CN102820932A - 相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统及方法 - Google Patents

相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统及方法，涉及相干光通信中频偏补偿领域，方法包括以下步骤：采用可调谐光源作为本振接收光源，输出特定波长的本振光，用该本振光同传输信号进行相干接收和低通滤波，对滤波后的信号进行数字采样，对采样信号采用数字算法求其能量；记录波长对应的能量值，完成一次扫描，同时改变波长值并重复以上步骤，得到波长-能量扫描曲线，根据曲线上极值点的位置，确定传输信号的初始波长；在初始波长条件下，通过自适应检测能量值动态调整本振波长值，使频差值保持最小。本发明通过光源的波长扫描，极值判定和自适应跟踪过程，完成对相干接收中频偏值的精确补偿，提高整个相干接收系统的性能。

Description

相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统及方法
技术领域
本发明涉及相干光通信中频偏补偿领域，特别是涉及一种相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统及方法。
背景技术
为了适应高速率大容量的通信需求，光通信中的相干接收技术得到越来越广泛的应用。与直接接收相比较，相干接收中能够解调出传输信号的幅度和相位信息，从而实现了高阶的调制的解调，因此各种高频谱效率的传输方案得到了应用。通常情况下，经过相干接收后最终得到的信号为：
Figure BSA00000761607000011
其中：A(t)为传输信号幅度信息，ω0为传输信号载频频率，
Figure BSA00000761607000012
为传输信号相位，B为本振信号幅度，ω1为本振信号频率，6(t)为本振信号相位噪声。通过模数转换并且采样接收后，在数字信号处理器中的通过频差估计算法消除(ω0-ω1)的影响，通过相位估计算法消除δ(t)的影响，恢复传输信号幅度信息A(t)和相位信息
Figure BSA00000761607000013
完成各种高阶调制的解调。
然而，过大的频偏值会影响数字信号处理各算法的性能，在单载波传输方式中，对高阶调制的方式还没有广泛认同的估计算法产生，低阶调制方式中又受到频偏范围的限制，以PM-QPSK(PolarizationMultiplexed Quadrature Phase Shift Keying，偏振复用正交相移键控)信号为例，采用主流的4次方估计频偏时，需满足4ΔωT(其中Δω为频差，T为采样时间间隔)的范围在(-π，π]之内，以避免2π相位模糊的问题，因此其估计频偏范围限定在[-RS/8，RS/8]之间(RS为系统的符号速率)。同时受硬件资源的限制，当系统的频偏值较大时，会产生不能完全补偿的剩余频偏值，而对于相位估计算法而言，当剩余频偏大于50MHz时，算法性能将会显著下降。为了提高系统性能，应该使得本振光的频率尽可能接近载波频率，使得频差接近于零。
通常情况下，使用光谱仪对信号波长进行测量，以确定相干接收时使用的本振波长，然而目前商用的分辨率最低光谱仪之一的横河AQ6370C，其分辨率也仅为0.01nm(约1.25GHz)，对于40G的PM-QPSK而言，其估计频偏范围应该在[-1.25GHz，1.25GHz]之间。因此，由光谱仪确定的载波频率可能会与实际值偏差超过估计范围，导致相干接收后频偏值过大，使得载波恢复算法性能降低，最终使得系统性能下降。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统及方法，能够克服大多数频偏估计算法的局限性和光谱仪对波长估计精度缺陷对相干接收性能的影响，通过光源的波长扫描，极值判定和自适应跟踪过程，完成对相干接收中频偏值的精确补偿，从而提高整个相干接收系统的性能。
本发明提供的相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统，包括顺次相连的可调谐光源、混频器、光电转换器、低通滤波器、低速模数转换器、低速数字信号处理器，所述低速数字信号处理器还与可调谐光源相连，所述光电转换器还通过高速模数转换器与高速数字信号处理器相连。
本发明提供的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，包括以下步骤：A、采用可调谐光源作为本振接收光源，输出特定波长的本振光，用该本振光同传输信号进行相干接收，并进行低通滤波，对滤波后的信号进行数字采样，对采样信号采用数字算法求其能量；B、记录波长对应的能量值，完成一次扫描，同时改变波长值并且重复步骤A，得到波长-能量扫描曲线，根据曲线上的极值点的位置，确定传输信号的初始波长；C、在初始波长的条件下，通过自适应检测能量值的方式动态调整本振波长值，使得频差值保持最小。
在上述技术方案中，步骤A中所述可调谐光源的波长扫描受到低速数字信号处理器的控制，混频器的输入信号为
Figure BSA00000761607000031
A(t)为传输信号幅度信息，exp表示自然对数e的指数函数，ω0为传输信号载频频率，
Figure BSA00000761607000032
为传输信号相位，t表示时间，可调谐光源的输出信号S2＝B·exp[ω1t+δ(t)]，B为本振信号幅度，exp表示自然对数e的指数函数，ω1为本振信号频率，δ(t)为本振信号相位噪声；S1、S2两路信号通过混频器混频后得到一路信号outre＝S1+S2。
在上述技术方案中，所述光电转换器的输出为混频器输出的信号的光强，光电检测输出的信号
Figure BSA00000761607000033
Figure BSA00000761607000034
*表示共轭。
在上述技术方案中，当|B|＞＞|A(t)|时，通过直流滤波得到信号为：
Figure BSA00000761607000035
传输信号同另一路90°本振信号混频接收后，得到的接收信号为：
Figure BSA00000761607000036
联合两路恢复的信号最终得到的接收信号为：
其中，exp表示自然对数e的指数函数，j表示虚数单位。
在上述技术方案中，经光电转换器输出的信号，通过低通滤波器滤波，输出为待检测的模拟信号，其经过低速模数转换器得到数字信号，最后将数字信号交由低速数字信号处理器处理：在时间T间隔内得到的采样信号为An＝{a1，a2，…，an}，n表示在时间T间隔内的采样次数，其对应的能量为：Sn＝|a1|2+|a2|2+…+|an|2，对应的波长为λn，计算出Sn完成一次扫描，同时改变波长循环上述步骤，得到曲线
Figure BSA00000761607000041
此时极大值所对应波长即为实际的传输信号载波波长，将其波长设定为波长初始值λ0，并记录此时对应的能量值为Smax，此时开始相干接收过程，高速模数转换器和高速数字信号处理器进入正常的工作状态，低速数字信号处理器动态调整可调谐光源的波长值，完成精确频偏补偿。
在上述技术方案中，完成波长初始值λ0的定位后，采用梯度算法继续进行动态调整：λ3＝λ2+μ·ΔS·λmin，ΔS＝S2-S1，其中：λ1、λ2、λ3为时间上先后调整3次波长，S1、S2、S3为其对应的能量值，μ为调整系数，根据环境变化调整步长；λmin为激光器最小波长变化，决定整个系统的调整精度。
本发明通过本振光源进行波长扫描，同时在接收端完成相干接收和低通滤波，对滤波后的信号进行数字采样，之后对采样信号通过数字信号处理算法求其能量，并根据其能量数值得到对应的波长-能量扫描曲线，通过判别曲线极值点的位置，实现载波波长的精确定位，得到初始波长，之后通过自适应动态跟踪的方法，使得本振光波长随传输信号变化，最终使得相干接收后频偏最小，从而提高整个相干接收系统的性能。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明能够克服大多数频偏估计算法的局限性和光谱仪对波长估计精度缺陷对相干接收性能的影响，通过光源的波长扫描，极值判定和自适应跟踪过程，完成对相干接收中频偏值的精确补偿，从而提高整个相干接收系统的性能。
附图说明
图1是本发明实施例中多载波波长测量系统的结构框图。
图2是本发明实施例中波长能量对应的曲线示意图。
图中：1-可调谐光源，2-混频器，3-光电转换器，4-低通滤波器，5-低速模数转换器，6-低速数字信号处理器，7-高速模数转换器，8-高速数字信号处理器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
参见图1所示，本发明实施例提供的相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统，包括顺次相连的可调谐光源1、混频器2、光电转换器3、低通滤波器4、低速模数转换器5、低速数字信号处理器6，低速数字信号处理器6还与可调谐光源1相连，光电转换器3还通过高速模数转换器7与高速数字信号处理器8相连。
本发明实施例提供的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，包括以下步骤：
A、采用可调谐光源1作为本振接收光源，输出特定波长的本振光，用该本振光同传输信号进行相干接收，并进行低通滤波，对滤波后的信号进行数字采样，对采样信号采用数字算法求其能量；
B、记录波长对应的能量值，完成一次扫描，同时改变波长值并且重复步骤A，得到完整的波长-能量扫描曲线，根据曲线上的极值点的位置，确定传输信号的初始波长；
C、在初始波长的条件下，通过自适应检测能量值的方式动态调整本振波长值，使得频差值始终保持最小。
可调谐光源1的扫描波长范围为[λmin，λmax]，最小波长间隔为Δλ，其精确度决定最终频偏值的补偿精度。以安捷伦N7714A为例，可做到最小间隔1MHz的波长调整。
参见图1所示，可调谐光源1的波长扫描受到低速数字信号处理器6的控制，假设输入到混频器2中的输入信号为A(t)为传输信号幅度信息，exp表示自然对数e的指数函数，ω0为传输信号载频频率，t表示时间，
Figure BSA00000761607000062
为传输信号相位，则可调谐光源1的输出信号为S2＝B·exp[ω1t+δ(t)]，B为本振信号幅度，exp表示自然对数e的指数函数，ω1为本振信号频率，δ(t)为本振信号相位噪声。
S1、S2两路信号通过混频器2混频后得到一路信号为：outre＝S1+S2。光电转换器3的输出为混频器2输出的信号的光强，由于光强正比于幅度的平方，或者复振幅与其共轭的乘积，*表示共轭，简化光电响应因子影响，光电检测输出的信号为Rxre：
Figure BSA00000761607000063
Figure BSA00000761607000064
当|B|＞＞|A(t)|时，通过直流滤波得到信号为：
Figure BSA00000761607000066
同理，传输信号同另一路90°本振信号混频接收后，得到的接收信号为：
Figure BSA00000761607000067
联合两路恢复的信号最终得到的接收信号为：
其中，exp表示自然对数e的指数函数，j表示虚数单位。
对相干接收系统而言，PD(Phase Detector，鉴相器)输出的信号，经过高速模数转换器7采用后，送到高速数字信号处理器8中完成各种数字恢复算法，实现相干接收。
低通滤波器4、低速模数转换器5和低速数字信号处理器6，对其信号频谱继续分析，由于δ(t)为变化缓慢的相位噪声值可忽略，Rx的频谱为其基带调制信号频谱经过搬移后其中心频率移到(ω0-ω1)后的频谱。而基带调制信号的能量主要集中在其低频部分，所以接收到的信号Rx其能量主要集中在(ω0-ω1)频率周围，设定低通滤波器4，对信号Rx进行滤波，当(ω0-ω1)在低通滤波器4范围之内时，输出的能量较大，即(ω0-ω1)频差在低通滤波器4范围内。而当低通滤波器4的带宽足够小时，当其输出能量最大时，可以认为ω0≈ω1。
因此，将经光电转换器3输出的信号，通过低通滤波器4滤波，输出为待检测的模拟信号，将其经过低速模数转换器5得到数字信号，最后将数字信号交由低速数字信号处理器6处理。
低速数字信号处理器6的处理过程如下：
假设在时间T间隔内得到的采样信号为An＝{a1，a2，…，an}，其中，n表示在时间T间隔内的采样次数，其对应的能量为：Sn＝|a1|2+|a2|2+…+|an|2，假设这时对应的波长为λn，计算出Sn完成一次扫描，同时改变波长循环上述步骤，得到曲线
Figure BSA00000761607000072
参见图2所示，此时极大值所对应波长即为实际的传输信号载波波长，将其波长设定为波长初始值λ0，并记录此时对应的能量值为Smax。此时开始相干接收过程，高速模数转换器7和高速数字信号处理器8进入正常的工作状态。
同时由于信号在传输中受各种环境的影响，其载波频率会随时间时间缓慢变化，因此在完成波长初始值λ0的定位后续进行动态调整，采用梯度算法，即：λ3＝λ2+μ·ΔS·λmin，ΔS＝S2-S1，其中：λ1、λ2、λ3为时间上先后调整3次波长，S1、S2、S3为其对应的能量值，μ为调整系数，根据环境变化调整步长；λmin为激光器最小波长变化，决定整个系统的调整精度。在满足上述关系条件下，在高速模数转换器7和高速数字信号处理器8正常工作的同时，低速数字信号处理器6可以动态调整可调谐光源1的波长值，而不影响整个系统的性能，完成精确频偏补偿。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。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)

1.一种相干光通信中频偏自适应精确补偿的系统，其特征在于：包括顺次相连的可调谐光源(1)、混频器(2)、光电转换器(3)、低通滤波器(4)、低速模数转换器(5)、低速数字信号处理器(6)，所述低速数字信号处理器(6)还与可调谐光源(1)相连，所述光电转换器(3)还通过高速模数转换器(7)与高速数字信号处理器(8)相连。
2.基于权利要求1所述系统的相干光通信中频偏白适应精确补偿的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、采用可调谐光源(1)作为本振接收光源，输出特定波长的本振光，用该本振光同传输信号进行相干接收，并进行低通滤波，对滤波后的信号进行数字采样，对采样信号采用数字算法求其能量；
B、记录波长对应的能量值，完成一次扫描，同时改变波长值并且重复步骤A，得到波长-能量扫描曲线，根据曲线上的极值点的位置，确定传输信号的初始波长；
C、在初始波长的条件下，通过自适应检测能量值的方式动态调整本振波长值，使得频差值保持最小。
3.如权利要求2所述的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，其特征在于：步骤A中所述可调谐光源(1)的波长扫描受到低速数字信号处理器(6)的控制，混频器(2)的输入信号为
Figure FSA00000761606900011
A(t)为传输信号幅度信息，exp表示自然对数e的指数函数，ω0为传输信号载频频率，为传输信号相位，t表示时间，可调谐光源(1)的输出信号S2＝B·exp[ω1t+δ(t)]，B为本振信号幅度，exp表示自然对数e的指数函数，ω1为本振信号频率，δ(t)为本振信号相位噪声；S1、S2两路信号通过混频器(2)混频后得到一路信号outre＝S1+S2。
4.如权利要求3所述的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，其特征在于：所述光电转换器(3)的输出为混频器(2)输出的信号的光强，光电检测输出的信号 *表示共轭。
5.如权利要求4所述的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，其特征在于：当|B|＞＞|A(t)|时，通过直流滤波得到信号为：
Figure FSA00000761606900023
传输信号同另一路90°本振信号混频接收后，得到的接收信号为：
Figure FSA00000761606900024
联合两路恢复的信号最终得到的接收信号为：
Figure FSA00000761606900025
其中，exp表示自然对数e的指数函数，j表示虚数单位。
6.如权利要求5所述的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，其特征在于：经光电转换器(3)输出的信号，通过低通滤波器(4)滤波，输出为待检测的模拟信号，其经过低速模数转换器(5)得到数字信号，最后将数字信号交由低速数字信号处理器(6)处理：在时间T间隔内得到的采样信号为An＝{a1，a2，…，an}，n表示在时间T间隔内的采样次数，其对应的能量为：Sn＝|a1|2+|a2|2+…+|an|2，对应的波长为λn，计算出Sn完成一次扫描，同时改变波长循环上述步骤，得到曲线
Figure FSA00000761606900026
此时极大值所对应波长即为实际的传输信号载波波长，将其波长设定为波长初始值λ0，并记录此时对应的能量值为Smax，此时开始相干接收过程，高速模数转换器(7)和高速数字信号处理器(8)进入正常的工作状态，低速数字信号处理器(6)动态调整可调谐光源(1)的波长值，完成精确频偏补偿。
7.如权利要求6所述的相干光通信中频偏自适应精确补偿的方法，其特征在于：完成波长初始值λ0的定位后，采用梯度算法继续进行动态调整：λ3＝λ2+μ·ΔS·λmin，ΔS＝S2-S1，其中：λ1、λ2、λ3为时间上先后调整3次波长，S1、S2、S3为其对应的能量值，μ为调整系数，根据环境变化调整步长；λmin为激光器最小波长变化，决定整个系统的调整精度。
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