CN105681237B - 一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法 - Google Patents

一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，通过数字方式实现了原先利用模拟方式实现的系统发送端信号的预均衡处理，克服了光纤链路中色散引起的符号间串扰。同时，在实现信号数字预均衡的过程中，既可以采用对调制后的基带信号进行预均衡处理的技术，也可以利用发送的符号序列直接调制已经过预均衡处理的脉冲波形信号生成基带信号的技术。这使得本发明中的利用数字预均衡克服符号间串扰的技术不仅实现简单而且具有很高的灵活性。

Description

一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法。
背景技术
随着云计算、大数据、物联网等新技术的迅猛发展,我们已生活在一个全新高速的信息化世界中,因此随之而来的就是迅猛增长的互联网用户数量和指数型增长的带宽需求,这无疑给光纤网络的传输性能提出了更高的要求。传统的直接检测光通信系统如图1所示，系统发送端发送信号s(t)，其数学模型为：
s(t)＝ΣnIng(t-nT) (1)
其中，数据In，(n＝1,2,…,N)为要发送的数据，N表示数据In的最大长度；g(t)为基带调制脉冲信号，其周期为T。
在未经过光纤信道的情况下，信号s(t)中并不存在码间串扰(ISI)。当信号s(t)经过光纤时将受到光纤色散的影响，光纤信道的系统函数模型为：
其中，β2表示2阶色散系数，L表示信号传输距离。
系统接收端接收到的信号是：
r(t)＝s(t)*h(t) (3)
其中，h(t)为光纤信道的冲击响应是对其系统函数H(ω)的傅里叶反变换，即：h(t)＝F-1{H(ω)}；*表示时域的卷积操作。
对接收端信号r(t)进行傅里叶变换，得到：
由公式(3)和(4)可以看出，信号s(t)受到光纤信道中色散的影响，导致信号波形的畸变展宽，产生符号间串扰(ISI)。
再将系统接收端的信号经过光电探测器(PD)后，产生电信号v(t)如下：
v(t)＝|r(t)|2 (5)
由公式(5)可以看出，由于PD将对输入信号r(t)进行平方的非线性操作，造成PD的输出信号v(t)中出现非线性的ISI。如果不对系统中的色散进行均衡处理，将无法有效抑制系统中存在的ISI，造成系统性能的降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，通过在系统发送端采用数字光预均衡法，降低甚至消除色散对信号的影响，从而抑制符号间串扰。
为实现上述发明目的，本发明一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将数据In，(n＝1,2,…,N)和基带调制脉冲信号g(t)通过调制器后产生基带信号s(t)；
s(t)＝ΣnIng(t-nT)
其中，N表示数据In的最大长度，T表示基带调制脉冲信号g(t)的周期；
(2)、将基带信号s(t)经过FFT模块实现快速傅里叶变换；
S(ω)＝F{s(t)}
(3)、利用数字预均衡器对信号S(ω)进行预均衡处理，得到数字信号x(t)的傅里叶变换；
其中，β2表示2阶色散系数，L表示信号传输距离；
(4)、将信号X(ω)经过IFFT模块实现傅里叶反变换，得到数字信号x(t)；
x(t)＝F-1{X(ω)}
(5)、对数字信号x(t)进行取模运算|·|和DAC的处理，得到数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)；对数字信号x(t)进行取相位运算Phase()和DAC的处理，得到数字信号x(t)的相位信息θx(t)；
(6)、结合数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)，通过幅度调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，再结合相位信息θx(t)，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)；
其中，h1(t)表示数字预均衡器的冲击响应；
(7)、将光调制信号x'(t)经过光纤传输到达接收端后得到接收端信号r(t)；
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；系统接收端接收的信号r(t)与发送信号s(t)相同，从而消除符号间串扰。
进一步的，本发明还提供另外一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、利用数字预均衡器对基带调制脉冲信号g(t)进行预均衡处理，得到基带波形信号g'(t)的傅里叶变换；
(2)、对信号G'(ω)进行傅里叶反变换，得到基带波形信号g'(t)；
g'(t)＝F-1{G'(ω)}
(3)、将数据In(n＝1,2,…,N)和基带波形信号g'(t)通过调制器后生成数字信号x(t)；
其中，N表示数据In的最大长度，T表示基带波形信号g'(t)的周期，F表示{}中的表达式进行傅里叶变换；
(4)、对数字信号x(t)进行取模运算|·|和DAC的处理，得到数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)；对数字信号x(t)进行取相位运算Phase()和DAC的处理，得到数字信号x(t)的相位信息θx(t)；
(5)、结合数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)，通过幅度调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，再结合相位信息θx(t)，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)；
(6)、将光调制信号x'(t)经过光纤传输到达接收端后得到接收端信号r(t)；
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；系统接收端接收的信号r(t)与发送信号相同，从而消除符号间串扰。
更进一步的，本发明还可以选择特定的幅度调制器：EAM调制器，则此时需要将数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)进行一次平方操作，即
I'x(t)＝Ix(t)×Ix(t)
再通过EAM调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，通过数字方式实现了原先利用模拟方式实现的系统发送端信号的预均衡处理，克服了光纤链路中色散引起的符号间串扰。同时，在实现信号数字预均衡的过程中，既可以采用对调制后的基带信号进行预均衡处理的技术，也可以利用发送的符号序列直接调制已经过预均衡处理的脉冲波形信号生成基带信号的技术。这使得本发明中的利用数字预均衡克服符号间串扰的技术不仅实现简单而且具有很高的灵活性。
同时，本发明一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法还具有以下有益效果：
(1)、光通信系统中的接收端通过数字方式实现了对发送信号的预均衡处理，消除了系统接收端的符号间串扰，提高了系统的性能。同一般的模拟方式实现的预均衡处理相比，能够使用通用的数字信号处理模块实现，实现方式简单且成本较低。
(2)、在对信号进行数字预均衡处理的过程中，可以预先计算出不同光纤色散传输距离对应的预均衡后的信号，并保存。系统具体实施时可以根据系统设计中对传输距离的要求，从存储器查找表中取出相应的预均衡信号后，再利用符号序列进行调制操作产生发送信号即可。这可以大大降低发送端预均衡实现的复杂度。
(3)、得到经过数字预均衡处理后信号的幅度信息和相位信息后，只需要再经过简单的处理便可以产生符合不同调制器要求的输入信号，保证系统的性能。
附图说明
图1是传统的直接检测光通信系统的原理图；
图2是利用本发明所述方法的直接检测光通信系统的原理框图；
图3是图2所示发送端的一种具体实施方式结构图；
图4是图2所示发送端的另一种具体实施方式结构；
图5是发送端中选取EAM调制器的具体实施方式结构；
图6是光纤传输距离为0km时的仿真图；
图7是光纤传输距离为10km时的仿真图；
图8是光纤传输距离为100km时的仿真图；
图9是利用本发明所述方法对不同光纤传输距离的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是利用本发明所述方法检测光通信系统的原理框图。
在本实施例中，如图2所示，为了能够抵消掉色散对接收信号产生的影响，本实施例在系统发送端采取了数字光预均衡方法，从而来降低甚至消除色散对信号的影响。
下面结合图2对具体的实现原理进行如下描述：
波形发生器利用输入数据In，(n＝1,2,…,N)和基带调制脉冲信号g(t)产生基带信号s(t)＝ΣnIng(t-nT)后，送入发送端的数字均衡器中，其中，均衡器的系统函数为光纤色散信道的反函数，即
其中，β2表示2阶色散系数，L表示信号传输距离。
当信号s(t)通过数字预均衡器后，数字预均衡器输出信号x(t)；
x(t)＝s(t)*h1(t)
再对其进行傅里叶变化得：
再通过幅度调制器和相位调制器的处理后，得到光调制信号x'(t)；
这时，通过光纤信道后的系统接收端信号为：
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；
系统接收端接收的信号r(t)与发送信号s(t)相同，已经没有了ISI，经过PD后输出信号v(t)中也不会出现ISI。
根据图2中系统发送端的具体实现框图可知，由于信号发生器产生的信号都是数字信号，那么在经过数字预均衡器后，信号x(t)同样也是数字的。为了能够在物理上实现，必须在取得信号x(t)的幅度信号Ix(t)和相位信号θx(t)后，利用DAC将本来离散的数字信号Ix(t)和θx(t)转换成连续的电信号后再分别实现对光信号的调制，从而产生最终的发送信号x'(t)。
在本实施例中，发送端可以通过两种方式生成发送信号x'(t)，下面对两种方式进行详细说明。
方式一：
如图3所示，一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，包括以下步骤：
S1、将数据In，(n＝1,2,…,N)和基带调制脉冲信号g(t)通过调制器后产生基带信号s(t)；
s(t)＝ΣnIng(t-nT)
其中，N表示数据In的最大长度，T表示基带调制脉冲信号g(t)的周期；
S2、将基带信号s(t)经过FFT模块实现快速傅里叶变换；
S(ω)＝F{s(t)}
S3、利用数字预均衡器对信号S(ω)进行预均衡处理，得到数字信号x(t)的傅里叶变换；
其中，β2表示2阶色散系数，L表示信号传输距离；在本实施例中，为了实现对不同光纤传输距离的预均衡，只需要根据不同光纤信道的不同特性需求调整色散预均衡函数即可，也可以将不同传输距离的预均衡函数保存在存储器的查找表中，然后根据需要调用即可。
S4、将信号X(ω)经过IFFT模块实现傅里叶反变换，得到数字信号x(t)；
x(t)＝F-1{X(ω)}
在本实施例中，采用的FFT和IFFT可以采用基-4或者基-2的快速傅里叶变换算法。
S5、对数字信号x(t)进行取模运算|·|和DAC的处理，得到数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)；对数字信号x(t)进行取相位运算Phase()和DAC的处理，得到数字信号x(t)的相位信息θx(t)；
在本实施例中，取模运算和取相位运算，可以通过x(t)对预先建立好的查找表进行查找，从而快速找到其幅度信息Ix(t)和相位信息θx(t)的方式实现。
S6、结合数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)，通过幅度调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，再结合相位信息θx(t)，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)；
其中，h1(t)表示数字预均衡器的冲击响应；
S7、将光调制信号x'(t)经过光纤传输到达接收端后得到接收端信号r(t)；
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；系统接收端接收的信号r(t)与发送信号s(t)相同，从而消除符号间串扰。
由上述步骤S1-S7可以看出，系统需要发送的基带信号s(t)经过图3所示的装置的数字预均衡后，最终从发送端发送出光调制信号x'(t)，再经过光纤信道传输到达接收端后没有码间串扰(ISI)，也就是说系统接收端接收的信号r(t)与发送信号s(t)相同，保证了系统的性能。
方法二：
如图4所示，一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，还可以为以下步骤：
T1、利用数字预均衡器对基带调制脉冲信号g(t)进行预均衡处理，得到基带波形信号g'(t)的傅里叶变换；
T2、对信号G'(ω)进行傅里叶反变换，得到基带波形信号g'(t)；
g'(t)＝F-1{G'(ω)}
T3、将数据In(n＝1,2,…,N)和基带波形信号g'(t)通过调制器后生成数字信号x(t)；
其中，N表示数据In的最大长度，T表示基带波形信号h(t)的周期；
T4、对数字信号x(t)进行取模运算|·|和DAC的处理，得到数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)；对数字信号x(t)进行取相位运算Phase()和DAC的处理，得到数字信号x(t)的相位信息θx(t)；
T5、结合数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)，通过幅度调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，再结合相位信息θx(t)，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)；
T6、将光调制信号x'(t)经过光纤传输到达接收端后得到接收端信号r(t)；
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；系统接收端接收的信号r(t)与发送信号相同，从而消除符号间串扰。
本实施例是利用数据In和已被预均衡的基带脉冲信号g'(t)直接进行调制，由于未均衡的基带脉冲波形g(t)是固定的，因此，可以根据不同的光纤信道特性存储对应的预均衡后的基带脉冲信号g'(t)，无需根据不同的发送数据In再进行预均衡，如此可以大大提高信号的处理速度，同时降低发送端的实现成本。
在方式二中，本实施例还可以选择特定的幅度调制器：EAM调制器，其中，EAM调制器的原理如下：
其中，m(0≤m＜1)表示EAM调制器的调制阶数，通常情况下无限接近于1,数字信号x(t)作为EAM调制器的输入信号，y(t)为EAM调制器输出信号。
为了在EAM调制器的输出端获得正确的幅度信号，如图5所示，则此时需要将数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)进行一次平方操作，即
I'x(t)＝Ix(t)×Ix(t)
将其带入到中，得到：
由上式可以看出，此时EAM调制器实现的强度调制刚好与前两种方法中强度调制模块实现的信号幅度调制保持一致。
仿真验证
图6-图8分别是光纤传输距离分别设置为0km，10km，100km时的仿真结果。
根据不同光纤传输距离的仿真结果可以看出，随着光纤传输距离的增加，系统接收端接收到的信号受到色散的影响越明显，在接收端信号的畸变越明显，信号间的码间串扰越大。但是采用了本方案中的数字光预均衡技术后，能够发现，系统接收端接收到的信号畸变显著减小，系统的性能能够得到非常大的提高。
在本实施例中，如图9所示，按照方式一所述的方法进行仿真，其结果表明：在一定的传输距离(100km)条件下，当强度调制与相位调制不同步时，色散预补偿的效果会有一定的降低。但是同没有色散预补偿模块的系统相比，系统的性能已有较大提升。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将数据In和基带调制脉冲信号g(t)通过调制器后产生基带信号s(t)，n＝1,2,…,N；
s(t)＝∑nIng(t-nT)
其中，N表示数据In的最大长度，T表示基带调制脉冲信号g(t)的周期；
(2)、将基带信号s(t)经过FFT模块实现快速傅里叶变换；
S(ω)＝F{s(t)}
(3)、利用数字预均衡器对信号S(ω)进行预均衡处理，得到数字信号x(t)的傅里叶变换；
其中，β2表示2阶色散系数，L表示信号传输距离；
(4)、将信号X(ω)经过IFFT模块实现傅里叶反变换，得到数字信号x(t)；
x(t)＝F-1{X(ω)}
(5)、对数字信号x(t)进行取模运算|·|和DAC的处理，得到数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)；对数字信号x(t)进行取相位运算Phase()和DAC的处理，得到数字信号x(t)的相位信息θx(t)；
(6)、结合数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)，通过幅度调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，再结合相位信息θx(t)，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)；
其中，h1(t)表示数字预均衡器的冲击响应；
(7)、将光调制信号x'(t)经过光纤传输到达接收端后得到接收端信号r(t)；
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；系统接收端接收的信号r(t)与发送信号s(t)相同，从而消除符号间串扰。
2.一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，其特征在于，为以下步骤：
(1)、利用数字预均衡器对基带调制脉冲信号g(t)进行预均衡处理，得到基带波形信号g'(t)的傅里叶变换；
其中，G(ω)表示基带调制脉冲信号g(t)的傅里叶变换表达式，β2表示2阶色散系数，L表示信号传输距离；
(2)、对信号G'(ω)进行傅里叶反变换，得到基带波形信号g'(t)；
g'(t)＝F-1{G'(ω)}
(3)、将数据In和基带波形信号g'(t)通过调制器后生成数字信号x(t)，n＝1,2,…,N；
其中，N表示数据In的最大长度，T表示基带波形信号g'(t)的周期，F表示{}中的表达式进行傅里叶变换；
(4)、对数字信号x(t)进行取模运算|·|和DAC的处理，得到数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)；对数字信号x(t)进行取相位运算Phase()和DAC的处理，得到数字信号x(t)的相位信息θx(t)；
(5)、结合数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)，通过幅度调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，再结合相位信息θx(t)，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)；
(6)、将光调制信号x'(t)经过光纤传输到达接收端后得到接收端信号r(t)；
其中，h(t)表示光纤信道的冲击响应；系统接收端接收的信号r(t)与发送信号相同，从而消除符号间串扰。
3.根据权利要求2所述的一种通过数字光预均衡法来抑制符号间串扰的方法，其特征在于，所述的步骤(5)中，幅度调制器选取EAM调制器，则此时需要将数字信号x(t)的幅度信息Ix(t)进行一次平方操作，即
I'x(t)＝Ix(t)×Ix(t)
再通过EAM调制器对激光器输出的光信号进行幅度调制，通过相位调制器对光信号进行相位调制，得到光调制信号x'(t)。
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高速光纤通信中的几种均衡技术研究;唐先锋;《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20111215;第I136-159页 *

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