CN101909039B - 一种基于调相器的光msk调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调相器的光MSK调制方法及装置，光MSK的连续相位分成与当前码元相关的周期信号和与过去码元相关的累加信号两个部分，然后通过加法器完成编码并构成了调相器的被调制信号，对调相器的输出作光平衡接收得到可表征当前码元信息的电流信号。本发明利用连续电信号产生连续的光相位，根据MSK信号的具体表达形式来确定要产生的连续电信号的具体形式，目的是将无线通信的技术更多地用于光通信中，节省光器件的使用。本发明能够实现包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信号，适用于光纤通信中连续相位的FSK调制。

Description

一种基于调相器的光MSK调制方法及装置

技术领域

本发明属于高速光纤通信领域的数字调制领域，具体涉及一种基于调相器的光最小频移键控(MSK)调制方法及装置。

背景技术

信号调制格式的研究是当前光通信领域的一大热点，新的调制格式对传输性能的改善引起了人们的关注，尤其是在抑制非线性效应、提高色散容限和PMD容限等方面取得了良好的效果。在光纤通信系统中，光源发出的连续光波或光脉冲串不携带信息，只能作为信息的载体。光载波信号是与偏振方向、信号幅度、载波频率、载波相位有关的信号，若选择四个量中的任意一个作为调制参量，就可以形成四种调制信号，分别是：偏振调制(PolSK)，幅度调制(ASK)，频率调制(FSK)和相位调制(PSK)。

将信号加载到光载波上以形成光信号就是光调制器的主要功能。构成光频调制器的方式多种多样，但就调制器与光源之间的关系而言，调制技术可以分为内调制技术和外调制技术两大类。

内调制技术又称为直接调制技术，就是将要传送的信息转变为电流信号送入光源，获得相应的光信号输出。常用的方法是改变激光器的偏置电流，从而得到光频的幅度调制。这种调制方式结构简单，容易实现，是低速光纤通信系统中的常用技术。但是，这种内调制方式难以实现高速调制，一是由于半导体激光器本身的响应速度限制，二是这种调制方式附带有频率啁啾，使得输出信号光谱增宽，限制了系统的传输容量。

外调制技术是指光载波在外调制器中受到信息信号的调制。因为这类调制在光源之外实现，故称为外调制。实用的外调制器大多是基于晶体的电光效应做成的电光调制器。可以分为两类：一类是基于电吸收效应的调制器，称为EA调制器；另一类是基于铌酸锂(LiNbO₃)的干涉型调制器，称为马赫-曾德(Mach-Zehnder)调制器。其中使用Mach-Zehnder调制器已经实现了多种数字方式的调制，比如差分相移键控(DPSK)、差分四相位相移键控(DQPSK)、非连续相位的频移键控(FSK)以及连续相位的FSK调制中的MSK调制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于调相器的光MSK调制装置，与传统实现方式不同，但同样能够实现包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信号。

一种基于调相器的光MSK调制方法，第nT时间的双极性码元a_n被调制得到光信号

对调制结果解调得到可表征码元a_n信息的电信号

其中，

nT≤t≤(n+1)T，T为码元传输时间，n为自然数，π为圆周率，A为光载波的振幅，f_c为光载波的频率，θ_n是在时间nT～(n+1)T内使得总相位连续的附加项。

实现所述调制方法的装置，包括调制器和解调器，

调制器包括依次相接的第一延迟器102、第一加法器104、寄存器105、模四运算器107、第二加法器109和光调相器111，寄存器105的输出端通过第二延迟器106连接第一加法器104的输入端，第二加法器109还连接锯齿波发生器108；

解调器包括第一干涉仪203，第一干涉仪203的第一输出端通过第三延迟器204连接第二干涉仪206的第一输入端，第一干涉仪203的第二输出端通过移相器205连接第二干涉仪206的第二输入端；第二干涉仪206的第一和二输出端分别经过一个光电二极管连接第三加法器208。

本发明的技术效果体现在：光MSK的连续相位分成与当前码元相关的周期信号和与过去码元相关的累加信号两个部分，然后通过加法器完成子编码构成了调相器中的被调制信号，对调相器的输出作光平衡接收得到可表征当前码元信息的电流信号。本发明利用连续电信号产生连续的光相位，根据MSK信号的具体表达形式来确定要产生的连续电信号的具体形式，目的是将无线通信的技术更多地用于光通信中，节省光器件的使用。本发明能够实现包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信号，适用于光纤通信中连续相位的FSK调制。

附图说明

图1为MSK调制模块结构框图；

图2为MSK信号的接收框图；

具体实施方式

下面参照附图，从光MSK信号的表达形式对本发明进一步说明。

本发明包括MSK调制器和解调器两部分：

第一部分是位于发送端的MSK调制器，如图1所示，该调制器的主要作用是从信号发送端输出光MSK信号。

在无线通信中的MSK信号的表达式同时也是光MSK信号的实部为：

S_MSK(t)＝Acos[2πf_ct+φ_n(t)]nT≤t≤(n+1)T。

以上表达式是时间处于nT≤t≤(n+1)T阶段的MSK信号，MSK信号在其余时段也有，n表示一个时间变量，取自然数，在不同的时间段取得不同的值。

其中A为光载波的振幅；f_c为光载波的频率；相位φ_n(t)是MSK信号的总相位减去随时间增长的载波相位后得到的剩余相位，称作附加相位函数，是时间的连续函数；T为码元传输时间，是比特率即传输速率的倒数；π为圆周率。其中

${\mathrm{\φ}}_n\left(t\right)=\frac{\mathrm{\πt}}{2T}{a}_n+{\mathrm{\θ}}_n$

θ_n是在时间nT～(n+1)T内使得总相位连续的附加项，在不同的时间段这个值不相同，a_n是第nT时间的双极性码元值，即“+1”表示码元中的“1”码，“-1”表示码元中的“0”码。

根据相位连续的边界条件，在时间t＝nT时刻，有

$\frac{\mathrm{\πn}}{2}{a}_n{+\mathrm{\θ}}_n=\frac{\mathrm{\πn}}{2}{a}_{n-1}+{\mathrm{\θ}}_{n-1}$

于是，有

${\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1}=\frac{\mathrm{\π}}{2}n(a_{n-1}-a_n)$

那么

${\mathrm{\θ}}_n=\frac{\mathrm{\π}}{2}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i(a_{i-1}-a_i)$

$=\frac{\mathrm{\π}}{2}[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i{a}_{i-1}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}i{a}_i]$

$=\frac{\mathrm{\π}}{2}[a_0+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}(i+1)a_i-(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}i{a}_i+n{a}_n)]$

$=\frac{\mathrm{\π}}{2}(\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i-{\mathrm{na}}_n)$

于是MSK信号可以进一步表达为

$S_{\mathrm{MSK}}\left(t\right)=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{\mathrm{\π}{a}_n}{2T}(t-\mathrm{nT})+\frac{\mathrm{\π}}{2}\left(\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\right)],\mathrm{nT}\≤t\≤(n+1)T---\left(1\right)$

从式(1)可以看出，MSK信号由与当前码元和过去码元相关的信号组成：与当前码元相关的信号，是固定斜率的锯齿波信号与双极性码元的乘积。固定斜率的锯齿波信号为：

则锯齿波信号与当前双极性码元的乘积为：与过去码元相关的信号，是双极性码在过去时候累加的矩形波信号，其表达式为：

累加信号在连续发送相同码元时，会产生很大的幅度，由相位的周期性的特点，可以对累加信号进行模运算，模运算后的信号并不影响最终的相位值，模运算后的电信号为：

$u_2\left(t\right)=\left(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\mathrm{mod}4\right),$

图1给出了本发明MSK调制模块结构框图，待发送的当前码元码元a_n101分两路：

一路经过产生锯齿波的系统108后，得到的电信号的值为

作为加法器109的一个输入；

另一路经过一个码元持续时间的延迟器102后，变成了先前码元a_n-1103并作为加法器104的输入。加法器104的输出通过寄存器105、延迟器106后反馈给加法器104，再与先前码元a_n-1同时作用在加法器104上，形成了一个累加器，此累加器的功能是完成对过去码元的累加。累加后的码元值经过模四运算器107运算，可以使最后进入调相器111的相位保持正确，而且保证输入调相器中的电压幅度在可能出现信号值不断增加的情况下不至于过大。模四运算器107的输出u₂(t)作为加法器109的另一个输入。

加法器109对两路输入相加后就是加载到的调相器111调制端口的电信号

调相器的输入与输出的光信号的相位关系为π/2的线性关系，即每单位的调制信号值经过了调相器后的输出相位为π/2。

加上光载波110后从调相器111中出来的信号就是

其中

j表示复数中的虚部。由于光信号是一个复信号，其实部是无线通信中的MSK信号的表达式，由欧拉公式exp(jθ)＝cosθ+jsinθ，θ是相位，用MSK信号中的

代替欧拉公式中的θ就得到了调相器输出的光MSK信号的表达式。

第二部分是位于接收端的解调器，如图2所示，该解调器器的主要采用光的平衡接收。主要由两个干涉仪和两个光电二极管构成。在两个干涉仪中间的两臂上分别引入一个码元持续时间的延迟204和一个相位延迟

干涉仪203的两个输入

这里

E₂(t)＝0            202

干涉仪203和206的传输矩阵为

两臂的传输矩阵矩阵为

这样从干涉仪206输出的光信号的光场为

由于上臂延迟一个码元时间T后204，由载波引起的相位变化可以表示为2πf_cT＝2Nπ+δ，N为整数，下臂引入的相位延迟

由于e^j2Nπ≡1，于是可以得到

通过合理调整相位φ，使得满足δ+φ＝0，这样就保证了上下两臂的相位一致性。

根据平衡解调框图，上臂和下臂的输出信号经过加法器208相减，输出的电流209为

这里

如果发送的码元是“1”，

i₀(t)＝A²，表现为“+”极性，如果发送的码元是“0”，

i₀(t)＝-A²，表现为“-”极性。由解调器输出的电流在时刻t＝nT时候的极性就能判断出此时刻所发送的码元值。

Claims (2)

1.一种基于调相器的光MSK调制方法，第nT时间的双极性码元a_n被调制得到光信号 $S_{\mathrm{MSK}}\left(t\right)=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{\mathrm{\π}{a}_n}{2T}(t-\mathrm{nT})+\frac{\mathrm{\π}}{2}\left(\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\right)],$ 对调制结果解调得到可表征码元a_n信息的电信号

其中，

nT≤t≤(n+1)T，T为码元传输时间，n为自然数，π为圆周率，A为光载波的振幅，f_c为光载波的频率。

2.实现权利要求1所述调制方法的装置，包括调制器和解调器，其特征在于，

调制器包括第一延迟器（102）、第一加法器（104）、寄存器（105）、模四运算器（107）、第二加法器（109）、锯齿波发生器（108）和光调相器（111）；待发送的当前码元码元a_n（101）分两路分别输入第一延迟器（102）的输入端和锯齿波发生器（108）的输入端，第一延迟器（102）的输出端连接第一加法器（104）的第一输入端，第一加法器（104）的输出端通过寄存器（105）连接模四运算器（107）的输入端，模四运算器（107）的输出端连接第二加法器（109）的第一输入端，锯齿波发生器（108）的输出端连接第二加法器（109）的第二输入端，第二加法器（109）的输出端连接光调相器（111）的第一输入端，光调相器（111）的第二输入端接收光载波（110），寄存器（105）的输出端通过第二延迟器（106）连接第一加法器（104）的第二输入端；

解调器包括第一干涉仪（203）、第三延迟器（204）、移相器（205）、第二干涉仪（206）、第三加法器（208）、第一光电二极管和第二光电二极管；第一干涉仪（203）的第一输出端通过第三延迟器（204）连接第二干涉仪（206）的第一输入端，第一干涉仪（203）的第二输出端通过移相器（205）连接第二干涉仪（206）的第二输入端；第二干涉仪（206）的第一和二输出端分别经过第一，二光电二极管连接第三加法器（208）。

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