CN103190096B - 用于将数字信号转换为光脉冲的方法 - Google Patents

Abstract

为此，本发明的目的是提供一种用于以预期将在光导内传输的光脉冲的形式转换高速数字信号的方法，其中所述信号被转换为一系列光脉冲，该一系列光脉冲处于彼此两两分隔大于π/2的角度的三个可能相位状态(π/6、5π/6、‑π/2)中。

Description

用于将数字信号转换为光脉冲的方法

技术领域

本发明涉及一种将数字信号转换为光脉冲并传输该数字信号以便由光导、具体地由光纤来高速传输数据的方法。

背景技术

在电信领域中，以比特形式存储并发送的数字数据被转换为光脉冲，然后由诸如光纤的光导来发送。每当必须在长距离、诸如在大陆之间传输信号时尤其要使用这些光导或光纤。

为了使得极高的数据流、尤其是100Gbit/s量级的数据流成为可能，已知使用光信号的相位来用于调制，以便通过脉冲而对大量信息进行转换。通称为相位调制转换或者“相移键控”PSK的这一方法使用具有多个相位状态的光脉冲以便对所传输的光信号进行编码。

数目有限的相位状态在0至2π之间变化，并且常规上由单位圆上的标记来表示。这一表示被称为星座图。图1和图2中具体地描绘了已经使用的星座图。

图1描绘二进制相位调制的星座图。二进制相移键控(BPSK)的相位状态沿分隔约π的2(2¹)个方向而取向。在这一情况下，一个方向对比特0进行编码，并且另一个方向对比特1进行编码。一个脉冲对应于一个比特。

图2描绘四进制相移键控的星座图。在四进制相移键控的情况下，使用分隔约π/2的4(2²)种不同的相位状态。一个脉冲对应于两个比特，其中4种状态对应于4个值00、01、10、11。

因此，可以理解，给定每单位时间发送的相同的脉冲量，即用相同的符号率，到四进制编码的转换使得针对给定单位时间测量的比特率(bit/s)能够是由二进制编码支持的比特率的两倍。

然而，在长距离通信的背景下，尤其当脉冲在光导内行进数百甚至数千公里时，出现色散、扩散以及更一般性地非线性效应。

为了防止它们损害接收端的信号质量，有必要在定期的间隔执行光电信号再生——其耗费资源并且有时对于硬件而言是不可能的，或者增大星座图的相位状态之间的分隔。

由于四进制编码的星座的相位状态之间的较小的角距离，所以到四进制编码的转换对非线性中断较敏感。

到二进制编码的转换对非线性中断较不敏感，但是仅允许按照给定符号率的较少的比特率。

发明内容

本发明的目的在于提出组合前述方法二者的概念的编码，以便在长距离上实现高速通信。

为此，本发明的目的在于提供一种用于以预期将在光导内传输的光脉冲的形式转换高速数字信号的方法，其中该信号被转换为一系列光脉冲，这一系列光脉冲处于彼此两两分隔大于π/2的角度的三个可能相位状态(π/6、5π/6、-π/2)中。

以这种方式，我们获得相比正交相移键控对长距离上的中断较不敏感而相比二进制相移键控实现更大的比特率的编码。

此外，该方法可以包括来自以下特征当中的、单独或组合采用的一个或多个特征。

相位状态(π/6、5π/6、-π/2)彼此两两分隔约2π/3的角度。

数字信号具有约40Gb/s或约100Gigabit/s的比特率。

信号分布到包括三个比特的子集中，并且其中两个光脉冲用来对子集的值进行编码。

转换子集的步骤包括以下步骤：

-将光信号分隔为三个中间束，将三个中间束彼此相移约2π/3的角度，

-选择中间束中的一个来创建对子集的值进行编码的光脉冲。

转换子集的步骤包括以下步骤：

-将光信号分隔为三个中间束，包括一个中间基准束和两个次级中间束，次级中间束的幅度约是中间基准束的倍。

-将次级中间束与中间基准束相移约+5π/6和-5π/6，

-选择次级中间束中的一个并且与中间基准束进行组合，或者不选择次级中间束来与中间基准束进行组合，以便创建对子集的值进行编码的光脉冲。

转换子集的步骤包括以下步骤：

-将主光信号分隔为两个中间束，将中间束彼此相移约π/3，

-将发射零点定位在最大幅度的约1/3处，以便针对中间束定义高状态和低状态，

-对处于中间束的高状态或低状态的中间束进行组合，以便创建对子集的值进行编码的光脉冲。

中间束被引向Mach-Zehnder干涉仪，Mach-Zehnder干涉仪具有位于最小传输功率的约0.33倍的半波电压处的Mach-Zehnder干涉仪的零操作点以及分别与高状态和低状态相关联、分别位于零操作点的约+0.66倍的半波电压和约-0.66倍的半波电压处的高操作电压和低操作电压。

本发明的目的还在于提供与所述方法相关联的设备，该设备具有单独或组合采用的一个或多个以下特征。

该设备包括：将光信号分隔为三个中间束的装置，该三个中间束包括中间基准束和幅度约是该基准束的倍的两个次级中间束以及使得两个次级中间束分别与基准束相移约+5π/6和约-5π/6的针对中间束的不同光路径，以及控制器和由该控制器控制、能选择性地中断次级中间束中的一个次级中间束的开关。

该设备包括：将光信号分隔为三个中间束的装置，并且针对中间束的不同光路径引起它们之间约π/3的相移；被置于中间束的光路径上的干涉仪，具有位于最小传输功率的约0.33倍的半波电压处的干涉仪的零操作点以及分别与高状态和低状态相关联、分别位于零操作点的约+0.66倍的半波电压和约-0.66倍的半波电压处的高操作电压和低操作电压；以及控制Mach-Zehnder干涉仪的控制器。

该设备包括将预期用于四进制调制转换的编码信号转变为预期用于三进制调制转换的编码信号、链接到控制器的设备。

开关包括电吸收调制器开关(EAM)。

以光脉冲形式转换并发射高速数字信号的设备包括：模数转换器，预期用于将高速数字信号转换为三态模拟信号；以及三相位状态相位调制器，链接到数模转换器并且由数模转换器发射的三态模拟信号控制，从三相位状态相位调制器的输出发射光脉冲。

以光脉冲形式转换并发射高速数字信号的设备包括：两个数模转换器，预期用于将高速数字信号转换为两个模拟信号，一个模拟信号具有三个状态，另一个模拟信号具有两个状态；以及四进制相位调制器，包括两个分支，两个分支与相移约π/2的两个光路径相对应，并且分别由模拟信号中的一个模拟信号引导，从四进制相位调制器的输出发射光脉冲。

附图说明

其他特征将在阅读了以下附图的描述之后变得显而易见，其中：

-图1是与二进制相移相对应的星座图，

-图2是与四进制相移相对应的星座图，

-图3是与三进制相移相对应的星座图，

-图4是将数字信号转换为三进制相移脉冲对的示例性表，

-图5是三进制相位调制转换设备的第一实施方式的示意图以及相应的星座图。

-图6是三进制相位调制转换设备的第二实施方式的示意图以及相应的星座图。

-图7是图示基于两个组合BPSK信号的三相位状态信号的一个实施方式的星座图，

-图8是用于获得图7的BPSK信号的设备的示意图，

-图9是由Mach-Zehnder干涉仪调制器传输的、作为其接收的电源电压的函数的功率的图形，其中的点与用于获得根据图7的图的星座的设置相对应，

-图10是用于使用上述方法而使得能够从四进制相位调制转换切换到三进制相位调制转换的设备的示意图，

-图11是用于使用数模转换器而使得能够从四进制相位调制转换切换到三进制相位调制转换的设备的示意图，

-图12是使用两个数模转换器和一个常规正交调制器而使得能够从四进制相位调制转换切换到三进制相位调制转换的示意图，

在所有图中，相同的元素具有相同的附图标记。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种用于以用于由光导、尤其是光纤进行的通信的光脉冲的形式而转换并发射例如表示典型地为100Gigabit/s量级的数据流的高速数字信号的方法。通过转换为具有三个预定相位状态的光脉冲来完成信号的编码。

图3描绘间隔2π/3的三相位状态星座图。

图4描绘信号如何被编码。入射信号被转换为三个比特的子集，其给出了具有基于二进制的范围从0至7的8(2³)个可能的值的子集。这些值表示在图4的表的第一列中。

这些子集因此是具有与光脉冲总数2匹配的比特总数3的分组。

图4中的表的行按顺序给出了：三比特子集的值、第一脉冲的相位状态、第二脉冲的相位状态，其中该两个脉冲通过它们的相位状态对子集的值进行编码。

一个子集与两个光脉冲相关联。表的后两列中示出了从两个脉冲的三进制编码的三个可能的状态π/6、5π/6或-π/2中选择的相位状态。在两个相位状态的9(3²)个组合之中，一个组合未被使用，在这种情况下是组合(-π/2,-π/2)，其由正对这一组合的XXX示出。

未描绘的另一种编码模式提供了通过7个三进制相移脉冲来转换11比特的子集。

这一编码方法通过增大使相位状态彼此分隔的角距离而改善了传输的鲁棒性，并且因此使得能够在更大距离上进行发射。然而，三个相位状态π/6、5π/6、-π/2之间的差大于π/2的配置是足够的。然而，间隔约2π/3的状态的配置是有利的，因为没有优先考虑一个相位状态而以其它相位状态为代价。

图5示出与该方法、尤其将二进制信号子集转换为与三进制光信号相对应的脉冲的步骤的第一实施方式相关联的设备。

这一设备接收例如由激光源发射的主光信号1，并且发射相位调制光信号3。它包括三条不同的光路径5、7、9，其离开主信号1的光路径的光路径，并且会聚在一起以形成调制信号的光路径。通过光路径中的差，它们从三个相位状态π/6、5π/6和-π/2当中确定一个相位状态。在光路径5、7、9上布置有光开关11、13、15，诸如电吸收调制器开关(EAM)。这些开关11、13、15通过控制器17的控制通道19、21、23连接到所述控制器17，并且控制器17通过其输入24、25、27接收将要被调制的信号。

因此根据后面的步骤而执行脉冲转换。

首先，将主光信号1分隔为相同幅度的三个次级束5、7、9。

然后，使这三个中间束5、7、9进入彼此分隔约2π/3的角度的三个相位状态π/6、5π/6、-π/2之中的一个相位状态。

最后，通过开关11、13、15来选择三个中间束5、7、9中的一个，以便产生以调制光信号3的形式发射的对数字信号的子集的值进行编码的脉冲。

图6示出与该方法、尤其将子集转换为光脉冲的步骤的第二实施方式相关联的设备。

这一设备接收主光信号1，并且发射相位调制光信号3。它包括三个不同的光路径5、7、9，其离开主信号1的光路径的光路径，并且会聚在一起以形成调制信号3的光路径。通过光路径中的差，它们从三个分别为π/6、π和-2π/3的相位状态当中确定一个相位状态。在三个光路径5、7、9中的两个光路径7、9上布置有光开关11、13。这些开关通过控制器17的控制通道19、21连接到所述控制器17，并且控制器17通过其输入24、25接收将要被调制的信号。

因此根据后面的步骤而执行脉冲转换。

首先，将主光信号1分隔为三个中间束5、7、9，其包括一个中间基准束5和幅度约是该基准束5的倍的两个次级中间束7、9。

然后，将这三个次级中间束5、7、9分别与次级基准束5相移约+5π/6和约-5π/6。

最后，通过开关11、13来选择次级中间束7或9中的一个以便与基准束5相组合，或者不选择次级中间束来与基准束5相组合，并且创建根据三个可能的状态π/6、5π/6和-π/2对数字信号的子集的值进行编码的光脉冲。

图7至图9示出该方法、尤其将子集转换为脉冲的步骤的第三实施方式。在这一步骤中，如二进制相移键控中使用的具有两个相位状态的两个中间束5、7冲激(surf)以获得三相位状态光脉冲。

图7是这样一种星座图，与第一、第二中间束的两个相位状态相对应的两个线段[H1,B1]、[H2,B2]以及该两个线段进行组合以便获得分隔约2π/3的角距离的三个相位状态π/6、5π/6、-π/2的方式置于其中。

两个中间束5、7分隔约π/3。对应于星座图的原点的传输零点0被置于最大幅度值的三分之一处。在图7中表示中间束的星座的线段[H1,B1]、[H2,B2]因此在它们总长度的三分之一处相交。

对于两个中间束5、7而言，一个中间束因此可以定义高状态(极正H1、H2)和低状态(极负B1、B2)。通过对两种可能的状态下的两个束进行组合，获得四种可能性：高-高H1-H2、高-低H1-B2、低-高B1-H2和低-低B1-B2。

如果第一束处于高状态并且第二束处于低状态，则两种状态的组合H1-B2是与第一束分隔-π/6的束，其中相对幅度是H1或H2中的幅度的约或约0.866倍。

如果第一束处于低状态并且第二束处于高状态，则两种状态的组合B1-H2是与第一中间束分隔约5π/6的束，其中相对幅度是H1或H2中的幅度的倍。

如果第一束和第二束均处于低状态，则两种状态的组合B1-B2是与第一中间束分隔约-5π/6的束，其中相对幅度为H1或H2中的幅度的倍。

这三个组合能够获得三个相位状态，该三个相位状态之间形成约2π/3的角度并且具有相同幅度。不使用这两个中间束都处于高状态的组合H1-H2。

为了执行如前所述的转换，可使用诸如图8所示设备的设备。

这种设备被称为嵌套调制器(或I/Q调制器、或QPSK调制器)29，因为它在单个嵌套调制器29内包括第一二进制调制器29a和第二二进制调制器29b。

这一设备接收由激光源2发射的主光信号1，并且发射相位调制光信号3。它包括两个不同的光路径5、7，其离开主信号1的光路径的光路径，并且会聚在一起以形成调制信号3的光路径。通过光路径中的差，它们从分隔约π/3的π/3或2π/3的相位状态当中确定相位状态。在光路径5、7上布置有Mach-Zehnder干涉仪31a、31b。这些干涉仪31a、31b通过控制器17的控制通道19、21连接到所述控制器17，并且控制器17通过其输入24、25接收将要被调制的信号。

因此在所述嵌套调制器29的输入处，出现由激光源2发射的光信号1，并且其生成调制信号3作为输出。

光束被划分为两个中间束5、7，这两个中间束5、7被引向两个不同的光路径，两个不同的光路径具有两个中间束5、7在其中分隔约π/3的特定光路径。中间束5、7然后被引向连接到控制器17的干涉仪31a、31b。这些干涉仪31a、31b形成类似于通常用于通过二进制相移进行编码的二进制调制器的二进制调制器，并且根据脉冲信号创建确定的相位状态0、π。

控制器接收每秒编码37.3 10⁹比特的频率的转换信号，这对应于常规上112Gigabit/s的高速数字信号。

干涉仪31a、31b的光路径中的差与电源电压成比例。这种干涉仪的半波电压V_λ/2是对应于最小传输功率的电源电压与最近的最大传输功率处的电源电压之间的电压差。

如果对应于半波电压V_λ/2的电源电压的值增大或减小，则光路径中的差改变半波长λ/2，并且它从最大传输功率切换到最小传输功率。

为了创建如图7中描绘的两个直线星座，如图9中描绘的来配置图8的分开的Mach-Zehnder干涉仪31a、31b。

图9是表示由干涉仪31a或31b传输的、在y轴上设置为1并且在x轴上作为电源电压的函数的功率的图。

尤其是看到每当电源电压增大时，传输功率振荡。其依次达到最大值和最小值。在最大值和随后的最小值之间，电源电压改变对应于半波电压V_λ/2的值。

干涉仪的零操作点(对应于传输零点)位于最小传输功率的0.33V_λ/2处。分别与图7的星座图的高状态H1、H2和低状态B1、B2相对应的干涉仪的第一工作电压V_H和第二工作电压V_B分别位于距零操作点约+0.66V_λ/2和约-0.66V_λ/2处，限制了约1.33V_λ/2的电压范围。第一工作电压V_H从而位于最大传输功率附近，而第二工作电压V_B约在之前的最大值和该范围内包含的最小值之间的中途。

第一工作电压V_H从而与为1的标准化传输功率相对应，并且第二工作电压V_B与为0.5的标准化传输功率相对应，解释为-0.5，为负(强度等于0.25，但是信号的幅度是-0.5，即，具有约为π的相位的0.5)。正是干涉仪的这一调节实现了在星座图上将传输零点0置于高状态H1、H2和低状态B1、B2之间的距离的三分之一处，并且因此获得以约2π/3的角距离相间隔的三相位状态π/6、5π/6、-π/2以用于产生光脉冲。

图10描绘如何可以在网络内执行并实现用于从四进制编码转变为三相编码的设备以便根据上述方法使得能够进行数字信号到调制光脉冲的转换而无需调整上游网络的元件。

首先，复用器33从10个通道接收11.2Gigabit/s的入射信号，并且在通向转变设备35的通道上发射4个28Gigabit/s的中间信号。

转变设备35包括用于从四进制编码转变为三进制编码的两个子设备35a、35b，一个子设备用于嵌套调制器19的每个二进制调制器31a、31b。转变设备35使用上述转换表(或另一个更优的表)以37.3Gigabits/s发射4个信号，发送到用于将数字信号转换为三进制编码脉冲的设备。

这些37.3Gigabit/s的信号然后被发送到如上所述的转换设备。

在操作期间，复用器33将10个11.2Gigabit/s的数字信号变换为4个28Gigabit/s的中间信号，预期使得能够例如通过两个二进制调制器31a、31b来进行四进制相移键控光脉冲的传输。

中间信号由转变设备35接收，转变设备35例如使用图4中的表而将中间信号转换为用于三进制相移键控转换的编码信号，并且将它们向如前述的转换设备37发送，其中基于例如由激光源2发射的主光信号1而生成与所述信号对应的光脉冲。

图11描绘使得能够进行数字信号到四进制相移光脉冲的转换的备选组件的实施方式。由数模转换器39接收该数字信号，该数模转换器39例如通过使用类似于图4中的转换表的编码的编码而将数字信号转换为三态信号，然后发送到控制器41。控制器41控制具有三个可能状态π/6、5π/6和-π/2的相位调制器43，相位调制器43发射与入射数字信号对应的编码相移调制光信号。

图12是使用两个数模转换器45、47和常规四进制相移相位调制器49而使得能够进行数字信号到三进制相移光脉冲的转换的备选组件的实施方式。

由两个数模转换器45、47接收数字信号，其中一个数模转换器45具有三个操作状态，另一个数模转换器47具有两个操作状态。转换器45、47连接到控制器41，这些控制器控制例如前述的调制器的具有两个相移分支的四进制相移相位调制器49，以便在相位平面内定位三相相位状态。

控制器41具体控制调制器49的两个分支中的一个，并且这两个分支彼此分隔约π/2。第一控制器41的三个状态0和由双箭头51表示，并且第二控制器41的两个状态1/2、-1由双箭头53表示。通过明智地组合两个控制器41的状态，获得三进制键控的各种相位状态：π/6(1/2)、5π/6(1/2)和-π/2(0,-1)。

因此本发明能够获得使得能够以鲁棒方式进行数字信号的常规高速传输的转换方法。除了改变已使用的转换设备的配置之外，这一方法还不需要对已有网络的任何重大改变。

Claims (15)

1.一种用于将数字信号转换成光脉冲的方法，包括步骤：

将光信号(1)分隔为三个中间束(5、7、9)，

将所述三个中间束(5、7、9)彼此相移约2π/3的角度，以及

选择所述中间束(5、7、9)中的一个中间束以用于创建对所述数字信号进行编码的光脉冲。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述信号分布到包括三个比特的子集中，并且其中所述光脉冲用来对所述子集进行编码。

3.根据权利要求2所述的方法，其中分隔光信号的所述步骤包括将光信号(1)分隔为三个中间束(5、7、9)，所述三个中间束(5、7、9)包括一个中间基准束(5)和两个次级中间束(7、9)，所述次级中间束(7、9)的幅度约是所述中间基准束(5)的倍，

其中相移的所述步骤包括将所述次级中间束(7、9)相对于所述中间基准束(5)相移约+5π/6和约-5π/6，而不是将所述三个中间束彼此相移约2π/3的角度；以及

所述方法还包括步骤：选择所述次级中间束(7、9)中的一个次级中间束并且与所述中间基准束(5)进行组合，或者不选择次级中间束来与所述中间基准束(5)进行组合，以便创建对所述子集进行编码的光脉冲。

4.一种用于将数字信号转换成光脉冲的方法，包括步骤：

将光信号(1)分隔为两个中间束(5、7)，

将所述中间束(5、7)彼此相移约π/3，

将发射零点(0)定位在最大幅度的约1/3处，以便针对所述中间束(5、7)定义高状态(H1、H2)和低状态(B1、B2)，以及

对处于所述中间束(5、7)的高状态(H1、H2)或低状态(B1、B2)中的所述中间束(5、7)进行组合，以便创建对所述数字信号进行编码的所述光脉冲。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述中间束(5、7)被引向Mach-Zehnder，所述Mach-Zehnder具有位于最小传输功率的约0.33倍半波电压(V_λ/2)处的其零操作点(V₀)以及分别与高状态(H1、H2)和低状态(B1、B2)相关联、分别位于距所述零操作点(V₀)的约+0.66倍所述半波电压(V_λ/2)和约-0.66倍所述半波电压(V_λ/2)处的高操作电压(V_H)和低操作电压(V_B)。

6.一种用于以光脉冲形式转换高速数字信号的设备，包括：

将光信号(1)分隔为具有不同光路径的三个中间束(5、7、9)从而导致所述三个中间束(5、7、9)之间彼此相移约2π/3的装置；

控制器(17)；以及

由所述控制器(17)控制、能中断所述中间束(5、7、9)的开关(11、13、15)。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述设备将预期用于四进制调制转换的编码信号转变为预期用于三进制调制转换的编码信号，所述设备链接到所述控制器(17)。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述开关(11、13、15)包括电吸收调制器开关(EAM)。

9.一种将数字信号转换成光脉冲的设备，包括：

用于将光信号转换成一个中间基准束(5)和幅度约是所述中间基准束(5)的倍的两个次级中间束(7、9)的装置，并且针对中间束(5、7、9)的不同光路径使得所述两个次级中间束(7、9)分别与所述基准束相移约+5π/6和约-5π/6；

控制器(17)；以及

由所述控制器(17)控制、能选择性地中断所述次级中间束(7、9)中的一个次级中间束的开关(11、13、15)。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述设备将预期用于四进制调制转换的编码信号转变为预期用于三进制调制转换的编码信号，所述设备链接到所述控制器(17)。

11.根据权利要求9所述的设备，其中所述开关(11、13、15)包括电吸收调制器开关(EAM)。

12.一种将数字信号转换成光脉冲的设备，包括：

将光信号(1)分隔为两个中间束(5、7)的装置，并且针对所述中间束(5、7)的不同光路径导致它们之间约π/3的相移；

被置于所述中间束(5、7)的所述光路径上的Mach-Zehnder干涉仪，具有位于最小传输功率的约0.25倍半波电压(V_λ/2)处的其零操作点(V₀)以及分别位于所述零操作点(V₀)的约+0.75倍所述半波电压(V_λ/2)和约-0.75倍所述半波电压(V_λ/2)处的高操作电压(V_H)和低操作电压(V_B)；以及

控制所述Mach-Zehnder干涉仪(31a、31b)的控制器(17)。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述设备将预期用于四进制调制转换的编码信号转变为预期用于三进制调制转换的编码信号，所述设备链接到所述控制器(17)。

14.一种将数字信号转换成光脉冲的设备，包括：

数模转换器(39)，预期用于将所述数字信号转换为三态模拟信号；以及

三相位状态相位调制器，链接到所述数模转换器(39)并且由所述数模转换器(39)发射的所述三态模拟信号控制，从所述三相位状态相位调制器的输出发射所述光脉冲。

15.一种将数字信号转换成光脉冲的设备，包括：

两个数模转换器(45、47)，预期用于将所述数字信号转换为两个模拟信号，一个模拟信号(45)具有三个状态，另一个模拟信号(47)具有两个状态；以及

四进制相位调制器，包括两个分支，所述两个分支与彼此相移约π/2的两个光路径相对应并且由所述模拟信号中的一个模拟信号控制，从所述四进制相位调制器的输出发射所述光脉冲。