CN105871464B - 一种无线光通信系统和调制解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无线光通信系统和调制解调方法，系统包括发射端和接收端；发射端包括光源、信号源、一号偏振分束器、调制模块、一号光纤延时模块、偏振合束器和发射天线；接收端包括接收天线、二号偏振分束器、偏振旋转模块、二号光纤延时模块、干涉模块、探测模块和后处理模块。本发明基于偏振旋转相干，发射端在相互正交的两个偏振方向上分别加载信号光和参考光，在接收端，信号光与参考光在进行偏振旋转操作后进行干涉；接收端的干涉过程使得信号光与参考光加载的相位噪声得到有效抑制，从而获得较好的噪声特性。同时，系统无需在接收端进行载波恢复和相位锁定，系统复杂度低。

Description

一种无线光通信系统和调制解调方法

技术领域

本发明属于光通信领域，涉及光学、光电子学和电子学，具体涉及一种新型的无线光通信调制解调系统和方法。

背景技术

在上世纪80年代，相干光通信以其高灵敏度特性成为光通信领域的研究热点。其原因是，相比强度调制/直接检测(IM/DD)光通信，相干光通信具有以下优势：

1)使用一个足够大功率的本振激光器可以获得散弹噪声极限接收。

2)相位检测的实现可以极大地提高接收机的灵敏度。

3)中频或者基带的频率分辨率的提高，使得密集的波分复用信道可以在电域进行分辨。

4)可以引入多电平调制。

然而，掺饵光纤放大器(EDFA)的出现使得相干光通信的研究在很长时间内进展缓慢。这是因为低噪声的EDFA使得波分复用技术(WDM)迅速发展，从而提高了通信系统的容量。掺饵光纤放大器(EDFA)使得人们可以通过提高发射功率或进行中继来降低对接收端灵敏度的需求，同时采用强度调制/直接探测(IM/DD)也可以省去光学锁相带来的复杂度。

随着科技的发展，人们对于通信带宽的需求日益增长。特别是本世纪初，数字信号处理技术的出现大大地降低了相干光通信的实现复杂度，人们开始在波分复用系统中引入多电平调制技术来进一步提高系统带宽。因此，数字信号处理技术发展和多电平调制技术的需要使得相干光通信成为光通信的研究热点之一。

在无线相干光通信中，由激光器、大气以及系统器件等引起的相位噪声是严重影响相干光通信系统性能的主要因素之一。现有的用来克服相位噪声的方案主要有两种：一是在接收端采用光学锁相环跟踪载波频率和相位；二是采用复杂高速的数字信号处理技术。但是，现有方案的实现复杂度都很高，而且实时跟踪相位噪声的性能很不理想。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于偏振旋转相干的无线光通信系统，可以很好地抑制激光在大气信道中传播时引入的相位噪声；同时，本发明提供的无线光通信系统无需本地振荡和相位跟踪。因此相比传统的相干通信系统，本发明提供的无线光通信系统具有更好抑制相位噪声的性能和更低的系统复杂度。

本发明的原理是：本发明提供的基于偏振旋转相干的无线光通信系统的发射端在相互正交的两个偏振方向上分别加载信号光和参考光，在系统的接收端，信号光与参考光在进行偏振旋转操作后进行干涉，再进行探测和判决，从而提取出相干调制的信号序列；偏振旋转的目的是使得偏振正交的两路激光的偏振态变到同一方向上，从而可以进行干涉；由于信号光与参考光在信道中同时经历相同的相位噪声，接收端的干涉过程使得两路激光上加载的相位噪声得到有效抑制，从而可以获得较好的噪声特性。同时，本发明提供的相干光通信系统无需在接收端进行载波恢复和相位锁定，系统复杂度较低。

本发明采用如下技术方案：

一种无线光通信系统，包括：光源，信号源，一号偏振分束器，调制模块，一号光纤延时模块，偏振合束器，发射天线，接收天线，二号偏振分束器，偏振旋转模块，二号光纤延时模块，干涉模块，探测模块，后处理模块。所述光源，信号源，一号偏振分束器，调制模块，一号光纤延时模块，偏振合束器和发射天线构成本发明的基于偏振旋转相干的无线光通信系统的发射端；所述接收天线，二号偏振分束器，偏振旋转模块，二号光纤延时模块，干涉模块，探测模块和后处理模块构成本发明的基于偏振旋转相干的无线光通信系统的接收端；所述发射端的光源与一号偏振分束器相连接；所述一号偏振分束器分别与调制模块和一号光纤延时模块相连接；所述调制模块和一号光纤延时模块均与偏振合束器相连接；所述偏振合束器与发射天线相连接；所述发射端的信号源与调制模块相连接；所述接收端的接收天线与二号偏振分束器相连接；所述二号偏振分束器分别与偏振旋转模块和二号光纤延时模块相连接；所述偏振旋转模块和二号光纤延时模块均与干涉模块相连接；所述干涉模块与探测模块相连接；所述探测模块与后处理模块相连接。

所述发射端的光源，一号偏振分束器，调制模块，一号光纤延时模块，偏振合束器和发射天线之间用光纤进行连接；所述发射端的信号源与调制模块之间采用微波传输线连接；

所述接收端的接收天线，二号偏振分束器，偏振旋转模块，二号光纤延时模块，干涉模块和探测模块之间用光纤进行连接；所述接收端的探测模块和后处理模块之间采用微波传输线连接；

所述光源的作用是输出光通信所需的光载波，输出光被所述一号偏振分束器分为偏振正交的两路光；

所述一号偏振分束器的两路输出光中的一路输入所述调制模块，被所述信号源输出的信号调制；所述一号偏振分束器的另一路输出光输入所述一号光纤延时模块，进行适当的延时；

经所述调制模块调制的输出光为信号光，经所述一号光纤延时模块进行延时输出的光作为参考光；所述调制模块的输出光(信号光)和所述光纤延时模块的输出光(参考光)输入所述偏振合束器，被合成一路光；所述偏振合束器的一路输出光经所述发射天线发射到大气信道中；

所述接收天线将激光从大气信道耦合进光纤中，并被所述二号偏振分束器分成偏振正交的两路光，分别为信号光和参考光；

所述二号偏振分束器的两路输出光中的一路输入所述偏振旋转模块进行偏振态的旋转调节；所述二号偏振分束器的另一路输出输入所述二号光纤延时模块，进行适当的延时；

所述偏振旋转模块和所述二号光纤延时模块的输出光输入所述干涉模块，信号光与参考光在其中进行干涉；

所述干涉模块的两路输出光输入所述探测模块进行探测；所述探测模块的输出光电流输入所述后处理模块进行信号处理；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，进一步地，所述光源具体为激光器；所述光源输出光的波段具体为大气窗口波段，即850nm、1310nm或1550nm波段；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，进一步地，所述调制模块具体为相位调制器，其调制阶数可根据需求灵活选择；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，进一步地，所述一号光纤延时模块或二号光纤延时模块可以为机械式光纤可调延时器、压电陶瓷式光纤可调延时器以及定制长度的光纤中的任意组合，并且不限于此；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，进一步地，所述偏振旋转模块可以是任何能够使得输入光偏振方向发生旋转并输出的光学器件；更进一步地，所述偏振旋转模块为法拉第旋转器；优选地，所述偏振旋转模块为90°法拉第旋转模块；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，进一步地，所述干涉模块为2×2或2×4的光纤耦合器；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，更进一步地，对于所述调制模块为2元相位调制器时的情况，所述干涉模块为2×2光纤耦合器；对于所述调制模块为高阶相位调制器时的情况，所述干涉模块为2×4光纤耦合器；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，进一步地，所述探测模块可以为单臂探测器或者平衡探测器；优选地，所述探测模块为平衡探测器；

针对上述基于偏振旋转相干的无线光通信系统，更进一步地，对于所述调制模块为2元相位调制器时的情况，所述探测模块采用单路探测方式；对于所述调制模块为高阶相位调制器时的情况，所述探测模块采用双路探测方式。

本发明还提供一种基于偏振旋转相干的无线光通信的调制解调方法，包括如下步骤：

1)发射端在相互正交的两个偏振方向上分别加载信号光和参考光；

2)在接收端，将信号光与参考光进行偏振旋转操作，使得偏振正交的信号光与参考光两路激光的偏振态变到同一方向上，再进行干涉；

3)步骤2)进行干涉后输出两路光，再进行探测和判决，提取出相干调制的信号序列，由此达到有效抑制两路激光上加载的相位噪声的目的。

基于偏振旋转相干的无线光通信系统可实现上述基于偏振旋转相干的无线光通信的调制解调方法，相比普通的相干光通信系统具有更好的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的相干光通信系统，需要在接收端进行载波恢复相位锁定，同时信号光还要受信道引入的相位噪声的影响，因而系统结构复杂、性能受限。为此，本发明提出一种基于偏振旋转相干的无线光通信系统和调制解调方法，在发射端采用偏振正交的两路光分别作为信号光和参考光，经偏振合束后发射到信道中；在接收端经过偏振旋转后，信号光与参考光进行干涉、探测和判决，从而恢复处发射端相位调制的信号。由于信号光与参考光在同一时刻、经历同一状态的信道，因此信号光和参考光所承受的相位噪声是完全相同的；在接收端的干涉过程中，信号光和参考光上的相位噪声互相抵消，从而相比普通的相干光通信系统具有更好的性能。同时，本发明提出的相干光通信系统无需在接收端提供参考光，从而免去了载波恢复和相位锁定等复杂的过程。

综上所述，本发明提供的技术方案改进了现有的相干光通信系统，既提高了系统性能，又降低了系统复杂度，结构简单，适用性高。

附图说明

图1是本发明的基于偏振旋转相干的无线光通信系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

如附图1所示，本发明提供基于偏振旋转相干的无线光通信系统，包括：光源、信号源、一号偏振分束器、调制模块、一号光纤延时模块、偏振合束器、发射天线、接收天线、二号偏振分束器、偏振旋转模块、二号光纤延时模块、干涉模块、探测模块和后处理模块。光源、一号偏振分束器、调制模块、一号光纤延时模块、偏振合束器和发射天线之间用光纤连接；接收天线、二号偏振分束器、偏振旋转模块、二号光纤延时模块、干涉模块和探测模块之间用光纤连接；光源和调制模块之间用微波传输线连接；探测模块和后处理模块之间用微波传输线连接。

所述光源具体为红外激光器，输出光波长1550nm；所述信号源具体为二进制随机序列发生器，二进制序列码率为10Gbps；

所述调制模块为相位调制器，其调制带宽为12.5GHz；

所述一号光纤延时模块和二号光纤延时模块为机械式光纤可调延时器；

所述发射天线和接收天线具体为由透镜组构成的光学天线；

所述偏振旋转模块具体为90°法拉第旋转器；

所述干涉模块具体为2×4光纤耦合器；所述探测模块为双路平衡探测器；

上述无线光通信系统在工作时，通过如下过程实现有效抑制两路激光上加载的相位噪声：

1)发射端在相互正交的两个偏振方向上分别加载信号光和参考光；

2)在接收端，将信号光与参考光进行偏振旋转操作，使得偏振正交的信号光与参考光两路激光的偏振态变到同一方向上，再进行干涉；

3)步骤2)进行干涉后输出两路光，再进行探测和判决，提取出相干调制的信号序列，由此达到有效抑制两路激光上加载的相位噪声的目的。

本发明提出的基于偏振旋转相干的无线光通信系统将信息序列调制在两路正交偏振线偏振光中的一路上，另一路线偏振光作为参考光。由于两路光(已调制信号光和未调制参考光)在同一时刻经过完全相同的大气信道，大气信道给两路光引入的相位噪声是完全相同的。由于两路光的相位噪声完全相同，经过干涉叠加、平衡探测之后，相同的相位噪声分量在理论上将被完全克服。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种无线光通信系统，包括发射端和接收端；其特征是，所述发射端的部件包括光源、信号源、一号偏振分束器、调制模块、一号光纤延时模块、偏振合束器和发射天线；所述接收端的部件包括接收天线、二号偏振分束器、偏振旋转模块、二号光纤延时模块、干涉模块、探测模块和后处理模块；所述发射端的光源与一号偏振分束器相连接；所述一号偏振分束器分别与调制模块和一号光纤延时模块相连接；所述调制模块和一号光纤延时模块均与偏振合束器相连接；所述偏振合束器与发射天线相连接；所述发射端的信号源与调制模块相连接；所述接收端的接收天线与二号偏振分束器相连接；所述二号偏振分束器分别与偏振旋转模块和二号光纤延时模块相连接；所述偏振旋转模块和二号光纤延时模块均与干涉模块相连接；所述干涉模块与探测模块相连接；所述探测模块与后处理模块相连接；

所述光源输出光通信所需的光载波，输出的光载波经所述一号偏振分束器分为偏振正交的两路光输出；其中，第一路光输入所述调制模块，第二路光输入所述一号光纤延时模块，进行延时；所述信号源输出调制信号输入到所述调制模块，所述调制信号对输入到所述调制模块的第一路光进行调制；所述调制模块的输出光和所述一号光纤延时模块的输出光均通过所述偏振合束器后合成为一路光，经所述发射天线发射到大气信道中；

所述接收天线将大气信道中的光耦合进光纤中，经所述二号偏振分束器分成偏振正交的两路光；其中，第一路光输入所述偏振旋转模块进行偏振态的旋转调节；第二路光输入所述二号光纤延时模块进行延时；所述偏振旋转模块的输出光和所述二号光纤延时模块的输出光均输入到所述干涉模块中进行干涉后输出两路光，所述干涉过程使得两路光上加载的相位噪声得到有效抑制；干涉后输出的两路光经所述探测模块进行探测，由所述探测模块输出光电流，所述光电流再输入所述后处理模块进行信号处理。

2.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，对于所述发射端各部件之间的连接，除所述发射端的信号源与调制模块之间采用微波传输线相连接之外，发射端各部件之间的连接均采用光纤进行连接；对于所述接收端各部件之间的连接，除所述探测模块与后处理模块之间采用微波传输线连接之外，接收端各部件之间的连接均采用光纤进行连接。

3.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述光源为激光器。

4.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述光源为大气窗口波段的红外激光器。

5.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述调制模块为相位调制器。

6.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述一号光纤延时模块或二号光纤延时模块是机械式光纤可调延时器、压电陶瓷式光纤可调延时器和定制长度光纤延时器中的一种或多种的组合。

7.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述偏振旋转模块采用能够使输入光偏振方向发生旋转并输出的光学器件。

8.如权利要求7所述无线光通信系统，其特征是，所述偏振旋转模块为法拉第旋转器。

9.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述干涉模块具体为2×2的光纤耦合器或2×4的光纤耦合器。

10.如权利要求1所述无线光通信系统，其特征是，所述探测模块为单臂探测器或平衡探测器。

11.如权利要求1～10任一所述无线光通信系统，其特征是，基于该无线光通信系统的调制解调方法包括如下步骤：

1)所述无线光通信系统的发射端在相互正交的两个偏振方向上分别加载信号光和参考光；

2)在所述无线光通信系统的接收端，将信号光与参考光进行偏振旋转操作，使得偏振正交的信号光与参考光两路激光的偏振态变到同一方向上，再进行干涉；

3)步骤2)进行干涉后输出两路光，再进行探测，提取出相干调制的信号序列，由此达到有效抑制所述两路激光上加载的相位噪声的目的。