CN101800604B - 光相干接收系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光相干接收系统及其方法。所述方法包括S1、产生本地振荡光信号；S2、将所述本地振荡光信号和接收光信号混合以生成多个光信号；S3、将所述多个光信号转换成一组同相电信号和一组正交相移电信号；S4、分路所述一组同相电信号和一组正交相移电信号中的至少一者；S5、基于步骤S4中获得的信号分别生成同相信号估计、正交相位信号估计和功率输出信号。实施本发明的光相干接收方法和系统，尽可能地利用所有已知信息从而提高信噪比。

Description

光相干接收系统及其方法

技术领域

本发明涉及光通信领域，更具体地说，涉及一种光相干接收系统及其方法。

背景技术

随着对光通信系统的容量要求的迅速提升，对光纤通信系统的相干检测也提出了新的要求。在检测过程中，相干光传输可以保留光场中的全部信息，从而使得光的多电平调制成为可能。为了获得高于2比特/s/Hz的光谱效率，已经对正交相移键控(QPSK)、8PSK和正交振幅调制(QAM)进行多项研究。光效越高意味着对于相同的比特率符号率越低，这将带来许多优点，诸如更高的抗色散(CD)和抗偏振模色散(PMD)性能，更低的带宽需求和更高的模数转换(ADC)和数字信号处理(DSP)。然而，另一方面，具有较高光谱效率通常意味着其灵敏度较低。由于对于光纤通信系统来说，接收的光信号功率最终是由光纤的非线性特性决定的，因此不能简单地通过增加接收信号功率来延长其链路到达。因此，采用其他方法以提高其灵敏度是非常重要的。

对于BPSK、QPSK或M-PSK光学接收系统，可由接收信号的相位决定符号值，因此接收信号和本地振荡的乘积足以做出该决定。然而，对于8或更高相位的PSK，由于其比特误差率过高而难以用于实际应用。随着光谱效率的进一步增加，相干QAM将变得更具有吸引力。与M-PSK系统中的恒定振幅不同的是，在QAM接收系统中，不仅星座点的相位不同，其振幅也不同。在这种情况下，振幅信息和相位信息同样有用。

图1示出了现有技术的光相干接收系统，其为相位分集接收器。如图1所示，接收光信号Es和本地振荡光生成装置生成的本地振荡光信号E_LO共同连接到光混合电路。所述光混合电路接收所述接收光信号Es和本地振荡光信号E_LO以生成第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4。其中第一光信号E1为所述接收光信号Es和本地振荡光信号E_LO之和，所述第二光信号E2为所述接收光信号Es和本地振荡光信号E_LO之差。所述第三光信号E3为所述接收光信号Es和本地振荡光信号E_LO的π/2相移信号之和。所述第四光信号E4为所述接收光信号Es和本地振荡光信号E_LO的π/2相移信号之差。所述第一-第四光电转换器分别接收所述第一-第四光信号E1-E4以分别生成同相信号I_I1(t)和I_I2(t)，以及正交相移信号I_Q1(t)和I_Q2(t)，其中所述同相信号I_I1(t)和I_I2(t)，以及正交相移信号I_Q1(t)和I_Q2(t)可以由公式(1)表示成：

$I_{I1}\left(t\right)=\frac{R}{2}(P_S+P_L+2\sqrt{P_S{P}_L}\cos ({\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_n\left(t\right)))+n_1$

$I_{I2}\left(t\right)=\frac{R}{2}(P_S+P_L-2\sqrt{P_S{P}_L}\cos ({\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_n\left(t\right)))+n_2$

$I_{Q1}\left(t\right)=\frac{R}{2}(P_S+P_L+2\sqrt{P_S{P}_L}\sin ({\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_n\left(t\right)))+n_3---\left(1\right)$

$I_{Q2}\left(t\right)=\frac{R}{2}(P_S+P_L-2\sqrt{P_S{P}_L}\sin ({\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+{\mathrm{\θ}}_n\left(t\right)))+n_4$

其中，R是光电探测器的响应率。假定本地振荡光信号的功率P_L为单位信号。Ps为接收光信号的功率。θ_s(t)是接收信号的相位。θ_n(t)是相移，假定其已知。为了简化，可以将噪声n_i假定为高斯分布N(0，σ²)，且如果i≠k，则n_i与n_k无关。

对于在大多数当前相干检测系统中采用的均衡检测方式，接收同相信号估计一般仅基于如下示出的接收信号和本地振荡信号的乘积：

$I_I\left(t\right)=(I_{I1}\left(t\right)-I_{I2}\left(t\right))/\left(2R\right)$ (2)

$=\sqrt{P_S}\cos {\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+(n_1-n_2)/\left(2R\right)$

类似地，接收正交相位信号估计是

$I_Q\left(t\right)=(I_{Q1}\left(t\right)-I_{Q2}\left(t\right))/\left(2R\right)$ (3)

$=\sqrt{P_S}\sin {\mathrm{\θ}}_s\left(t\right)+(n_3-n_4)/\left(2R\right)$

通过量化公式(2)和(3)中的信号，可以获得接收复数符号

如上所述，现有技术的光相干接收系统的缺陷在于，当前光QAM相干检测过程仍然仅使用接收信号和本地振荡的乘积，而忽略了从光检测器中输出的功率信息，信噪比还有可提升的空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的光相干接收系统在光QAM相干检测过程中只使用部分光检测信息因而信噪比不高的缺陷，提供一种尽可能地利用所有已知信息从而提高信噪比的光相干接收系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光相干接收系统，包括：

本地振荡光生成装置，用于产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

光混合电路，用于接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

光电转换器，用于将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号；

所述光相干接收系统进一步包括：

分路装置，用于接收所述第一同相电信号和第二同相电信号以生成第一同相电信号第一路分量、第一同相电信号第二路分量和第二同相电信号第一路分量、第二同相电信号第二路分量；

第一差分转换器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第一路分量和第二同相电信号第一路分量以生成接收同相信号估计；

多路混合器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第二路分量和第二同相电信号第二路分量并求和以生成功率输出信号；

第二差分转换器，用于接收第一正交相移电信号和第二正交相移电信号以生成接收正交相位信号估计；

A/D转换模块，用于接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；

处理模块，用于接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述第一光信号为所述接收光信号和第一本地振荡光信号分量之和；所述第二光信号为所述接收光信号和第一本地振荡光信号分量之差；所述第三光信号为所述接收光信号和第二本地振荡光信号分量之和；所述第四光信号为所述接收光信号和第二本地振荡光信号分量之差。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述分路装置是1/2分路器。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述光电转换器是光电探测器。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种光相干接收系统，包括：

本地振荡光生成装置，用于产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

光混合电路，用于接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

光电转换器，用于将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号；

所述光相干接收系统进一步包括：

分路装置，用于接收所述第一正交相移电信号和第二正交相移电信号以生成第一正交相移电信号第一路分量、第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第一路分量、第二正交相移电信号第二路分量；

第二差分转换器，用于从所述分路装置接收第一正交相移电信号第一路分量和第二正交相移电信号第一路分量以生成接收正交相位信号估计；

多路混合器，用于从所述分路装置接收第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第二路分量并求和以生成功率输出信号；

第一差分转换器，用于接收第一同相电信号和第二同相电信号以生成接收同相信号估计；

A/D转换模块，用于接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；

处理模块，用于接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述第一光信号为所述接收光信号和第一本地振荡光信号分量之和；所述第二光信号为所述接收光信号和第一本地振荡光信号分量之差；所述第三光信号为所述接收光信号和第二本地振荡光信号分量之和；所述第四光信号为所述接收光信号和第二本地振荡光信号分量之差。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述分路装置是1/2分路器。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述光电转换器是光电探测器。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种光相干接收系统，包括：

本地振荡光生成装置，用于产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

光混合电路，用于接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

光电转换器，用于将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号；

所述光相干接收系统进一步包括：

分路装置，用于接收所述第一同相电信号和第二同相电信号以生成第一同相电信号第一路分量、第一同相电信号第二路分量和第二同相电信号第一路分量、第二同相电信号第二路分量；和接收所述第一正交相移电信号和第二正交相移电信号以生成第一正交相移电信号第一路分量、第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第一路分量、第二正交相移电信号第二路分量；

第一差分转换器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第一路分量和第二同相电信号第一路分量以生成接收同相信号估计；

第二差分转换器，用于从所述分路装置接收第一正交相移电信号第一路分量和第二正交相移电信号第一路分量以生成接收正交相位信号估计；

多路混合器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第二路分量、第二同相电信号第二路分量、第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第二路分量并求和以生成功率输出信号；

A/D转换模块，用于接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；

处理模块，用于接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述分路装置是1/2分路器。

在本发明所述的光相干接收系统中，所述光电转换器是光电探测器。

本发明解决其技术问题采用的再一技术方案是，构造一种光相干接收方法，包括：

S1、产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

S2、接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

S3、将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号，其中所述第一同相电信号和第二同相电信号为一组同相电信号，所述第一正交相移电信号和第二正交相移电信号为一组正交相移电信号；

S4、分路所述一组同相电信号和一组正交相移电信号中的至少一者；

S5、基于步骤S4中获得的信号分别生成接收同相信号估计、接收正交相位信号估计和功率输出信号；其中所述功率输出信号通过将步骤S4中各个分路后的信号求和来生成；

S6、接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；

S7、接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

实施本发明的光相干接收方法和系统，尽可能地利用所有已知信息从而提高信噪比。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的光相干接收系统的原理框图，

图2是本发明的光相干接收系统的第一实施例的原理框图；

图3是本发明的光相干接收系统的第二实施例的原理框图；

图4是本发明的光相干接收系统的第三实施例的原理框图；

图5是采用不同技术方案的16-QAM SER性能比较示意图；

图6是采用不同技术方案的64-QAM SER性能比较示意图；

图7是本发明的光相干接收方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

图2是本发明的光相干接收系统的第一实施例的原理框图。如图2所示，本发明的光相干接收系统包括本地振荡光生成装置100，光混合电路200，光电转换器300、分路装置400、第一差分转换器500、第二差分转换器600和多路混合器700。

下面结合该光相干接收系统的各个组成部分对本发明进行进一步的介绍。所述本地振荡光生成装置100生成本地振荡光信号E_LO，其中该本地振荡光信号E_LO具有光频彼此不同、相互正交的偏正分量E_LO1和E_LO2。在本发明的一个优选实施例中，所述本地振荡光生成装置100也可分成两个部分，第一部分仅用于生成第一本地振荡光信号E_LO1，第二部分用于将部分所述第一本地振荡光信号分量E_LO1进行90度频移以生成与所述本地振荡光信号E_LO1彼此光频不同、相互正交的第二本地振荡光信号分量E_LO2。接着，所述光混合电路200接收所述第一本地振荡光信号分量E_LO1、第二本地振荡光信号分量E_LO2和接收光信号Es，并基于上述信号生成第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4。其中，第一光信号E1为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之和，所述第二光信号E2为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之差。所述第三光信号E3为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之和。所述第四光信号E4为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之差。

在本发明的另一个优选实施例中，所述本地震荡光生成装置100生成本地振荡光信号E_LO，接着，所述光混合电路200接收所述本地振荡光信号E_LO和接收光信号Es。光混合电路200可以对第一本地振荡光信号E_LO进行分路产生第一本地振荡光信号分量E_LO1和相移90°的第二本地振荡光信号分量E_LO2，并基于上述信号生成第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4。其中，第一光信号E1为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之和，所述第二光信号E2为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之差。所述第三光信号E3为所述接收光信号Es和与第二本地振荡光信号分量E_LO2之和。所述第四光信号E4为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之差。

光电转换器300接收所述第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4，并分别将其转换成第一同相电信号I_I1(t)和第二同相电信号I_I2(t)，以及第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)。在本发明的一个优选实施例中，所述光电转换器300可以包括第一-第四光电探测器。所述第一光电探测器用于将第一光信号E1转换成第一同相电信号I_I1(t)。所述第二光电探测器用于将第二光信号E2转换成第二同相电信号I_I2(t)。所述第三光电探测器用于将第三光信号E3转换成第一正交相移电信号I_Q1(t)。所述第四光电探测器用于将第四光信号E4转换成第二正交相移电信号I_Q2(t)。在本发明的其他实施例中，也可采用其他光电转换器，比如光电二极管、光电倍增管等、光导探测器等等。根据本发明的教导，本领域技术人员可以根据实际需要任意选择所需的光电转换器。

光电转换器300输出第一同相电信号I_I1(t)和第二同相电信号I_I2(t)到分路装置400，同时输出第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)到第二差分转换器600。此时，分路装置400将第一同相电信号I_I1(t)分成两路，分别为第一同相电信号第一路分量I_I1(t)’和第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”。同时所述分路装置400还将第二同相电信号I_I2(t)分成两路，分别为第二同相电信号第一路分量I_I2(t)’和第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”。在本发明的一个优选实施例中，所述分路装置400分别包括两个1/2分路器，分别用于将所述第一同相电信号I_I1(t)和第二同相电信号I_I2(t)分别等分，也就是使得第一同相电信号第一路分量I_I1(t)’＝第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”，且第二同相电信号第一路分量I_I2(t)’＝第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”。在本发明的其他优选实施例中，该分路装置400也可以包括至少一个非等分分路器，也就是第一同相电信号第一路分量I_I1(t)’≠第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”和/或第二同相电信号第一路分量I_I2(t)’≠第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”。在这样的实施例中，后续的计算将会较为复杂，但是，本领域技术人员可以根据本发明的教导，调整后续计算中的各个参数，也能实现本发明的目的。为了便于说明，本发明主要是以1/2分路器进行介绍。

第一差分转换器500从分路装置400分别接收第一同相电信号第一路分量I_I1(t)’和第二同相电信号第一路分量I_I2(t)’，进而生成接收同相信号估计I_I(t)。第二差分转换器600接收第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)以生成接收正交相位信号估计I_Q(t)。多路混合器700从分路装置400接收第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”和第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”，并求和以生成反映接收到的光功率的输出信号P_A(t)。随后，可将输出信号P_A(t)用于光相干接收系统的信号估计，从而充分地利用从光电转换器中获得的全部信息，进而提高整个系统的信噪比。至于输出信号P_A(t)是怎么用于光相干接收系统的信号估计，将参照后续的实施例进行详细介绍。

图3是本发明的光相干接收系统的第二实施例的原理框图。其基本原理和结构与图2大致相同，其区别在于，在光电转换器300生成第一同相电信号I_I1(t)、第二同相电信号I_I2(t)、第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)以后，其将第一同相电信号I_I1(t)和第二同相电信号I_I2(t)输出到第一差分500，同时将第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)输出到分路装置400。此时，分路装置400将第一正交相移电信号I_Q1(t分成两路，分别为第一正交相移电信号第一路分量I_Q1(t)’和第一正交相移电信号第二路分量I_Q1(t)”。同时所述分路装置400还将第二正交相移电信号I_Q2(t)分成两路，分别为第二正交相移电信号第一路分量I_Q2(t)’和第二正交相移电信号第二路分量I_Q2(t)”。在该实施例中，所述分路装置的构造可参见图2的描述。

在本实施例中，第二差分转换器600从分路装置400分别接收第一正交相移电信号第一路分量I_Q1(t)’和第二正交相移电信号第一路分量I_Q2(t)’进而生成接收正交相位信号估计I_Q (t)。所述第一差分转换器500接收第一同相电信号I_I1(t)、第二同相电信号I_I2(t)以生成接收同相信号估计。多路混合器700接收第一正交相移电信号第二路分量I_Q1(t)”和第二正交相移电信号第二路分量I_Q2(t)”并求和以生成反映接收到的光功率的输出信号P_A(t)。随后，可将输出信号P_A(t)用于光相干接收系统的信号估计，从而充分地利用从光电转换器中获得的全部信息，进而提高整个系统的信噪比。至于输出信号P_A(t)是怎么用于光相干接收系统的信号估计，将参照后续的实施例进行详细介绍。

图4是本发明的光相干接收系统的第三实施例的原理框图。下面将结合图4对本发明及其工作原理作详细介绍。如图4所示，本发明的光相干接收系统包括本地振荡光生成装置100，光混合电路200，光电转换器301-304、分路器401-404、第一差分转换器500、第二差分转换器600、多路混合器700、处理模块800和A/D转换模块900。

其中所述本地振荡光生成装置100生成本地振荡光信号E_LO，其中该本地振荡光信号E_LO具有光频彼此不同、相互正交的偏正分量E_LO1和E_LO2。在本发明的一个优选实施例中，所述本地振荡光生成装置100也可分成两个部分，第一部分仅用于生成第一本地振荡光信号E_LO1，第二部分用于将部分所述第一本地振荡光信号分量E_LO1进行90度频移以生成与所述本地振荡光信号E_LO1彼此光频不同、相互正交的第二本地振荡光信号分量E_LO2。

接着，所述光混合电路200接收所述第一本地振荡光信号分量E_LO1、第二本地振荡光信号分量E_LO2和接收光信号Es，并基于上述信号生成第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4。其中，第一光信号E1为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之和，所述第二光信号E2为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之差。所述第三光信号E3为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之和。所述第四光信号E4为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之差。

光电探测器301接收所述第一光信号E1并将其转换成第一同相电信号I_I1(t)。光电探测器302接收所述第二光信号E2并将其转换成第二同相电信号I_I2(t)。光电探测器303接收所述第三光信号E3并将其转换成第一正交相移电信号I_Q1(t)。光电探测器304接收所述第四光信号E4并将其转换成第二正交相移电信号I_Q2(t)。随后，1/2分路器401接收第一同相电信号I_I1(t)并将其等分成第一同相电信号第一路分量I_I1(t)’和第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”。1/2分路器402接收第二同相电信号I_I2(t)并将其等分成第二同相电信号第一路分量I_I2(t)’和第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”。1/2分路器403接收第一正交相移电信号I_Q1(t)并将其等分成为第一正交相移电信号第一路分量I_Q1(t)’和第一正交相移电信号第二路分量I_Q1(t)”。1/2分路器404接收第二正交相移电信号I_Q2(t)并将其等分成为第二正交相移电信号第一路分量I_Q2(t)’和第二正交相移电信号第二路分量I_Q2(t)”。

第一差分转换器500从1/2分路器401和1/2分路器402分别接收第一同相电信号第一路分量I_I1(t)’和第二同相电信号第一路分量I_I2(t)’进而生成接收同相信号估计I_I(t)。第二差分转换器600从1/2分路器403和1/2分路器404分别接收第一正交相移电信号第一路分量I_Q1(t)’和第二正交相移电信号第一路分量I_Q2(t)’进而生成接收正交相位信号估计I_Q(t)。多路混合器700分别从1/2分路器401-404接收第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”、第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”、第一正交相移电信号第二路分量I_Q1(t)”和第二正交相移电信号第二路分量I_Q2(t)”并求和以生成反映接收到的光功率的输出信号P_A(t)。

A/D转换模块900接收所述输出信号P_A(t)、接收同相信号估计I_I(t)和接收正交相位信号估计I_Q(t)，并将所述输出信号P_A(t)、接收同相信号估计I_I(t)和接收正交相位信号估计I_Q(t)转换成数字信号以提供给处理模块800进行处理。处理模块800从所述A/D转换模块900接收数字化的接收输出信号P_A(t)、接收同相信号估计I_I(t)和接收正交相位信号估计I_Q(t)，并将这些信号用于光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。随后，可量化所述同相估计部分和正交相位估计部分以获得硬决策。这样，可以充分地利用从光电转换器中获得的全部信息，进而提高整个系统的信噪比。

下面介绍处理模块800如何依据现有技术将获得的信号用于光相干接收系统的信号估计。

由于多路混合器700将来自各个1/2多路器的信号求和以生成反映接收到的光功率的输出信号P_A(t)，因此除了公式(2)示出的接收同相信号估计I_I(t)外，还可以获得如下接收信号功率估计：

y₁＝(I_I1(t)+I_I2(t))/R-1＝P_S+(n₁+n₂)/R                (4)

由于(I_I1，I_I2)到(y₁，I_I)的线性转换是可逆的，y₁和I_I包括与I_I1和I_I2，相同的关于目标信号

的信息，也就是，在(I_I1，(I_I2)到(y₁，I_I)的线性转换之间没有信息丢失。基于同样的原理，我们可以从正交相位信号获得如下另一接收信号功率估计：

y₂＝P_S+(n₃+n₄)/R                            (5)

现在，我们可以获得四个变量I_I，I_Q，y₁和y₂，包含来自光探测器的全部信息。随后这四个变量可以用来估计目标信号的同相和正交相位分量。首先估计目标信号的振幅。通过采用相等的增益组合y₁和y₂，可以获得振幅估计：

$x_1=\sqrt{(y_1+y_2)/2}=\sqrt{P_S/R-2}$ (6)

$=\sqrt{P_S+(n_1+n_2+n_3+n_4)/\left(2R\right)}$

我们还可以从I_I和I_Q的振幅估计。首先，相位可以估计成：

${\widetilde{\mathrm{\θ}}}_S=\mathrm{Angle}(I_I+j{I}_Q)---\left(7\right)$

函数Angle()给出了角度的复数值。接着我们可以将信号振幅估计成：

$x_2=(I_I/\cos \left({\widetilde{\mathrm{\θ}}}_S\right)+I_Q/\sin \left({\widetilde{\mathrm{\θ}}}_S\right))/2---\left(8\right)$

在本发明的另一实施例中，也可将振幅x₂估计成

一般而言，公式(6)和(8)中的噪声是独立的，因此我们可以将这两个估计进行组合以获得更好的信号振幅估计，即

$\sqrt{{\tilde{P}}_S}=(\mathrm{\α}{x}_1+\mathrm{\β}{x}_2)/(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})---\left(9\right)$

在此，α和β是组合系数，本领域技术人员可以根据实际需要设置该组合系数。例如，α和β分别可以选择任何整数。

最后，可以量化所述同相部分和正交相位部分

以获得应硬决策。

下面采用仿真模拟证明采用本发明的光相干接收系统可以改善信噪比，同时找出信噪比最小时的α和β取值。

为了简便，将R设定为2。对于16-QAM，信号功率P_S等于4E_b，而对于64-QAM，信号功率P_S等于8E_b，在此E_b的单位是能量每比特。在该仿真模拟中，首先随机生成源信号并采用16-QAM或64-QAM进行调制。接着我们可以获得接收符号功率，接收符号和本地符号的乘积，以及本地符号的功率(参见公式(1))。通过加入随机生成的高斯噪声，可以获得接收格式符号。此后，分别依据传统方案(公式(2)和(3))和本发明的方案(公式(9))解调所述接收到的符号。最后可以计算出误码率。

图5是采用不同技术方案的16-QAM SER性能比较示意图。图5绘制了16-QAM的误码率(SER)。当α＝0且β＝1时，仅使用x₂来估计振幅，采用本发明的技术方案获得的SER与现有技术的技术方案基本一致，这是因为，两种处理方法都只使用从差分转换器500获得的信息I_I和I_Q。当α＝1且β＝0时，仅使用x₁来估计振幅，采用本发明的技术方案获得的SER(约1E-2)比现有技术要好约1dB，这意味着x₁的振幅估计失真比x₂要小的多。当通过离线仿真，选择α＝16且β＝1时，获得的SER性能稍好于选择α＝1且β＝0时的SER性能。一方面，这意味着x₁和x₂中的噪声分量是实际上是独立的。另一方面，也说明x₁的振幅失真要显著小于x₂，并且其效果好到已经足以忽略x₂中的振幅信息。

图6是采用相同技术方案的64-QAM SER性能比较示意图。图6绘制了64-QAM的误码率(SER)。当α＝0且β＝1时，仅使用x₂来估计振幅，采用本发明的技术方案获得的SER与现有技术的技术方案基本一致，这是因为，两种处理方法都只使用从差分转换器500获得的信息I_I和I_Q。当α＝1且β＝0时，仅使用x₁作为振幅估计，采用本发明的技术方案获得的SER(约1E-2)比现有技术要好约1.5dB，这意味着x₁的振幅失真比x₂要小的多。当通过离线仿真，选择α＝16且β＝1时，获得的SER性能稍好于选择α＝1且β＝0时的SER性能。一方面，这意味着x₁和x₂中的噪声分量是实际上独立的。另一方面，也说明x₁的振幅失真要显著小于x₂，并且其效果好到已经足以忽略x₂中的振幅信息。由于在64-QAM中的振幅调制级别更多，因此SER性能的改进更为重要。

本领域技术人员知悉，在本实施例中混合器700是分别从1/2分路器401-404接收第一同相电信号第二路分量I_I1(t)”、第二同相电信号第二路分量I_I2(t)”、第一正交相移电信号第二路分量I_Q1(t)”和第二正交相移电信号第二路分量I_Q2(t)”并求和以生成反映接收到的光功率的输出信号P_A(t)。并将该输出信号P_A(t)用于后续处理。但是本领域技术人员知悉，在图2和图3示出的实施例中，输出信号P_A(t)的后续处理也与图4中示出的实施例相同，因此，如图2和3所示的实施例也可包括如图4中所示的处理模块和数模转换模块。

或者，在图2和图3示出的实施例中，信号的处理并不在光相干接收系统内部进行，而是通过外接的处理装置进行处理。在本发明的其他优选实施例中，外接处理装置可以通过通信接口直接与光相干接收系统连接，也可以通过传输网络传送到远端处理设备，由该远端处理设备进行处理。

图7是本发明的光相干接收方法的第一实施例的流程图。如图7所示，在步骤S1中，产生本地振荡光信号。在本发明的一个实施例中，可采用图2-4中任一实施例所述的本地振荡光生成装置100生成本地振荡光信号E_LO，其中该本地振荡光信号E_LO具有光频彼此不同、相互正交的偏正分量E_LO1和E_LO2。具体的操作步骤可参照对图2-4的描述。

在步骤S2中，将所述本地振荡光信号和接收光信号混合以生成多个光信号。在本发明的一个优选实施例中，可采用光混合电路200接收所述第一本地振荡光信号分量E_LO1、第二本地振荡光信号分量E_LO2和接收光信号Es，并基于上述信号生成第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4。其中，第一光信号E1为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之和，所述第二光信号E2为所述接收光信号Es和第一本地振荡光信号分量E_LO1之差。所述第三光信号E3为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之和。所述第四光信号E4为所述接收光信号Es和第二本地振荡光信号分量E_LO2之差。

在步骤S3中，可将所述多个光信号转换成一组同相电信号和一组正交相移电信号。在本发明的一个实施例中，可采用光电转换器300接收所述第一光信号E1，第二光信号E2，第三光信号E3和第四光信号E4，并分别将其转换成第一同相电信号I_I1(t)和第二同相电信号I_I2(t)，以及第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)。在本发明的一个优选实施例中，所述光电转换器300可以包括第一-第四光电探测器。所述第一光电探测器用于将第一光信号E1转换成第一同相电信号I_I1(t)。所述第二光电探测器用于将第二光信号E2转换成第二同相电信号I_I2(t)。所述第三光电探测器用于将第三光信号E3转换成第一正交相移电信号I_Q1(t)。所述第四光电探测器用于将第四光信号E4转换成第二正交相移电信号I_Q2(t)。在本发明的其他实施例中，也可采用其他光电转换器，比如光电二极管、光电倍增管等、光导探测器等等。根据本发明的教导，本领域技术人员可以根据实际需要任意选择所需的光电转换器。

在步骤S4中，可采用分路装置分路所述一组同相电信号和一组正交相移电信号中的至少一者。在此，当采用分路装置分组一组同相电信号，即分路第一同相电信号I_I1(t)和第二同相电信号I_I2(t)时，可参照图2中示出的实施例来实现。当采用分路装置分组第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)时，可以参照图3中示出的实施例来实现。当采用分路装置同时分组所述第一同相电信号I_I1(t)、第二同相电信号I_I2(t)、第一正交相移电信号I_Q1(t)和第二正交相移电信号I_Q2(t)时，可以参照图4中示出的实施例来实现。在此就不再累述了。

在步骤S5中，基于步骤S4中获得的信号分别生成同相信号估计、正交相位信号估计和输出信号。在此，可采用第一差分转换器和第二差分转换器分别生成同相信号估计和正交相位信号估计，并采用多路混合器生成反映接收到的光功率的输出信号。图2-4分别示出了不同情况下同相信号估计、正交相位信号估计和输出信号的生成，在此就不再累述了。

在本发明的其他优选实施例中，所述光相干接收方法可进一步包括A/D转换步骤和处理步骤。所述A/D转换步骤是指接收并数字化所述功率输出信号、接收同相信号估计和接收正交相位信号估计，也就是将模拟的所述功率输出信号、接收同相信号估计和接收正交相位信号估计转换成数字信号。所述处理步骤包括接收所述数字化的输出信号、接收同相信号估计和接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。所述处理步骤采用上述处理模块来实现。所述处理模块的操作过程已经在前面进行详细的描述了。所述A/D转换步骤可采用A/D转换器来实现。根据本发明的系统部分上述教导，本领域技术人员显然能够实现本发明的方法。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (6)

1.一种光相干接收系统，包括：

本地振荡光生成装置，用于产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

光混合电路，用于接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

光电转换器，用于将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号；

其特征在于，所述光相干接收系统进一步包括：

分路装置，用于接收所述第一同相电信号和第二同相电信号以生成第一同相电信号第一路分量、第一同相电信号第二路分量和第二同相电信号第一路分量、第二同相电信号第二路分量；

第一差分转换器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第一路分量和第二同相电信号第一路分量以生成接收同相信号估计；

多路混合器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第二路分量和第二同相电信号第二路分量并求和以生成功率输出信号；

第二差分转换器，用于接收第一正交相移电信号和第二正交相移电信号以生成接收正交相位信号估计；

A/D转换模块，用于接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；

处理模块，用于接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

2.根据权利要求1所述的光相干接收系统，其特征在于，所述第一光信号为所述接收光信号和第一本地振荡光信号分量之和；所述第二光信号为所述接收光信号和第一本地振荡光信号分量之差；所述第三光信号为所述接收光信号和第二本地振荡光信号分量之和；所述第四光信号为所述接收光信号和第二本地振荡光信号分量之差。

3.根据权利要求1所述的光相干接收系统，其特征在于，所述分路装置是1/2分路器，和/或所述光电转换器是光电探测器。

4.一种光相干接收系统，包括：

本地振荡光生成装置，用于产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

光混合电路，用于接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

光电转换器，用于将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号；

其特征在于，所述光相干接收系统进一步包括：

分路装置，用于接收所述第一正交相移电信号和第二正交相移电信号以生成第一正交相移电信号第一路分量、第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第一路分量、第二正交相移电信号第二路分量；

第二差分转换器，用于从所述分路装置接收第一正交相移电信号第一路分量和第二正交相移电信号第一路分量以生成接收正交相位信号估计；

多路混合器，用于从所述分路装置接收第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第二路分量并求和以生成功率输出信号；

第一差分转换器，用于接收第一同相电信号和第二同相电信号以生成接收同相信号估计；A/D转换模块，用于接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；和

处理模块，用于接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

5.一种光相干接收系统，包括：

本地振荡光生成装置，用于产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

光混合电路，用于接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

光电转换器，用于将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号；

其特征在于，所述光相干接收系统进一步包括：

分路装置，用于接收所述第一同相电信号和第二同相电信号以生成第一同相电信号第一路分量、第一同相电信号第二路分量和第二同相电信号第一路分量、第二同相电信号第二路分量；和接收所述第一正交相移电信号和第二正交相移电信号以生成第一正交相移电信号第一路分量、第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第一路分量、第二正交相移电信号第二路分量；

第一差分转换器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第一路分量和第二同相电信号第一路分量以生成接收同相信号估计；

第二差分转换器，用于从所述分路装置接收第一正交相移电信号第一路分量和第二正交相移电信号第一路分量以生成接收正交相位信号估计；

多路混合器，用于从所述分路装置接收第一同相电信号第二路分量、第二同相电信号第二路分量、第一正交相移电信号第二路分量和第二正交相移电信号第二路分量并求和以生成功率输出信号；

A/D转换模块，用于接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；和

处理模块，用于接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成光相干接收系统的信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

6.一种光相干接收方法，其特征在于，包括：

S1、产生本地振荡光信号，其中所述本地振荡光信号具有彼此正交的第一本地振荡光信号分量和第二本地振荡光信号分量；

S2、接收所述第一本地振荡光信号分量、第二本地振荡光信号分量和接收光信号，以生成第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号；

S3、将所述第一光信号，第二光信号，第三光信号和第四光信号分别转换成第一同相电信号、第二同相电信号、第一正交相移电信号和第二正交相移电信号，其中所述第一同相电信号和第二同相电信号为一组同相电信号，所述第一正交相移电信号和第二正交相移电信号为一组正交相移电信号；

S4、分路所述一组同相电信号和一组正交相移电信号中的至少一者；

S5、基于步骤S4中获得的信号分别生成接收同相信号估计、接收正交相位信号估计和功率输出信号；其中所述功率输出信号通过将步骤S4中各个分路后的信号求和来生成；

S6、接收并数字化所述功率输出信号、所述接收同相信号估计和所述接收正交相位信号估计；

S7、接收所述数字化的功率输出信号、所述数字化的接收同相信号估计和所述数字化的接收正交相位信号估计，以用于生成信号估计，输出目标信号的同相估计部分和正交相位估计部分。

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