CN102664685B - 高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置和方法，该装置在光纤通信系统的接收端设有时钟信号生成器、波形发生器、全光分数阶傅里叶变换装置、光开关和全光分数阶傅里叶逆变换装置，时钟信号生成器从输入信号中恢复出时钟信号，并经波形发生器输出相位相反的第一驱动信号和第二驱动信号；全光分数阶傅里叶变换装置根据第一驱动信号对输入信号进行全光分数阶傅立叶变换，并由光开关截取去掉部分带内白噪声，再由全光分数阶傅里叶逆变换装置根据第二驱动信号完成全光分数阶傅立叶逆变换，恢复输入信号。本发明对接收端的信号进行基于全光分数阶傅里叶变换的带内白噪声抑制，使得输入信号的误码率明显降低。

Description

高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置和方法

技术领域

本发明涉及高速光纤通信系统噪声抑制，具体涉及高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置和方法。

背景技术

目前，光纤通信已经成为现代通信网的基本组成部分，随着因特网的迅速崛起，尤其是语音、图像和数据业务的爆炸式增长，光纤通信的容量需求越来越大。

为了充分挖掘光纤的带宽能力，波分复用(WDM)和掺铒光纤放大器(EDFA)被普遍使用。由于掺铒光纤放大器的大量使用，会导致光学白噪声的增加，每增加一个EDFA，就会使信噪比至少下降3dB,从而引入更多的白噪声，尤其是在长途大容量传输系统中，一条几千公里的光链路上会有几十个EDFA，这样累积的白噪声会导致信噪比严重劣化，以至于必须要进行电中继。白噪声分带内和带外两种，其中带外白噪声可以采用线性滤波器的方式来滤出，而带内白噪声的影响却不能通过传统的线性频域滤波方法进行消除，此外，在高阶调制中，星座图上不同点之间的间隔会比低阶调制更小，所以噪声的影响会更大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是部分消除高速光纤通信系统中带内白噪声。

本发明提供了一种高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置，在高速光纤通信系统的接收端设有时钟信号生成器、波形发生器、全光分数阶傅立叶变换装置、光开关和全光分数阶傅立叶逆变换装置，所述时钟信号生成器从输入信号中恢复出时钟信号；所述波形发生器接收所述时钟信号并输出相位相反的第一驱动信号和第二驱动信号；所述全光分数阶傅立叶变换装置根据所述第一驱动信号对输入信号进行全光分数阶傅立叶变换，形成第一输出信号；所述光开关根据所述时钟信号，截取所述第一输出信号去掉部分带内白噪声；所述全光分数阶傅立叶逆变换装置根据所述第二驱动信号对所述截取后的第一输出信号完成全光分数阶傅立叶逆变换，恢复输入信号。

上述装置中，所述第一驱动信号f(t)的函数关系式为：

$f\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}a{(t-\mathrm{nT})}^2,(-\frac{T}{2}\≤t\≤\frac{T}{2});$

式中：t为时间；T为第一驱动信号f(t)的周期，与提取的时钟信号周期相同；n为周期数；a为第一驱动信号f(t)与时间的关系参数，V_pp为任意波形发生器输出周期抛物线型波形信号电压的峰峰值，0.25v＜V_pp≤1v。

上述装置中，所述全光分数阶傅立叶变换装置包括依次串接的第一电光相位调制器、第一色散介质和第二电光相位调制器，所述第一电光相位调制器的输入端连接所述输入信号，所述第一、第二电光相位调制器的电驱动端连接所述第一驱动信号，所述第二电光相位调制器的输出端连接所述光开关；所述全光分数阶傅立叶逆变换装置包括依次串接的第三电光相位调制器、第二色散介质和第四电光相位调制器，所述第三电光相位调制器的输入端连接所述光开关，所述第三、第四电光相位调制器的电驱动端连接所述第二驱动信号。

上述装置中，所述第一、第二色散介质为光纤Bragg光栅或者单模光纤，二者长度相等；进行全光分数阶傅立叶变换时色散介质的传递函数为进行全光分数阶傅立叶逆变换时色散介质的传递函数为其中β₂是二阶色散常数，z是色散介质长度，ω为光载波频率，总色散值β₂z的取值范围为0＜β₂z＜50ps/nm。

本发明，采用全光学的方式，对接收端的信号进行基于分数阶傅立叶变换的带内白噪声抑制，使得输入信号的误码率明显降低；在接收端可以不采用数字电子芯片处理，减少对电子处理芯片的依赖，同时减少器件的功耗，适用于各种调制格式和传输速率；经过验证输入信号的误码率可以从10^-4提高到10^-6，在长距离大容量超高速光纤通信系统中具有很大的应用潜力。

附图说明

图1为本发明提供的高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置示意图。

具体实施方式

本发明的原理是基于分数阶傅立叶变换，在高速光纤通信系统的接收端进行带内白噪声抑制。分数阶傅立叶变换(Fractional FourierTransform)以其独特的变换特性在带内白噪声抑制方面具有很大的应用价值。V.Namias在1980年给出了傅立叶变换的改进形式，也就是分数阶傅立叶变换(也称为分数傅立叶变换)。1993年Mondlovic等人最先将分数阶傅立叶变换引入到光学研究中，并且Mendlovic等提出用平方折射率光波导实现分数阶傅立叶变换，而同年Lohmann等人利用傅立叶变换与Wigner分布函数的相空间中角度为0.5π的旋转等效这一性质，阐释了分数阶傅立叶变换的物理意义，并提出利用非常简单的单透镜和双透镜结构实现分数阶傅立叶变换。利用分数傅立叶变换的物理意义，在电信号域中人们提出了旋转Wigner分布函数的相空间角滤波的方法，并且在图像处理中得到广泛应用。然而目前并没有将其实际应用到光纤通信系统。

基于上述原理，本发明提供了一种高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置，对接收端的信号进行基于分数阶傅立叶变换的带内白噪声抑制，尽可能消除带内白噪声对系统性能带来的不利影响，提高接收端信噪比，降低误码率。

本发明的数学模型可以用下面的公式来表示：

$X_P\left(t\right)=\sqrt{\frac{1-i\cot \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}}\exp (-i\frac{1}{2}{t}^2\tan \frac{\mathrm{\α}}{2})\·\left\{\right[x\left(t\right)\exp (-{\mathrm{it}}^2\frac{1}{2}\tan \frac{\mathrm{\α}}{2})]\⊗\exp \left(i\frac{1}{2}\csc {\mathrm{\αt}}^2\right)\}$

其中，x(t)和X_P(t)分别为输入和输出信号，是卷积运算符；偏转角p≠2n，n为整数，p为变换阶次，互为逆变换的两个分数阶傅立叶变换对应的阶次之和为零。

基于上述数学模型，本发明提供的高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置，其工作过程包括以下步骤：

A10、在接收端，从输入信号x(t)中恢复出时钟信号CLK，并根据该时钟信号CLK输出相位完全相反的第一驱动信号TRIG1和第二驱动信号TRIG2；

第一驱动信号TRIG1 f(t)的函数关系式为：

$f\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}a{(t-\mathrm{nT})}^2,(-\frac{T}{2}\≤t\≤\frac{T}{2});$

式中：t为时间；T为第一驱动信号f(t)的周期，与时钟信号周期相同；n为周期数；a为第一驱动信号f(t)与时间的关系参数，V_pp为任意波形发生器输出周期抛物线型波形信号电压的峰峰值，0.25v＜V_pp≤1v。

A20、根据第一驱动信号TRIG1对输入信号x(t)进行全光分数阶傅立叶变换，形成第一输出信号X_P(t)；

全光分数阶傅立叶变换的具体作法是：

将第一驱动信号TRIG1分别加载到第一电光相位调制器31和第二电光相位调制器33上，输入信号x(t)由第一电光相位调制器31调制为然后再由第一色散介质32进行卷积计算得到最后由第二电光相位调制器33调制为

$X_p\left(t\right)=g^{\′}\left(t\right)\sqrt{\frac{1-i\cot \mathrm{\α}}{2\mathrm{\π}}}\exp (-i\frac{1}{2}{t}^2\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}).$

其中，x(t)和X_P(t)分别为输入和输出信号；偏转角p≠2n，n为整数，p为变换阶次。

A30、第一输出信号X_P(t)通过光开关进行截取，并根据第二驱动信号TRIG2进行全光分数阶傅立叶逆变换后恢复输入信号，光开关的开关状态由时钟信号控制。上述过程中，首先完成一次全光分数阶傅立叶变换，由于该变换以线性调频(Linear Frequency Modulated)函数为变换核，所以只对带具有啁啾特性的信号有作用，对噪声没有作用，变换后的信号和噪声，其混叠程度将会极大地降低，通过光开关得到截取信号，然后再通过与第一次全光分数阶傅立叶变换阶次相反的全光分数阶傅立叶逆变换，恢复出原始信号。

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置作出进一步的详细说明。

图1示出了该装置一种具体实施例，如图1所示，在高速光纤通信系统的接收端设有时钟信号生成器1、波形发生器2、全光分数阶傅立叶变换装置3、全光分数阶傅立叶逆变换装置4和光开关5。

时钟信号生成器1从输入信号x(t)中恢复出时钟信号CLK，波形发生器2接收到时钟信号CLK后，输出两个相位相反的第一驱动信号TRIG1和第二驱动信号TRIG2。时钟信号生成器1采用AnalogDevices Inc(ADI)公司的AD9551芯片，波形发生器2采用美国泰克公司型号AWG7122C的任意波形发生器，最大采样率24GS/s，波形长度32M或64M，最大模拟输出幅值为1Vpp(2.5GHz)，产生周期抛物线脉冲信号。波形发生器的典型结构包括依次串联的地址计数器、波形数据存储器、D/A转换器、低通滤波器和放大电路，时钟信号CLK通过波形发生器的驱动端口输入地址计数器，通过使地址计数器加一来改变由地址计数器构成的地址产生电路的输出地址，地址计数器顺序扫过波形数据存储器中的每一个地址直到波形数据的末端，每个地址中的波形数据都被送至D/A转换器中，以将数字信号转换为模拟信号，低通滤波器对D/A转换器输出模拟信号的跃变边缘进行平滑处理，再经过放大电路产生所需的任意周期抛物线型波形信号并从波形发生器的输出端输出。

全光分数阶傅立叶变换装置3包括依次串接的第一电光相位调制器31、第一色散介质32和第二电光相位调制器33，输入信号x(t)从第一电光相位调制器31的输入端输入，第一、第二电光相位调制器31、33的驱动端分别经驱动放大器6连接第一驱动信号TRIG1，第二电光相位调制器33的输出端连接至光开关5。

全光分数阶傅立叶逆变换装置4包括依次串接的第三电光相位调制器41、第二色散介质42和第四电光相位调制器43，第三电光相位调制器41的输入端连接光开关5，第三、第四电光相位调制器41、43的驱动端分别经驱动放大器6连接第二驱动信号TRIG2。

本实施例中，第一～第四电光相位调制器采用北京世维通公司型号PMS1527-EX的LiNbO3多功能相位调制器，该相位调制器为基于铌酸锂晶体相位调制器，采用钛扩散或质子交换工艺制作波导，器件插入损耗小、驱动电压低，光纤与波导采用精密斜耦合可以得到低的背向反射。工作波长1550nm处半波电压V_π<＝5.0V,电带宽>＝2.5GHz,插入损耗<＝4.0dB。铌酸锂晶体为单轴晶体，光学均匀性好，当晶体上施加电场之后，将引起束缚电荷的重新分布，并可能导致离子晶格的微小形变，其结果将引起介电常数的变化，最终导致晶体折射率的变化，使本来是各向同性的介质产生双折射，本来是光学各向异性的晶体的双折射率特性发生变化，即电光效应。当外加电场平行于晶体Z轴时，该方向的折射率变为：

$n_z=n_e-\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\&gamma;}}_{33}{E}_3$

其中n_e、γ₃₃、E₃分别为e光轴折射率，电光系数和z方向电场，光通过该调制器产生的相位变化为

其中V(t)为外加驱动电压函数，d、l是晶体的尺寸。

驱动放大器6的作用是将波形发生器2的输出信号(TRIG1和TRIG2)的幅值放大到可以满足电光相位调制器所需的最大调相值。驱动放大器的带宽应与光纤通信系统的传输速率相匹配。驱动放大器的增益G满足其中V_π是电光相位调制器的半波电压，表示调相位180度所需要加的驱动电压大小。本实施例采用台湾TaiwanMicro公司的射频放大器芯片RF Amplifier TM1001，该芯片以砷化镓异质结双极型晶体管(HBT)的工艺设计制作，是一个低成本、高功率且高效率的放大器集成电路，适用频率为2.4GHz～2.5GHz。

第一、第二色散介质32、42为光纤Bragg光栅或者单模光纤，二者长度一样，且色散参数相反。色散介质采用单模光纤的优点是：单模光纤成本低，可灵活调节色散值；并且单模光纤本身的SiO₂材料就有依赖于波长的色散特性，在传输中不同的波长群速度不一样；本实施例采用武汉长飞公司的长度为200m，色散系数为16ps/nm/km的普通单模光纤。

色散介质也可采用FBG，FBG由于光栅中不同波长的耦合模式根据光栅周期的不同会在不同的位置产生反射，使得不同的波长产生时延差，即为色散，色散取值范围更大，结构更加紧凑；如武汉光迅公司型号DCM-CI-1550.12-N200-FC/APC的FBG。

第一、第二色散介质32、42的传递函数分别为和其中β₂是二阶色散常数，z是色散介质长度，ω为光载波频率，总色散值β₂z的取值范围为0＜β₂z＜50ps/nm。

由于第三、第四电光调制器41、43的驱动信号与第一、第二光调制器31、33的驱动信号相反，且第二色散介质42与第一色散介质32的色散参数相反，因此，两次变换的阶次也相反，从而实现了在抑制带内白噪声的同时，对调制格式和传输速率保持透明，解决目前无法用光学/电子滤波器实现带内白噪声抑制以及用电子芯片来纠正噪声而造成传输速率受到数字信号处理速度和模数转换器(A/D)速度的限制等问题。

本发明结构简单，减少对电子处理芯片的依赖和器件功耗，在长距离大容量超高速光纤通信系统中具有很大的应用潜力。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置，其特征在于：在高速光纤通信系统的接收端设有：

时钟信号生成器，从输入信号中恢复出时钟信号；

波形发生器，接收所述时钟信号并输出相位相反的第一驱动信号和第二驱动信号；

全光分数阶傅立叶变换装置，根据所述第一驱动信号对输入信号进行全光分数阶傅立叶变换，形成第一输出信号；所述全光分数阶傅立叶变换装置包括依次串接的第一电光相位调制器、第一色散介质和第二电光相位调制器，所述第一电光相位调制器的输入端连接所述输入信号，所述第一、第二电光相位调制器的电驱动端连接所述第一驱动信号，所述第二电光相位调制器的输出端连接所述光开关；

光开关，根据所述时钟信号，截取所述第一输出信号去掉部分带内白噪声；

全光分数阶傅立叶逆变换装置，根据所述第二驱动信号对所述截取后的第一输出信号完成全光分数阶傅立叶逆变换，恢复输入信号；所述全光分数阶傅立叶逆变换装置包括依次串接的第三电光相位调制器、第二色散介质和第四电光相位调制器，所述第三电光相位调制器的输入端连接所述光开关，所述第三、第四电光相位调制器的电驱动端连接所述第二驱动信号；

所述第一、第二色散介质为光纤Bragg光栅或者单模光纤，二者长度相等；进行全光分数阶傅立叶变换时色散介质的传递函数为进行全光分数阶傅立叶逆变换时色散介质的传递函数为其中β₂是二阶色散常数，z是色散介质长度，ω为光载波频率，总色散值β₂z的取值范围为0＜β₂z＜50ps/nm。

2.如权利要求1所述的高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制装置，其特征在于，所述第一驱动信号f(t)的函数关系式为：

$f\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}a{(t-\mathrm{nT})}^2,(-\frac{T}{2}\&le;t\&le;\frac{T}{2});$

式中：t为时间；T为第一驱动信号f(t)的周期，与提取的时钟信号周期相同；n为周期数；a为第一驱动信号f(t)与时间的关系参数，V_pp为任意波形发生器输出周期抛物线型波形信号电压的峰峰值，0.25v＜V_pp≤1v。

3.高速光纤通信系统中带内白噪声的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A10、在接收端，从输入信号中恢复出时钟信号，并根据该时钟信号输出相位完全相反的第一驱动信号和第二驱动信号；

A20、根据第一驱动信号利用全光分数阶傅立叶变换装置对输入信号进行全光分数阶傅立叶变换，形成第一输出信号；

A30、第一输出信号通过光开关进行截取，并根据第二驱动信号利用全光分数阶傅立叶逆变换装置进行全光分数阶傅立叶逆变换，恢复输入信号，光开关的开关状态由时钟信号控制；

所述全光分数阶傅立叶变换装置包括依次串接的第一电光相位调制器、第一色散介质和第二电光相位调制器，所述第一电光相位调制器的输入端连接所述输入信号，所述第一、第二电光相位调制器的电驱动端连接所述第一驱动信号，所述第二电光相位调制器的输出端连接所述光开关；

所述全光分数阶傅立叶逆变换装置包括依次串接的第三电光相位调制器、第二色散介质和第四电光相位调制器，所述第三电光相位调制器的输入端连接所述光开关，所述第三、第四电光相位调制器的电驱动端连接所述第二驱动信号；

所述第一、第二色散介质为光纤Bragg光栅或者单模光纤，二者长度相等；进行全光分数阶傅立叶变换时色散介质的传递函数为进行全光分数阶傅立叶逆变换时色散介质的传递函数为其中β₂是二阶色散常数，z是色散介质长度，ω为光载波频率，总色散值β₂z的取值范围为0＜β₂z＜50ps/nm。