CN104869092B - 基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统及方法，涉及相干光通信领域。该系统包括发送端和接收端，所述发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；所述接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复。本发明能提高光强度调制信号的传输效率、功率预算，延长传输距离。

Description

基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统及方法
技术领域
本发明涉及相干光通信领域，具体是涉及一种基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统及方法。
背景技术
传统的光强度调制信号通常采用直接检测，该方式有着结构简单、易于实施的优点。光强度调制采用直接检测，不会受到激光器线宽的影响，因此，可以采用成本较低的DFB(Distributed Feed Back，分布反馈激光器)或VCSEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直腔面发射激光器)作为光源。但是，光强度调制采用直接检测，通常会受限于色度色散、光电探测器的灵敏度等因素，因此难以应用于功率预算较高、传输距离较远的场合。另外，传统光强度调制信号中包含较高的光载波功率，严重影响光强度调制信号的传输效率。载波抑制的强度调制在传统系统的发送端虽然有用到过，但是，传统系统的接收端无法恢复载波抑制的强度调制信号。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统及方法，能够提高光强度调制信号的传输效率、功率预算，延长传输距离。
本发明提供一种基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统，包括发送端和接收端，所述发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；所述接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复；所述接收端包括数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片包括低通滤波单元、数字放大单元、运算单元；数字信号处理芯片按照以下步骤对载波抑制的光强度调制信号进行恢复：
在数字域，采用低通滤波单元提取残留载波
数字放大单元对残留载波进行数字放大，得到数字放大的光载波：其中，α为放大系数；
运算单元重新组合和调制信号得到根据公式(5)进行信号恢复：
其中，残留载波和调制信号是复数信号包含的两个部分，复数信号表示ADC采样后得到的I、Q两路数字信号；A为常数，表示残余载波的幅度；dn是最终恢复的信号，A远大于dn。
在上述技术方案的基础上，所述发送端包括马赫-曾德调制器MZM。
在上述技术方案的基础上，所述接收端还包括相干接收机和模数转换器ADC，接收端的相干接收机接收载波抑制的光强度调制信号，相干接收机输出模拟信号至模数转换器ADC，ADC对模拟信号进行采样，得到I、Q两路数字信号，数字信号处理芯片采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对ADC采样得到的I、Q两路数字信号进行恢复。
在上述技术方案的基础上，所述相干接收机包括90度光混频器和平衡探测器。
本发明还提供一种应用于上述系统的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，包括以下步骤：
A、发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；
B、接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复；
步骤B中：
在数字域，采用低通滤波单元提取残留载波
数字放大单元对残留载波进行数字放大，得到数字放大的光载波：其中，α为放大系数；
运算单元重新组合和调制信号得到根据公式(5)进行信号恢复：
其中，残留载波和调制信号是复数信号包含的两个部分，复数信号表示ADC采样后得到的I、Q两路数字信号；A为常数，表示残余载波的幅度；dn是最终恢复的信号，A远大于dn。
在上述技术方案的基础上，所述发送端包括马赫-曾德调制器MZM，步骤A中，MZM采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号dn进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，基带信号dn为实数，n为正整数，表示样点的索引值，即样点的时序。
在上述技术方案的基础上，所述接收端还包括相干接收机和模数转换器ADC，步骤B具体包括以下步骤：
接收端的相干接收机接收载波抑制的光强度调制信号，相干接收机输出模拟信号至模数转换器ADC，ADC对模拟信号进行采样，得到I、Q两路数字信号，数字信号处理芯片采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对ADC采样得到的I、Q两路数字信号进行恢复。
在上述技术方案的基础上，所述相干接收机包括90度光混频器和平衡探测器。
在上述技术方案的基础上，所述数字信号处理芯片包括低通滤波单元、数字放大单元、运算单元，所述低通滤波单元、数字放大单元、运算单元都是软件单元；
步骤B中，将ADC采样得到的I、Q两路数字信号表示为复数信号复数信号包含两个部分：残留载波和调制信号其中：
残留载波属于数字域的信号，与光域的抑制光载波对应，A为常数，表示残余载波的幅度；基带信号dn是调制信号的幅度，n为正整数，表示样点的索引值，即样点的时序；j是数学符号，表示复数的虚部，j2＝-1；exp表示以自然常数e为底的指数函数，fIF表示相干检测本地振荡器LO与信号载波之间的频率偏差，Δθ(n)表示相干检测本地振荡器LO与信号载波之间的相位偏差；
调制信号的幅度dn通过以下公式得到：
公式(4)成立的前提条件是：A必须远大于dn。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明首次提出接收端的相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方法，该数字载波再生方法的前提是：发送端必须采用载波抑制的强度调制方式。本发明发送端的载波抑制的强度调制方式必须配合接收端的相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，二者缺一不可，产生协同效应：发送端采用载波抑制的强度调制方式，能够降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复，最终能够提高光强度调制信号的传输效率、功率预算，延长传输距离。
附图说明
图1是本发明实施例中发送端载波抑制的强度调制的光谱图。
图2是传统强度调制的光谱图。
图3是本发明实施例中接收端数字载波再生的流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明实施例提供一种基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统，包括发送端和接收端，发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复。
发送端可以包括MZM(Mach-Zhender Modulator，马赫-曾德调制器)，接收端包括相干接收机、ADC(Analog-Digital Converter，模数转换器)、数字信号处理芯片，相干接收机包括90度光混频器和平衡探测器，数字信号处理芯片包括低通滤波单元、数字放大单元、运算单元，低通滤波单元、数字放大单元、运算单元都是软件单元，不是硬件器件。
本发明实施例还提供一种应用于上述系统的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，包括以下步骤：
A、发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率。
参见图1所示，发送端可以包括MZM(Mach-Zhender Modulator，马赫-曾德调制器)，步骤A中，MZM采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号dn进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，基带信号dn为实数，n为正整数，表示样点的索引值，即样点的时序。
B、接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复。
步骤B具体包括以下步骤：
接收端的相干接收机接收载波抑制的光强度调制信号，相干接收机输出模拟信号至ADC，ADC对模拟信号进行采样，得到I、Q两路数字信号，数字信号处理芯片采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对ADC采样得到的I、Q两路数字信号进行恢复。
为了便于下文描述，步骤B中，将ADC采样得到的I、Q两路数字信号表示为复数信号复数信号包含两个部分：残留载波和调制信号其中：
残留载波属于数字域的信号，与光域的抑制光载波对应，A为常数，表示残余载波的幅度；基带信号dn是调制信号的幅度，n为正整数，表示样点的索引值，即样点的时序；j是数学符号，表示复数的虚部，j2＝-1；exp表示以自然常数e为底的指数函数，fIF表示相干检测LO(Local Oscillator，本地振荡器)与信号载波之间的频率偏差，Δθ(n)表示相干检测LO与信号载波之间的相位偏差。
调制信号的幅度dn可以通过以下公式得到：
公式(4)成立的前提条件是：A必须远大于dn，这也是为什么传统的光强度调制信号必须包含较大的光载波功率的原因，传统强度调制的光谱参见图2所示。
但是，如果发送端使用载波抑制的强度调制方式，公式(4)就不成立。
公式(4)是本发明的核心，为了满足公式(4)的前提条件，数字信号处理芯片按照以下步骤对载波抑制的光强度调制信号进行恢复：
在数字域，采用低通滤波单元提取残留载波
数字放大单元对残留载波进行数字放大，得到数字放大的光载波：其中，α为放大系数；
运算单元重新组合和调制信号得到根据公式(5)进行信号恢复：
公式(5)是从公式(4)推导出来的，dn就是最终恢复的信号，至此数字载波再生方法就结束了，后面是传统的信号恢复方法。
本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统，包括发送端和接收端，其特征在于：所述发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；所述接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复；
所述接收端包括数字信号处理芯片，所述数字信号处理芯片包括低通滤波单元、数字放大单元、运算单元；数字信号处理芯片按照以下步骤对载波抑制的光强度调制信号进行恢复：
在数字域，采用低通滤波单元提取残留载波
数字放大单元对残留载波进行数字放大，得到数字放大的光载波：其中，α为放大系数；
运算单元重新组合和调制信号得到根据公式(5)进行信号恢复：
其中，残留载波和调制信号是复数信号包含的两个部分，复数信号表示模数转换器ADC采样后得到的I、Q两路数字信号；A为常数，表示残余载波的幅度；dn是最终恢复的信号，A远大于dn。
2.如权利要求1所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统，其特征在于：所述发送端包括马赫-曾德调制器MZM。
3.如权利要求1所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统，其特征在于：所述接收端还包括相干接收机和模数转换器ADC，接收端的相干接收机接收载波抑制的光强度调制信号，相干接收机输出模拟信号至模数转换器ADC，ADC对模拟信号进行采样，得到I、Q两路数字信号，数字信号处理芯片采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对ADC采样得到的I、Q两路数字信号进行恢复。
4.如权利要求3所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生系统，其特征在于：所述相干接收机包括90度光混频器和平衡探测器。
5.一种应用于权利要求1所述系统的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、发送端采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，以降低光载波在整个调制信号中的能量比例，增加实际有效信号的传输效率；
B、接收端采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对载波抑制的光强度调制信号进行恢复；
步骤B中：
在数字域，采用低通滤波单元提取残留载波
数字放大单元对残留载波进行数字放大，得到数字放大的光载波：其中，α为放大系数；
运算单元重新组合和调制信号得到根据公式(5)进行信号恢复：
其中，残留载波和调制信号是复数信号包含的两个部分，复数信号表示ADC采样后得到的I、Q两路数字信号；A为常数，表示残余载波的幅度；dn是最终恢复的信号，A远大于dn。
6.如权利要求5所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，其特征在于：所述发送端包括马赫-曾德调制器MZM，步骤A中，MZM采用载波抑制的强度调制方式，对基带信号dn进行调制，生成一个载波抑制的光强度调制信号，基带信号dn为实数，n为正整数，表示样点的索引值，即样点的时序。
7.如权利要求5所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，其特征在于：所述接收端还包括相干接收机和模数转换器ADC，步骤B具体包括以下步骤：
接收端的相干接收机接收载波抑制的光强度调制信号，相干接收机输出模拟信号至模数转换器ADC，ADC对模拟信号进行采样，得到I、Q两路数字信号，数字信号处理芯片采用相干检测与数字信号处理技术相结合的数字载波再生方式，对ADC采样得到的I、Q两路数字信号进行恢复。
8.如权利要求7所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，其特征在于：所述相干接收机包括90度光混频器和平衡探测器。
9.如权利要求7所述的基于相干检测和数字信号处理的数字载波再生方法，其特征在于：所述低通滤波单元、数字放大单元、运算单元都是软件单元；
步骤B中，将ADC采样得到的I、Q两路数字信号表示为复数信号复数信号包含两个部分：残留载波和调制信号其中：
残留载波属于数字域的信号，与光域的抑制光载波对应，A为常数，表示残余载波的幅度；基带信号dn是调制信号的幅度，n为正整数，表示样点的索引值，即样点的时序；j是数学符号，表示复数的虚部，j2＝-1；exp表示以自然常数e为底的指数函数，fIF表示相干检测本地振荡器LO与信号载波之间的频率偏差，Δθ(n)表示相干检测本地振荡器LO与信号载波之间的相位偏差；
调制信号的幅度dn通过以下公式得到：
公式(4)成立的前提条件是：A必须远大于dn。
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