CN104618023B - 一种光链路线性化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光链路线性化方法，所述方法包括：S1、从光链路中获取光信号，并从所述光信号中探测恢复出失真的电信号；S2、根据所述失真的电信号，构建补偿信号；S3、利用所述补偿信号对所述失真的电信号进行补偿，以使所述光链路线性化。本发明的光链路线性化方法的光链路为非相干强度调制直接探测链路，通过结合光学下变频和数字后处理的非线性补偿算法实现载波带内交调失真IMD3和载波间互调失真XMD的同时抑制。降低现有相干探测技术实验操作复杂度，增加系统稳定性。同时避免现有技术方案中在数字域建立非线性补偿信号时对链路参数的精确估计或者精心构建补偿光路，简化现有非线性抑制算法的实现难度。

Description

一种光链路线性化方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种光链路线性化方法。

背景技术

模拟光链路具有低功耗、高带宽、抗电磁干扰等显著的优势，在产生、分布、控制和处理射频信号等研究方面崭露头角，已经得到了国内外研究学者积极的探索。光子技术在处理超宽带、高频率和多载波信号方面具有先天独特的优越性。但是，绝大部分的模拟光链路都不可避免的包含了电-光转换和光-电转换模块，而由此所产生的非线性严重限制了链路的性能。在传统的宽带多载波强度调制直接探测模拟光链路中，由电光调制器非线性调制所引起的谐波失真(Harmonic Distortion,HD)、载波带内交调失真(third-orderIntermodulation Distortion，IMD3)和载波间互调失真(cross-over ModulationDistortion，XMD)对输出目标载波信号造成了严重的干扰，在一定程度上恶化了链路系统的无杂散动态范围。

图1为现有的基于数字后补偿的载波带内交调失真(IMD3)补偿结构图。在数字域内，构建一个与实际链路物理模型相接近的数字域非线性系统，将模数转换模块输出的信号X分成两路处理[1]，将其中一路信号再次通过所述非线性系统，信号X将会重新产生信号项和失真项：X+X'；失真项X'再次通过非线性系统后将得到X'和更高一阶的失真项X″，即X+X'再次通过非线性系统后将得到：X+2X'+X″，如图1所示；另一路附加特定的修正系数a₀。以此递推，上一级的信号项和失真项用线性均衡滤波器作均衡和归一化处理后，作为信号通过下一级，分析发现各级信号和失真的系数呈杨辉三角分布，第n级可表示为：X+nX'+.....+nX^(n-1)+X⁽ⁿ⁾。根据失真信号的强度选取需要通过的最佳级数和修正系数的值，通过该数学算法，可抑制不同阶次的交调失真和谐波失真，实现动态范围最大程度的提升。

图2为现有的基于预失真的载波间互调失真(XMD)补偿结构图。该方案中采用低偏置的双输出马赫增德尔调制器，其中一个输出端口用于接收失真信号，另一输出端口输出用于构建补偿信号，通过光电转换、低通滤波、求逆、附加增益、移相等过程得到失真补偿信号[2]。基于预失真非线性补偿技术是通过精确获知实际物理链路模型的系统传递函数，对所估计的传递函数构造出相应的反函数，使由调制器固有的非线性失真与所构造的非线性失真幅度相等而相位相反，实现对失真信号的线性化。

图3为现有的基于数字后补偿的载波间互调失真(XMD)的抑制结构图。该方案采用前向失真信号提取和后向数字信号处理的方法，通过额外建立一个非线性失真信号光路，实现对补偿信号的提取[3]。该方案中通过偏振调制器和偏振分束器的组合，可以实现载波抑制上边带调制。偏振分束器的上输出臂通过探测器进行接收，从而将信道间的XMD信息接收下来，为后续数字信号补偿提供补偿信息。下输出臂则是与本振光混合并被平衡探测器接收，然后通过数据采集卡，将中频模拟信号转化为数字信号。在数字域内，通过上臂采集到的补偿信号对失真信号进行线性化处理。

图1所示的结构存在的问题如下：图1所示结构的方案是将接收到的失真信号在数字域内反复通过一个与实际物理模型一样的非线性系统。实验中需要对物理模型具体参数的精确获知以达到数字域内对非线性系统的精准构建，有关链路系统性能的参数，例如探测光功率、光电探测器响应度、调制器偏置点和半波电压等，若不能对所述参数精确获知，会造成传递函数的不匹配，算法就会失效。

图2所示的结构存在的问题如下：图2所示结构的方案依赖于失真信号与补偿信号的相对强度，并且当实验带宽很宽时，需要精确的匹配失真信号与补偿信号的相位延迟，很大程度上限制了链路的操作带宽。并且预失真电路结构复杂，较难控制。

图3所示的结构存在的问题如下：图3所示结构的方案通过额外的搭建一条光路来收集非线性补偿信号，增加了数字信号处理单元的数据处理量。同时失真信号和补偿信号之间将面临非常苛刻的同步问题，任何相位偏移均可能导致方案失效，增加了实验操作的复杂度和难度。

背景技术涉及的参考文献：

[1]D.Lam,A.M.Fard,B.Buckley,and B.Jalali,“Digital broadbandlinearization of optical links,”Opt.Lett.38(4),446-448(2013).

[2]A.Agarwal,T.Banwell,P.Toliver,and T.K.Woodward,“Predistortioncompensation of nonlinearities in channelized RF photonic links using a dual-port optical modulator,”IEEE Photon.Technol.Lett.23(1),24-26(2011).

[3]X.Xie,Y.Dai,K.Xu,J.Niu,R.Wang,L.Yan,Y.Ji,and J.Lin,“Digital jointcompensation of IMD3and XMD in broadband channelized RF photonic link,”Opt.Express 20(23),25636-25643(2012).

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现对载波带内交调失真(IMD3)和载波间互调失真(XMD)的同时抑制，降低现有技术实验操作复杂度，增加系统稳定性，同时避免现有技术中在数字域建立非线性补偿信号时对链路参数的精确估计或者构建补偿光路。

为此目的，本发明提出一种光链路线性化方法，所述方法包括：

S1、从光链路中获取光信号，并从所述光信号中探测恢复出失真的电信号；

S2、根据所述失真的电信号，构建补偿信号；

S3、利用所述补偿信号对所述失真的电信号进行补偿，以使所述光链路线性化。

可选的，在步骤S1中，所述失真的电信号为：

其中，S(t)为失真的电信号，a₀～a₃为根据所述光链路确定的常数，ω_k为第k个载波的中心频率，A_k(t)为第k个载波的振幅包络，为第k个载波的载波相位，k为不大于预设载波个数的正整数，A_m(t)为第m个载波的振幅包络，m为不大于预设载波个数减1的正整数。

可选的，在步骤S1中，所述失真的电信号包括：载波带内交调失真IMD3信号以及载波间互调失真XMD信号；其中，所述IMD3信号为所述XMD信号为：

可选的，在步骤S2中，所述补偿信号包括：XMD补偿信号以及IMD3补偿信号；

其中，所述XMD补偿信号为所述S₀满足：

所述γ为XMD补偿系数且满足下式：

所述IMD3补偿信号为：

其中，S_IMD3c为IMD3补偿信号，λ为IMD3补偿系数且满足：所述S₁满足：

可选的，在所述步骤S1中，所述光链路为非相干强度调制直接探测链路，相应地，所述失真的电信号为：

其中，S(t)为失真的电信号，为光电探测器响应度，I_PD为探测光电流，Z_PD为匹配阻抗，为偏置点角度，V_π为调制器半波电压；

x(t)为调制的宽带多载波射频信号，且满足：

相应地，在步骤S2中，所述XMD补偿系数γ满足：

所述IMD3补偿系数λ满足：

其中，OIP₃为所述光链路的输出三阶截断点。

可选的，所述步骤S2，包括：

S21、接收预设的调制器偏置点控制器发送的偏置点角度

S22、根据探测得到的载波信号功率以及所述IMD3信号的功率，得到光链路的输出三阶截断点OIP₃；

S23、根据所述偏置点角度以及所述光链路的输出三阶截断点OIP₃，得到所述XMD补偿系数γ以及所述IMD3补偿系数λ；

S24、根据所述XMD补偿系数γ以及所述IMD3补偿系数λ，构建补偿信号。

相比于现有技术，本发明的光链路线性化方法的光链路为非相干强度调制直接探测链路，通过结合光学下变频和数字后处理的非线性补偿算法实现载波带内交调失真(IMD3)和载波间互调失真(XMD)的同时抑制。降低现有相干探测技术实验操作复杂度，增加系统稳定性。同时避免现有技术方案中在数字域建立非线性补偿信号时对链路参数的精确估计或者精心构建补偿光路，简化现有非线性抑制算法的实现难度。通过简单的设计以及简便的操作实现对非线性失真的最大程度抑制，提高链路的动态范围。

附图说明

图1为现有的基于数字后补偿的载波带内交调失真(IMD3)补偿结构图；

图2为现有的基于预失真的载波间互调失真(XMD)补偿结构图；

图3为现有的基于数字后补偿的载波间互调失真(XMD)的抑制结构图；

图4为本发明的光链路线性化方法流程图；

图5为本发明的光链路线性化方法原理图；

图6为应用本发明的光链路线性化方法的系统结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本实施例公开一种光链路线性化方法，所述方法包括：

S1、从光链路中获取光信号，并从所述光信号中探测恢复出失真的电信号；

S2、根据所述失真的电信号，构建补偿信号；

S3、利用所述补偿信号对所述失真的电信号进行补偿，以使所述光链路线性化。

如图5所示，本实施例中，非线性补偿信号直接从硬件接收到的失真信号中提取，在数字域内直接实现对失真信号的线性化，避免了对实际物理模型的数字域精确重建和失真信号与补偿信号之间的不同步导致对失真抑制的不敏感。

调制的宽带多载波射频信号可以表示为：

其中，ω_k为第k个载波的中心频率，A_k(t)为第k个载波的振幅包络，为第k个载波的载波相位，k为不大于预设载波个数的正整数。

对于非相干探测光链路，非线性失真信息可以表示：

S(t)＝a₀+a₁x(t)+a₂[x(t)]²+a₃[x(t)]³+……(2)

其中a_i(_i＝0,1,2,3…)是与给定的非相干探测光链路中具体参数相关的系数。在小信号近似条件下，高于3阶以上的失真可以近似忽略.将(1)式代入到(2)中，那么失真的电信号可以表示为：

其中，S(t)为失真的电信号，a₀～a₃为根据所述光链路确定的常数，ω_k为第k个载波的中心频率，A_k(t)为第k个载波的振幅包络，为第k个载波的载波相位，k为不大于预设载波个数的正整数，A_m(t)为第m个载波的振幅包络，m为不大于预设载波个数减1的正整数。例如，若预设的载波个数为10，则k的取值为1～10，而m为1～9。

由此可以看出，模拟光链路在宽带多载波工作状态下，载波频率信号既受到载波间互调失真(XMD)的影响，又受到载波带内交调失真(IMD3)的影响，两种失真并存。通过(3)式发现，XMD非线性，即存在于第二项(2nd)中。

同时基带信号中，即第一项(1st)中的也包含了包括XMD和IMD3在内的非线性失真信息。通过光学下变频，第一项(1st)和第二项(2nd)都被数字化接收。将基带处的非线性提取出来作为补偿信号，在数字域内引入带通滤波器和低通滤波器将接收到的信号进行分割，分别获取到低通边带和带通边带，如下式所示：

经过XMD补偿后的信号可表示为：

当补偿系数γ满足(7)时，XMD可完全得到消除：

通过式(8)，得到IMD3补偿信号：

S_L(t)为经过XMD和IMD3补偿后的电信号，由(8)和(9)式推导可知，当IMD3的补偿系数满足时，IMD3也完全得到了补偿。

最终，得到了宽带多载波模拟光链路XMD和IMD3非线性的普适补偿公式：

F{}为低通滤波器，本实施例中光链路为非相干强度调制直接探测链路，则光信号为：

其中，S(t)为失真的电信号，为光电探测器响应度，I_PD为探测光电流，Z_PD为匹配阻抗，为偏置点角度，V_π为调制器半波电压。

由此可计算出补偿系数与调制器偏置点和链路输出三阶截断点之间的关系，即：

通过预设的调制器偏置点控制电路计算出调制器工作的具体偏置角度；通过输出目标载波信号和IMD3边带功率，计算链路输出三阶截断点OIP3；根据式(12)、(13)计算出XMD补偿系数和IMD3补偿系数。

如图6所示，为本实施例提供的一种的基于数字信号处理的多源非线性补偿的大动态模拟光链路的结构原理示意图。该发明结构系统包括连续光源、偏置点控制电路、两个强度调制器、射频信号发生器、探测器。连续光源通过第一个调制器将多载波信号调制到光载波上，偏振控制器的作用是使输出光波的偏振方向与调制器的主轴对准。第二个调制器实现对目标载波的光学下变频。接收到的中频信号经通过高精度的数据采集卡数字化，并进行后续的数字线性化处理。图6中的数字信号处理模块实现图5的流程。

激光器输出波长为1550nm，功率为16dBm。注入目标载波双音射频信号的频率分别为15和14.933GHz，串扰载波信号频率分别为2.5和2.496GHz，所选用的本振信号的频率为14.9365GHz。调制信号注入探测器(EM4，响应度为0.92A/W)实现信号的解调，接收到的中频信号经通过高精度的数据采集卡(ADlink，14bit，200MS/s)数字化，并进行图4所示数字信号处理单元，进行的线性化处理。本实施例中，第一个调制器的偏置点固定在120°，第二个调制器偏置在正交点上，接收到的光功率0dBm。在数字域内，通过数字窄带信息提取，可分别得到相应的中频信号和基带。

未经线性化的系统，目标中频信号同时受到了互调失真和交调失真的严重影响。首先固定目标信号功率为6.5dBm，从-3.5dBm到6.5dBm扫描带外串扰频率，计算得到的目标中频与XMD边带的抑制比，通过DSP算法处理后抑制比提高了33dB。同时，固定串扰频率载波6.5dBm，扫描目标信号，目标中频边带与XMD边带的抑制比提升了30dB。

利用所提出的XMD补偿算法，XMD对目标中频边带的影响被限制在了IMD3以下，目标中频信号仅受IMD3的限制。通过在数字域内建立IMD3补偿信号，目标中频对IMD3边带的抑制比从38.5dB提升到了63.5dB，经过DSP线性化后，测得IMD3边带随注入目标载波功率呈5倍的速度增长，即五阶交调失真为系统的主要交调失真受限类型，IMD3完全得到抑制。测得链路输出本底噪声谱密度为-164.2dBm/Hz,系统为散粒噪声受限。本实施例中链路无杂散动态范围提升了22dB，很大程度上提升了链路性能。

本发明相对于其他类似技术，有以下优点：

不需要额外的构建非线性补偿光路来获取非线性补偿信息或者在数字域内重新构建与实际参数相匹配的链路模型，补偿信号直接由数字滤波器从接收到的失真信号中提取出来，极大的降低了实验操作的复杂性和增加了算法的可行性。

由于失真信号与补偿信号同时由探测器非相干探测接收，避免了两信号之间的不同步问题。

本发明建立在非相干的基础上，相比相干探测实验稳定性更强，大大增加了可实现性和稳定性。

实施例中的光链路为非相干强度调制直接探测链路，通过结合光学下变频和数字后处理的非线性补偿算法实现载波带内交调失真(IMD3)和载波间互调失真(XMD)的同时抑制。降低现有相干探测技术实验操作复杂度，增加系统稳定性。同时避免现有技术方案中在数字域建立非线性补偿信号时对链路参数的精确估计或者精心构建补偿光路，简化现有非线性抑制算法的实现难度。通过简单的设计以及简便的操作实现对非线性失真的最大程度抑制，提高链路的动态范围。

通过在数字域内选择合适的滤波器匹配带宽、利用预设的偏置点控制电路获取调制器工作点以及在数字域内计算输出三阶截断点，实现对失真信号和补偿信号的提取，达到了以下有益效果：

不需要额外的构建非线性补偿光路来获取非线性补偿信息或者在数字域内重新构建与实际参数相匹配的链路模型，补偿信号直接由数字滤波器从接收到的失真信号中提取出来，极大的降低了实验操作的复杂性和增加了算法的可行性。

由于失真信号与补偿信号同时由探测器非相干探测接收，避免了两信号之间的不同步问题。

本发明建立在非相干的基础上，相比相干探测实验稳定性更强，大大增加了可实现性和稳定性。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种光链路线性化方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、从光链路中获取光信号，并从所述光信号中探测恢复出失真的电信号；

S2、根据所述失真的电信号，构建补偿信号；

S3、利用所述补偿信号对所述失真的电信号进行补偿，以使所述光链路线性化；

在步骤S1中，所述失真的电信号为：

其中，S(t)为失真的电信号，a₀～a₃为根据所述光链路确定的常数，ω_k为第k个载波的中心频率，A_k(t)为第k个载波的振幅包络，为第k个载波的载波相位，k为不大于预设载波个数的正整数，A_m(t)为第m个载波的振幅包络，m为不大于预设载波个数减1的正整数；

在步骤S1中，所述失真的电信号包括：载波带内交调失真IMD3信号以及载波间互调失真XMD信号；其中，所述IMD3信号为所述XMD信号为：

$\underset{m}{\Σ}{A}_m^2\left(t\right);$

在步骤S2中，所述补偿信号包括：XMD补偿信号以及IMD3补偿信号；

其中，所述XMD补偿信号为所述S₀满足：

$S_0=a_0+\frac{a_2}{2}\underset{k}{\Σ}{A}_k^2\left(t\right);$

所述γ为XMD补偿系数且满足下式：

$\mathrm{\γ}=-3\frac{a_3{a}_0}{a_1{a}_2};$

所述IMD3补偿信号为：

$S_{IMD3c}=1+{\mathrm{\λS}}_1^2=1+\frac{1}{2}{\mathrm{\λa}}_1^2{A}_k^2\left(t\right);$

其中，S_IMD3c为IMD3补偿信号，λ为IMD3补偿系数且满足：所述S₁满足：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述光链路为非相干强度调制直接探测链路，相应地，所述失真的电信号为：

其中，S(t)为失真的电信号，为光电探测器响应度，I_PD为探测光电流，Z_PD为匹配阻抗，为偏置点角度，V_π为调制器半波电压；

x(t)为调制的宽带多载波射频信号，且满足：

相应地，在步骤S2中，所述XMD补偿系数γ满足：

所述IMD3补偿系数λ满足：

$\mathrm{\λ}=-\frac{3a_3}{2a_1^3}=\frac{1}{{\mathrm{OIP}}_3{Z}_{PD}}$

其中，OIP₃为所述光链路的输出三阶截断点。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：

S21、接收预设的调制器偏置点控制器发送的偏置点角度

S22、根据探测得到的载波信号功率以及所述IMD3信号的功率，得到光链路的输出三阶截断点OIP₃；

S23、根据所述偏置点角度以及所述光链路的输出三阶截断点OIP₃，得到所述XMD补偿系数γ以及所述IMD3补偿系数λ；

S24、根据所述XMD补偿系数γ以及所述IMD3补偿系数λ，构建补偿信号。