CN105790846A - 集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置。包括若干相位调制器、偏振合束器、自由空间光通信设备、偏振分束器、若干耦合器、若干马赫曾德尔延迟干涉仪、若干光电探测器和若干贝塞尔低通滤波器，两路差分正交相移键控光信号耦合在一根单模光纤上通过FSO装置进行传输，通过偏振复用技术以提高下行速率。相对于非归零码和差分相移键控信号，DP‑DQPSK信号有着更高的频谱效率，经过测试，在50km SMF‑28和100m无线光信道上DP‑DQPSK信号的下行传输速率达到10Gb/s，误码率可低于10^‑6，与目前的远距离电信传输系统相比，该方案不仅结构简单而且成本更低。

Description

集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置

技术领域

本发明属于光通信网络中采用光纤和FSO无缝融合的DP-DQPSK光接入系统装置，用来提供更加灵活的宽带接入方案。

背景技术

近几年，为了缩短不同的宽带通信服务与用户之间的距离，光纤到楼，光纤到办公室，光纤到户，光纤到桌面为“最后一公里”提供了解决方案。但是，未来快速增长的互联网数据流和大规模市场用户以及商业应用的服务对光接入系统提出了更高容量的需求。

目前正在研究的光纤无线通信(RoF,RadioOverFiber)系统虽然可以缓解带宽资源使用紧张的问题，但是RoF系统不仅结构复杂而且其中所涉及到的一些器件成本昂贵，例如微蜂窝或皮蜂窝号角天线这些器件是必不可少的。

自由空间光通信(FSO，FreeSpaceOpticalcommunication)能够在光网络单元(ONU,OpticalNetworkUnit)和光线路终端(OLT,OpticalLineTerminal)之间提供宽带无线光连接，尤其FSO链路可以针对特殊的空间如人口稀疏的农村地区、背山、或是穿过河流、公路、铁路等接入应用进行相应的设计从而服务于不同的用户群。

双偏振态差分正交相移控件(DP-DQPSK，Dual-PolarizationDifferentialQuadraturePhaseShiftKeying)信号比起二进制编码像非归零码(NRZ，NonReturntoZero)和差分正交相移键控(DPSK，DifferentialQuadraturePhaseShiftKeying)编码，它具有更高的频谱效率并在更低的带宽内提供高速率数据传输。

发明内容

针对以上现有技术，本发明提出一种新的基于光纤与FSO无缝融合的DP-DQPSK光接入装置，配合偏振复用技术来提高数据传输速率，经过长距离标准单模光纤(SMF)传输和FSO无线光传输，测试结果表明：该系统的下行数据速率达到10Gb/s，通过50公里的光纤传输以及100米的无线传输后下行信号的误码率接近10^-6，为“最后一公里”解决方案提供了有力保障。本发明方案实现方便，技术上切实可行。

本发明的技术方案如图1所示，具体为：集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，包括若干相位调制器、偏振合束器、自由空间光通信设备、偏振分束器、若干耦合器、若干马赫曾德尔延迟干涉仪、若干光电探测器和若干贝塞尔低通滤波器，在发射端有两路数据分别为数据1和数据2，其中数据1经串并变换后进行DQPSK预编码输出相同分量I(Inphase)和正交分量Q(Quadrature)，相同分量I和正交分量Q分别进入第一相位调制器和第二相位调制器，第一相位调制器和第二相位调制器相级联，相同分量I和正交分量Q经第一相位调制器和第二相位调制器调制后由第二相位调制器输出DQPSK光信号1，数据2经过另一路与数据1相同的处理后输出DQPSK光信号2；DQPSK光信号1和DQPSK光信号2经偏振合束器融合成一路光信号(DP-DQPSK光信号)，经单模光纤(SMF)传输；在接收端，由自由空间光通信(FSO)设备对光信号进行无线传输，经第二掺铒光纤放大器(EDFA,ErbiumDopedFiberAmplifier)补偿(补偿光信号空间传输的损耗)后，由偏振分束器将光信号还原为DQPSK光信号1和DQPSK光信号2，DQPSK光信号1由耦合器分成两路信号，所述两路信号分别经过马赫曾德尔延迟干涉仪(MZI,Mach-ZehnderInterferometer)解调为相同分量I光信号和正交分量Q光信号，相同分量I光信号和正交分量Q光信号分别经光电探测器转换成电信号，再分别经贝塞尔低通滤波器得到相同分量I和正交分量Q，将相同分量I和正交分量Q将并串变换还原为数据1，DQPSK光信号2经另一路与DQPSK光信号1相同的处理还原为数据2。所述第一相位调制器和第二相位调制器之间的行为偏移量分别为π和π/2。所述马赫曾德尔延迟干涉仪的延迟时间为比特周期的两倍，所述两路马赫曾德尔延迟干涉仪的相移分别为π/4和-π/4。

所述自由空间光通信设备包括红外校准发射器、红外校准接收器、激光信号发射装置和激光信号接收装置，激光信号发射装置和激光信号接收装置之间对光信号进行无线传输，红外校准发射器安装在激光信号发射装置上，红外校准接收器安装在激光信号接收装置上，使发射端和接收端处在一条直线上以实现激光信号成功地进行传输与接收。激光信号通过激光信号发射装置进行发射，在另一端激光信号接收装置对传送过来的激光信号进行接收。

在具体实施例中，所述贝塞尔低通滤波器选用三阶贝塞尔低通滤波器。

所述单模光纤的末端设置有第一掺铒光纤放大器，用来补偿光信号传输过程中的损耗。

本发明中所述的自由空间光通信设备可以架设在不适合光纤直接铺设的用户侧区域，以实现高谱效率光信号的接入。

附图说明

图1为本发明的整体系统方案结构图；

图2为本发明中DQPSK的接收端解调系统图；

图3为本发明中DP-DQPSK信号经过光纤和FSO链路传输前后的时域图和光谱图；

图4为本发明中DP-DQPSK信号传输后的眼图；

图5为本发明中DP-DQPSK信号的Q因子和比特周期关系曲线图；

图6为本发明中BER与接收功率关系曲线图。

具体实施方式

附图1为系统整体方案图，在发射端，分布反馈式激光器发出的连续激光经偏振分束器被分成两路光载波，分别输入两路第一相位调制器。数据1和数据2经并串转化，DQPSK预编码后，分别产生两部分速率相等的比特流，再输入到级联的第一相位调制器和第二相位调制器中，每一路的前后两个相位调制器(即第一相位调制器和第二相位调制器)对应的相位偏移值为π和π/2。然后，两路光DPQSK信号通过一个偏振分束器组合器结合成一路光DP-DQPSK信号。

DQPSK是一种四进制差分相移调制格式，DQPSK光信号可以通过两个级联的相位调制器来实现，相位调制器传输函数如下：

E_out1＝E_in1·e^iπI

E_out2＝E_in2·e^iπ(I+0.5Q)

其中I、Q分别为DQPSK两路电信号(即相同分量I和正交分量Q)，E_in1和E_in2为分布反馈式激光器经过偏振分束器分出来的两路激光信号，E_out1和E_out2分别为前后两路相位调制器输出的光信号，DQPSK光信号的相位取决于I+0.5Q的值，四种可能的相位取值为0，π/2，π，3π/2。本实施例中以级联相位调制器来产生DQPSK光信号在结构配置上更为简单，从而简化了发射系统。

DP-DQPSK光信号以10Gb/s的速率通过50公里单模光纤(SMF)传输，再经掺铒光纤放大器(EDFA)放大来补偿传输衰减。光纤参数如下表所示。

FSO系统是由红外校准发射器、红外校准接收器、激光信号发射装置和激光信号接收装置组成。其传输路径包括激光信号发射装置的发射望远镜、自由空间链路、激光信号接收装置的接收望远镜。发射望远镜的口径是5cm，接收口径是5cm。在发射端，发射望远镜耦合器和发射器的效率损失是1dB，同样的，接收损耗也是1dB。在发射与接受望远镜之间的自由空间链路距离是100m，光束发散度为0.25mrad。考虑到最坏的天气情况，如雾霾，大气效果导致的自由空间传输衰减接近200dB/km，如下表所示，在发射与接收望远镜之间不使用透镜，因为透镜定位比较困难。测试表明：如果自由空间链路距离大于100m，则必须使用透镜，否则无法有效接收到信号。

第二个EDFA是用来来补偿自由空间传输衰减。然后，DP-DQPSK光信号通过一个偏振分光器解调分成两光路，分别对每一路进行解调，如附图2采用一个上臂有2比特延迟下臂分别有±π/4相移的马赫曾德尔干涉仪来解调DQPSK信号，如图所示，通过耦合器信号表示为E_(t),T为一个比特周期时间，则实部和虚部干涉仪的输出分别为：

$E_{I1}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[E\left(t\right)e^{\frac{i\mathrm{\π}}{4}}+E(t-2T)\]$

$E_{I2}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[E\left(t\right)e^{\frac{i\mathrm{\π}}{4}}-E(t-2T)\]$

$E_{Q1}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[E\left(t\right)e^{-\frac{i\mathrm{\π}}{4}}+E(t-2T)\]$

$E_{Q2}\left(t\right)=\frac{1}{2}\[E\left(t\right)e^{-\frac{i\mathrm{\π}}{4}}-E(t-2T)\]$

两支路平衡光电探测器的差分电流可表示为：

i_I＝|E_I1|²-|E_I2|²

i_Q＝|E_Q1|²-|E_Q2|²

附图3为系统的测试结果，其中图(a)和(b)为DP-DQPSK光信号经过光纤和FSO传输链路前后的时域图，用来评估系统性能，容易得知，发射和接收DP-QPSK光信号相位图有相同的相位变化曲线，接收到的光信号由于啁啾效应出现了轻微的相位变化。传输前后的DP-DQPSK光信号的光谱图如图(c)和(d)。在系统中，尽管有两个EDFA来补偿传输衰减，由于在两个级联相位调制器、发射望远镜和接收望远镜中存在插入损耗，因此，接收光功率小于输入功率。

附图4(a)和(b)对应为经50km单模光纤和100mFSO下行链路传输后的两个DP-DQPSK信号接收眼图，可以看出，眼图张开的比较清晰，说明系统性能良好。

附图5(a)和(b)为DP-DQPSK信号的数据1和数据2的Q因子和比特周期关系曲线，当有3R信号处理时Q值表现良好，解调信号最佳判决点是0.56bit。图4和图5是在BER＝10^-6的情况下得到的。信号在传输过程中会有一定程度的损耗，最优Q值的判决点是为了以最佳判决方式恢复数据分配给不同的接入应用用户。

附图6为BER与接收功率关系曲线图。在50kmSMF-28和100mFSO信道末端，接收灵敏度-15.3dBm(BER为10^-6)。相比较背靠背的情况，接收功率损伤值在BER＝10^-6时会效应地降低3dB左右。

Claims (6)

1.集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，其特征在于：包括若干相位调制器、偏振合束器、自由空间光通信设备、偏振分束器、若干耦合器、若干马赫曾德尔延迟干涉仪、若干光电探测器和若干贝塞尔低通滤波器，在发射端有两路数据分别为数据1和数据2，其中数据1经串并变换后进行DQPSK预编码输出相同分量I和正交分量Q，相同分量I和正交分量Q分别进入第一相位调制器和第二相位调制器，第一相位调制器和第二相位调制器相级联，相同分量I和正交分量Q经第一相位调制器和第二相位调制器调制后由第二相位调制器输出DQPSK光信号1，数据2经过另一路与数据1相同的处理后输出DQPSK光信号2；DQPSK光信号1和DQPSK光信号2经偏振合束器融合成一路光信号，经单模光纤传输；在接收端，由自由空间光通信设备对光信号进行无线传输，经第二掺铒光纤放大器补偿后，由偏振分束器将光信号还原为DQPSK光信号1和DQPSK光信号2，DQPSK光信号1由耦合器分成两路信号，所述两路信号分别经过马赫曾德尔延迟干涉仪解调为相同分量I光信号和正交分量Q光信号，相同分量I光信号和正交分量Q光信号分别经光电探测器转换成电信号，再分别经贝塞尔低通滤波器得到相同分量I和正交分量Q，将相同分量I和正交分量Q将并串变换还原为数据1，DQPSK光信号2经另一路与DQPSK光信号1相同的处理还原为数据2。

2.根据权利要求1所述集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，其特征在于：所述自由空间光通信设备包括红外校准发射器、红外校准接收器、激光信号发射装置和激光信号接收装置，激光信号发射装置和激光信号接收装置之间对光信号进行无线传输，红外校准发射器安装在激光信号发射装置上，红外校准接收器安装在激光信号接收装置上。

3.根据权利要求1所述集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，其特征在于：所述第一相位调制器和第二相位调制器之间的行为偏移量分别为π和π/2。

4.根据权利要求1所述集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，其特征在于：所述马赫曾德尔延迟干涉仪的延迟时间为比特周期的两倍，所述两路马赫曾德尔延迟干涉仪的相移分别为π/4和-π/4。

5.根据权利要求1到4任一项所述集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，其特征在于：所述贝塞尔低通滤波器选用三阶贝塞尔低通滤波器。

6.根据权利要求1到4任一项所述集成有线和无线光传输的双偏振态差分正交相移键控接入装置，其特征在于：所述单模光纤的末端设置有第一掺铒光纤放大器。