CN107317629B - 一种基于隐性共轭的双波传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于隐性共轭的双波传输系统，对常用的光发射机的硬件结构、数字信号处理过程几乎不做改变，因为不再需要按照传统方案产生和发送共轭双波，仅要求存在至少两路配对可分离的独立信号，互相之间满足正交条件，包括偏振复用的正交通道，或者通过多载波调制(OFDM)的多个子载波，或者利用波分复用技术的不同通道以及时分复用的不同时间片，即可以看成至少两路的平行发送，满足广义的正交性,可以在任意维度上满足正交性要求，如偏振复用、时分复用、频分复用或模分复用等。在光接收机中，针对每一路独立信号，确定其对应的一个或多个正交的通道，并在这个通道上恢复出共轭双波，然后进行共轭双波的相干叠加，消除一阶光纤非线性效应。

Description

一种基于隐性共轭的双波传输系统

技术领域

本发明技术涉及非线性光信号传输和处理技术。

背景技术

在过去的二十年里，光纤通信系统的传输容量已经历了三个数量级的巨大增长。当前的高速光纤通信系统中，随着100Gb/s系统商业布局的完成，下一代光纤传输单信道开始向400Gb/s乃至1Tb/s发展，单光纤总容量向100Tb/s发展以满足数据流量急剧增长的需求。从现有长途光纤传输技术的发展来看，传输容量和传输距离互相制约，在提升传输容量的同时保证足够的传输距离存在理论限制。香农理论决定系统的频谱效率越高(容量越大)，信号无误码传输所需的信噪比就越大，过大的信噪比会导致光传输距离大幅缩短。同时，光纤信道特有的非线性效应对入纤光功率的限制，将导致进一步提升信噪比变得困难，从而限制了频谱效率的进一步提升。随着传输容量的不断升级，光纤非线性效应对系统通信质量的影响愈加明显，并成为限制光纤通信系统向更高容量升级的主要限制因素，并将成为单纤容量向100Tb/s级别发展所需面临的一个挑战。

针对光纤非线性效应的补偿方法，以往研究的热点很多基于数字信号处理DSP的非线性补偿，其计算复杂度都很大，或者因为它们无法控制相邻信道的信号，因而对信道间的非线性损伤无能无力，如数字向后传输DBP等。另外一种在光纤传输前、后补偿相结合的方法在一定程度上提高了计算效率，但补偿的效果不够理想，没有良好的自适应性。2013年，X.Liu等人在Nature Photonics发表论文提出相位共轭双子波PCTW复用技术，该技术基于非线性薛定谔方程，根据微扰理论证实两个偏振态上相位共轭的双子波，在对称色散补偿下其一阶非线性具有反相关性，接收端通过数字相干叠加DCS可以消除一阶非线性的影响，以400Gb/s系统创造了新的传输距离纪录。PCTW技术在实现上所用数字信号处理复杂度较低，能够显著提升非线性情况下传输容量，具有良好的实际可操作性。传统的PCTW系统，在发射机端发送相位共轭的双偏振信号光X_x、X_y，*表示复共轭，接收机端对正交的两个偏振态的信号直接共轭叠加产生消除一阶非线性效应的信号X：

叠加后信号可以抑制非线性，提升信噪比，降低误码率，即可用于较长距离和较大容量的传输系统。但是因为该技术需要构造相位共轭的双子波，传输共轭信号导致频谱利用率下降一半，降低了一半的传输容量，这直接导致系统的有效传输效率不高，成为限制该技术实用化的一个瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在保持现有PCTW技术对非线性的容忍性的前提下，提高频谱有效利用率的双波传输系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于隐性共轭的双波传输系统，包括发射端、接收端，其特征在于：

发射端用于，产生至少一对配对的两路电信号，配对的两路电信号经过光调制后形成两路配对可分离且相互广义正交的独立光已调信号，再将所有产生的独立光已调信号合成一路复用信号后输出至光纤；所述配对的两路电信号具有相同的调制映射方式；

接收端用于，接收机对接收到的复用信号通过相干接收与配对选择恢复出所有配对的两路电信号，再对配对的每路电信号进行共轭映射与判决得到每路电信号对应的共轭信号，最后将各路电信号的共轭双波进行数字相干叠加后输出至译码器。

本发明提出一种接收机隐性共轭双波的传输方案，以提高共轭双波频谱利用率，同时保持对光纤非线性较高的容忍性。对常用的光发射机的硬件结构、数字信号处理过程几乎不做改变，因为不再需要按照传统方案产生和发送共轭双波，仅要求存在至少两路配对可分离的独立信号，互相之间满足正交条件，包括偏振复用的正交通道，或者通过多载波调制(OFDM)的多个子载波，或者利用波分复用技术的不同通道以及时分复用的不同时间片，即可以看成至少两路的平行发送，满足广义的正交性,可以在任意维度上满足正交性要求，如偏振复用、时分复用、频分复用或模分复用等。在光接收机中，针对每一路独立信号，确定其对应的一个或多个正交的通道，并在这个通道上恢复出共轭双波，然后进行共轭双波的相干叠加，消除一阶光纤非线性效应。

尽管本发明没有在发送端直接构造共轭双波，但是通过理论分析可以证明：发送端可以分解为多组共轭双波的线性叠加，因此可以称为隐性共轭双波。

本发明的有益效果是，将这共轭信号的生成过程放到接收机中，构造共轭信号并和原信号相干叠加，对各类调制映射格式都适用，抑制光纤一阶非线性效应；由于共轭信号通过映射获得，相对于现有共轭的双波PCTW传输系统无需在发射机进行共轭子载波构造简化了发射机结构，且由于发送端传输的数据相互独立，不再是相位共轭的信息，弥补了PCTW技术带来的频谱利用率减半的缺陷，是现有频谱利用率的2倍。本发明适用于多种不同调制映射的信号，又具有良好的扩展性，可以用于单载波或者多载波系统，灵活性高。特别适合于多信道长距离大容量传输。

附图说明

图1本发明系统结构图；

图2实施例4PSK双偏振结构图和相干叠加星座点。

具体实施方式

本发明在不改变现有硬件系统的情况下，通过构造共轭互映射判决，相干叠加抑制一阶非线性，提升频谱利用率，如图1所示：

发射端通过现有各种方式产生多个广义正交、平行传输的通道，逻辑上配对，合成复用信号输入至光纤信道传输。发射端包括N个光调制器、载波激光器、分路器PBS、合路器PBC；N路调制信号对应输入光调制器的调制信号输入端，载波激光器经分路器后输出N路光载波进入光调制器的载波信号输入端，各光调制器的已调信号输出端与合路器的输入端相连，合路器的输出端与光纤相连。N路调制信号中每2路在逻辑上配对。配对的两路信号需要相同的调制映射，其余信号调制映射可以不一致。配对的两路信号可以选择两个正交的偏振态对应的信号配对，也可以选择时分复用独立的两个时隙或波分复用的两个载波频率等更广义的正交形式。同时为了进一步提升性能，可适当增加配对信号数目以获得更大的分集增益。

接收端接收复用信号，分离各正交部分并使用补偿算法恢复信号。接收端包括相干接收单元、补偿单元、数字信号处理器、译码器；相干接收器通过本振光对来自于光纤上的光信号进行相干接收，相干接收器的输出端与补偿单元的输入端相连，接收机对接收到的复用信号进行相干接收再通过现有的信号补偿手段恢复出N路电信号，补偿单元的输出端与数字信号处理器的输入端相连，数字信号处理器的输出端与译码器相连。数字信号处理器包括配对选择模块、共轭映射模块、判决模块、数字相干叠加模块；配对选择模块用于确定接收到每一对配对信号，共轭映射模块用于对配对的每路电信号进行共轭映射；

共轭映射模块是指利用配对的正交信号构造相对应的共轭部分：

其中，X_k1和X_k2是接收到的第k对两路信号，和是没有噪声情况下第k对信号所有可能mPSK调制的星座点，X_k1'和X_k2'是计算得到的第k对信号的共轭部分。分析可知，上述公式得到的是多个符号序列，还需分别对其进行相应的判决，以恢复最合适的共轭信号。共轭双波结构可以通过偏振复用、时分复用、频分复用、模分复用等任何广义正交且逻辑上两两配对的方式来构造，并且可以根据实际系统情况进行灵活选择。

判决模块用于通过现有的判决方法得到各路信号的最合适的共轭部分；判决方法可以是按照最大相关度量准则，找出每次计算的共轭信号与相对应接收信号有最大相关度的符号点，从而得到每个信号的共轭部分；或按照最大负相关度量准则，找出与接收信号对应符号相关性最小的符号点，再利用映射关系判决出每个信号的共轭部分；数字相干叠加模块用于将各路电信号的共轭双波进行数字相干叠加后输出至译码器。

实施例

以图2传输双偏振态4psk调制信号为例做详细说明。

发射端将激光器产生的光载波经偏振分光片分成正交的两路。比特流经调制映射后产生两路调制信号，两个偏振方向的光分别输入至光相位调制器，采用4PSK制式调制序列，并通过偏振合光片合成一路输入至光纤。

双偏振信号光经光纤传输，接收机采用偏振复用相干接收技术分离得到X，Y两路偏振的信号，并分别使用色散补偿、时钟恢复、频偏补偿、偏振解复用、相位噪声补偿和信道估计等传统的数字相干解调方法进行数据恢复。

数据恢复后X，Y两路偏振信号做数字信号处理依次通过共轭互映射模块、判决模块，以映射方式求解相应偏振方向上的共轭信号。4PSK信号所有可能的星座点是(1，0)，(-1，0)，(0，i)，(0，-i)，从这几个符号中选取最佳的共轭叠加作为输出。就点(0，i)而言，无噪声叠加会产生(0，i)，(0，0)，(1，i)/2，(-1，i)/2这四个相邻的星座点。判决模块对这些点进行最大相关度量检测或最小相关检测和对应映射，得到的最优的点是(0，-i)。由此构建共轭信号和对应偏振方向的接收信号。图2的星座图中虚线标注的点是四个理想的共轭叠加的点。

利用原始配对信号X_x、X_y和对应的共轭信号X′_x、X′_y进行数字相干叠加，产生抵消光纤一阶非线性失真的PCTW信号E_X、E_Y：

之后，对E_X和E_Y两路信号采用常规译码方法进行译码判决。

本发明信号配对过程在逻辑上实现，不增加系统开销，配对方式可以根据实际情况做调整，也可以适当增加相干叠加次数以获取较大的分集增益。此外，本发明不必对现有的硬件架构做改动而只需修改接收机数字信号处理过程，复杂度低。考虑到构造共轭信号的过程会引起误码传递效应，建议在接收端译码模块处选择联合检测的方法加以抑制(也是在DSP处理完成，在译码模块实现)。

Claims (1)

1.一种基于隐性共轭的双波传输系统，包括发射端、接收端，其特征在于：

发射端用于，产生至少一对配对的两路电信号，配对的两路电信号经过光调制后形成两路配对可分离且相互广义正交的独立光已调信号，再将所有产生的独立光已调信号合成一路复用信号后输出至光纤；所述配对的两路电信号具有相同的调制映射方式；所述广义正交包括偏振复用、时分复用、频分复用或模分复用中的信号正交形式；

接收端用于，接收机对接收到的复用信号通过相干接收与配对选择恢复出所有配对的两路电信号，再对配对的每路电信号进行共轭映射与判决得到每路电信号对应的共轭信号，最后将各路电信号的共轭双波进行数字相干叠加后输出至译码器。