CN103414680A - 能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测接收方法和系统。利用分波期间将接收的SSB-OOFDM信号中的光载波和光OFDM信号分离，并经过一个3dB的2×2光耦合器，使二者进行重新耦合，在二者之间引入适当相依，然后对耦合输出进行光电平衡探测，将两路信号转换为电信号并在电域相减得到输出电OFDM信号，该电信号只包含OFDM射频信号成分，不会引入SSBI的干扰。采用本发明的方法和系统，可以实现无SSBI和直流成分的接收，从理论上消除了因SSBI设置频带保护间隔的必要性，能够提高SSB-OOFDM系统的频谱利用效率。

Description

能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测方法和系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及具有较小波长保护间隔的SSB-OOFDM信号探测过程中信号间拍频干扰得消除问题和SSB-OOFDM系统中频谱效率的提高问题。

背景技术

目前，基于高阶QAM调制的光正交频分复用(Optical Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing O-OFDM)技术，因其极高的频谱利用率和对光信号色散的高容忍度而受到广泛的关注。虽然相干光OFDM(CO-OFDM)系统能到达14bit/s/Hz的频谱利用率(Spectral Efficiency SE)，但CO-OFDM系统对频偏和相位噪声敏感，并要求发送端和接收端的激光器线宽极窄，这使得CO-OFDM的发送和接收系统设计非常复杂。

由于直接探测OFDM(Direct detection DD-OFDM)信号中包含光载波成分，其接收端只需一个平方率光探测器(photodiode，PD)即可实现OOFDM信号与光载波之间的外差拍频探测，使其接收端较相干探测大为简化；另外，由于OOFDM信号与光载波可以来自同一个光源，频率偏移和相位涨落完全同步，因此在外差拍频光程中能够完全抵消，对激光器的线宽要求较低。

在DD-OOFDM系统中，与双边带(Double-Sideband DSB)调制技术相比，单边带光OFDM(Optical Single-Sideband Optical OFDM SSB-OOFDM)调制技术因光信号较高的频谱利用效率且能够克服光纤色度色散引起的幅度衰落效应而更受青睐。

通常情况下，DD-OFDM系统中传输的O-OFDM信号在接收端通过平方率光探测器恢复到电域，同时产生了信号间拍频干扰(signal-signal beat interference，SSBI)。目前，一些方法已经被提出用以尽量减小SSBI对信号的损伤。在偏移SSB-OFDM(OSSB-OFDM)方案中，光载波和光OFDM信号之间设置了一个足够宽的保护频带(Guard Band，GB)，使得SSBI的频谱与OFDM射频信号的频谱成分不重叠。为保证消除SSBI的影响，GB的带宽必须不小于光OFDM信号的带宽，使得DD-OFDM系统的SE比CO-OFDM系统的下降一半以上。减小SSB-OOFDM中的GB可以提高系统的SE，但是随着GB的减小，SSBI对系统性能的影响会加剧。尽管一些降低SSBI对系统性能影响的方案也被提出，但还有系统复杂性和功率代价方面的不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于光电平衡探测的新型接收方法，实现SSB-OOFDM信号的无信号间拍频干扰接收，极大地减小频带保护带宽的限制，提高SSB-OFDM系统的频谱利用率。

本发明提出一种能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测接收方法和系统，通过干涉相消方法消除SSB-OOFDM信号光电转换产生的信号间拍频干扰，进而减小光载波和OOFDM信号之间的保护带宽，放宽SSB-OOFDM系统对GB的限制，提高系统的频谱效率，其包括：接收到的SSB-OOFDM信号E(t)=E_C(t)+E_S(t)通过波分器件，如波长解复用器、波长间差滤波器、Mach-Zehnder干涉仪等，将光载波和OOFDM信号分为两路光信号E_C(t)和E_S(t)；将E_C(t)和E_S(t)输入到一个光耦合器件，如2×2的3dB光耦合器、光Hybird等，进行重新耦合，使输出的两个耦合光信号E₁(t)和E₂(t)中的E_C(t)、E_S(t)相位差之差为180°；将光耦合器的输出光信号E₁(t)和E₂(t)注入到平衡光电探测器的进行光电转换得到光电流I₁(t)和I₂(t)，通过差分电路后，平衡光电探测器的光电流为I(t)=I₁(t)-I₂(t)，得到只包含OFDM信号平衡光电探测光电流I(t)，而直流成分和信号间拍频干扰成分被消除；该方法能够消除信号间拍频干扰对OFDM信号的影响，因此可以减小或取消光载波E_C(t)和OOFDM信号E_S(t)之间的保护频带，提高系统的频谱利用率；

作为一种优选方法，波分器件可以是波长解复用器、波长间差滤波器、Mach-Zehnder干涉仪等，其两个输出端口的传输函数互补，在通带与阻带之间的传输函数频率曲线具有比较陡峭的滚降，通带和阻带内的幅度和相位响应比较平坦，且陡峭的滚降边沿位于光载波和OOFDM信号之间的保护频带内，通过优化该位置可以降低光载波频率和光OFDM信号分离过程中引入的信号损伤；

作为一种优选方法，光耦合器件可以是2×2的3dB光耦合器、光Hybird等，能够将由两个输入端口注入的光载波E_C(t)和光OFDM信号E_S(t)分别等幅分配给两个输出端口，同时引入合适的相移，使光耦合器输出端口1的光场E₁(t)中E_C(t)、E_S(t)的相位差

和端口2的中E_C(t)、E_S(t)的相位差

之差为180°的奇数倍，且E_C(t)、E_S(t)保持偏振平行；

作为一种优选方法，平衡光电探测器中的两个光探测器的性能参数相同且具有足够的响应带宽，输出接成差分形式，两个平衡探测输出的两支路光电流I₁(t)和I₂(t)相减，使直流和信号间拍频干扰成分相消叠加成分，OFDM信号成分相长叠加，得到的电流I(t)=I₁(t)-I₂(t)只包含幅度倍增的OFDM信号成分，而直流成分和信号间拍频干扰成分被消除；

本发明提供一种能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测接收系统，包括：

一个波分器件，用于将接收的SSB-OOFDM信号的光载波和OOFDM信号分离；

一个2×2的光耦合器件，用于实现光载波和OOFDM信号的等幅、同偏振再耦合，使输出的两个耦合光信号中的光载波和OOFDM信号相位差之差为180°；

一个平衡光电探测器，将光耦合器输出的两路光信号进行平衡探测，输出差分的光电流。

采用本发明提供的技术方案后SSB-OOFDM信号在光电转换过程中产生的信号间拍频干扰以及直流成分被通过相干相消消除掉，输出的光电流只包含OFDM信号成分，无需为避免信号间拍频干扰和OFDM信号频谱重叠而保留频率保护带宽，放宽SSB-OOFDM系统对GB的限制，为减小光载波和OOFDM信号之间的保护带宽提供了前提条件，能够提高系统的频谱效率；相比相干CO-OFDM，由于光载波和OOFDM信号的载波来源于同一个光源，其频偏和相位飘逸完全同步，外差拍频能够完全消除二者的影响，因此激光器的线宽要求较低，无需相位和频率跟踪，因此SSB-OOFDM系统的接收机相当简单。

附图说明

图1为本发明提出的基于平衡探测的SSB-OOFDM信号接收的原理框图；

图2为本发明接收系统接收到的SSB-OOFDM信号光谱图；

图3为SSB-OOFDM信号经过IL分离出的光载波的光谱图；

图4为SSB-OOFDM信号经过IL分离出的光OFDM信号光谱图；

图5为平衡探测之后，电域减法器输出电流的功率谱；

图6为电域OFDM信号解调出的16QAM星座图；

图7误矢量幅度（EVM）与保护间隔之间的关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明的实施列进行详细说明。

图1为本实施列的接收系统组成框图。

该系统包括：

这里分波器件采用一个波长间插器（interleaver，IL），频率特性足够陡峭，实现从接收SSB-OOFDM信号中较好的分离出光载波频率成分和光OFDM信号频率成分，输出给光耦合器。

这里分波器件采用一个2×2的3dB光耦合器，其传输矩阵可表示为

$T=\frac{\sqrt{2}}{2}\left(\begin{array}{cc}1& j\\ j& 1\end{array}\right)$

这里j²=-1。将输入光场E_C(t)和E_S(t)耦合为输出光场E₁(t)和E₂(t)，输出给平衡光电探测器。

一个平衡光电探测器，具体包含：两个光探测器(photodiode，PD)性能参数相同，二者接成差分形式实现电域减法，得到只包含OFDM信号的光电流I(t)。

本发明为实现消除SSBI对信号解调的影响，提高了系统的频谱利用效率，采用一种基于平衡光电探测的对SSB-OOFDM信号的新型接收方法。为实现上述效果，需要采用下述步骤：

SSB-OOFDM信号E(t)，调制成为E(t)的射频OFDM信号符号速率为40Gb/s，IFFT/FFT长度为256，其中携带信息的128个子载波调制格式为16QAM，其余为过采样而补零。由于本实例旨在验证本发明系统和方法能消除SSBI对信号解调的影响，并不考虑光纤的传输，生成OFDM信号无需加循环前缀和导频子载波。连续激光器输出的中心载频为193.100THz，线宽为100MHz，射频OFDM以SSB上边带调制到光频，使SSB-OOFDM上边带中心频率为193.110THz，上边带OOFDM信号带宽为10GHz，它与光载波之间的保护带宽为5GHz，光功率为5.4dBm，光谱图如图2所示。

这里分波器件采用频率特性在193.102THz锐截止的波长间插器（interleaver，IL），将SSB-OOFDM信号中频率为193.100THz光载波频率成分E_C(t)和中心频率为193.110THz、带宽为10GHz的OOFDM信号成分E_S(t)分离，输出给光耦合器件，其光频分别如图3和图4所示。

这里分波器件采用一个2×2的3dB光耦合器，其传输矩阵可表示为

$T=\mathrm{\α}\left(\begin{array}{cc}1& j\\ j& 1\end{array}\right)$

这里j²=-1，α为光耦合器的损耗系数。将输入光场E_C(t)和E_S(t)耦合为输出光场E₁(t)=α[E_C(t)+jE_S(t)]和E₂(t)=α[jE_C(t)+E_S(t)]，因此E_C(t)和E_S(t)之间引入的相位差在两个端口分别为90°和-90°，输出给平衡光电探测器。

一个平衡光电探测器，具体包含：两个光探测器(photodiode，PD)的性能参数相同，二者接成差分形式；分别用于将光场E_C(t)和E_S(t)转化为光电流

$I_1\left(t\right)=\mathrm{\μ}{\left|E_1\left(t\right)\right|}^2={\mathrm{\μ\α}}^2\{{\left|E_C\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_S\left(t\right)\right|}^2+j[E_C\left(t\right)E_S^{*}\left(t\right)-E_C^{*}{\left(t\right)}_{S}E\left(t\right)\left]\right\}$

$I_2\left(t\right)=\mathrm{\μ}{\left|E_2\left(t\right)\right|}^2={\mathrm{\μ\α}}^2\{{\left|E_C\left(t\right)\right|}^2+{\left|E_S\left(t\right)\right|}^2-j[E_C\left(t\right)E_S^{*}\left(t\right)-E_C^{*}{\left(t\right)}_{S}E\left(t\right)\left]\right\}$

通过差分电路实现电域减法得平衡探测输出光电流

$I\left(t\right)=I_1\left(t\right)-I_2\left(t\right)={2\mathrm{\μ\α}}^{2}j[E_C\left(t\right)E_S^{*}\left(t\right)-E_C^{*}{\left(t\right)}_{S}E\left(t\right)]$

$=2{\mathrm{\μ\α}}^2\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{jE}}_C^{*}{\left(t\right)}_{S}E\left(t\right)\right\}$    ；

输出电流I(t)的功率谱如图5所示；由于E_C(t)取共轭与E_S(t)相乘抵消了E_S(t)中的光频分量，所以E^* _C(t)E_S(t)实际上是把信号从光频解调到了射频，使输出电流I(t)中只包含OFDM信号的射频成分，从而实现对SSB-OOFDM信号无SSBI的接收，在理论上消除了为SSBI而设置GB的必要性。由于采用本发明提供的接收系统和方法，消除了SSBI对解调信号的影响，即使本实例中SSB-OOFDM上边带带宽10GHz大于保护带宽5GHz，也不会对OFDM信号的解调产生严重影响。将电域OFDM信号相干解调之后得到的基带OFDM信号经OFDM信号接收器解调的得到16QAM星座图如图6所示，可见其性能良好。

在实际应用中，因IL的频域特性无法实现严格锐利的截止，使得SSB-OOFDM的光载波和光OFDM信号的频谱之间仍需设置一定的GB用于IL无损地分离出这两个频谱分量，但是采用本发明提供系统和方法，GB不再受制于SSBI的约束，其可缩减的程度是可观的，通过改变RF信号频率改变光载波频率成分和光OFDM信号之间的频率间隔，其对应的误矢量幅度（EVM）与保护间隔之间的关系入图7所示，由图可以看到保护间隔GB在大于2GHz的情况下均可保证EVM<16.3%。更锐截止的IL频域特性意味着可能设置的更窄GB带宽。由此，采用本发明提供的系统和方法，SSB-OOFDM信号的SE将显著提高。

Claims (5)

1.一种能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测接收方法，通过干涉相消方法消除SSB-OOFDM信号光电转换产生的信号间拍频干扰，进而减小光载波和OOFDM信号之间的保护带宽，放宽SSB-OOFDM系统对GB的限制，提高系统的频谱效率，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 

接收到的SSB-OOFDM信号E(t)=E_C(t)+E_S(t)通过波分器件，将光载波和OOFDM信号分为两路光信号E_C(t)和E_S(t)； 

将E_C(t)和E_S(t)输入到一个光耦合器件，进行重新耦合，使输出的两个耦合光信号E₁(t)和E₂(t)中的E_C(t)、E_S(t)相位差之差为180°； 

将光耦合器的输出光信号E₁(t)和E₂(t)注入到平衡光电探测器的进行光电转换得到光电流I₁(t)和I₂(t)，通过差分电路后，平衡光电探测器的光电流为I(t)=I₁(t)-I₂(t)，得到只包含OFDM信号平衡光电探测光电流I(t)，而直流成分和信号间拍频干扰成分被消除。 

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述波分器件： 

波分器件，可以是波长解复用器、波长间差滤波器、Mach-Zehnder干涉仪等，其两个输出端口的传输函数互补，在通带与阻带之间的传输函数频率曲线具有比较陡峭的滚降，通带和阻带内的幅度和相位响应比较平坦，且陡峭的滚降边沿位于光载波和OOFDM信号之间的保护频带内，通过优化该位置可以降低光载波频率和光OFDM信号分离过程中引入的信号损伤。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光耦合器件： 

光耦合器件，可以是2×2的3dB光耦合器、光Hybird等，能够将由两个输入端口注入的光载波E_C(t)和光OFDM信号E_S(t)分别等幅分配给两个输出端口，同时引入合适的相移，使光耦合器输出端口1的光场E₁(t)中E_C(t)、E_S(t)的相位差

和端口2的中E_C(t)、E_S(t)的相位差

之差

为180°的奇数倍， 且E_C(t)、E_S(t)保持偏振平行。 

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述平衡光电探测器： 

平衡光电探测器中的两个光探测器的性能参数相同且具有足够的响应带宽，输出接成差分形式，两个平衡探测输出的两支路光电流I₁(t)和I₂(t)相减，使直流和信号间拍频干扰成分相消叠加成分，OFDM信号成分相长叠加，得到的电流I(t)=I₁(t)-I₂(t)只包含幅度倍增的OFDM信号成分，而直流成分和信号间拍频干扰成分被消除。 

5.一种能够消除信号间拍频干扰的平衡光电探测接收系统，其特征在于，所述系统能够消除SSB-OOFDM信号光电转换产生的信号间拍频干扰，有效降低光载波和OOFDM信号之间的保护带宽，提高SS-OOFDM系统的频谱效率，具体包括： 

一个波分器件，用于将接收的SSB-OOFDM信号的光载波和OOFDM信号分离； 

一个2×2的光耦合器件，用于实现光载波和OOFDM信号的等幅、同偏振再耦合，使输出的两个耦合光信号中的光载波和OOFDM信号相位差之差为180°； 

一个平衡光电探测器，将光耦合器输出的两路光信号进行平衡探测，输出差分的光电流。 

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