CN102231648A

CN102231648A - 基于单载波和多载波的混合传输系统

Info

Publication number: CN102231648A
Application number: CN2011101723733A
Authority: CN
Inventors: 易兴文; 邱昆
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-06-24
Also published as: CN102231648B

Abstract

本发明提供一种相对于单一调制方式，其传输性能更优光通信系统。通过偏振复用的方式将两种调制格式复用到一个光载波上，实现了两种不同调制格式的混合传输。先用偏振光束分路器将激光分成两路，在一路上使用单载波光调制技术，在另一路上使用OFDM光调制技术，然后使用偏振光束合路器将调制好的信号进行偏振复用，完成发射机功能。混合调制信号光谱的峰均比是介于单载波调制信号和OFDM各自的峰均比之间。接收端在对电色散补偿与数字相位补偿这两个关键的信号处理上，本发明从两种调制格式中选择具有优势的一种来进行，从而实现两种调制格式的优劣互补，提高总体系统性能。

Description

基于单载波和多载波的混合传输系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及高速率光纤传输系统中的数字信号处理。

背景技术

光纤通信系统中已经存在多种不同的调制格式，但是选择一个适合高速光通信的调制格式并不是很容易，主要原因是不同调制格式有不同的特性，例如不同的频谱效率、成本和计算复杂度。目前高速光传输系统的接收端中通过使用数字信号处理器(DSP)来补偿光纤链路造成的信号畸变，从而提高光传输速率已经成为一个必然发展方向。目前高速光传输系统中的接收端的DSP在对接收信号进行解调之前还主要进行以下处理：

数字偏振解复用(digital polarization de-multiplexing)

光偏振复用就是将两路信号调制到激光的两个正交偏振方向上，可以有效的将光频谱效率提高一倍。但实现时，传输光纤本身并不能保持光信号的偏振态，所以在接收机端需要专门的功能模块来跟踪光信号的偏振态，然后才有可能实现光偏振解复用。传统的光偏振跟踪需要专门的光学器件，其成本比较高、反应速度比较慢。数字偏振解复用将数字化后的信息经相应的算法进行解复用，不再需要专门的光学器件。

电色散补偿(electrical dispersion compensation)

光纤色散会造成信号畸变，因此需要对信道进行色散补偿。光色散补偿已经得到广泛应用，但是近年来电色散补偿得到长足发展，主要是因为电色散补偿能够进行动态和精确的补偿，同时能够在规模化应用时实现较低的成本。电色散补偿的基本原理就是估计出光色散造成的通道响应H(f)，然后在电域使用反转的通道响应H^-1(f)进行通道补偿。首先利用模数转换器(ADC)将模拟电信号数字化后输入至DSP，在专用的集成电路中进行运算。光纤传输的速度通常都大于数字信号处理的速度，因此运算复杂度在电色散补偿技术中是非常重要的参数，而当前为了基于数字信号处理的电色散补偿的精确度，电色散补偿的复杂度不断提高。

数字相位补偿(digital phase compensation)

目前长途光通信系统中调制(包括相位调制)的速率都在10Gb/s或更快，而相应使用到的半导体激光器的带宽通常在10kHz到10MHz范围内，其相位噪声变化的速率大大慢于信号的调制速率，因此可以在电域通过多个比特中载波相位噪声的平均来估计激光器相位噪声，并进行补偿。载波相位噪声的估计方法通常和调制格式相关。另外，激光器相位噪声对系统影响和信号调制速率、调制格式相关，使用同样带宽的激光器，低速率调制受到影响较大，高阶调制格式受到影响也比较大。

高速率光纤传输系统常用的传输技术包括单载波(single-carrier)传输、多载波(multi-carrier)的OFDM(正交频分复用)传输。

单载波传输技术：

单载波传输将所有数据调制到一个载波上。在单个载波上，有多种调制格式可供选择，如二相相移键控(BPSK)、四相相移键控(QPSK)等。

如图1(a)所示，单载波传输系统中的单载波偏振复用发射机包括发射端激光器、偏振光束分离器(PBS)、偏振光束合成器(PBC)以及两套完全相同的单载波发射机。发射端激光器发射的激光通过PBS后被分解成两路偏振态相互正交的光信号输入至单载波发射机的载波输入端。需发送的数据流输入至单载波发射机的调制信号输入端，单载波发射机用输入的数据流调制输入的光信号，生成已调单载波光信号。两路已调单载波光信号经PBC合成一路光信号发送到光纤上进行传输。

图1(b)单载波偏振复用接收机，包括接收端的本地可调激光器、光电转换模块、模数转换模块、数据流恢复模块；

光电转换模块包括光混频器、光探测器；

本地可调激光器输出激光至光混频器的本地光输入端，从光纤传输过来的光信号输入光混频器的光信号端，光混频器对输入的两路光进行混频后输出至光探测器，光探测器将光信号转换为电域信号，光电转换模块将电域信号输出至模数转换模块后输入数据流恢复模块，数据流恢复模块对输入的电域信号进行数字偏振解复用、电色散补偿、数字相位补偿，对处理后的信号再进行解调，恢复出原始数据流。

基于数字信号处理的单载波偏振复用接收机，其最大的特点就是在电域(而不是光域)完成数字偏振解复用、电色散补偿和数字相位补偿，因此减少了相关光器件的使用，也就是降低了接收机的成本。

目前单载波传输系统主要的技术难题是在进行电色散补偿时的计算复杂度会随着光纤传输长度迅速增加，以至于限制了整个光传输的长度，这个问题在高速光通信系统中尤其严重。单载波系统的电色散补偿是基于有限冲击滤波器(FIR)，这种滤波器是基于抽头延迟线(tapped-delay-line)的结构，包含卷积运算，当使用多个抽头时这种滤波器机构的计算复杂度迅速上升。

多载波(multi-carrier)的OFDM传输技术：

正交频分复用(OFDM)已经在无线传输中得到了广泛的应用。OFDM的显著特点是能够抵抗频率选择性衰落(frequency selective fading)，由于这个特点，OFDM被应用到光传输中抵抗光纤中的色散。光OFDM中使用大量低速的子载波来承载高速信号，而低速子载波对色散的容限可以很大。目前实用的OFDM调制和解调制方案都是基于数字信号处理的离散傅里叶变换(DFT)，因此光OFDM只有在模数转换器和DSP进入光纤传输系统中后才可能实现。

图2(a)是OFDM偏振复用的光发射机示意图，其基本原理和单载波偏振复用发射机的主要差别就是使用了OFDM发射机，需发送的数据流输入至OFDM发射机，先用数据流生成电OFDM信号，再用电OFDM信号调制输入的光信号，生成光OFDM信号。其它部分相似，不再赘述。

图2(b)是OFDM偏振复用的光接收机，与单载波偏振复用发射机相比，同样包括接收端的本地可调激光器、光电转换模块、模数转换模块、数据流恢复模块；主要的差别在于数据流恢复模块中的数字信号处理过程上的差别。这个差别体现在DFT这个步骤上，数据流恢复模块先进行DFT，将信号转换到频域，再进行数字偏振解复用，电色散补偿，数字相位补偿，最后进行OFDM解调恢复出原始数据流。OFDM在频域进行色散补偿，其计算复杂度较低。但是光OFDM一个突出的问题就是其时域信号的峰均比(peak-to-average ratio)很高，也就是其信号功率起伏很大。这一问题除了对发射机、接收机的设计和制造造成挑战，同时也导致了光纤传输时，相应的光信号会引起更强的光纤非线性效应，从而降低接收光信号的质量。光OFDM的另一个问题是对相位噪声比较敏感，包括激光器的相位噪声。多载波系统使用低速率的子载波，它们对激光器相位噪声的容忍范围相对较小，因此光OFDM系统需要使用窄线宽的激光器，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种相对于单一调制方式，其传输性能更优光通信系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，包括发射端、接收端，所述发射端包括发射端激光器、偏振光束分离器、单载波发射机、OFDM发射机、偏振光束合成器；所述发射端激光器与偏振光束分离器的输入端相连，偏振光束分离器的一路输出端与单载波发射机的载波输入端相连，另一路输出端与OFDM发射机的载波输入端相连，需发送的数据流分别输入单载波发射机、OFDM发射机的调制信号输入端，单载波发射机与OFDM发射机的输出端与偏振光束合成器的输入相连，偏振光束合成器的输出端通过光纤发送光信号；

所述接收端包括本地可调激光器、光电转换模块、模数转换模块、数据流恢复模块；来自光纤的光信号输入光输入电转换模块的光信号端，本地可调激光器的输出端与光电转换模块的本地光输入端相连，光电转换模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，模数转换模块的输出端与数据流恢复模块的输入端相连；

所述数据流恢复模块包括数字偏振解复用模块、单载波信号处理模块、OFDM信号处理模块；

所述数字偏振解复用模块用于，对输入的电信号进行解复用，得到偏振方向相互正交的两路信号，将一路单载波信号输入至相应的单载波信号处理模块，将另一路OFDM信号输入至相应的OFDM信号处理模块；

所述单载波信号处理模块用于，对接收的信号进行电色散补偿与数字相位补偿的处理，将处理后的信号进行解调，恢复出原始数据流；进行电色散补偿时，根据OFDM信号处理模块发送的信道响应来完成色散补偿；进行数字相位补偿时，将计算得到的相位演变发送至OFDM信号处理模块；

所述OFDM信号处理模块用于，对接收的信号变换至频域，再进行电色散补偿与数字相位补偿的处理，将处理后的信号进行解调，恢复出原始数据流；进行色散补偿时，将计算得到的信道响应发送至单载波信号处理模块；进行数字相位补偿时，根据单载波信号处理模块发送的相位演变完成相位补偿。

在本发明通过偏振复用的方式将两种调制格式复用到一个光载波上，实现了两种不同调制格式的混合传输。先用偏振光束分路器将激光分成两路，在一路上使用单载波光调制技术，在另一路上使用OFDM光调制技术，然后使用偏振光束合路器将调制好的信号进行偏振复用，完成发射机功能。混合调制信号光谱的峰均比是介于单载波调制信号和OFDM各自的峰均比之间。接收端在对电色散补偿与数字相位补偿这两个关键的信号处理上，本发明从两种调制格式中选择具有优势的一种来进行，从而实现两种调制格式的优劣互补，提高总体系统性能。本发明中，两种调制格式的关键信号处理能够互相借用，其基本原理是因为两种调制格式复用到同一个光载波上，经过相同的光纤传输链路，在接收机被同一个光电转换模块(同一个本地激光器)转换到电域。

相对于完全基于单载波的传输系统，本发明能用较低的计算复杂度来补偿光纤中的色散，实现更长的传输距离。相对于完全基于OFDM的技术，本发明能够容忍更大的激光器相位噪声，因此可以使用比较便宜的宽带激光器，或者可以在每个子载波上实现更高阶的先进调制格式来提高系统的频谱利用效率，并且由于减小了信号的峰均比，即，减小光纤中的非线性效应，也就是能够提高光纤中的信号光功率，从而实现更长距离的传输。

具体的，单载波信号处理模块在时域进行数字相位补偿；OFDM信号处理模块将接收到的OFDM信号转换至频域，在频域进行电色散补偿。

可选的，单载波信号处理模块先将单载波信号转变至频域，在频域完成电色散补偿后，再反变换至时域；或者，直接在时域进行电色散补偿。

优选的，不同于常规的OFDM信号处理，OFDM信号处理模块在时域进行数字相位补偿，之后再变换回频域进行后续处理。

本发明的有益效果是，提高了现有光纤传输系统的传输性能，能够实现更长距离的传输。

附图说明

图1(a)为基于数字信号处理的单载波偏振复用发射机示意图；

图1(b)为基于数字信号处理的单载波偏振复用接收机示意图；

图2(a)为基于数字信号处理的OFDM偏振复用的光发射机示意图；

图2(b)为基于数字信号处理的OFDM偏振复用的光接收机示意图；

图3为实施例中QPSK和OFDM通过偏振复用实现混合调制格式的发送端以及调制时的光频谱示意图；

图4为实施例接收端的数据恢复模块中数字信号处理示意图。

具体实施方式

单载波调制方式有多种，经过几年的发展和比较，QPSK已经被确立为性价比最优的一种调制格式。它能够实现2bit/s/Hz的频谱效率，并且实现和BPSK一样的接收灵敏度。因此在本实施例中选择QPSK作为单载波的代表性技术。

如图3所示，发射端包括发射端激光器、PBS、PBC、OFDM发射机、QPSK发射机；所述发射端激光器与PBS的输入端相连，PBS的一路x偏振分量输出端与QPSK发射机的载波输入端相连，另一路y偏振分量输出端与OFDM发射机的载波输入端相连，需发送的数据流分别输入QPSK发射机、OFDM发射机的调制信号输入端，QPSK发射机与OFDM发射机的输出端与偏振光束合成器的输入相连，偏振光束合成器的输出端通过光纤发送光信号。发射端通过偏振复用将QPSK单载波调制格式和OFDM多载波调制格式复用到一个光载波上，具体实施步骤如下：

1：PBS将发射端激光分成x，y两个相互正交的偏振方向的激光信号；

2：对x，y两个偏振方向的激光进行不同的调制，本实例中，对x偏振方向进行QPSK调制，对y偏振方向进行OFDM调制；

3：使用PBC将分别调制后的x，y两个偏振方向的激光信号偏振复用为一路激光信号。

如图3所示，从发射端最后的混合光谱能够看出QPSK和OFDM各自的光谱特征。混合光谱得到峰均比是介于QPSK和OFDM各自的峰均比之间。峰均比和光纤传输时的非线性效应紧密相关，峰均比越小，非线性效应越小。

本发明接收端的结构与现有的单一调制方式的传输系统中的接收端相同，同样包括接收端的本地可调激光器、光电转换模块、模数转换模块、数据流恢复模块；来自光纤的光信号输入光输入电转换模块的光信号端，本地可调激光器的输出端与光电转换模块的本地光输入端相连，光电转换模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，模数转换模块的输出端与数据流恢复模块的输入端相连；光电转换模块包括光混频器、光探测器。

接收端的具体实施步骤如下：

1：被接收的光信号和本地可调激光器共同输入光混频器后，输出已混频光信号；

2：完成混频的多路光信号平行输入多路光探测器完成光电转换，从而转化成相应的电信号。

3：使用多路ADC平行采样转换得到的多路电信号(通常为四路)；

4：采样后的多路电信号输入到数据流恢复模块(DSP)中完成数字信号处理。

数据流恢复模块包括数字偏振解复用模块、单载波信号处理模块、OFDM信号处理模块；

数字偏振解复用模块用于，对输入的电信号进行解复用，得到对应于两路偏振方向相互正交光信号的两路电信号，将一路单载波信号输入至相应的单载波信号处理模块，将另一路OFDM信号输入至相应的OFDM信号处理模块；

单载波信号处理模块用于，对接收的信号进行电色散补偿与数字相位补偿的处理，将处理后的信号进行解调，恢复出原始数据流；进行电色散补偿时，根据OFDM信号处理模块发送的信道响应来完成色散补偿；进行数字相位补偿时，将计算得到的相位演变发送至OFDM信号处理模块；

OFDM信号处理模块用于，对接收的信号变换至频域，再进行电色散补偿与数字相位补偿的处理，将处理后的信号进行解调，恢复出原始数据流；进行色散补偿时，将计算得到的信道响应发送至单载波信号处理模块；进行数字相位补偿时，根据单载波信号处理模块发送的相位演变完成相位补偿。

如图4所示，本实施例数据流恢复模块中的数字信号处理步骤为：

1：通过数字偏振解复用算法，将信号分成对应的x，y偏振方向的信号；

2：QPSK信号处理模块对x偏振方向的信号进行QPSK信号处理，包括色散补偿、相干检测、QPSK解调，最终恢复出原始数据流；OFDM信号处理模块对y偏振方向的信号进行OFDM信号处理，包括色散补偿、相干检测、OFDM解调，最终恢复出原始数据流；

OFDM信号处理模块在进行色散补偿时，运算出信道响应，并将此信道响应传递给QPSK信号处理模块在接收到的信道响应的基础上完成色散补偿；QPSK信号处理模块在进行相位补偿时，运算出相位演变，并将此相位演变传递给OFDM信号处理模块，OFDM信号处理模块在接收到的相位演变的基础上完成相干检测。

QPSK信号处理模块在时域进行数字相位补偿；OFDM信号处理模块将接收到的OFDM信号转换至频域，在频域进行电色散补偿。QPSK信号处理模块在进行相位补偿时，运算出相位演变，并将此相位演变传递给OFDM信号处理模块。OFDM信号处理模块在接收到的相位演变的基础上完成相干检测。

OFDM信号处理模块在频域运算出的信道响应可以表达为H₂(f)。当QPSK信号的频域表达式为S₁，对QPSK的频域信号的信道补偿可以简化表达为：S₁/H₂(f)。由于信道响应主要是由光纤色散造成的，因此这里的信道补偿也就是色散补偿。

或者，QPSK信号处理模块可以选择在时域补偿色散，首先需要将频域的信道响应H₂(f)转换到时域，即h₂(t)，然后使用抽头式延迟线滤波器来补偿色散，也就是

s₁(t)为QPSK的时域信号。

包括QPSK在内的单载波信号处理模块在时域进行色散补偿，均是采用抽头式延迟线(taped-delay-line)滤波器，这种方式的主要问题是在色散增大时，其复杂度迅速上升，从而在限制其在实际系统中补偿色散的能力，也就是限制系统传输距离。而此处的通道响应是在频域，因此尽管是单载波系统，也优先选择在频域来补偿色散。在频域来补偿色散，单载波信号也需要进行频谱变换，在频域中进行色散补偿后，再反变换回时域。在本发明的混合传输方案中，单载波信号处理模块直接使用OFDM信号处理模块得到的信道响应，省去了单载波信号处理模块的通道估计以及相应的一些开销。在实际使用中，在直接使用此方法对单载波进行色散补偿时，其补偿的准确度如不能满足系统要求，进一步的，可以再辅助使用传统的时域的抽头式延迟线滤波器来补偿残余的色散量，这个时候抽头式延迟线滤波器的复杂度可以很低，因为经过频域补偿后的残余色散量会比较小。即，当单载波单载波信号处理模块在频域根据OFDM信号处理模块的信道响应进行色散补偿后，再将补偿后的信号转换至时域，再进行一次时域上的色散补偿。

OFDM信号处理模块可以在时域或频域进行相位补偿，之后再变换至频域：

当OFDM的时域信号为s₂(t)，频域信号为S₂。通过QPSK信号处理模块得到相位演变φ_1i是在时域得到，时域的相位补偿可以表达为：s₂(t)·exp(-jφ_1i)，其中exp表示以自然对数e为底指数函数。

在频域进行相位补偿时选择对应的相位值来计算OFDM需要的公共相位误差(CPE：commonphase error)，其计算表达式为：

其中φ_i为单载波估计得到的相位演变，N_sc为FFT(快速傅里叶变换)的长度(OFDM子载波个数)，Φ_c即为公共相位误差。OFDM频域相位补偿可以表达为：S₂·exp(-jΦ_c)。由于公共相位误差是时域相位噪声的平均，在计算公共相位误差时会平均掉部分相位演变的信息，从而会在一定程度上影响频域补偿相位噪声的精度。

Claims

1.基于单载波和多载波的混合传输系统，包括发射端、接收端，其特征在于，所述发射端包括发射端激光器、偏振光束分离器、单载波发射机、OFDM发射机、偏振光束合成器；所述发射端激光器与偏振光束分离器的输入端相连，偏振光束分离器的一路输出端与单载波发射机的载波输入端相连，另一路输出端与OFDM发射机的载波输入端相连，需发送的数据流分别输入单载波发射机、OFDM发射机的调制信号输入端，单载波发射机与OFDM发射机的输出端与偏振光束合成器的输入相连，偏振光束合成器的输出端通过光纤发送光信号；

所述接收端包括本地激光器、光电转换模块、模数转换模块、数据流恢复模块；来自光纤的光信号输入光输入电转换模块的光信号端，本地激光器的输出端与光电转换模块的本地光输入端相连，光电转换模块的输出端与模数转换模块的输入端相连，模数转换模块的输出端与数据流恢复模块的输入端相连；

所述数字偏振解复用模块用于，对输入的电信号进行解复用，得到对应于两个相互正交光偏振方向的两路电信号，将一路单载波信号输入至相应的单载波信号处理模块，将另一路OFDM信号输入至相应的OFDM信号处理模块；

2.如权利要求1所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述单载波信号处理模块用于，在时域进行数字相位补偿；

所述OFDM信号处理模块用于，将接收到的OFDM信号转换至频域，在频域进行电色散补偿。

3.如权利要求2所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述单载波信号处理模块用于，先将单载波信号转变至频域，在频域完成电色散补偿后，再反变换至时域。

4.如权利要求3所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述单载波信号处理模块用于，进行电色散补偿时，先将单载波信号转变至频域得到单载波的频域信号S₁，再根据OFDM信号处理模块发送的信道响应H₂(f)对频域信号S₁进行色散补偿，色散补偿后的频域信号为S₁/H₂(f)。

5.如权利要求2所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述单载波信号处理模块在时域进行电色散补偿。

6.如权利要求5所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述单载波信号处理模块用于，进行色散补偿时，先将接收到的信道响应H₂(f)转换到时域，得到时域信道响应h₂(t)，再根据时域信道响应来对单载波的时域信号s₁(t)进行色散补偿：

其中为卷积运算。

7.如权利要求2所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述OFDM信号处理模块在时域进行数字相位补偿，再变换至频域。

8.如权利要求7所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述OFDM信号处理模块用于，进行数字相位补偿时，根据OFDM信号处理模块发送的相位演变φ_1i对OFDM的时域信号s₂(t)进行相位补偿，相位补偿后的时域信号为s₂(t)·exp(-jφ_1i)，其中exp表示以自然对数e为底指数函数。

9.如权利要求2所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述OFDM信号处理模块在频域进行数字相位补偿。

10.如权利要求9所述基于单载波和多载波的混合传输系统，其特征在于，所述OFDM信号处理模块用于，进行数字相位补偿时，根据OFDM信号处理模块发送的相位演变φ_1i来计算公共相位误差Φ_c：

其中，N_sc为OFDM子载波个数，再根据公共相位误差Φ_c来对OFDM的频域信号S₂进行色散补偿：S₂·exp(-jΦ_c)。