CN102160306B - 用于经由光学信道传送两个已调制信号的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

装置包括具有生成具有不同频率的两个光学载波信号（L1、L2）的两个光源（1、2）的传送机（1～6）。光学载波信号（L1、L2）在第一耦合器（2）中被组合和划分并馈送到两个调制器（4、5）的载波信号输入端。混合载波信号（L1 + jL2，jL1 + L2）被两个调制信号（a（t））和（b（t））分别调制，并且已调制信号（（A1 +jA2），（jB1 +B2））在第一组合器中被组合并作为传输信号（X（t））发射。只需在解调器上来重得调制信号（a（t），b（t））。

Description

用于经由光学信道传送两个已调制信号的方法和装置
技术领域
本发明涉及具有高频谱带宽效率的光学传输方法和光学传输系统。该方法可适用于ASK/OOK（幅移/开关键控）和类似于DPSK（差分相移键控）的不同种类的相位调制（modulation）。
背景技术
现在，光学数据传输系统以高数据速率来传送光学信号。然而，高数据速率不仅要求传送机和接收机处的高带宽和昂贵的组件，而且对于给定的调制方案而言根据例如滤波失真、色彩和偏振模色散（polarisation mode dispersion）的系统和纤维损伤而降低信号质量。
使用类似于正交频率分集调制OFDM或偏振复用分集的不同传输方法来降低信道符号速率并克服这些损伤。但是这些方法的实现导致复杂的系统。
波分系统将高数据速率信号分成具有较低数据速率的两个或更多信号以便克服随数据速率缩放的损伤。但是，需要滤波器和不同的解调器来分离和重得（regain）数据信号。
Caplan等人在2007年OFC的论文OThD3中描述了仅使用单个干涉仪来利用延迟干涉仪的周期性传递函数对多个波长信道进行解调的传输方法。然而，每个信道仍需要单独的滤波器和光电转换器。
传输方法可以利用不同种各类的调制，例如强度调制、相位或差相位（difference phase）调制。
对于光学传输系统而言，尤其优选差分相移键控DPSK。例如A. H. Gnauck和P.J. Winzer在IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 23, no. 1, pp. 115-130, January 2005中描述了DPSK传输的性能。
发明内容
本发明的目的是公开一种具有高带宽效率和低复杂性的方法和光学传输系统。
用一种用于分别以权利要求1和2的特征为特征的、用于传送和接收两个已调制信号的方法及分别在权利要求11和12中表征的传送机和接收机来解决此问题。
在从属权利要求中描述了附加有利特征。
混合载波频率的调制允许调制（数据）信号的简单分离。仅需要一个光学解调器和电光转换器。正交信号的使用允许在窄光学信道中进行传输。
附图说明
现在将结合附图更详细地以示例的方式来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出根据本发明的传送机的简化图，
图2示出光学传输信号的频谱和已解调电信号的频谱的示例，
图3示出根据本发明的接收机的简化图，
图4示出DPSK接收机的简化图，以及
图5示出光学传输信号的频谱和已解调电信号的频谱的第二示例。
具体实施方式
图1的简化图举例说明用于传送两个调制（数据）信号a（t）和b（t）的传送机。出于明了的原因，未示出对于本领域的技术人员而言众所周知的光学放大器、偏振控制器（polarisation controller）和控制电路。
传送机包括两个激光源1和2，每个被连接到第一耦合器3（3dB光学耦合器；组合器/分离器）的输入端。所述第一分离器（splitter）3的输出端分别被连接到第一调制器4和第二调制器5的载波输入端。例如对应于数字数据信号的第一调制信号a（t）被连接到第一调制器4的调制信号输入端且第二调制信号b（t）被连接到第二调制器5的调制信号输入端。调制器4和5两者的输出端被连接到第一组合器（3dB光学耦合器）6。一个输出端7被选作传送机输出端。
激光源1和2发射具有第一载波频率f1的第一载波信号L1和具有第二载波频率f2（与f1相比具有相位差）的第二载波信号L2。载波信号L1和L2被馈送到第一耦合器3（3dB耦合器/分离器）的输入端。
第一耦合器3的输出信号是调制器4和5的输入信号，忽略常数因子，可以导出为：
还可以通过调制单个激光源来导出混合载波信号L1 + jL2、jL1 + L2，例如，如在A Sano的、通过引用结合的、Proceedings of ECEC 2007的论文中所述。
由第一调制信号a（t）来调制第一混合载波信号L1 + jL2并由第二调制信号b（t）来调制第二混合载波信号jL1 + L2：
其中：
A1 = 用调制信号a（t）的载波L1，
A2 = 用调制信号a（t）调制的载波L2，
B1 = 用调制信号b（t）调制的载波L1，
B2 = 用调制信号b（t）调制的载波L2，
j是虚数单位（sqrt（-1）），指数（index）1和2仍分别指示载波频率f1和f2。
a（t）和b（t）是例如表示1或0的逻辑值的调制信号。根据调制技术，可以对从调制器输出的第一已调制信号A1 +jA2和第二已调制信号jB1 +B2进行强度或相位调制。
由第一组合器6将调制器的输出信号组合，为：
第一组合器6的输出信号中的一个被选作传输信号，例如在第一组合器输出端7处发射的、根据所得到的矩阵的第一行的传输信号（还可以使用在第二组合器输出端8处发射的信号）。
或者
被写作时间相关等式，传输信号为：
其中，，而ΔΦ —相位差。
A（t）和B（t）相应对应于基带信号、调制信号，同时以复（komplex）形式来描述光学载波信号。
应用等式（1）和（4），得出强度调制传输信号：
如果例如由第一二进制或逻辑数据信号a（t）和第二二进制或逻辑数据信号b（t）对混合载波信号进行强度调制，则（A1 + jA2）=（L1 + L2）a（t）和（jB1 + B2）=（-L1+ jL2）b（t））的标准化振幅将在0和1之间改变（分别为调制信号a（t）和b（t）的函数）。
对于相位调制信号而言，A（t）和B（t）对应于具有恒定振幅但不同相位的基带信号，其可以分别取或的值，并取决于调制信号a（t）、b（t）。
如果使用DPSK（差分相移键控），则将相应的DPSK传输信号命名为XD（t）。
在图2中示出光学传输信号X（t）的光学频谱S（X）（作为频率f的函数的光学功率P0）的示例。与载波频率f1和f2有关的频谱被相互分离，使得相应的已解调电频谱S（Y）（作为频率f的函数的电功率PE）也不相互干扰。
图3示出根据本发明的用于强度调制信号的接收机。接收机包括在其输入端9处接收传输信号XAR（t）的光电转换器（光电二极管）10。光电转换器10的输出端被连接到信号分离电路11～19的第一分离器11。从光电转换器10输出的电信号YA（t）被经由所述第一分离器11直接馈送到第一低通滤波器13。电信号Y（t）的另一相同部分被经由第二分离器12和调制器15从第二分离器输出端馈送到第二低通滤波器17。两个滤波器13、17的输出信号被分离并馈送到第一加法器18和第二加法器19。
考虑到从调制器输出的具有不同载波频率f1和f2的信号的振幅始终相同，我们可以简化|A1| = |A2| = A和|B1| = |B2| = B。通常，光电转换器10对等式（6）的接收的传输信号X（t）求平方。这里不需要考虑不同种类的调制。
进一步使用数学关系式，从光电转换器10输出的平方电信号是：
其等于：
在第一低通滤波器13之后，信号仍是
在图3中，Y（t）被表示为YA（t），因为应用了ASK。
在较低信号路径中，经由第二分离器12接收电信号Y（t）以进行同步的同步振荡器14根据差f1-f2生成具有角频率ω的锁相信号。由所述同步信号cos（ωt - ΔΦ）来对平方光学信号进行调制。
应用数学关系式Y2（t）变成
此信号被放大2倍（或使信号S13衰减）。在放大器16和第二低通滤波器17之后，第二滤波器输出信号仍是
此信号被第一加法器18与第一滤波器输出信号S13相加并被第二加法器19从S13中减除。因此，第一输出信号A0和第二输出信号B0变成
其表达调制信号a（t）和b（t）的逻辑值。
忽略常数因子4（在图中也被忽略），在第一和第二接收机输出端20和21处分别输出信号A2和B2。
如果例如应用DPSK（差分相移键控），则使用相位调制器来代替强度调制器（图1）并发射DPSK传输信号XD（t）。
适当的DPSK接收器包括使用延迟干涉仪22、23、24和一对光电转换器25、26（光电二极管）的、图4所示的公共DPSK解调器。信号分离电路11～19仍与已描述的相同。
接收到的DPSK调制传输信号XDR（t）在输入端9处被接收并被另一分离器22分成两部分。第一信号部分经由延迟23被引导至到第二组合器（3dB耦合器）24的第一输入端且第二信号部分被直接馈送到组合器的第二输入端。组合器的两个输出端被连接到一对电光转换器25和26。其输出信号被馈送至另一加法器27，或者以众所周知的方式将电光转换器25和26串联地连接。由于时间延迟的延迟时间对应于符号长度，所以两个相邻符号的相位差被直接转换成调幅信号YD（t）。
未改变的分离电路11～19重得两个调制信号。
如果使用多级调制，则还采用表示例如a（t）= f（a0（t）, a1（t））和b（t）= f（b0（t）, b1（t））的符号的多级调制信号。相应的接收机包括用于信号分离的适当判定电路。
如果例如实现DQPSK（差分四相相移键控）传输系统，则每个已调制传输信号具有四个不同的可能相位。适当的接收机包括图4所示的接收机中的两个，每个具有干涉仪和分离电路。
为了减少传输带宽，选择具有低频率差Δf＝f1 -f2的光学载波信号频率。为了使由于载波间干扰而引起的载波之间的相互作用和因此的劣化最小化，期望正交性。当载波信号L1和L2是正交的时，甚至可实现频谱的重叠：
或者等效于
f1 - f2 = Δf = n/T = n×符号/s                 （18），
其中，T是符号持续时间，n是整数，并且符号/s（symbol/s）是调制信号的符号速率。
在图5中举例说明光学传输信号的窄光学频谱S（XN）和相关电学频谱S（YN）的适当示例。与载波频率相关联的光学频谱和电学频谱是重叠的。为了将这些信号分离，必须使用具有相关性质的低通滤波器（积分和清洗滤波器（dump filter））。
通常，为了保证正交性，也必须考虑脉冲的持续时间。但是如果使用根据本发明的调制，则可保证正交性，无论是传送RZ（归零）还是NRZ（不归零）脉冲。
当使用NRZ脉冲且载波之间的频率间隔Δf＝符号速率时，DQPSK（差分四相相移键控）和OOK（开关键控）是正交的。如果载波之间的频率间隔Δf＝n×符号速率，n＝ 2、 3，则可能使用NRZ或RZ。
附图标记
1                 第一光源（激光器）
2                 第二光源（激光器）
3                 第一耦合器
1、2、3     载波信号发生器
4                 第一调制器
5                 第二调制器
6                 第一组合器
7                 第一组合器输出端
8                 第二组合器输出端
9                 接收机输入端
10                光电转换器
11                第一分离器
11-19           信号分离单元
12                第二分离器
13                第一低通滤波器
14                振荡器
15                电学调制器
16                放大器
17                第二低通滤波器
18                第一加法器
19                第二加法器
20                第一接收机输出端
21                第二接收机输出端
22                另一分离器
23                时间延迟
24                第二组合器
25                电光转换器
26                电光转换器
27                另一加法器
L1                第一载波信号
L2                第二载波信号
L1+jL2         第一混合载波信号
jL1+L2         第二混合载波信号
X（t）        传输信号
XA（t）      ASK调制传输信号
XD（t）      DPSK调制传输信号
S（X）       传输信号的频谱
PE（Y）     已解调信号的频谱
XAR（t）    接收到的ASK调制传输信号
XDR（t）    接收到的DPSK调制传输信号
YD（t）      接收并转换的传输信号
YA（t）      接收并转换的ASK传输信号

Claims (19)

1.一种用于通过光学信道来传送两个已调制信号的方法，包括步骤：
—生成意味着具有第一频率（f1）的第一光学载波信号（L1）和具有第二频率（f2）的第二光学载波信号（L2）的第一混合载波信号；
—生成意味着第一光学载波信号（L1）和第二光学载波信号（L2）的第二混合载波信号，而分配给不同混合载波信号的光学载波信号（L1，L2）具有不同的相位；
—用第一调制信号（a（t））来调制第一混合载波信号，生成第一已调制信号，并用第二调制信号（b（t））来调制第二混合载波信号，生成第二已调制信号，
—将已调制信号组合并发射所组合已调制信号作为传输信号（XA（t）；XD（t））。
2.一种用于接收包括两个已调制光学信号的传输信号（XA（t）；XD（t））的方法，包括步骤：
—将接收到的传输信号（XAR（t）；XDR（t））解调并将其转换成电传输信号（YA（t）；YD（t）），对电传输信号（YA（t）；YD（t））进行低通滤波以生成第一滤波器输出信号（S13），
—对电传输信号（YA（t）；YD（t））进行调制和滤波以生成第二滤波器输出信号（S17），
—将滤波器输出信号（S13；S17）相加并将滤波器输出信号（S13；S17）彼此相减以重新得到第一和第二调制信号（a（t），b（t））。
3.根据权利要求1或2所述的方法，包括应用强度调制、相位调制或相位差相位调制的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，包括生成具有等于调制信号（a（t），b（t））的符号速率或所述符号速率的整数倍的频率差（Δf）的光学载波信号（L1，L2）的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，包括生成具有正交频率的光学载波信号（L1，L2）的步骤。
6.根据权利要求4或5所述的方法，包括通过将光学载波信号（L1，L2）组合来生成混合载波信号的步骤。
7.根据权利要求3所述的方法，包括通过调制等幅波信号来生成混合载波信号的步骤。
8.根据权利要求2所述的方法，包括由光电转换器（10）将已解调电信号中的接收到的强度调制传输信号（XDR（t））进行转换的步骤。
9.根据权利要求2所述的方法，包括在单个延迟干涉仪（22、23、24）中处理接收到的差相位调制传输信号（XDR（t））并在平衡光电转换器（25、26）中转换输出信号的步骤。
10.一种用于经由光学信道来传送两个已调制信号的装置的传送机，该传送机包括：
—载波信号发生器（1、2、3），被设计为用于生成意味着具有第一频率（f1）的第一光学载波信号（L1）和具有第二频率（f2）的第二光学载波信号（L2）的第一混合载波信号，并生成意味着第一光学载波信号（L1）和第二光学载波信号（L2）的第二混合载波信号，而分配给不同混合载波信号的光学载波信号（L1，L2）具有不同的相位；
—两个调制器（4、5），每个被连接到载波信号发生器（1、2、3）的输出端并接收混合载波信号，调制器（4、5）被设计为用于分别接收第一调制信号（a（t））和第二调制信号（b（t）），每个分别调制第一混合载波信号和第二混合载波信号，以及
—第一组合器（6），被设计为用于将从调制器（4、5）输出的已调制信号组合并发射传输信号（XA（t）；XD（t））。
11.一种用于经由光学信道来传送两个已调制信号的装置的接收机，该接收机包括：
—解调器单元（10；22～27），被设计为用于将接收到的传输信号（XAR（t）；XDR（t））转换成平方电信号（YA（t）；YD（t））；
—信号分离电路（11～19），被设计为用于用被连接到解调器单元（10；22～27）的输出端的第一低通滤波器（13）重新得到第一和第二调制信号（a（t），b（t）），并且调制器（14）和第二低通滤波器（17）被串联地连接并连接到所述解调器单元（10；22～27）的输出端，
—第一加法器（18）和第二加法器（19），其第一输入端被连接到第一低通滤波器（13）的输出端且其第二输入端被连接到第二低通滤波器（17）的输出端且其输出端发射调制信号（a（t），b（t））。
12.根据权利要求10所述的传送机，其中，载波信号发生器（1、2、3）包括两个光学载波源（1、2），每个光学载波源（1、2）被分别连接到第一耦合器（3）的第一输入端、第二输入端。
13.根据权利要求10所述的传送机，其中，所述载波信号发生器包括等幅波发生器、调制单元和耦合器，用于生成两个混合载波信号。
14.根据权利要求12或13所述的传送机，进一步被配置为生成具有等于调制信号（a（t），b（t））的频率或所述调制信号（a（t），b（t））的所述频率的整数倍的频率差（Δf）的光学载波信号（L1、L2）。
15.根据权利要求12或13所述的传送机，其中，载波信号发生器（1、2、3）被设计为用于生成正交光学载波信号（L1、L2）。
16.根据权利要求10所述的传送机，其中，调制器（4、5）是强度调制器。
17.根据权利要求10所述的传送机，其中，调制器（4、6）是差相位调制器。
18.根据权利要求11所述的接收机，其中，用于对强度调制的接收的传输信号（XAR）进行解调的解调器单元是光电二极管（10）。
19.根据权利要求11所述的接收机，其中，用于对DPSK调制的传输信号（XDR）进行解调的解调器单元（22～27）被配置为采用延迟干涉仪（22、23、24）和从延迟干涉仪（22、23、24）的输出端接收光学信号的一对光电转换器（25、26）。
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