CN106788767B - 一种基于相位敏感放大的qpsk到bpsk全光调制格式转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传输网络中，一种基于相位敏感放大的QPSK到BPSK全光调制格式转换方法，包括相位分解过程和并串转换过程。该方法综合考虑了原始信息完整性、接收机接收复杂度、信道及系统噪声等多种因素。该发明原理简单，适用范围广泛，在实现一路QPSK信号转换为一路BPSK信号的同时，可有效改善原始信号的误码性能，从而延长信号的传输距离，同时也可适用于软件定义灵活光网络中的灵活发射机及接收机领域等。

Description

一种基于相位敏感放大的QPSK到BPSK全光调制格式转换方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种在光纤传输网络中一路对一路的不同调制格式之间转换的实现方法。该方法主要用于将一路QPSK(quadrature phase shiftkeying)信号转换为一路BPSK(binary phase shift keying)信号并保证原始信息的完整性，可有效延长信号传输距离及降低接收机复杂度，并可适用于软件定义灵活光网络技术领域。

背景技术

光信号调制是指将电路中的信息以不同的格式携带到光学载波的过程。不同的调制格式具有不同的特点。目前由于对通信容量的需求激增以及日益紧张的频谱资源，高级调制格式如MPSK(multiple phase shift keying)，MQAM(multiple quadratureamplitude modulation)等以其高传输能力及高频谱利用率成为业界普遍看好的下一代传输手段。然而，在灵活光网络中，高级调制格式信号或简单调制格式信号如OOK(on-offkeying)及BPSK等都有其各自的优势及应用场景。相对于高级调制格式信号，简单调制格式信号虽然频谱利用率不高，但由于其星座状态间拥有更远的欧氏距离，使得其在相同的传输环境下表现出更好的误码性能或者说相同误码要求下可传输更远的距离。此外，相比于高级调制格式信号，其发射接收装置也相对简单。因此，在未来全光灵活网络中，高级及简单调制信号都有其存在价值及应用前景。为应对不同传输场景及灵活的网络需求，调制格式转换的需求应运而生，全光调制格式转换成为目前全光信号处理十分关键的一个研究方向。目前已存在的光调制格式转换方法多是将多路简单调制格式信号转换为一路高级调制格式信号或者将一路高级调制格式转换为多路简单调制格式，考虑到网络实际需求，不管是多路信号转换成一路信号抑或一路信号转换成多路信号均不适用于实际传输。在光网络的传输系统中，传输信息的完整性、灵活性以及系统的引入额外噪声等因素都是会影响到实际系统效果的必须要考虑的问题。考虑到以上问题，本方法在实现QPSK信号向BPSK信号转换时，需考虑到以下几个方面的困难：

1)原始信息完整性。传输的准确性或者误码性能是验证一个系统性能最直接的性能指标。光纤作为目前通信传输的主要链路，其传输的准确性是十分重要的。在格式转化过程中，必须要首先考虑的问题即为在转换过程中不能丢失或者修改原始信息即在转换机制上要保证原始信息的完整性。这样才能实现适用于实际传输链路的调制格式转换。

2)一路信号对一路信号的转换。信号在光纤链路中传输可看作是以链路为单位，链路与链路之间以节点连接。节点实现对信号的一系列处理，包括功率放大，波形整形，相位再生，逻辑运算，波长转换以及格式转换等。当我们在节点对信号进行格式转换处理时，考虑到为了路由算法的简洁性，更希望是一路信号进入节点，经过格式转换后仍是一路信号，只是以不同的调制格式输出。而不是多路信号在节点被转换为一路或者反过来。因此，在设计格式转换方法时，一路对一路的转换是十分重要的考虑因素。

3)信息的接收难度。传输系统的意义在于将信号准确地传输到接收端，接收端则会根据信号的调制格式及调制方法来接收信号。考虑到本方法所涉及的QPSK信号，一般采用的方式为采用IQ(in-phase，quadrature-phase)调制器调制QPSK信号。不管是串联的IQ调制器还是并联的IQ调制器，都是将I路和Q路分别用来表征信号星座点的横纵坐标。因此在接收端，需要将信号的I与Q分量分别检测出来获取原始信息。所以在设计调制格式转换时需要注意的是不能破坏原始信息I、Q两路信息的排列顺序及对应关系以减小接收端的接收难度。

4)系统所引入的额外噪声。将链路中的节点看作是一个输入输出系统，而所设计的格式转换装置则是节点系统之中的一个子系统。从传输的原理来看，信号经过一个系统，必然会被系统引入额外的噪声，而且这个噪声往往是由不可避免的因素引入的。因此，在设计格式转换系统时必须考虑到系统可能的噪声源，以及测评系统噪声源对信号信噪比(OSNR)、误码率(BER)及误差矢量幅度(EVM)等性能的影响。从原理上尽量降低引入噪声的机制以及引入额外的功能削减系统引入的额外噪声对信号性能的影响。

针对QPSK信号转换为BPSK信号的格式转换，目前已提出的转换方法可大致分为两大类，且这两类方法均主要采用了光纤非线性效应中的四波混频效应来实现。第一种方法是Lu Guowei等提出的采用四波混频效应使QPSK信号的相位擦除，使得原本四个相位状态的信号，变成了两个相位状态。由此实现了原始一路QPSK信号转换为一路BPSK信号。但是由于采用了相位擦除手段，使得原始QPSK信号的信息被抹掉了50％，这虽然在物理上实现了一对一的格式转换，但在实际的光网络传输中是不能被接受的。并且由于相位擦除，使得原本分离的四个相位状态产生了混叠，因此接收端会很难接收到正确的原始信息甚至I、Q之中的任何一路信息。因此这种方式在实际传输之中是无法应用的。这种转换方式实现了一路QPSK信号转换为一路BPSK信号，但是却不能保证原始信息的完整性与接收端接收信息的准确性。

另一种方法是Gao Mingyi等提出采用四波混频效应实现相位分解的原理，将QPSK信号的I与Q分量分别提取出来，成为两路BPSK信号。这种方法虽然保证了原始信息的完整性且在接收端可以很方便且准确地接收原始信息，但却将一路QPSK信号转换成了两路BPSK信号，仍然不适合实际网络的应用，给节点的路由运算增加了复杂度。

发明内容

本发明提供一种适用于灵活光网络中的光矢量信号调制格式全光转换方法，旨在解决光网络传输链路中一路QPSK信号转换为一路BPSK信号的问题，且保证了目前使用方法存在的信息丢失问题。经转换过后的BPSK信号相比于原QPSK信号在相同信道中有更好的误码性能，因此本发明可有效延长原始信号的传输距离及减小接收机复杂程度。本发明提出了一套完整的格式转换方案，其主要思想是将QPSK信号经相位分解后分别提取出I、Q分量，将获得的I、Q分量看作两路并行的BPSK信号，之后将其输入到一个并串转换系统，合成一路BPSK信号。下面介绍本发明的三个重要部分：相位分解系统，并串转换系统及系统噪声分析。

1)相位分解系统：

本发明采用相位敏感放大器(phase sensitive amplifier，PSA)为相位分解系统，其框图、频谱结构及分解过程分别为图1中(a)、(b)、(c)和(d)所示。如图1(a)中所示，将信号与两路泵浦光一同输入到一段高非光纤或半导体光放大器(SOA)等非线性介质之中产生四波混频效应，S、P1和P2分别代表信号波、泵浦波1及泵浦波2，三个波之间满足频率匹配关系即2ω_s＝ω_p1+ω_p2。这个过程中在信号波的频率位置会产生闲频波，闲频波与信号波叠加到一起，实现相位分解的过程。根据光波在光纤中的传输特性可以得到一组耦合波方程来表征光波的幅度与相位特性，采用分步傅里叶法解方程组后可得到如下公式：

B_s(z)＝μ(z)B_s(0)+ν(z)B_s(0)^* (1)

公式(1)中B_s(0),B_s(z)表示信号输入输出光纤的复振幅形式，z表示传输距离，μ(z),ν(z)是光波在介质中的传递函数。传递函数μ(z),ν(z)也是复数形式，且可通过控制泵浦波的幅度与相位来控制。此处传递函数仅仅用来控制PSA的压缩状态，我们只需知道它的控制量，其具体定义不是此处关注的重点。将公式(1)中的右边各项写成复数形式：

公式(2)中A为公式(1)中μ(z)B_s(0)项的幅度，m为(1)式中右边第二项与第一项的幅度比，

分别是μ(z),ν(z),B_s(0)项的相位。

从公式(2)中可看出输出信号可看作是前文提到的信号波与闲频波叠加的产物，此刻为了使相位分解的彻底，我们令(2)中的m＝1。此时的PSA就是一个理想的二阶相位量化器，此时公式(2)变为：

其中

从前文可知在高非光纤中光波发生了四波混频效应，当三个输入光波之间满足相位匹配关系即此刻四波混频发生的效率最高，有

且

因此我们可以通过控制泵浦波的相位来控制

进而控制θ。而此时A_s是一个实数,不会影响输出信号的相位。

当θ＝0时，公式(3)变为：

当θ＝π时，公式(3)变为：

公式(4)，(5)表达了PSA进行相位分解的过程,

表示原始QPSK信号的相位状态，其有π/4,3π/4,5π/4,7π/4四个固定状态，公式(4)分解出了原QPSK信号的I分量，公式(5)分解出了原QPSK信号的Q分量，其示意过程如图1中(c)，(d)所示。公式(4)，(5)在四个相位状态下的值与原QPSK信号I、Q分量的比较列在表1之中。

表1各个相位状态下QPSK信号I,Q分量与PSA分解量符号对比

从表1中可看出，PSA分解出的I、Q分量与原始QPSK信号的I、Q分量具有相同的符号，因此分解出的I、Q分量的符号分别携带了原信号的I、Q分量信息。此外，公式(4)、(5)在四个固定的相位状态都有固定的幅度值，因此，可以说利用此相位分解系统将QPSK信号转换为了两路BPSK信号。两路并行的BPSK信号分别拥有QPSK中I、Q分量的信息，这两路信号也将用作后续并串转换系统的输入。

2)并串转换系统

本发明所采用的并串转换系统框图如图2所示。通过相位分解系统获得两路并行BPSK信号后，需要将其并串转换为一路BPSK信号。此系统分为两个部分：信号切割部分与相干叠加部分。

在第一部分里，两路BPSK信号进入并串转换系统后会各自经历一个电光幅度调制器(AM)，此AM由频率是QPSK波特率二倍的射频(RF)时钟信号驱动。假定QPSK信号的波特率为B，则分解后得到的两路BPSK信号的波特率都是B，此时需要时钟频率为2B的RF时钟源来驱动AM。如图2中所示，调相信号的幅度可认为没有起伏或者说是固定的，因此在经过2B速率的时钟驱动的AM后，调相信号在幅度上会变成50％占空比的归零码调相信号，如果时钟速率更高，则得到的信号占空比会更低。

得到两路50％占空比的归零码BPSK信号后，信号将进入相干叠加部分。在信号叠加部分，在Q路BPSK信号链路上会放置一个延时器，将Q路信号延迟半个比特的时间，使得I，Q两路信号在时域上交错开，之后两路信号经过一个光耦合器叠加到一起。由于延时器的存在，使得Q路信号的一个比特中的非归零部分刚好对其并填补进I路信号的一个比特中的归零部分，实现两路信号的交错叠加。从而得到一路比特率为2B的BPSK信号。此时得到的信号的信息是原QPSK信号I，Q两路信息交错排列的，也十分便于接收机接受信息及与原始信息进行比对。

上述两个子系统组成了本发明所设计的保证信息完整性的一路对一路的QPSK信号转换BPSK信号系统。

3)系统噪声分析

信号在链路之中传输会不可避免的引入噪声，噪声来源有激光源、放大器、光纤色散、光纤非线性等因素。为了分析简单，一般的传输链路中，都认为信号在传输了一段距离后所携带的噪声是高斯白噪声，即信号的星座点几乎会扩散成一个接近圆形的形状。因此，在信号进入本发明所设计的系统中时，可看作是携带了一定量的高斯噪声。

在经历过系统第一部分即相位分解子系统后，QPSK信号被分解成了两路并行的BPSK信号。由于PSA的相位敏感放大的特性，原信号的高斯噪声也会被压缩，本系统所采用的是具有近乎完美压缩特性的PSA(m＝1)，因此，信号的相位噪声会被完全被压缩，同时转换成一部分额外的幅度噪声。大量的研究表明，经过PSA压缩相位噪声的信号，误码性能或者传输距离得到了很大幅度的改善。因此本系统的第一部分改善了原始信号的误码性。

在经过本系统的第二部分时，两路信号交错叠加的部分会引入额外的幅度噪声，这个噪声是由于信号相邻比特之间的码间干扰(ISI)引起的。我们可以通过降低并行的两路BPSK信号的占空比来抑制ISI引起的附加噪声，但在原理上，这个噪声是不可避免的。后续部分我们会书写本发明所设计的系统的实际实施情况以验证转换后的信号性能，经实施验证本系统此部分所引入的额外的噪声的影响是可以近乎忽略不计的，因此我们说本发明可有效改善原QPSK信号的误码性能。

附图说明

图1相位分解系统模型图

图2并串转换系统模型图

图3格式转换系统整体框图及验证方案

图4系统各节点星座图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

本实施例是基于如图3所示的格式转换系统整体框图进行说明，以验证本发明设计的转换系统的系统性能。

如图3所示，一路比特率为20-Gbps的QPSK信号被调制在1551.72nm波长的连续光上，其功率被设定在10mW。为了模拟链路传输中的QPSK信号，在信号进入转换系统之前，人为加入了一定的自发辐射噪声(ASE noise)使得图3中节点A的信噪比(OSNR)为25dB。信号进入转换系统后会先后进入相位分解系统及并串转换系统。相位分解系统由两个PSA组成，其中I路PSA(PSA-I)的泵浦1(pump1)及pump2设定在1552.12nm及1551.32nm，其功率均为51mW。PSA-I中的高非光纤的非线性系数(γ)为13W^-1km^-1，长度(L)为640m，光纤色散斜率(β₂)为0.08ps/nm²/km，衰减系数(α)为0.2dB/km。在PSA-Q中的pump3，pump4的波长与功率设定与PSA-I相同，但是在pump3上需额外加入一个π的相移以使PSA-Q能够提取出QPSK信号的Q路分量。两路PSA中的滤波器军设定为中心波长为1551.72nm，带宽20-GHz的带通滤波器。经过相位分解系统后，信号进入并串转换系统，RF时钟信号频率为20-GHz。两条链路均放置一个相同的AM，其调制系数为1。其中Q链路的延时器将Q路BPSK延迟50ps即半个比特时间使得I，Q两路信号交错开来。耦合之后于图3中D点得到转换之后的BPSK信号。为了验证信号的误码性能，可在D点加入可控的ASE噪声以测量信号在不同信道环境下的EVM与BER。

图4所示为实施所得的图3系统中A、B、C与D节点的信号星座图。图中可看出在A节点，输入系统的是一路带有部分高斯噪声的QPSK信号。在B、C节点，原QPSK信号经过PSA相位分解，得到了I，Q两路BPSK信号，此外可明显观察到由于PSA的相位敏感放大作用，A节点中的相位噪声被明显压缩且转换为了一部分幅度噪声，即B、C节点的信号幅度噪声要明显高于A节点。D节点的星座图即为最终得到的转换BPSK信号的星座图，由于ISI因素的存在，其与B、C节点比较有较为明显的更高的幅度噪声。可看出在星座上成功实现了一路QPSK信号转换为一路BPSK信号。在验证系统的误码性能时，可在D路得到转换后BPSK信号后，对其加入可调谐的高斯噪声以模拟信道传输，测量EVM及BER指标，并与原QPSK信号的相关指标进行比较。本实施例经比较后验证了转换BPSK信号误码性能明显好于QPSK信号的结论。

经过上述实施例，可以验证本发明可成功将一路QPSK信号转换为一路BPSK信号，且保证了原始信息的完整性。在信号性能上，本系统可有效改善信号的误码性能，延长有效传输距离。

Claims (4)

1.基于相敏放大的QPSK到BPSK全光格式转换方法，其特征主要过程包括：

A.QPSK信号在光纤链路中传输，携带一定量高斯噪声，进入到格式转换系统，该系统由相位分解系统与并串转换系统组成；

B.QPSK信号进入到格式转换系统后，由两个PSA进行相位分解过程；PSA输入端为两泵浦光与信号光，其频率满足ω_s＝(ω_p1+ω_p2)/2；该PSA中光波的输入输出关系方程为B_s(z)＝μ(z)B_s(0)+ν(z)B_s(0)^*；采用m＝1，θ＝0的PSA提取出携带原QPSK信号I路信息的BPSK信号，采用m＝1，θ＝π的PSA提取出携带原QPSK信号Q路信息的BPSK信号；ω_s,ω_p1,ω_p2分别为PSA输入端信号和两个泵浦光的频率；B_s(0),B_s(z)表示信号输入输出光纤的复振幅形式，z表示传输距离，μ(z),ν(z)是光波在该PSA介质中的传递函数；m为PSA输入输出关系方程中右边第二项ν(z)B_s(0)^*与第一项μ(z)B_s(0)的幅度比，

分别是μ(z),ν(z)项的相位，则θ表征传递函数μ(z)和ν(z)的相对相位；

C.QPSK信号在相位分解系统中被分解为两路BPSK信号的同时，其相位噪声被有效抑制；

D.两路并行BPSK信号进入到并串转换系统，每条链路分别放置一个调制系数为1的幅度调制器用来切割两路信号；两路并行BPSK信号被切割成两路归零码的BPSK信号，且占空比最高为50％；

E.信号被切割后，Q路信号所在链路被延时器延迟半个比特时间，使得两路信号交错排列；

F.两路信号经过光耦合器交错叠加到一起，完成一路QPSK信号对一路BPSK信号的转换。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相位分解系统采用的PSA为将两个泵浦光与信号光耦合进非线性光学介质进行四波混频效应以完成相位分解功能，泵浦光与信号光之间频率满足ω_s＝(ω_p1+ω_p2)/2。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，PSA作为相位分解器提取输入信号I及Q分量时需要控制的分量有所述中PSA输入输出关系方程右边第二项ν(z)B_s(0)^*与第一项μ(z)B_s(0)的幅度比m和所述中光波在该PSA介质中的传递函数μ(z)和ν(z)的相对相位

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为满足两路并行BPSK信号被AM切割成占空比最高为50％的归零BPSK信号，AM需要时钟频率为2倍于BPSK信号波特率或更高频率的RF时钟源来驱动。

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