CN103414503A - 采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统，包括相位调制器、掺铒光纤放大器、光学相位分集接收机、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ和相位估计模块，将经过标准单模光纤长距离传输后的OOFDM信号分别经过光学相位分集接收机和相位估计模块的处理，能有效地抵抗光纤色散和偏振模色散的负面效应，提高OOFDM信号长距离传输后的接收质量。

Description

采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统

技术领域

本发明属于光通信网络中采用光学相位分集接收技术实现接收相干光正交频分复用（CO-OOFDM）信号的新型光接入系统，可用于改善相干光正交频分复用信号的接收性能。

背景技术

正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)信号作为一种高谱效率的调制信号，已经在无线通信领域吸引了人们广泛的关注和兴趣。近年来，人们发现光正交频分复用(OOFDM, Optical OFDM)信号可以有效地降低长距离光纤信道中的色散和偏振模色散负面效应，并能应用在接入网的光网络单元（ONU）中进行子载波的灵活调度，因此它被许多研究机构提出并在光通信传输网和接入网中展开了广泛研究。目前，相干光正交频分复用（CO-OOFDM）技术因为兼具相干光检测技术可以提高接收光信号灵敏度，和光载正交频分复用信号可以有效抵抗色度色散（CD）及偏振模色散（PMD）负面效应的双重优点，成为长距离传输和接入系统研究的热点。

目前业界已提出的光载波自提取OOFDM信号的方案（Lei Xu, Junqiang Hu, Dayou Qian, et al. Coherent Optical OFDM Systems Using Self Optical Carrier Extraction. Proc.OFC’08, OMU4 (2008)），具有一定的抵抗光纤色散和偏振模色散负面效应的能力，但是其接收性能有待进一步改进和提高。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提出一种采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统，将经过标准单模光纤（SMF-28）长距离传输后的OOFDM信号分别经过光学相位分集接收机和相位估计模块的处理，能有效地抵抗光纤色散和偏振模色散的负面效应。

本发明采用的技术方案是：本发明系统包括包括发射端的数字信号通过串并变换、正交幅度调制、傅里叶逆变换、并串变换、添加固定长度的循环前缀、数模转换和射频上变换处理后，得到OFDM电信号；接收端接收的电信号通过射频下变换、模数转换、移除循环前缀和串并变换、信道估计、傅里叶变换、解调及并串变换处理后形成数据输出序列；还包括分布反馈式激光器、相位调制器、掺铒光纤放大器、光学相位分集接收机、光电探测器Ⅰ、光电探测器Ⅱ和相位估计模块。

其中：所述相位调制器接收所述OFDM电信号和分布反馈式激光器发送的信号，经处理获得OOFDM信号，OOFDM信号通过标准单模光纤传输到掺铒光纤放大器，由掺铒光纤放大器处理后输出光信号到光学相位分集接收机中，光学相位分集接收机将掺铒光纤放大器处理后输入的光信号与其光学相位分集接收机接收的本地混频光源进行光信号处理，处理后输出的信号分别通过光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ输入相位估计模块，相位估计模块处理后输出电信号到接收端。

基于图1所示的系统中，产生、传输和接收的都是光OFDM信号，而OOFDM信号在传输后具有抵抗子载波合成信号时间延迟负面影响的效应，同时基于图5和图6得到的测量结果，所采用的OOFDM信号能有效恢复并达到长距离传输后检测要求，因此本发明不但能有效地抵抗光纤色散和偏振模色散的负面效应，而且能显著提高OOFDM信号长距离传输后的接收质量和接收灵敏度。本发明的系统实现方便，技术上切实可行。

附图说明

图1为本发明中基于光学相位分集接收和相位估计的相干光OFDM远距离光接入系统结构图；

图2为本发明中光学相位分集接收机结构图；

图3为本发明中相位估计模块处理流程图；

图4为本发明中射频及光OFDM信号的频谱及相位图；

图5为本发明中各种方案接收系统的OFDM信号星座图；

图6为本发明中接收OFDM信号EVM性能比较图。

具体实施方式

如图1所示，在发射端，产生的数据输入序列（数字信号）通过串并变换、正交幅度调制（QAM）、傅里叶逆变换（IFFT）、并串变换、添加固定长度的循环前缀（为输入序列长度的1/16）和数模变换，实现基带OFDM电信号的产生；然后通过射频上变换过程，完成OFDM副载波调制信号的产生；接着将OFDM副载波调制信号经调制后得到的OFDM电信号加载到一个相位调制器2上，相位调制器2同时接收分布反馈式激光器1发送的信号（激光信号），经处理，从而生成OOFDM信号；OOFDM信号通过标准单模光纤传输（SMF-28）到掺铒光纤放大器3，该掺铒光纤放大器（EDFA）补偿光信号传输过程中的衰耗，掺铒光纤放大器3处理后输出光信号到光学相位分集接收机4中，光学相位分集接收机4将掺铒光纤放大器3处理后输出的光信号与光学相位分集接收机4接收的本地混频光源进行光信号处理，处理后输出的信号分别通过光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6输入相位估计模块7，相位估计模块7处理后输出电信号；然后通过射频下变换、模数转换、移除循环前缀和串并变换、信道估计、傅里叶变换、解调及并串变换后形成数据输出序列。其中，涉及到的本地混频光源为窄线宽半导体外腔激光器。

如图2所示，光学相位分集接收机4接收本地混频光源和掺铒光纤放大器3处理后输出的光信号，完成光学相位分集接收和光信号处理。其中本地混频光源通过偏振控制器（PC）和四分之一波长晶片，以四分之一波长晶片的偏振轴为参照进行45度线性偏振处理，该四分之一波长晶片的偏振轴与偏振控制器的偏振光振动方向形成45°角；来自掺铒光纤放大器3的光信号则通过另一偏振控制器进行45度线性偏振处理；进行45度线性偏振处理后的两路信号均通过半反射板，获得两路具有相同功率的光信号，半反射板与上述两个偏振控制器之间的夹角均为45度；这两路具有相同功率的光信号通过半反射板后，其中一路经过偏振分束器调整后输出两路具有相同功率和相位的光信号A和光信号B，另一路经过另一偏振分束器调整后输出另两路具有相同功率和相互成90度相位差的光信号C和光信号D；光信号A和光信号D，光信号B和光信号C分别通过偏振控制器调整后，由光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6接收。

上述方案中，采用了单纵模输出的半导体分布反馈式激光器、铌酸锂马赫-曾德尔相位调制器、C波段掺铒光纤放大器、高灵敏度平衡光电探测器、可调偏振控制器、固定偏振分束器。

如图3所示，由于光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6输出光信号的相位包含载波的初始相位和调制相关相位，因此，通过两个光电探测器（PD1和PD2）检测的光信号可以表示如下：

                      （1）

                        （2）

式中I _PD1 和I _PD2 分别为光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6的输出电流，R为光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ的响应度，P _LO 和P _S 分别为本地混频光源和掺铒光纤放大器3处理后输出光信号的光功率，

为掺铒光纤放大器3处理后输出光信号的相位，

为经掺铒光纤放大器3处理后输出的光信号与本地混频光源之间的相位差理论值。

相位估计模块7进行的处理如下：光电探测器Ⅰ5和光电探测器Ⅱ6的输出信号分别为光信号的同相分量和正交分量，两路光电探测器输出的电流信号经过正交合并后，生成如下信号：

                         (3)

式中T为信号的采样周期，i为采样信号的序号，I _PD1 和I _PD2 分别为光电探测器Ⅰ（5）和光电探测器Ⅱ（6）的输出电流。

对E _r (iT)进行M阶（M为4的整数倍）功率运算，结果为：

                      (4)

式中P _LO 和P _S 分别为两路输入相位估计模块（7）的光信号的光功率，

为经掺铒光纤放大器（3）处理后输出的光信号与本地混频光源之间的相位差。

经过M（M为4的正整数倍取值）阶功率运算后，只剩下经掺铒光纤放大器（3）处理后输出的光信号与本地混频光源之间的相位差影响，即

；然后，提取求和结果的相位信息，可得到：

           (5)

式中为通过算法计算出的噪声相位，将未进行噪声相位估计的信号相位，减去

，得到信号的原始相位信息：

                              (6)。

结果如图4所示，其中图(a)为6 GHz射频调制的副载波OFDM电信号频域波形，从图中可以看出，射频OFDM信号的带宽约为5GHz，其原因是采用了QAM调制10Gb/s的OFDM电信号；图(b)为经过上变频后再经过电光调制器调制输出的OOFDM信号的光频谱，其中光载波的中心频率为193.1THz，入纤功率为0dBm。经过320公里SMF-28的标准单模光纤传输，并采用光学相位分集接收机接收OOFDM信号，未采用图3所示的相位估计算法得到的OFDM电信号相位时域波形如图(c)所示，而采用图3所示的相位估计算法得到的OFDM电信号相位时域波形如图(d)所示。仅仅采用光学相位分集接收得到的OFDM电信号相位时域波形的相位抖动趋势更加明显，这将影响OFDM电信号的接收灵敏度。

图5为各种方案接收OFDM信号的星座图，其中图(a)和图(b)为光载波自提取方案接收信号的星座图，图5(c)和图(d)为本发明提出方案接收信号的星座图。图(a)和图(b)的差别在于后者引入了相位估计算法以恢复由于光纤色散引起的相位延迟；图(c)和图(d)与此类似，所不同的是都引入了光学相位分集接收系统。从图中可以得出如下结论：(1)虽然光纤传输距离长达320公里，引入了光学相位分集接收系统后，接收的OFDM信号星座图中星座点收敛更加紧凑；(2)从图(d)可以看出，同时利用相位估计算法和相位分集的接收系统接收的OFDM信号，其星座图中星座点收敛更加紧凑，接收的OFDM信号质量最高。

图6为接收OFDM信号EVM性能比较，其中图(a)为当光纤输入功率为0dBm时，测得的320公里长距离传输后接收OFDM信号的错误向量幅度(EVM, Error Vector Magnitude)性能，分别采用如下三种方案：(1)基于相位调制OFDM的采用相位估计算法及光载波自提取方案（图6中a的正方点曲线）；(2) 采用本地混频光源和相位估计算法无光学相位分集的接收方案（图6中a的三角点曲线）；(3)采用本地混频光源、相位估计算法和光学相位分集接收系统方案（图6中a的圆点曲线）。结果表明，采用本地混频光源且利用相位估计算法和光学相位分集的接收系统，获得最佳的信号接收性能，也即能有效地抵抗光纤色散和偏振模色散的负面效应。为了进一步比较OOFDM信号受光纤非线性负面效应的影响，调节入纤功率（分别调节至-5dBm，0dBm，5dBm时，分别为图6中b的正方点曲线，圆点曲线，三角点曲线），测得不同入纤功率时，采用本地混频光源且利用相位估计算法和光学相位分集接收系统中接收OFDM信号的EVM值，得到图6中(b)。为减少非线性负面效应的影响，输入单模光纤的信号功率应该维持在较低值，通过调整连续波激光的发射功率来实现。但是，在实际的传输系统中，为了获得较高的接收机灵敏度，入纤功率常常要大于-5dBm，因此在本系统中入纤功率的下限值为-5dBm。

Claims (4)

1.采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统，包括发射端的数字信号通过串并变换、正交幅度调制、傅里叶逆变换、并串变换、添加固定长度的循环前缀、数模转换和射频上变换处理后，得到OFDM电信号；接收端接收的电信号通过射频下变换、模数转换、移除循环前缀和串并变换、信道估计、傅里叶变换、解调及并串变换处理后形成数据输出序列；其特征在于：还包括分布反馈式激光器（1）、相位调制器（2）、掺铒光纤放大器（3）、光学相位分集接收机（4）、光电探测器Ⅰ（5）、光电探测器Ⅱ（6）和相位估计模块（7）；其中：

所述相位调制器（2）接收所述OFDM电信号和分布反馈式激光器（1）发送的信号，经处理获得OOFDM信号，OOFDM信号通过标准单模光纤传输到掺铒光纤放大器（3），由掺铒光纤放大器（3）处理后输出光信号到光学相位分集接收机（4）中，光学相位分集接收机（4）将掺铒光纤放大器（3）处理后输入的光信号与其光学相位分集接收机（4）接收的本地混频光源进行光信号处理，处理后输出的信号分别通过光电探测器Ⅰ（5）和光电探测器Ⅱ（6）输入相位估计模块（7），相位估计模块（7）处理后输出电信号到接收端。

2.根据权利要求1所述采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统，其特征在于：所述光学相位分集接收机（4）将掺铒光纤放大器（3）处理后输入的光信号与其光学相位分集接收机（4）接收的本地混频光源进行光信号处理的过程是：所述本地混频光源通过偏振控制器和四分之一波长晶片，以四分之一波长晶片的偏振轴为参照进行45度线性偏振处理，来自掺铒光纤放大器（3）的光信号则通过另一偏振控制器进行45度线性偏振处理；两路通过45度线性偏振处理后的光信号均通过半反射板，获得两路具有相同功率的光信号；其中一路光信号通过偏振分束器调整后输出两路具有相同功率和相位的光信号A和光信号B，另一路光信号通过另一偏振分束器调整后输出另两路具有相同功率和相互成90度相位差的光信号C和光信号D；光信号A和光信号D，光信号B和光信号C分别通过偏振控制器调整后，由光电探测器Ⅰ（5）和光电探测器Ⅱ（6）接收。

3.根据权利要求1所述采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统，其特征在于：所述相位估计模块（7）进行的处理包括：

两路光电探测器输出的电流信号首先经过正交合并后，生成如下信号：

                         (3)

式中T为信号的采样周期，i为采样信号的序号，I _PD1 和I _PD2 分别为光电探测器Ⅰ（5）和光电探测器Ⅱ（6）的输出电流；

对E _r (iT)进行M阶功率运算，结果为：

                      (4)

式中P _LO 和P _S 分别为两路输入相位估计模块（7）的光信号的光功率，为经掺铒光纤放大器（3）处理后输出的光信号与本地混频光源之间的相位差；

然后，提取

求和结果的相位信息，可得到：

      (5)

式中

为噪声相位，将未进行噪声相位估计的信号相位，减去

，得到信号的原始相位信息：

                          (6)。

4.根据权利要求3所述采用相位分集接收相干光正交频分复用接入信号的系统，其特征在于：所述I _PD1 和I _PD2 的计算结果如下：

                                     (1)

                                            (2)

式中I _PD1 和I _PD2 分别为光电探测器Ⅰ（5）和光电探测器Ⅱ（6）的输出电流，R为光电探测器Ⅰ和光电探测器Ⅱ的响应度，P _LO 和P _S 分别为本地混频光源和掺铒光纤放大器3处理后输出光信号的光功率，

为掺铒光纤放大器3处理后输出光信号的相位，

为经掺铒光纤放大器3处理后输出的光信号与本地混频光源之间的相位差理论值。

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