CN105071894B - 一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方案。在发射端，101₁～101_N产生一路或N路不同波长的非正交的偏振复用(NPDM)相位调制(m‑PSK)信号；NPDM相位调制信号由波分复用器(102)合成为波分复用的NPDM；复用后的光信号进入光纤(103)中进行传输；传输后的光信号由光放大器(104)进行功率补偿；接收端接收到的电信号在数字信号处理单元(108)，实现非正交相位调制信号的解调输出。与传统正交偏振复用(PDM)相位调制信号方案相比，本发明中偏振复用角度大于某个特定小角度的非正交复用相位调制信号都可以自适应的恢复出,对偏振相关损耗有更大的容忍度，适用于长距离传输的骨干网领域。同时该方案还可兼容于传统的PDM方案，极大的提升了未来骨干网传输的灵活性。

Description

一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方法

技术领域

本发明涉及长距离传输的骨干网领域，尤其是一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方法。

背景技术

随着当今信息化社会的持续发展，广大民众对信息的需求呈逐年增长的趋势。光纤通信行业发展的三十年，系统容量与传输距离呈现大约每四年乘十倍的增长。在这种需求下，目前大规模铺设的密集型光波分复用(DWDM)系统正在逐渐耗尽其波长资源。压缩光脉冲从而提升时分复用(TDM)系统的效率也有很大的限制。在这样的背景下，光通信的研究人员急需寻求新的技术，提高通信系统频带利用率。

为了增加传输容量，在单波长信道上普遍采用的是正交的偏振复用(PDM)的传输方式。在两个相互正交的偏振态上，传输不同的业务信号，可以使频谱利用率提升一倍。同时，正交PDM形式的解复用算法比较简单，目前已经成为信号传输网络的标准。偏振复用技术为传输容量和频谱效率的提高做出了较大的贡献。然而，传统的PDM系统，两个偏振态必须严格正交，从而浪费掉了其他偏振态资源，在一定程度上制约了频谱利用率的提升。目前，基于长距离传输的骨干网传输以相位调制为主，随着相位调制的阶数越高，频谱利用率就越高。因此有效的结合非正交偏振态的研究，将进一步提升骨干网的传输容量。

目前国内外有多个研究小组，从偏振态角度出发探索提升频谱利用率。1986年，法国Herard研究小组首先提出使用3个偏振态传输信号，每个偏振复用角度为π/3，实现了首次非正交偏振复用传输。该技术的偏振解复用过程比较复杂，传输过程中信噪比要求很高，传输距离短等众多限制因素，使该研究一直没有得到广泛应用。2013年，中国西南交通大学闫连山教授研究小组首次仿真实现单波长4个偏振态传输信号，每个偏振复用角度为π/4，频谱利用率提升4倍。2014年，丹麦技术大学的José Estarán研究小组使用斯托克斯分析仪，实现4个偏振态解复用，传输距离为2km。由此可以看出，非正交的偏振复用技术可以有效的提升单波长频谱利用率，将是未来偏振态研究的重点以及热点。但是所有的方案仅仅研究了偏振角为45°和60°的复用方案，并且实验研究传输距离最长也只有2km。为了进一步提高传输容量和频谱利用率，也为了灵活的适用于骨干网传输，更小角度、更长传输距离、更高阶相位调制格式的非正交偏振复用技术的研究，具有重要的实际意义和应用前景。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方案。该方案传输距离远，可适用于任意阶的相位调制格式。同时解调算法相对简单，易于工程实现。本方案通过相干检测获得具有强度、相位以及偏振等信息的电信号，并结合数字信号处理的方法，可以实现某个特定小角度的非正交的偏振相位调制信号解调。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方法。主要由沿光路顺序链接的以下器件构成：N路波长的非正交偏振复用相位调制光信号(101₁～101_N)、波分复用器102、光纤103、光放大器104、波分解复用器105、N个光处理单元(106₁～106_N)、N个光电转换器(107₁～107_N)以及数字信号处理单元108；在发射端，产生N路不同波长的非正交的偏振复用NPDM相位调制m-PSK信号；NPDM相位调制信号由波分复用器102合成为波分复用的NPDM；复用后的光信号进入光纤103中进行传输；传输后的光信号由光放大器104进行功率补偿；在接收端，功率补偿后的光信号通过波分解复用器105，分离成N路单波长的非正交的偏振复用相位调制m-PSK信号；将分离之后的光信号分别接入到N个光处理单元(106₁～106_N)实现信号光与本振光的干涉，干涉后的光信号分别通过N个光电转换器(107₁～107_N)得到电信号；接收到的电信号在数字信号处理单元108，实现非正交相位调制信号的解调输出。

上述接收端分离之后的光信号实现非正交相位调制信号的解调输出，包括：

首先，利用相干检测结构提取信号的偏振态信息，得到两路非正交偏振复用信号；

其次，利用偏振旋转单元使输入的两路非正交偏振复用信号的一个轴对准相干检测的一个轴；

接着，提取旋转后的两路非正交偏振复用信号的相位信息，并计算相位的滑动平均值；

最后，利用滑动平均值作为相位追踪的依据，进行两路信号的相位判决，实现两路非正交偏振态信号的解复用操作。

采用本发明的方法，包括以下几个特征：1)非正交的偏振复用角度可以是大于某个特定小角度的任意角度；2)直接采用相干接收的处理方式，不需要改变任何现有网络结构既可实现非正交偏振系统相位调制信号的解复用；3)对偏振相关损耗(PDL)以及偏振模式色散(PDM)具有较大的容忍度。人们对信息的需求呈逐年增长的趋势，系统容量与传输距离呈现大约每四年乘十倍的增长。在这种需求下，长距离传输的骨干网需要进一步的提高传输容量和频谱利用率。但是传统的PDM系统，两个偏振态必须严格正交，从而浪费掉了其他偏振态资源，在一定程度上制约了频谱利用率的提升。本发明的实现了基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方案，打破了传统的严格正交性，为未来进一步提升频谱效率做了探索和实践。所述方案可与其他复用技术结合，如正交频分复用(OFDM)，波分复用(WDM)等，以实现更长传输距离的、更大传输容量的、更高频谱利用率的、灵活的光纤骨干网传输。

基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方案，发射端主要是产生一路或N路非正交的偏振复用(NPDM)相位调制信号(m-PSK)，接收端主要实现一路或N路非正交信号的解复用。在发射机端，需要两个光调制器产生相位调制信号，将产生的两个相位信号通过两个偏振控制器进行调节，实现两路信号偏振态非正交，然后将两个非正交的偏振信号通过一个耦合器实现复用；在接收机端，采用相干检测方式获得具有强度、相位以及偏振等信息的电信号，并结合数字信号处理的方法，通过相位追踪算法，可以实现某个特定小角度的非正交的偏振相位调制信号解调。

本发明是针对长距离骨干网提出的，同时可与OFDM，WDM等其他复用技术结合。本发明方案打破了传统的严格正交性，为未来进一步提升频谱效率和传输容量做了探索和实践。结合数字信号处理单元，该方案可以很好的补偿传输过程中的损耗和失真，为实现更长距离的传输做了前期探索。本发明将很好的适用于长距离骨干网传输，具有一定的研究价值以及应用前景。

附图说明：

图1为本发明的基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方案；

图2为本发明的非正交偏振复用相位信号产生结构图；

图3本发明中相位调制信号的相干解调方案；

图4本发明的数字信号处理算法示意图；

图5本发明中的偏振态旋转示意图；

图6本发明中的相位追踪示意图；

图7本发明的非正交偏振态不同角度传输80千米的误码率；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由一路或N路波长的非正交偏振复用相位调制光信号(101₁～101_N)、波分复用器102、光纤103、光放大器104、波分解复用器105、一个或N个光处理单元(106₁～106_N)、一个或N个光电转换器(107₁～107_N)以及数字信号处理单元108组成；本方案可以很好的补偿传输过程中的损耗和失真，适用于长距离骨干网传输。在发射端，101₁～101_N产生一路或N路不同波长的非正交的偏振复用(NPDM)相位调制(m-PSK)信号；NPDM相位调制信号由波分复用器102合成为波分复用的NPDM；复用后的光信号进入光纤103中进行传输；传输后的光信号由光放大器104进行功率补偿；在接收端，功率补偿后的光信号通过波分解复用器105，分离成N路单波长的非正交的偏振复用m-PSK信号；将分离之后的光信号分别接入到光处理单元(106₁～106_N)实现信号光与本振光的干涉，干涉后的光信号通过光电转换器(107₁～107_N)得到电信号；接收到的电信号在数字信号处理单元108，实现非正交相位调制信号的解调输出。为了下文分析方便，这里假设，两个非正交复用信号可以分别用p₁和p₂表示。

图2为本发明的非正交偏振复用相位信号产生结构图。相位调制器将电信号调制在光上，再调节调制器的偏置电压产生相位信号；将产生的两个相位信号通过两个偏振控制器，并调节偏振控制器的角度，实现两路偏振态非正交；然后将两个非正交的信号通过一个耦合器实现偏振态复用。

图3本发明中相位调制信号的相干解调方案。传输后的非正交偏振复用信号进入其中一个光处理单元(106₁～106_N)，通过偏振分束器将非正交偏振复用信号分为E_x和E_y，本振信号E_LO通过另一个偏振分束器分为E_LOx和E_Loy。将四个光信号输入到两个90°光混频器中，可以得到：

再将混频后的8个光信号，输入到其中一个光电转换器(107₁～107_N)中，每两个混频信号输入到一个平衡探测器中。为了简化公式，假设信号的幅度值相同都为A，本振信号E_LO波长与传输信号的波长相同，相干检测实现频率零差检测，同时初始相位为零。则经过其中一个光电转换器(107₁～107_N)得到四路电信号表示为：

其中θ_s(t)为光的相位信息，δ为信号光两个偏振态之间的相位差，θ_n(t)为光信号的相位噪声。四路电信号输入到数字信号处理单元108中，实现偏振解调以及相关损耗补偿，从而实现非正交偏振解复用。

图4本发明的数字信号处理算法示意图。首先，利用相干检测结构根据式(3)可以提取信号的偏振态信息。由于光信号经过光纤传输后，非正交偏振复用信号的合成偏振态会发生随机旋转。因此，提取的两路电信号会产生严重的串扰。为了获得最优性能，需要利用偏振旋转单元使输入的非正交偏振复用信号的一个轴对准相干检测的一个轴。接着，提取旋转后的两路信号的相位信息，并计算相位的滑动平均值。这一平均值可以实时地反映出当前信号相位的变化，因此可以利用滑动平均值作为相位追踪的依据，进行两路信号的相位判决，最后实现两个非正交偏振态的解复用操作。

图5本发明中的偏振态旋转示意图，为了简单起见，本发明处理过程以BPSK为例进行说明，本算法适用于QPSK、8PSK、16PSK以及更高阶的相位调制格式。根据图5中①可知两个非正交的偏振态夹角为φ，非正交的偏振态在传输的过程中旋转θ。假设两个偏振态的强度相同，因此相干解调得到的信号可以表示为

E_px＝cosθ-cos(π-φ-θ) (4)

E_py＝sinθ+sin(π-φ-θ) (5)

将琼斯空间中的①变换为斯托克斯空间的②需要使用以下方程：

此时在②斯托克斯空间中可以得到三维空间的两簇，本发明需要找到每一簇的质点。求质点可以使用聚类，可以使用概率密度，也可以平均簇内各点找到中心点等的方法，以上都属于本专利的权利范围以内。找到两个质点A(a₁,a₂,a₃)，B(b₁,b₂,b₃)，可以计算出两簇的方向向量AB＝(SS₁,SS₂,SS₃)，其中SS₁＝a₁-b₁，SS₂＝a₂-b₂，SS₃＝a₃-b₃。②斯托克斯空间中找到方向向量后，再求出琼斯空间的旋转矩阵：

其中式可以将两个随机的偏振态对齐其中的一个，可以得到③琼斯空间。再转换到④斯托克斯空间中，就可以看到相应的偏振对齐。然而，此时另外一个偏振态p₁分解到两个正交轴上时，会造成有一部分串扰在p₂上如图5中⑤所示。以上过程就是对信号所做的偏振旋转，要实现非正交的偏振解复用，需要将串扰部分解调出来。

图6本发明中的相位追踪示意图。将偏振旋转后的信号，进行相位信息提取操作，可得到两路信号p₁和p₂。直接进行相位提起可得到⑥和⑧所示。可以看出，在整个测量串口内接收到的两路信号的相位剧烈地随机变化。另外，图⑦和⑨中的分割线分别表示两路信号的相位滑动平均值。由此可见，这一平均值与信号相位信息的变化完全同步。因此本发明利用这一滑动平均值的特性，来完成各自偏振态上的相位追踪，从而实现两个非正交偏振的解复用过程。

图7本发明的非正交偏振态不同角度传输80千米的误码率。为进一步验证发明的可行性，测试了不同角度的非正交偏振态解调后的误码率。如图7所示，在相同偏振复用角度下，解调出的两个偏振态性能相当。在相同误码率的条件下，随着复用角度变小，接收端功率罚增加大约3dB。

Claims (2)

1.一种基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方法，其特征在于，主要由沿光路顺序链接的以下器件构成：N路波长的非正交偏振复用相位调制光信号(101₁～101_N)、波分复用器(102)、光纤(103)、光放大器(104)、波分解复用器(105)、N个光处理单元(106₁～106_N)、N个光电转换器(107₁～107_N)以及数字信号处理单元(108)；在发射端，产生N路不同波长的非正交的偏振复用NPDM相位调制m-PSK信号；NPDM相位调制信号由波分复用器(102)合成为波分复用的NPDM；复用后的光信号进入光纤(103)中进行传输；传输后的光信号由光放大器(104)进行功率补偿；在接收端，功率补偿后的光信号通过波分解复用器(105)，分离成N路单波长的非正交的偏振复用相位调制m-PSK信号；将分离之后的光信号分别接入到N个光处理单元(106₁～106_N)实现信号光与本振光的干涉，干涉后的光信号分别通过N个光电转换器(107₁～107_N)得到电信号；接收到的电信号在数字信号处理单元(108)，实现非正交相位调制信号的解调输出；

上述接收端分离之后的光信号实现非正交相位调制信号的解调输出，包括：首先，利用相干检测结构提取信号的偏振态信息，得到两路非正交偏振复用信号；

其次，利用偏振旋转单元使输入的两路非正交偏振复用信号的一个轴对准相干检测的一个轴；

接着，提取旋转后的两路非正交偏振复用信号的相位信息，并计算相位的滑动平均值；

最后，利用滑动平均值作为相位追踪的依据，进行两路信号的相位判决，实现两路非正交偏振态信号的解复用操作。

2.根据权利要求1所述之基于相位追踪的非正交偏振复用相位调制信号传输方法，其特征在于，输入光信号相位调制格式包括BPSK、QPSK、8PSK、16PSK、32PSK以及更高阶的相位调制信号。