CN102238127A - 一种基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法 - Google Patents

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贺志学
杨奇
曾韬
杨铸
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Abstract

一种基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，涉及光纤通信系统领域，包括步骤：(1)使用一个初始光源，经过多载波光产生装置，产生频率间隔等于离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块的发送信号带宽的多个相关波长光源；(2)使用上述多个相关波长光源作为调制光源，利用离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块，分别对各路相关波长光源进行调制；(3)调制后的信号波长合波后，经过链路传输后到达接收端，经过离散傅里叶变换扩展的正交频分复用接收模块接收后，进行相干解调，完成整个传输过程。该方法避免信号产生严重畸变，对系统误码率性能影响小，保持系统的频谱效率和误码率性能，降低复杂程度，提高整体的传输性能。

Description

一种基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法
技术领域
本发明涉及光纤通信系统领域，具体来讲是一种基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法。
背景技术
随着Internet以及各类通信业务的迅猛发展，对通信容量及传输带宽提出了较高的要求，网络结构的变化，用户使用带宽的增加都需要相应的传输速率给予支持。在光传输系统中，尤其是干线系统，速率的提高意味着对系统性能提出更高的要求，同时对于各类线路损伤，如色散、偏振模色散、非线性效应等的抑制和处理难度也大大增加。近年来，国际上对于光调制技术给予了较多关注和研究，以期通过较小的成本来升级现有链路。提出的光调制格式主要有啁啾归零码(ChirpedReturn-to-Zero，CRZ)、差分相移键控(DifferentialPhaseShift Keying，DPSK)、差分正交相移键控码(differentialquadrature phase-shift keying，DQPSK)等，各种调制方式利用各自的优势，可以从不同角度缓解系统的压力，但是对于超高速系统，如100Gb/s甚至更高的系统，则显得力不从心。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术是一种优秀的调制格式，具有较强的抗干扰能力和高频谱利用率，主要应用于无线通信系统。近年来随着光OFDM概念的提出，业界给予相当多的关注，各类实验和仿真也证明了其作为一种调制方式具有较好的性能，并成为100Gb/s及更高速率的长距离传输系统中具有竞争力的候选调制方案。
然而，OFDM技术的一个主要不足是发送信号具有较高的峰值和平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)，简称峰均比。其射频域中，高PAPR会导致信号超出功放的动态范围而不能被线性放大，导致严重的信号失真，破坏各子载波之间的正交性，造成带内信号畸变和带外频谱弥散。在光域，高的PAPR会导致线路中的非线性效应明显而影响系统的传输性能。
目前，降低OFDM信号PAPR的方法基本可以分为信号预畸变技术、编码类技术和概率类技术。这几类技术虽然都可以有效抑制PAPR，但每种方法都存在着缺陷。信号预畸变技术最直接最简单，它直接对时域信号的峰值进行非线性操作，但会使信号产生严重畸变，从而降低系统的频谱效率和误码率性能。编码类技术为线性过程，它利用编码避开那些会出现信号峰值的码字，将原来的信息码字映射到一个具有较好PAPR特性的传输码集上；该类技术虽不会使信号产生畸变，但其缺点是复杂度很高，而且只适用于子载波较少的情况。概率类技术利用努力降低信号峰值出现的概率来有效降低信号的PAPR值，其缺点在于计算复杂度太高。尤其是对多频带光OFDM传输系统而言，以上几种技术会传送一些边带信息，在降低PAPR的同时会对临近的频带信号造成影响，且对系统的误码率性能影响较大，降低其整体的传输性能。
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相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，避免信号产生严重畸变，对系统误码率性能影响小，保持系统的频谱效率和误码率性能，降低复杂程度，提高整体的传输性能。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，包括如下步骤：(1)使用一个初始光源，经过多载波光产生装置，产生频率间隔等于离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块信号带宽的多个相关波长光源；(2)使用上述多个相关波长光源作为调制光源，利用离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块，分别对各路调制光源进行离散傅里叶变换扩展的正交频分复用调制；(3)调制后的信号波长合波后，经过链路传输后到达接收端，经过离散傅里叶变换扩展的正交频分复用接收模块接收后，进行相干解调，完成整个传输过程。
在上述技术方案的基础上，所述离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块中的基带映射后符号序列经串/并转换后，将带有数据的部分分为X组长度为N的数据块，分别对这X组数据块进行N点离散傅里叶变换，经过子载波映射后，对其进行M点快速傅里叶反变换，X、N、M为任意常数，且X*N≤M。
在上述技术方案的基础上，所述离散傅里叶变换扩展的正交频分复用接收模块接收的信号，经过90°混频器与一个本振光源产生的本振光混频后，利用平衡接收机进行光电信号转换，得到的电信号经过模数转换后，进行去除循环前缀，通过串/并转换，在M点快速傅里叶变换进行正交频分复用解调，经过子载波逆映射后得到X组长度为N的数据块，最后分别对这X组数据块进行N点的离散傅里叶反变换和并/串转换，恢复出基带映射后的符号序列。
在上述技术方案的基础上，所述链路主要由光纤和掺饵光纤放大器构成。
在上述技术方案的基础上，所述多载波光产生装置产生多个相关波长光源的方法，包括基于光源频移再生方法、基于级联调制器的方法或非线性光纤光学效应的方法其中一种。
在上述技术方案的基础上，所述光源频移再生方法，将初始光源经信号源通过相位调制器调制后，实现频率搬移，经由光纤掺饵放大器、光滤波器、偏振控制器和耦合器构成的环路循环搬移，最后由光耦合器的一端作为多载波光的输出。
在上述技术方案的基础上，所述光源频移再生方法，利用IQ调制器的两路分别加载正弦驱动电压和余弦驱动电压来实现频谱的搬移，所述正弦驱动电压和余弦驱动电压由信号源提供，搬移的间隔由驱动电压频率决定。
本发明的有益效果在于：基于相干光OFDM系统，采用DFT-S(离散傅里叶变换扩展)OFDM发送方式，使产生的OFDM信号具有与单载波信号相近的PAPR性能，在不影响信号的情况下降低PAPR，避免信号产生严重畸变；同时明显消除了相邻频带信号间的串扰，减小对系统误码率性能的影响，保持系统的频谱效率和误码率性能，降低复杂程度，提高整体的传输性能。
附图说明
图1为本发明DFT-S的多频带相干光OFDM系统示意图；
图2为图1中DFT-S OFDM发送模块的原理图；
图3为图1中DFT-S OFDM接收模块的原理图；
图4为图1中多载波光产生装置的结构图；
图5为图1中多载波光产生装置的第二实施例的结构图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明基于相干光OFDM系统降低PAPR的方法，包括步骤：
(1)使用一个初始光源，经过多载波光产生装置，产生频率间隔等于DFT-S(离散傅里叶变换扩展)OFDM发送模块信号带宽的多个相关波长光源。
(2)使用上述多个相关波长光源作为调制光源，利用DFT-S OFDM发送模块，分别对各调制光源进行DFT-S OFDM调制。
(3)调制后的信号波长合波后，经过链路传输后到达接收端，经过DFT-S OFDM接收模块接收后，进行相干解调，完成整个传输过程。所述链路主要由光纤和掺饵光纤放大器构成。
下面有具体实施例来详细说明本发明
如图1所示，为本发明DFT-S的多频带相干光OFDM系统示意图，起始光源301输出频率为f0的连续光，经过多载波产生装置302后，输出n个频率间隔为加载信号源频率f的多载波光f1、f2、…、fn，这些多载波光经过频率间隔为f的分波器303，分别得到各频点的光源f1、f2、…、fn，各频点光源分别作为每个DFT-S OFDM发送模块304、305、…、306的调制的光源输入端。当各频点光源f1、f2、…、fn由各DFT-S OFDM发送模块调制完成后，经合波器307后通过链路308传输至接收端后，经分波器309后分离得到各个独立的波长光源信号λ1、λ2、…、λn。本振光源310通过多载波产生装置311产生的包含所有波道光源的本振光，通过分波器315分离得到各个独立的波长光源本振光，各个独立的波长光源信号分别与分波器309分离得到的各传输信号λ1、λ2、…、λn一一对应，分别输入在各DFT-S OFDM接收模块311、312、313、…、314中的本振信号端和接收信号端，完成相干光接收过程，恢复出原始信号。
如图2所示，为各DFT-S OFDM发送模块304、305、…、306的原理图。本实施例采用的基带映射后的符号序列经串/并转换后，将带有数据的部分分为X组长度为N的数据块，分别对这X组数据块进行N点FFT(离散傅里叶变换)，再经过子载波映射后，对其进行M点快速傅里叶反变换，X、N、M为任意常数，且X*N＜＝M，最后经过并/串转换、插入循环前缀、并进行数模转换得到DFT-S OFDM信号，该信号由I路和Q路经过IQ调制器上载到光域，得到光DFT-S OFDM信号。
如图3所示，为DFT-S OFDM接收模块312、313、…、314原理图。到达接收端的信号经过90°混频器201与本振光源产生的本振光混频后，利用平衡接收机202、203、204、205进行光电信号转换，得到的电信号经过模数转换后，进行去除循环前缀、通过串/并转换，在M点快速傅里叶变换进行OFDM解调，经过子载波逆映射后得到X组长度为N的数据块，最后分别对这X组数据块进行N点的离散傅里叶反变换和并/串转换，恢复出原始符号，即基带映射后的符号序列。
如图4所示，多载波光产生装置302、311的内部结构包括五部分：频率搬移部分、光放大部分、偏振控制部分、载波选择部分、环路连接部分。
所述频率搬移部分，包括相位调制器402和信号源403。信号源403提供一定频率的锯齿波电压来驱动相位调制器402，根据傅里叶变换理论，时域的线性相移等同于频域中的频谱搬移。设F(f)＝F{f(t)}，F表示傅里叶变换算符，t是时域变量，f是频域变量。则有，F(f-kΔf)＝F{f(t)*exp(j2πkΔft)}。即通过引入一个时域线性相移φ(t)＝2πkΔft，他的频谱F(f)则会被搬移到F(f-kΔf)，搬移量为kΔf。
我们通过利用相位调制器402来实现这种时域的线性相移，本实施例中采用单臂铌酸锂相位调制器402的传递函数可表示为：
φ(t)＝(π/Vπ)·V(t)
其中Vπ表示半波电压，V(t)表示驱动电压。半波电压是由铌酸锂相位调制器402的自身结构所决定，要实现φ(t)＝2πkΔft的相移，只需
V(t)＝2VπkΔft
光放大部分由EDFA(掺铒光纤放大器)404和EDFA 409组成，用于补偿循环环路内各器件引入的插损，以保证出射的多载波光幅值一致。
所述偏振控制部分，包括偏振控制器406和偏振控制器408，用于多载波光的偏振态，以保证出射的多载波光偏振态一致。
如图4和图1所示，载波选择部分包括可调谐光滤波器407，可调光滤波器407是波长可调、带宽可调的，选用的可调谐滤波器407不一样，其波长和带宽的可调范围也不一样，通过调节可调谐光滤波器407的带宽和中心波长，来决定多载波光产生装置302、311在通过可调谐光滤波器407后，继续循环的那一路光中所能进入再循环的波长数量，进而决定多载波光产生装置302、311的最终产生的多载波光的数量。
所述环路连接部分包括分光比为50∶50的2*1耦合器401和分光比为50∶50的1*2耦合器405，耦合器401用于连接外部光源的输入光和环路中经由EDFA 409的输出光，耦合器405将环路中经由EDFA404的输出光分为两路，一路作为多载波光产生装置302、311的输出，另一路作为偏振控制部分406的输入，进入环路循环。
如图5所示，为多载波光产生装置302的第二实施例，与上述实施例不同之处在于：利用IQ调制器501替换相位调制器。在IQ调制器501的IQ两路分别加载由信号源502提供的正弦驱动电压和余弦驱动电压，以此来实现频谱的搬移，搬移的间隔由驱动电压频率决定，其余部件上述实施例一致，此处不再赘述。
本发明中涉及的多载波光产生装置，还有调制器级联方式、利用非线性光学效应等方式。
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 (7)

1.一种基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)使用一个初始光源，经过多载波光产生装置，产生频率间隔等于离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块信号带宽的多个相关波长光源；
(2)使用上述多个相关波长光源作为调制光源，利用离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块，分别对各路调制光源进行离散傅里叶变换扩展的正交频分复用调制；
(3)调制后的信号波长合波后，经过链路传输后到达接收端，经过离散傅里叶变换扩展的正交频分复用接收模块接收后，进行相干解调，完成整个传输过程。
2.如权利要求1所述的基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于：所述离散傅里叶变换扩展的正交频分复用发送模块中的基带映射后符号序列经串/并转换后，将带有数据的部分分为X组长度为N的数据块，分别对这X组数据块进行N点离散傅里叶变换，经过子载波映射后，对其进行M点快速傅里叶反变换，X、N、M为任意常数，且X*N≤M。
3.如权利要求2所述的基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于：所述离散傅里叶变换扩展的正交频分复用接收模块接收的信号，经过90°混频器与一个本振光源产生的本振光混频后，利用平衡接收机进行光电信号转换，得到的电信号经过模数转换后，进行去除循环前缀，通过串/并转换，在M点快速傅里叶变换进行正交频分复用解调，经过子载波逆映射后得到X组长度为N的数据块，最后分别对这X组数据块进行N点的离散傅里叶反变换和并/串转换，恢复出基带映射后的符号序列。
4.如权利要求1所述的基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于：所述链路主要由光纤和掺饵光纤放大器构成。
5.如权利要求1所述的基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于：所述多载波光产生装置产生多个相关波长光源的方法，包括基于光源频移再生方法、基于级联调制器的方法或非线性光纤光学效应的方法其中一种。
6.如权利要求5所述的基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于：所述光源频移再生方法，将初始光源经信号源通过相位调制器调制后，实现频率搬移，经由光纤掺饵放大器、光滤波器、偏振控制器和耦合器构成的环路循环搬移，最后由光耦合器的一端作为多载波光的输出。
7.如权利要求5所述的基于相干光正交频分复用系统降低峰均比的方法，其特征在于：所述光源频移再生方法，利用IQ调制器的两路分别加载正弦驱动电压和余弦驱动电压来实现频谱的搬移，所述正弦驱动电压和余弦驱动电压由信号源提供，搬移的间隔由驱动电压频率决定。
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