收时也采用直接接收。

激光光源为DFB激光器产生的连续光源，中心频率为193.1*10¹²Hz，即波长为1553.6nm。上下两部分的调制方式均为ASK振幅调制，码元为PRBS伪随机码。同时观察区间取为2⁹个码元，码元速率为10Gb/s。所使用的光纤为标准单模光纤，其中色散系数为D＝16ps/nm/km。直接检测时采用的是PIN管，对接收到的低通信号均采用了截至频率7.5GHz的四阶贝塞尔低通滤波器以滤掉高频噪声。对单边带FFT-FDE-IFFT采用的是数字信号处理模块。对上半部分单边带调制系统，涉及到了许多偏置和H-T希尔伯特变换参数的选取。基带码元为PRBS的NRZ码。

FDE色散补偿模块的设计是根据光纤对光信号的影响所决定的。采用分步傅立叶法将非线性效应和色散分别处理如下形式：

其中，

为差分算符，它表示了线性介质的色散；

则是非线性算符，它决定了脉冲过程中的非线性效应。其中算符

经过展开为：

$\tilde{D}=-\frac{i}{2}{\mathrm{\β}}_2\frac{{\∂}^2}{{\∂T}^2}+\frac{1}{6}{\mathrm{\β}}_3\frac{{\∂}^3}{{\∂T}^3}+...\left(1\right)$

其中，β_i为各阶的传播常数微分，i为2，3。在本文的均衡算法中，将忽略非线性的作用，并只考虑色散和吸收的影响。将传输函数转换到频域，则可以得到光纤的色散传递函数的表达式：

$H\left(w\right)=\exp \{j\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_2{(w-w_c)}^{2}L+j\frac{1}{6}{\mathrm{\β}}_3{(w-w_c)}^{3}L+...\}---\left(2\right)$

将上式的色散系数D带入，并只考虑群速度色散，那么可以得到色散信号频带的传递函数：

上式中f表示的是基带信号的频率，c为光速，λ₀为载波光波长，D为光纤的色散系数，L为传输的距离。那么进行补偿和均衡的函数可以直接由上式给出：

$H_{\mathrm{fde}}\left(f\right)=H{\left(f\right)}^{-1}=\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\λ}}_0^2{\mathrm{DLf}}^2}{c}\right)---\left(3\right)$

值得注意的，这里求得的均衡和补偿函数得到的变量f频率对应的就是基带的电信号频率，因此可以直接用于频域均衡处理。

对10Gb/s信号，所设计的单边的调制系统能够很好的产生单边带调制信号。如图5所示，为不同的希尔伯特变化延时单位对单边带调制产生的信号频谱结果，其中(a)τ＝0，(b)τ＝0.2T＝0.02ns，(c)τ＝0.4T＝0.04ns，(d)τ＝0.5T＝0.05ns，(e)τ＝0.7T＝0.07ns，(f)τ＝0.9T＝0.09ns，而T为其码元周期，中心频率为193.1THz，频率单位为GHz。可以看出，不同的参数选取，将直接影响单边带的抑制效果。图5中可以看出，以τ＝0.5T＝0.05ns为中心，τ变小时，对高频分量抑制的更好，低频分量残留变大；τ变大时，对低频分量抑制的更好，对高频分量残留变大。当τ＝0时，相当于无希尔伯特变换，此时为双边带信号，无边带抑制作用。因此，τ的选取将对系统的质量产生一定的影响，需要进行一定的权衡。

不同的单位延时τ的希尔伯特变化下，接收到的FDE-SSB信号的BER变化如图6所示，其中光纤传输距离为80km，激光器功率为1mw。可以发现，当τ过大或过小时，由于对高频率分量或低频率分量的抑制过低，而使得频域均衡的效果变差。同时，可以发现，通过选择合适的延时单位时间，当τ在0.3T到0.6T之间时，将能取得最佳的均衡效果。

如图7所示为选取经过SSMF传输100km后的接收到信号眼图结果。可以明显的看出，单边带单载波频域均衡对信号质量的改善效果明显，双边带信号由于色散影响，畸变严重，眼图几乎要闭合，而单边带信号由于本身的抗色散能力，信号质量要比双边带的好，而在经过均衡后，抗色散性能得到了进一步的提高。这表明，我们所做的基于单边带单载波频域均衡的模块设计是有效的。

单边带调制单载波频域均衡对系统传输性能的提高的对比结果如图8～图11所示，通过对接收到的信号的眼开度代价EOP和时钟抖动失真量随传输长度和光纤色散系数的变化情况分析，对比双边带信号，未均衡SSB信号和经频域均衡的单边带信号(FDE-SSB)的不同表现，可以看出基于单边带调制的单载波频域均衡系统能有效的提升系统的传输性能。

其中，图8和图9是在发射机激光器功率为1mw，标准单模光纤色散系数为16ps/nm/km的链路中传输的结果。可以看出，随着传输长度的增加，SSB信号和FDE-SSB信号的对系统的改善更加明显。当传输长度为80km时，相比于传统的DSB信号，SSB信号和FDE-SSB的眼开度代价分别降低了2.8dB和3.4dB，而当传输距离为100km时，相比于DSB信号，SSB信号和FDE-SSB信号眼开度代价则分别降低了5.3dB和6.3dB。特别的，虽然传输距离较短时，双边带信号的时钟抖动要小，但是当传输距离大于80km后，DSB信号恶化严重，相反，经过均衡的FDE-SSB信号，时钟抖动失真较小，相比DSB信号，在90km以后，时钟抖动降低40ns以上。因此，对长距离传输而言，FDE-SSB信号对眼开度代价和时钟抖动失真的抑制明显，相比于DSB信号，能有效的提高系统的传输性能。值得注意的是，在传输距离较小时，SSB信号和FDE-SSB信号对信号的改善并不明显，特别是当距离小于30km时，DSB信号在EOP和时钟失真方面都比采取单边带信号和均衡时小，这是由系统的结构所决定的。由于单边带调制相比于双边带调制，多采用了一个相位调制器，同时结构也更为复杂，调制器的非线性效应也更加严重，传输距离短时，优势并不明显。

图10和图11为当传输距离为80km时，单模光纤的色散系数D由-32ps/nm/km到32ps/ns/km变化时，信号的眼开度代价和时钟抖动失真的表现情况。可以看出，当光纤的色散较大时，改善效果更为明显。在16ps/nm/km的色散系数下，相比于DSB信号，SSB信号和FDE-SSB信号的EOP分别降低了4.5dB和5.2dB，而时钟抖动时钟分别降低了21ns和27ns。

因此通过对10Gb/s的ASK信号进行信号均衡和补偿作用，验证了在50km，80km，100km等不同的距离光纤链路中电域频域均衡对色散补偿的效果。研究表明，基于单边带调制的单载波频域均衡技术能有效的降低传输信号的眼开度代价并抑制时钟抖动失真。随着传输距离的增加，这种改善效果更加显著，适合长距离传输。

Claims (3)

1.一种基于单边带调制单载波频域均衡的光纤通信系统，其特征在于该系统包括：单边带信号发射机、单模光纤链路、直接检测接收机和级联的单载波的频域均衡模块；其中：

所述的单边带信号发射机，采用调制法产生单边带信号，其包括一个基带信号源，用于产生所需要传输的基带信号；一个连续工作的固定波长的激光源，作为光载波；一个单边带信号调制器模块，用于进行光信号单边带外调制；

所述的单边带信号调制器模块，基于信号的希尔伯特变换有限冲击响应数字滤波器，利用一个双臂的马赫哲德调制器级联一个相位调制器产生单边带信号；信号与信号的希尔伯特变换分别驱动双臂马赫哲德调制器和相位调制器；所述的双臂马赫哲德的驱动信号分别为反向关系，上下直流偏置也相反，所述的驱动信号，都根据信号的产生需要进行偏置；

所述的级联的单载波的频域均衡模块包括三个高速DSP的数字信号处理部分：信号的傅立叶变换部分、频域均衡部分和信号的反傅立叶变换部分；

所述的信号的傅立叶变换部分，进行快速傅立叶变换，即FFT，将电信号从时域变换到频域；对信号进行FFT变换之前，需要进行串变并的变换，以适合FFT处理；

所述的频域均衡部分，是根据信号的传输链路建立的频域均衡模型；所述的均衡模型是用于传输信号的光纤链路的频域传输函数的逆过程，根据传输光纤的色散系数、传输长度、非线性效应系数求出光纤的频域传输函数，该频域传输函数的倒数即为所求的光纤频域均衡函数；所述的光纤频域传输函数，是根据光纤的传输信道，采用分布傅立叶算法，求出时域解析解，转换到频域，建立频域传输函数；

所述的信号的反傅立叶变换部分，是进行快速的反傅立叶变换，即IFFT，将电信号从频域变换到时域；在对信号进行IFFT之后，进行并变串的变换，以得到最后的经过均衡的输出信号。

2.如权利要求1所述的的光纤通信系统，其特征在于所述的希尔伯特变换有限冲击响应数字滤波器，其延时单位的大小根据传输信号的速率选取适当的延时单位参数，使接收端进行均衡处理时能取得最佳效果。

3.如权利要求1所述的的光纤通信系统，其特征在于所述的级联的单载波的频域均衡模块，其对信号的处理过程为：

串行信号变并行信号；经过FFT将信号变换到频域；通过频域均衡模型进行补偿；补偿后的信号经过IFFT变换到时域；并行的信号变成串行的信号；信号输出。

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