CN102215079B - 一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，涉及光通信系统领域，通过在接收端未经调制的参考光进入90°混频器的本振输入端，其对应波长的本振光进入90°混频器的信号输入端，经过光电转换后，得到与经过光电转换后的其他波长的电信号频率偏移相反的电信号，在电域中利用该电信号分别与经过光电转换后的其他波长的电信号进行相乘，有效消除了经过调制后的光载波和对应的本振光的频率偏移，可对大范围的频率偏移进行纠正消除，提升了系统对频率偏移量可容忍度，且系统对激光器数量的需求小，对应的波分复用系统结构相对简单，相干接收端光端也无需锁相环或者自动频率控制等反馈装置，其结构也得到了简化，节约了系统成本。

Description

一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法

技术领域

本发明涉及光通信系统领域，具体来讲是一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法。

背景技术

伴随着视频会议等通信技术的应用和互联网的普及产生的信息爆炸式增长，对作为整个通信系统基础的物理层提出了更高的传输性能要求。但对于非相干检测来说，未来提升的潜力被接收机的灵敏度限制了，尤其使用多级调制方式。而另一面，相干检测具有公认的灵敏度高的优势并且能实现全光的幅度调制，多路偏振技术和光纤损失补偿技术。相干检测的巨大优势及高速数字信号处理技术的发展，使得相干光通信重新回到人们的视线中，受到人们的广泛关注，相位和偏振态管理都可以利用DSP在电域中得到实现，更重要的是，采用DSP的相干光接收使得传输链路中的损伤得到补偿，开拓了相干光接收在未来光传输技术中的应用的可能，因此研究相干光接收在未来光传输网中的应用具有非常重大的意义。

在相干光通信中，本振光与接收光信号之间的频率稳定性是相当重要的。若激光器的频率(或波长)随工作条件的不同而发生漂移，就很难保证本振光与接收光信号之间的频率相对稳定性。对于采用常规方式如注入锁模和光学锁相环等来解决相干接收实际应用的主要障碍之一的相位管理方式的相干接收系统而言，系统只能容忍很小范围内的频率偏移，而对于WDM光通信系统，其系统对光载波振荡器和光本地振荡器的频率偏移更为敏感，因此只有保证光载波振荡器和光本地振荡器的高频率稳定性且在接收时能消除大范围的光载波振荡器和光本地振荡器的频率偏移，才能保证相干光通信系统的正常工作。

然而常规的方式如锁相环和自动频率控制单元，通过硬件利用反馈来控制频率偏移，其结构复杂且可消除的频率偏移量小；而采用数字补偿技术的数字相干接收，利用数字处理来消除频率偏差对系统性能的影响，又增加了数字处理运算复杂度，且其可补偿的频率偏差范围有限，在现有条件下限制了相干接收的实用性。因此探寻一种新型的频率偏移消除方法对于推动高速相干光通信系统的应用具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其使用方式简单，有效消除大范围的频率偏移，提升了系统对频率偏移量可容忍度，且系统对激光器数量的需求小，对应的波分复用系统结构相对简单。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，包括以下步骤：(1)使用一个初始光源，通过多载波光产生装置，使其产生多个相关波长光源；(2)将所述相关波长光源中的一路留作参考光源，对其余相关波长光源进行数据调制，形成波分复用信号，接入链路传输至接收端；(3)所述接收端收到信号并滤波后，将所述参考光源输入90°混频器的本振输入端，将其余波分复用信号输入90°混频器的信号输入端；(4)所述接收端提供本振光源，本振光源经过多载波光产生装置生成多个相关波长光源，滤波后分为两路光，一路光对应所述参考光源波长的光载波输出至90°混频器的信号输入端，另外一路光为余下各波长的光载波输入至90°混频器的本振输入端；(5)对经过90°混频器的各路输出进行滤波，分别得到各路波长信号，经过多个平衡接收机接收后得到相应的电信号，将所述参考光经过光电转换后得到的电信号，分别与经过光电转换后的其他各路波长的电信号进行频率偏移校正，其他各路波长分别经过模数转换器采样后，输入至数字信号处理器处理，接收完成信号恢复。

在上述技术方案的基础上，步骤(2)所述链路主要由光纤和掺铒光纤放大器构成，多路波分复用的信号的相关性保持不变。

在上述技术方案的基础上，所述多载波光产生装置所产生的相关波长光源是由同一光源产生、且频率间隔相同的多载波光。

在上述技术方案的基础上，所述多载波光产生装置基于：循环频率搬移、多级调制器级联、脉冲光源和非线性介质的多载波产生方式其中一种。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)所述初始光源产生窄线宽光源，经所述多载波光产生装置产生多个相关波长光源，再经过分波器得到个频点光源。

在上述技术方案的基础上，步骤(2)所述各频点光源除了留作参考光源的一路，其余频点光源经过调制后，与留作参考光源的一路进行合波，并传输至相干接收端，通过波长选择开关将传输后的光信号分为两路，一路为参考光源，另一路为调制光信号，共同输出至耦合器。

在上述技术方案的基础上，步骤(5)所述经由多个平衡接收机接收后输出的电信号，分别经过多个功分器传输至其他各路，补偿其他各路光信号的频率偏移。

在上述技术方案的基础上，所述补偿方法为：将任意一路经过平衡接收机后的信号分别经过多个功分器，其中经过两个不同功分器的两路作为一个乘法器的输入，而所述两个各功分器的另外两路作为另外一个乘法器的输入。

在上述技术方案的基础上，所述其中一个乘法器的输出经过反相器后，与另外的乘法器的输出作为加法器的输入，得到进行频率偏移校正后的一路输出，经过数模转换器后输入至数字信号处理器进行进一步处理。

在上述技术方案的基础上，所述输入加法器的两个乘法器，其接收的信号来自四个不同的功分器。

本发明的有益效果在于：基于自相关光源的频率相关性，通过在接收端未经调制的参考光进入90°混频器的本振输入端，其对应波长的本振光进入90°混频器的信号输入端，经过光电转换后，得到与经过光电转换后的其他波长的电信号频率偏移相反的电信号，在电域中利用该电信号分别与经过光电转换后的其他波长的电信号进行相乘，有效消除了经过调制后的光载波和对应的本振光的频率偏移，可对大范围的频率偏移进行纠正消除，提升了系统对频率偏移量可容忍度，且系统对激光器数量的需求小，对应的波分复用系统结构相对简单，相干接收端光端也无需锁相环或者自动频率控制等反馈装置，其结构也得到了简化，节约了系统成本。

附图说明

图1为本发明实施例应用的相干光接收系统示意图；

图2为单频率相干光接收系统的原理图；

图3为图1中光频率分布示意图；

图4为本发明实施例信号光与本振光无偏移时，8PSK背靠背传输系统接收端经模数转换后的星座图；

图5为图4中信号光与本振光偏移2GHz时，8PSK背靠背传输系统接收端经模数转换后的星座图；

图6为图5信号光与本振光偏移2GHz时，频率偏移消除后的8PSK背靠背传输系统接收端经模数转换后的星座图。

附图标记：初始光源201，多载波光产生装置(202、211)，分波器203，发送模块(204、205)，合波器206，光纤链路207，波长选择开关(208、212)，耦合器209、213，本振光源210，90°混频器214，分波器(215、216、217、218)，平衡接收机(219、220、221、222)，功分器(223、224、225、226)，乘法器(227、228、229、230、233)，加法器23 1，反相器232，数模转换器234，数模转换器235，DSP236，偏振控制器102。

具体实施方式

以下对本发明作进一步详细说明。

本发明一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，包括以下步骤：

(1)使用一个初始光源，通过多载波光产生装置，使其产生多个相关波长光源。所述多载波光产生装置可以是基于循环频率搬移、基于多级调制器级联、基于脉冲光源和非线性介质的多载波产生方式的其中一种。

(2)将所述多个相关波长光源中的一路留作参考光源，对其余相关波长光源进行数据调制，形成波分复用信号，接入链路传输至接收端。所述链路主要由光纤和掺铒光纤放大器构成，多路波分复用的信号的相关性保持不变。

(3)所述接收端收到信号并滤波后，将所述参考光源输入90°混频器的本振输入端，将其余波分复用信号输入90°混频器的信号输入端。

(4)所述接收端提供本振光源，本振光源经过多载波光产生装置生成多个相关波长光源，滤波后分为两路光，一路光对应所述参考光源波长的光载波输出至90°混频器的信号输入端，另外一路光为余下各波长的光载波输入至90°混频器的本振输入端。

(5)对经过90°混频器的各路输出进行滤波，分别得到各路波长信号，经过多个平衡接收机接收后得到相应的电信号，将所述参考光经过光电转换后得到的电信号，分别与经过光电转换后的其他各路波长的电信号进行频率偏移校正，其他各路波长分别经过模数转换器(analog digital converter，ADC)采样后，输入至数字信号处理器(digital signal processor，DSP)处理，接收完成信号恢复。

下面通过具体实施例来详细描述本发明的方法。

如图1所示，初始光源201产生为f₀的窄线宽光源，经过多载波光产生装置202产生频率为f₁、f₂、...、f_n的相关波长光源。所述相关波长光源经过分波器203，分别得到各频点光源，预留其中频率为f₁的光源做参考光源，其余各频点光源再分别作为发送模块204、...、205的调制的光源输入端，经过调制后连同频率为f₁的光源通过合波器206进行合波后形成波分复用信号，经过光纤链路207传输至相干接收端，利用波长选择开关208将传输后的光信号分为两路信号光，一路为频率为f₁的参考光源，输出至耦合器213；另外一路为其他频点的调制光信号，输出至耦合器209。

在接收端，频率为f′₀的本振光源210经过多载波光产生装置211，生成多个频率为f′₁、f′₂、...、f′_n的相关波长光源。所述相关波长光源经过波长选择开关212后分为两路光，一路为对应于发射端的参考光源f₁的光源f′₁，被输出至耦合器209后进入90°混频器214的信号输入端，另外一路为其他频率的光源，作为本振光源输入至耦合器213后进入90°混频器214的本振输入端。利用分波器215、216、217、218分别对90°混频器214的四路输出端进行分波，分别得到各频点光信号，再分别送至各平衡接收机219、220、...、221、222进行接收。进入90°混频器214信号输入端的频率为f′₁的参考光源和进入90°混频器214本振输入端的频率为f₁的参考光源，经过混频分波后分别得到f′_1-I1、f′_1-I2、f′_1-Q1、f′_1-Q2四路光信号，经由平衡接收机219、220接收后，输出的电信号分别经过功分器223、224传输至其他各路，以补偿其他各路光信号的频率偏移。所述补偿方法为：将任意一路频率为f_n经过平衡接收机后的信号分别经过功分器225、226，其中经过功分器225的一路与经过功分器223的一路作为乘法器227的输入；而功分器225的另一路与功分器224的一路作为乘法器229的输入；功分器226的一路与功分器224的一路作为乘法器228的输入，其输出经过反相器232后与乘法器227的输出，共同作为加法器23 1的输入得到进行频率偏移校正后的一路输出，经过数模转换器234转换后，输入至DSP进行进一步处理。功分器226的另一个输出与功分器223的一路输出作为乘法器230的输入，经过乘法器230后与乘法器229的输出信号作为乘法器233的输入，得到频率偏移校正后的另一路输出，经过数模转换器235转换后输入至DSP进行进一步处理。通过这种复数相乘的处理方式完成了频率偏移的校正。

如图2所示，为单频率相干光接收系统的原理图，信号光经过偏振控制器102后，连同本振光源210产生的本振光分别输入90°混频器214的信号光输入端和本振光输入端，经过90°混频器四路输出后，由平衡接收机219、220分别接收，实现光电转换。

输入信号光E_S和本振信号光E_L0分别表示为：

E_S＝A_S(t)exp(jω_st)    (1.1)

E_L0＝A_L0(t)exp(jω_L0t)    (1.2)

其中A_S，A_L0分别代表信号光和本振光的复振幅，ω_s，ω_L0分别代表信号光和本振光的角频率，光功率分别为P_S＝|A_S|²/2，P_L0＝|A_L0|²/2，经过90°混频器的输出信号光分别表示为：

$E_1=\frac{1}{2}(E_S+E_{L0}),---\left(1.3\right)$

$E_2=\frac{1}{2}(E_S-E_{L0}),---\left(1.4\right)$

$E_3=\frac{1}{2}(E_S+j{E}_{L0}),---\left(1.5\right)$

$E_4=\frac{1}{2}(E_S-j{E}_{L0}),---\left(1.6\right)$

经过光电探测器分别接收后，其输出的光电流别表示为：

$I_{I1}=R{\left[\mathrm{Re}\right\{E_1\left\}\right]}^{\mathrm{ms}}=\frac{R}{4}[P_S+P_{L0}+2\sqrt{P_S{P}_{L0}}\cos \{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\left\}\right],---\left(1.7\right)$

$I_{I2}=R{\left[\mathrm{Re}\right\{E_2\left\}\right]}^{\mathrm{ms}}=\frac{R}{4}[P_S+P_{L0}-2\sqrt{P_S{P}_{L0}}\cos \{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\left\}\right],---\left(1.8\right)$

$I_{Q1}=R{\left[\mathrm{Re}\right\{E_3\left\}\right]}^{\mathrm{ms}}=\frac{R}{4}[P_S+P_{L0}+2\sqrt{P_S{P}_{L0}}\sin \{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\left\}\right],---\left(1.9\right)$

$I_{Q2}=R{\left[\mathrm{Re}\right\{E_4\left\}\right]}^{\mathrm{ms}}=\frac{R}{4}[P_S+P_{L0}-2\sqrt{P_S{P}_{L0}}\sin \{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\left\}\right],---\left(1.10\right)$

其中R为光电探测器响应因子，θ_Sig，θ_L0分别表示信号光和本振光的相位，而代表信号光和本振光的角频率之差ω_IF为：

ω_IF＝ω_S-ω_L0，    (1.1 1)

则平衡接收机输出的光电流值分别为：

$I_I=I_{I1}-I_{I2}=R\sqrt{P_S{P}_{L0}}\cos \{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\},---\left(1.12\right)$

$I_Q=I_{Q1}-I_{Q2}=R\sqrt{P_S{P}_{L0}}\sin \{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\},---\left(1.13\right)$

则其输出的信号可表示为：

$I_C=I_1+j{I}_Q=R\sqrt{P_S{P}_{L0}}\mathrm{expj}\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Sig}}-{\mathrm{\θ}}_{L0}\},---\left(1.14\right)$

如图3所示，为光频率分布示意图，信号光频率分别为f₁、f₂、...、f_n，其中f₁为未经调制的参考光频率，对应的本振光频率分别为f′₁、f′₂、...、f′_n，Δf为参考信号光和对应的本振光的频率偏差，信号光和本振光的频率间隔均为f，将参考光频率的信号光和对应的本振光对调，使得进入90°混频器信号输入端的光信号频率为f′₁、f₂、...、f_n，进入90°混频器本振输入端的本振光频率为f₁、f′₂、...、f′_n。

对于任意的信号光f_n，经过相位分集的相干光接收系统输出的信号可表示为：

$I_{\mathrm{fn}}=R\sqrt{P_{\mathrm{fn}}{P}_{f\′n}}\mathrm{expj}\{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{fn}}-{\mathrm{\ω}}_{f\′n}+{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{fn}}-{\mathrm{\θ}}_{f\′n}\}---\left(1.15\right)$

其中I_fn，P_fn，ω_fn，θ_fn分别表示进入90°混频器信号输入端且频率为f_n经相干光接收后的信号光电流、光功率、角频率、相位值，I_f′1，P_f′n，ω_f′n，θ_f′n分别表示的进入90°混频器本振输入端对应信号光频率为f′_n的信号光电流、光功率、角频率、相位值。n为(1，2...n)，参考信号光和对应的本振光经过相位分集的相干光接收系统输出的信号可表示为：

$I_{f\′1}=R\sqrt{P_{f\′1}{P}_{f1}}\mathrm{expj}\{{\mathrm{\ω}}_{f\′1}-{\mathrm{\ω}}_{f1}+{\mathrm{\θ}}_{f\′1}-{\mathrm{\θ}}_{f1}\}---\left(1.16\right)$

由于信号光和本振光都是基于单光源经过多载波产生装置产生的，其频率间隔为f，基于信号光和本振光的相关性，我们可以得到任意信号光频率与对应的本振光频率偏差是相同的，即

ω_fn-ω_f′n＝2πΔf＝常数    (1.17)

故而利用参考信号光经相干接收系统得到的电复数信号与任意信号光与经相干接收系统得到的电复数信号相乘即可消除任意信号光与对应本振光信号的频率偏差。

即

如图4所示，表示的是信号光与本振光频率无偏移时，8PSK背靠背传输系统接收端经模数转换后的星座图，从图中可以看出，其星座图有清晰的8块星座点阵的分布，基本保持8PSK的分布状态。

图5表示的是图4中信号光与本振光频率偏移2GHz时，8PSK背靠背传输系统接收端经模数转换后的星座图，从图中可以看出，由于信号光与本振光的频率偏移，星座图中的点呈圆形分布，已不能区分8PSK各点的分布。

图6表示的是信号光与本振光频率偏移2GHz时，接收端经过本发明频率偏移消除方法后经模数转换后的星座图，从图中可以看出，经过本发明频率偏移消除方法后，图5中呈圆形分布的星座点又变成了8块星座点阵分布，基本保持8PSK的分布状态。

所述图4至图6均是经过模数转化后的星座图，未经过进一步的数字信号处理，由此可见本发明频率偏移消除方法可以很好的消除信号光与本振光频率偏移带来的系统影响。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使用一个初始光源，通过多载波光产生装置，使其产生多个相关波长光源；

(2)将所述相关波长光源中的一路留作参考光源，对其余相关波长光源进行数据调制，形成波分复用信号经过链路传输至接收端；

(3)所述接收端收到信号并滤波后，将所述参考光源输入90°混频器的本振输入端，将其余波分复用信号输入90°混频器的信号输入端；

(4)所述接收端提供本振光源，本振光源经过多载波光产生装置生成多个相关波长光源，滤波后分为两路光，一路光对应所述参考光源波长的光载波输出至90°混频器的信号输入端，另外一路光为余下各波长的光载波输入至90°混频器的本振输入端；

(5)对经过90°混频器的各路输出进行滤波，分别得到各路波长信号，经过多个平衡接收机接收后得到相应的电信号，将所述参考光经过光电转换后得到的电信号，分别与经过光电转换后的其他各路波长的电信号进行频率偏移校正，其他各路波长分别经过模数转换器采样后，输入至数字信号处理器处理，接收完成信号恢复。

2.如权利要求1所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：步骤(2)所述链路主要由光纤和掺铒光纤放大器构成，多路波分复用的信号的相关性保持不变。

3.如权利要求1所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：所述多载波光产生装置所产生的相关波长光源是由同一光源产生、且频率间隔相同的多载波光。

4.如权利要求3所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：所述多载波光产生装置基于：循环频率搬移、多级调制器级联、脉冲光源和非线性介质的多载波产生方式其中一种。

5.如权利要求1所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：步骤(1)所述初始光源产生窄线宽光源，经所述多载波光产生装置产生多个相关波长光源，再经过分波器得到各频点光源。

6.如权利要求5所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：步骤(2)各频点光源除了留作参考光源的一路，其余频点光源经过调制后，与留作参考光源的一路进行合波，并传输至相干接收端，通过波长选择开关将传输后的光信号分为两路，一路为参考光源，另一路为调制光信号，共同输出至耦合器。

7.如权利要求1所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：步骤(5)所述经由多个平衡接收机接收后输出的电信号，分别经过多个功分器传输至其他各路，补偿其他各路光信号的频率偏移。

8.如权利要求7所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：所述补偿方法为：将任意一路经过平衡接收机后的信号分别经过多个功分器，其中经过两个不同功分器的两路作为一个乘法器的输入，而所述两个功分器的另外两路作为另外一个乘法器的输入。

9.如权利要求8所述的基于多波长相关光通信系统的频率偏移消除方法，其特征在于：所述其中一个乘法器的输出经过反相器后，与另外的乘法器的输出作为加法器的输入，得到进行频率偏移校正后的一路输出，经过数模转换器后输入至数字信号处理器进行进一步处理。