CN103905124B - 一种qpsk光调制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种QPSK光调制方法及系统。该方法包括:步骤1，确定旋转控制位的状态;步骤2，根据所述旋转控制为的状态确定不需要旋转时，将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号透明传输到数模转换模块;根据所述旋转控制为的状态确定需要旋转时，将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并光调制编码信号进行阻波板操作，经过阻波板操作后的光调制编码信号传输到数模转换模块。本发明改进了光波传输中偏振态的利用方式，同时还可以对不同的偏振态组合进行复用，提高了每个符号所包含的比特数，相比传统的调制格式，降低了每比特的功耗，提高了带宽利用率。

Description

一种QPSK光调制方法及系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种QPSK光调制方法及系统。

背景技术

高速率高质量数据和视频等业务的不断发展，对于电信骨干网络的传输带宽提出了更高的要求。相干光接收技术因为高灵敏度，灵活的电域处理等优势，越来越多的应用于高速光纤通信系统中。相干接收技术不仅仅可以提供信号损伤处理，还可以接收同时接收电磁场正交和同相两个分量，以及两个不同的偏振方向。

光也属于一种电磁波。电磁场包含4个独立地分量，包括两个相位分量(同相(in-phase)，正交(quadrature))和两个偏振分量(X方向，Y方向)。光信号的场可表示如下形式：

其中，x和y分别表示偏振态，i和q分别表示信号的实部和虚部(对应同相和正交相位)。对应的和取值范围为(-π,π]。所以信号光的4个维度都可以用来传递数据信息.

在光纤通信系统中，与传统的调制格式相比(如BPSK或QPSK)，4维度调制格式可以有着更低的功耗和更高的接收灵敏度。其中8状态调制的偏振转换正交键控编码调制(PS-QPSK)和16状态调制电平的偏分复用正交键控调制是目前应用比较成熟的高级多级调制格式。两者都利用了光的偏振态进行信息的携带。光源由平行(X方向)和垂直(Y方向)的两个相互独立的偏振分量构成，偏振分束器和偏振合束器可以对激光器产生的光源的两个分量进行分离和耦合。偏分复用技术由于相干技术的发展而备受瞩目。由于光信号的两个正交偏振分量之间相互独立，将信息以某种方式加载到这两个独立的偏振分量上传输可以充分增加频谱效率。四维度调制格式近年有了较大的发展，提出了6P-QPSK24和6P-QPSK32。6P-QPSK24调制格式产生了6种不同的偏振模式而且同时传输正交和同相的相位信号，所以这种调制方式被称作6p-QPSK24，它包含了PM-QPSK与PS-QPSK调制方式的所有状态，其单位比特的接收灵敏度和功耗性能都优于传统的BPSK调制方式。6P-QPSK32在6P-QPSK24的基础上优化了星座图的分布，进一步提高了带宽利用率。

PM-QPSK包含有四个偏振态，分别是±45°，RHC，LHC。阻波板(retarderwaveplate)可以将它们装换成(x，y，±45°)，偏振转换器(polarizationrotator)可以将它们装换成(x，y，LHC，RHC)。上述说明了，单纯的x或者y偏振光只能单独地和±45°或者圆偏振中的一种一同出现。很显然地，这个方法告诉了我们，可以利用额外的两个偏振态(每个偏振态可以有4种相位情况，总共是8个状态)来表示信号。这种情况我们就将它利用到了前面的调制格式PS-QPSK，定义C₁＝(±1，±1，±1，±1),集合C₁可以用来数学表征PM-QPSK的相位组合。定义C₂＝(±2,0,0,0),其中C₂中的非零项可以变换位置，集合C₂数学表征PS-QPSK格式。定义C₃是C₁与C₂的并集，C₃就是用来数字表征6P-QPSK24的，6P-QPSK24有六种偏振状态(x，y，±45°，LHC，RHC),每个偏振状态有四个相位情况。一共有4×6＝24种，6P-QPSK24格式所包含的偏振态如图1所示，星座分布如图2所示。

改进型的4维度调制6-QPSK包含了6个偏振态(SOP)，而且具有32个状态(5比特)进一步提升了频谱利用率，这种调制方式被称作6P-QPSK32。6P-QPSK32的实现与6P-QPSK24相比，在硬件设置上改动不大，只是在在调制数据的处理上做了一定的改动。

与PM-QPSK相比，6P-QPSK-32相比PM-QPSK虽然在灵敏度上有2.5dB的功率代价，但是比相同波特率的偏分复用星形8QAM(正交幅度调制)，性能提高了1.4dB。所以6P-QPSK-32可以作为弹性光网络中PM-QPSK和PM-8QAM之间的替代选择。

现有调制6P-QPSK-32的方案采用了旋转6P-QPSK24星座图的方式，在此称为6P-QPSK-32-rotation，如图3所示，这种调制格式包含的6种偏振态和6P-QPSK相同。事实上，6P-QPSK-32-rotation相当于包含了两个4偏振态组(如图中的实心圆和空心圆圈)，所以总共8个偏振态，每个偏振态对应4个相位信息，因此得到了一个32状态的调制格式，在6P-QPSK-32-rotation中，RHC和LHC被同时被两个组利用。通过上述分析，这种调制信号，每个符号可以携带5比特的信息。第1比特决定旋转与否，后4比特携带在一个PM-QPSK符号中。

现有的6P-QPSK-32-rotation只采用的偏振旋转[X，Y，±45°]的方式，而另外有一组偏振态组合[X，Y，LHC，RHC]未被利用，没有充分应用光波传输的所有偏振状态，缺乏一定的灵活性。

发明内容

为了解决上述的技术问题，提供了一种QPSK光调制方法及系统，其目的在于，提供更高效的调制方式。

本发明提供了一种QPSK光调制方法，包括：步骤1，确定旋转控制位的状态；步骤2，根据所述旋转控制位的状态确定不需要旋转时，将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号透明传输到数模转换模块；根据所述旋转控制位的状态确定需要旋转时，将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号进行阻波板操作，经过阻波板操作后的光调制编码信号传输到数模转换模块。

本发明提供了一种QPSK光调制系统，该系统包括：旋转控制模块、X方向光调制编码模块、Y方向光调制编码模块、以及阻波板操作模块；所述旋转控制模块，用于在根据旋转控制位的状态确定不需要旋转时，将所述阻波板操作模块控制为透明传输的状态；X方向光调制编码模块，用于对2比特信号进行X方向光调制编码；Y方向光调制编码模块，用于对2比特信号进行Y方向光调制编码；所述阻波板操作模块，用于在根据旋转控制位的状态确定需要旋转时，将光调制编码信号进行阻波板操作。

本发明提供了一种QPSK光调制方法，该方法包括：步骤1，确定偏振态控制位的状态；步骤2，根据所述偏振态控制位的状态确定当前为直接旋转调制状态时，将10个比特分为各5个比特的两组分别进行6P-QPSK光调制；根据所述偏振态控制位的状态为旋转和阻波组合状态时，根据调制控制位确定将9个比特分为各5个比特和4个比特的两组分别进行6P-QPSK光调制和PM-QPSK光调制；其中PM-QPSK光调制包括：将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号进行阻波板操作。

本发明提供了一种QPSK光调制系统，该系统包括：偏振态状态确定模块、6P-QPSK光调制模块、以及PM-QPSK光调制模块；所述偏振态状态确定模块，用于根据偏振态控制位的状态确定当前为直接旋转调制状态或旋转和阻波组合状态；所述6P-QPSK光调制模块，用于根据所述偏振态控制位的状态确定当前为直接旋转调制状态时，将10个比特分为各5个比特的两组分别进行6P-QPSK光调制；用于根据所述偏振态控制位的状态为旋转和阻波组合状态时，将9个比特中的5个比特进行6P-QPSK光调制；PM-QPSK光调制模块，用于根据所述偏振态控制位的状态为旋转和阻波组合状态时，将9个比特中的4个比特进行PM-QPSK光调制；其中PM-QPSK光调制包括：将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号进行阻波板操作。

本发明不需要改变目前常用的PM-QPSK发射机结构，仅仅需要对发射机端数据处理模块中采用算法进行简单调整，改进了光波传输中偏振态的利用方式，采用合理的编码方式，灵活的应用不同的偏振态组合，同时还可以对不同的偏振态组合进行复用，充分将所有邦加球上互不干扰相互独立的偏振态组合应用到信息传输中，提高了每个符号所包含的比特数，相比传统的调制格式，降低了每比特的功耗，提高了带宽利用率。

附图说明

图1为6P-QPSK格式所包含的偏振态

图2为6P-QPSK24的星座分布；

图3为6P-QPSK32-rotation的偏振星座图；

图4(a)为PM-QPSK通过阻波片后的偏振态；

图4(b)PM-QPSK通过45°旋转器后的偏振态；

图4(c)为图4(a)与图4(b)的并集；

图5为6P-QPSK-32-retarder调制框图；

图6为6P-QPSK-32-retarder发射机数据处理流程；

图7为6P-QPSK-32-retarder包含的偏振态；

图8为6P-QPSK-48的星座图；

图9为6P-QPSK-32-retarder发射机数据处理流程。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。

PM-QPSK包含有四个偏振态，分别是[±45°，RHC，LHC]。现有的6P-QPSK32-rotation采用的数据处理方式相当于将PM-QPSK信号经过一个偏振转换器(polarizationrotator)，这样两个偏振态组分别是[±45°，RHC，LHC](转换前)和[X，Y，LHC，RHC]。阻波板(retarderwaveplate)可以将[±45°，RHC，LHC]转换成[X，Y，±45°]。因此单纯的X或者Y偏振光只能单独地和±45°或者圆偏振中的一种一同出现。可以利用额外的两个偏振态(每个偏振态可以有4种相位情况，总共是8个Levels)来表示信号。

本发明提出的6P-QPSK-32retarder和6P-QPSK48利用了[±45°，RHC，LHC]及其对应的转换偏振态组[X，Y，LHC，RHC]，充分利用了偏振态组合中的所有偏振态。采用偏振光经过阻波板的物理原理，区别于偏振旋转器的生成模式，是现有6P-QPSK32生成方式的有效补充。

6P-QPSK48采用分组的方式，合理的将上述3个偏振态组都应用于信息传输，充分利用了光波的偏振特性，每个调制符号具有48个状态，进一步提高了光纤通信系统的调制效率和带宽利用率。

实施例

A)6P-QPSK32retarder

斯托克斯参量在定义调制格式的光场的偏振态是十分有意义的，斯托克斯参量的定义是：

$S=\left(\begin{array}{c}{S}_0\\ S_1\\ S_2\\ S_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\left({\left|E_x\right|}^2\right)+\left({\left|E_y\right|}^2\right)\\ \left({\left|E_x\right|}^2\right)-\left({\left|E_y\right|}^2\right)\\ 2E_x{E}_{y}cos{\mathrm{\θ}}_r\\ 2E_x{E}_y{\mathrm{sin\θ}}_r\end{array}\right)$

在正交直角坐标系中，点(S₁,S₂,S₃)在以S₀为半径的球上，按照这个定义，列举了一些特殊偏振光的斯托克斯参量，见表1：

表1斯托克斯参量

PM-QPSK涉及到的4个偏振态是(LHC，RHC，45°Linear,-45°Linear)，将这些偏振态的斯托克斯参量放置在一个矩阵中：

$X=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& -1\end{array}\right]$

光学器件中，阻波片(retarderwaveplate)，对光场的载波进行一个Δ的时延，它的米勒矩阵形式是：

$\begin{array}{cc}{R}_1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos\mathrm{\Δ}& 0& -sin\mathrm{\Δ}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& sin\mathrm{\Δ}& 0& \cos \mathrm{\Δ}\end{array}\right]& \mathrm{\Δ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\end{array}$

$X\·R_1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& -1\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 1& 1& 0& 0\\ 1& -1& 0& 0\end{array}\right]$

可以得知：简单的阻波片可以将PM-QPSK所涉及的4个偏振态转换为(±45°线偏振，X和Y)。

偏振旋转器(polarizationrotator)的米勒矩阵形式是：

$R_2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& cos2\mathrm{\θ}& -\sin 2\mathrm{\θ}& 0\\ 0& sin2\mathrm{\θ}& \cos 2\mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$X\·R_2=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 1& 0\\ 1& 0& -1& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& -1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& -1& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 1& 0& 0\\ 1& -1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 1\\ 1& 0& 0& -1\end{array}\right]$

可以得知，45°偏振旋转器可以将PM-QPSK所涉及的4个偏振态转换为(X,Y,RHC,LHC)。运用阻波片和偏振旋转器使得偏振态的变化如图4所示。

6P-QPSK-32retarder的调制框图如图5所示。数据处理模块中，除了QPSK编码器部分，需要两个新的算法模块，用于旋转调制信号的偏振态。根据编码中偏振态旋转位，每路载波信号与旋转矩阵相乘，如果旋转位是0，那么不对载波的偏振态进行旋转，如果旋转位是1，对载波偏振态进行旋转，其它部分和一般的PM-QPSK调制方案是一样的。

图6所示为6P-QPSK-32retarder发射机数据处理流程高速4通道DAC数模转换器，可以提供4路双极性高速电信号。输出的信号可以作为双偏振QPSK调制器的驱动信号。DSP中增加了两个单独的运算单元用来根据旋转数据位来对信号的偏振态进行操作。如果旋转位b₀＝0，维持原有偏振态，如果旋转位b₀＝1，对偏振态进行旋转，等效于PM-QPSK信号经过一个阻波板，这样就获得了两组偏振态，如图7所示，实心点为通过阻波板前[±45°，RHC，LHC]，空心点为通过阻波板后旋转的偏振态[±45°，X，Y]。

B)6P-QPSK-48

在PM-QPSK格式中，四种可能的偏振态被传输，分别是(RHC,LHC,+45°LINEAR,-45°LINEAR),每个偏振态上再加载一个QPSK信号，前面分析到，阻波片能在不影响性能的前提下，将这些偏振状态转换成线偏振状态(45°Linear,-45°Linear,X,Y)，或者偏振旋转器在不影响性能的前提下，将这些偏振状态转换成(RHC,LHC,X,Y)，将6P-QPSK-32-rotation和6P-QPSK-32-retarder组合起来，可以获得更高的频谱效率，图8显示的是6P-QPSK-48的星座图。

圆圈显示是PM-QPSK，方框代表PM-QPSK-rotation,三角形代表PM-QPSK-retarder。总共有48个等级，48²＝2304，趋近2¹¹＝2048，所以，将11bits编码在2个符号中，编码映射规则如表2，其中第1比特和第2比特用于确定后面两个符号的组合。

表26P-QPSK-48的比特映射规则

DSP中增加了偏振状态选择单元，决定后面10位或者9位的调制状态。b0、b1是符号组合旋转位，如果旋转位b0＝0，后面的10位映射为两组6P-QPSK32-ROTATION编码，如果b0＝1，b1＝0，后面9位按顺序映射为一个6P-QPSK-32-ROTATION和一个PM-QPSK-RETARDER编码；如果b0＝1，b1＝1，后面9位按顺序映射为一个PM-QPSK-RETARDER和一个6P-QPSK32-ROTATION编码；所以两个符号包含了11比特的数据，每符号5.5比特。

高速4通道DAC数模转换器，可以提供4路双极性高速电信号。输出的信号可以作为双偏振QPSK调制器的驱动信号。DSP中增加了两个单独的运算单元用来根据旋转数据位来对信号的偏振态进行操作。如果旋转位b0＝0，维持原有偏振态，如果旋转位b0＝1，对偏振态进行旋转，等效于PM-QPSK信号经过一个阻波板，这样就获得了两组偏振态，如图7所示，实心点为通过阻波板前[±45°，RHC，LHC]，空心点为通过阻波板后旋转的偏振态[±45°，X，Y]。

本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (2)

1.一种QPSK光调制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，确定偏振态控制位的状态；

步骤2，根据所述偏振态控制位的状态确定当前为直接旋转调制状态时，将10个比特分为各5个比特的两组分别进行6P-QPSK光调制；根据所述偏振态控制位的状态为旋转和阻波组合状态时，根据调制控制位确定将9个比特分为各5个比特和4个比特的两组分别进行6P-QPSK光调制和PM-QPSK光调制；其中PM-QPSK光调制包括：将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号进行阻波板操作。

2.一种QPSK光调制系统，其特征在于，该系统包括：偏振态状态确定模块、6P-QPSK光调制模块、以及PM-QPSK光调制模块；

所述偏振态状态确定模块，用于根据偏振态控制位的状态确定当前为直接旋转调制状态或旋转和阻波组合状态；

所述6P-QPSK光调制模块，用于根据所述偏振态控制位的状态确定当前为直接旋转调制状态时，将10个比特分为各5个比特的两组分别进行6P-QPSK光调制；用于根据所述偏振态控制位的状态为旋转和阻波组合状态时，将9个比特中的5个比特进行6P-QPSK光调制；

PM-QPSK光调制模块，用于根据所述偏振态控制位的状态为旋转和阻波组合状态时，将9个比特中的4个比特进行PM-QPSK光调制；其中PM-QPSK光调制包括：将分为两组的4比特信号分别进行X方向光调制编码和Y方向光调制编码，并将光调制编码信号进行阻波板操作。