CN108055086A - 基于自动相位分集的相位噪声消除系统及方法 - Google Patents

基于自动相位分集的相位噪声消除系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自动相位分集的相位噪声消除系统及方法，本发明系统装置包括：光混频模块、同相和正交电流提取模块、幅度不平衡补偿模块、相位不平衡补偿模块、相位噪声消除模块。本发明方法的步骤包括：光混频；提取正交电流；提取同相电流；幅度不平衡补偿；相位不平衡补偿；消除相位噪声。本发明适用于QDPSK系统，克服了现有技术DOPLL系统复杂，不易集成，不稳定的缺点克服了现有方法DOPLL只能消除部分相位噪声的缺点，使得本发明系统简单，易于集成，消除相位噪声范围大，同时克服了载波相位估计方法计算复杂的缺点，使得本发明的方法更适用于高速率数据通信系统。

Description

基于自动相位分集的相位噪声消除系统及方法
技术领域
本发明属于相干光通信技术领域，更进一步涉及消除相位噪声技术领域中的一种基于自动相位分集的相位噪声消除系统及方法。本发明可用于正交差分相移键控(QDPSK)零差接收机，获得补偿后的同相、正交电流后利用差分解码器消除相位噪声，实现复杂环境下接收端的准确解调。
背景技术
在相干光通信中采用相位调制时，相位噪声主要源于激光器的线宽、激光器的相位偏移、光路不对称以及环境等引起的相位变化，相位噪声会提升误码率，严重影响光通信系统性能。
Akihiro Fujii等人在其发表的论文“Stable PSK Demodulation Using aDigital Optical Phase-Locked Loop”(IEEE Photonics Technology Letters,2014,26(18):1847-1850)中提出了一种用于正交相移键控(QPSK)的数字光锁相环(DOPLL)消除相位噪声的系统及方法。该系统构造如下：90°光混频器的两个输出端分别连接一个模数转换器(ADC)，两个ADC输出端连接到一个数字信号处理器(DSP)，DSP输出端连接到数模转换器(DAC)，数模转换器输出端连接一个环路滤波器，环路滤波器输出端连接光压控振荡器。该系统存在的不足之处是：DOPLL中使用的ADC，DAC和FPGA由于量化和舍入误差引入的非线性和幅度噪声会导致系统不稳定；系统复杂，光压控振荡器体积大，不易集成，对环境的变化不具有自适应性，所以实际应用少。该方法首先经过90°光混频器提取出同相、正交电流，同相、正交电流输入到模数转换器(ADC)，数字信号在数字信号处理器里进行载波相位恢复和载波频率恢复，最后恢复的载波相位和频率信号输入到数模转换器(DAC)，输出的模拟信号输入到光压控振荡器，光压控振荡器的输出信号作为可调谐激光器的驱动信号，牵引着本振光信号的频率变化，使得信号光与本振光的频差和相差逐渐减小，最终消除激光器线宽和激光器相位偏移造成的相位噪声。该方法存在的不足之处是：DOPLL方法只能消除激光器线宽和激光器相位偏移造成的相位噪声。
武汉邮电科学研究院在其申请的专利文献“一种自适应的载波相位估计方法及系统”(公开号：CN 103036830 B，申请号：201210539427.X，申请日：2012年12月14日)中公开了一种自适应载波相位估计消除相位噪声的方法。该方法基于M-th Power算法，通过重复大量的相乘、相加运算步骤求出最优数据缓存长度L，从而自适应的调整相位估计算法的系统参数。该方法存在的不足之处是：在计算中大量使用乘法运算，对于高速相干光通信系统而言，大量的乘法器资源将被消耗，降低系统的稳定性，而且重复步骤太多，计算量复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于自动相位分集的相位噪声消除系统及方法。本发明以较简单的系统和很少的运算复杂度消除全部相位噪声，获得接近理想的基带信号。
本发明的系统包括光混频模块、同相和正交电流提取模块、幅度不平衡补偿模块、相位不平衡补偿模块、相位噪声消除模块，其中：
所述的光混频模块，包括2个分束器、2个耦合器、一个电光调制器；其中，所述的第一分束器用于将接收机接受的本振光均分为两束本振光；第二分束器用于将接收机接受的信号光均分为两束信号光；电光调制器用于将分光后的一束本振光移相，得到移相后的本振光；第一耦合器用于将移相后的本振光与分光后的一束信号光混频，产生第一混频光，第二耦合器用于将分光后的未移相的本振光与分光后的另一束信号光混频，产生第二混频光；
所述同相和正交电流提取模块，包括2个光电二极管、2个带通滤波器；其中，所述的第一光电二极管用于将第一混频光转化为第一光电流；第一带通滤波器用于滤除第一光电流中的直流成分，得到输出后的正交电流；第二光电二极管用于将第二混频光转化为第二光电流；第二带通滤波器用于滤除第二光电流中的直流成分，得到输出后的同相电流；
所述的幅度不平衡补偿模块，包括一个固定增益放大器、一个可变增益放大器、2个包络检波器、一个差分放大器；其中，所述的可变增益放大器用于将输入的同相电流放大，得到输出后的放大同相电流；固定增益放大器用于将输入的正交电流放大，得到输出后的放大正交电流；第一包络检波器用于检测输入的放大正交电流，得到输出后的正交电流幅度；第二包络检波器用于检测输入的放大同相电流，得到输出后的同相电流幅度；差分放大器用于将输入的正交电流幅度与同相电流幅度的差值进行放大，得到输出后的幅度误差信号，并将幅度误差信号输入到可变增益放大器；
所述的相位不平衡补偿模块包括一个乘法器，一个低通滤波器；其中，乘法器用于将输入的同相电流和正交电流做乘法操作，得到输出后的相乘电流；低通滤波器用于将输入的相乘电流中的高频成分滤除，得到输出后的相位误差信号，并将相位误差信号输入到光混频模块中的电光调制器；
所述的相位噪声消除模块包括一个差分解码器，所述的差分解码器用于将幅度、相位补偿后的同相电流、正交电流做差分运算，消除相位噪声。
本发明的方法包括如下的步骤：
(1)光混频：
(1a)第一分束器将接收机接受的信号光均分为两束信号光，第二分束器将接收机接受的本振光均分为两束本振光；
(1b)电光调制器将分光后的一束本振光先移相当有相位误差信号输入到电光调制器时，电光调制器在的相移基础上再产生一个与相位误差信号成正比的相移，比例系数为负数，得到移相后的本振光；
(1c)第一耦合器将移相后的本振光与分光后的一束信号光混频，产生第一混频光，第二耦合器将分光后的未移相的本振光与分光后的另一束信号光混频，产生第二混频光；
(2)提取正交电流：
(2a)将第一混频光输入第一光电二极管，得到输出后的第一光电流；
(2b)将第一光电流输入第一带通滤波器，滤除第一光电流中的直流成分，得到输出后的正交电流；
(3)提取同相电流：
(3a)将第二混频光输入第二光电二极管，得到输出后的第二光电流；
(3b)将第二光电流输入第二带通滤波器，滤除第二光电流中的直流成分，得到输出后的同相电流；
(4)幅度不平衡补偿：
(4a)将同相电流输入可变增益放大器，得到输出后的放大同相电流，将正交电流输入固定增益放大器，得到输出后的放大正交电流；
(4b)将放大正交电流输入第一包络检波器，得到输出后的正交电流幅度，将放大同相电流输入第二包络检波器，得到输出后的同相电流幅度；
(4c)将正交电流幅度和同相电流幅度输入差分放大器，正交电流幅度与同相电流幅度的差值被放大，得到输出后的幅度误差信号；
(4d)将幅度误差信号输入到可变增益放大器，利用自动幅度控制改变同相电流幅度使其等于正交电流幅度；
(5)相位不平衡补偿：
(5a)将同相电流和正交电流输入到乘法器，将输出的相乘电流输入到低通滤波器，得到输出后的相位误差信号；
(5b)将相位误差信号输入到电光调制器，利用自动相位控制改变正交电流相位使其等于同相电流相位；
(6)消除相位噪声：
将幅度、相位补偿后的同相电流、正交电流输入到差分解码器进行差分运算，得到消除相位噪声的基带信号。
本发明与现有技术相比较具有如下的优点：
第一，由于本发明的系统采用幅度不平衡补偿模块和相位不平衡补偿模块，确保同相电流和正交电流幅度始终相等，相位始终相等，克服了现有技术DOPLL中使用的ADC，DAC和FPGA由于量化和舍入误差引入的非线性和幅度噪声会导致系统不稳定的缺点，使得本发明的系统提高了相位噪声消除精度，具有自适应的优点。
第二，由于本发明的系统采用相位噪声消除模块，只包含一个差分解码器，克服了现有技术中DOPLL技术系统复杂，光压控振荡器体积大，不易集成的缺点，使得本发明的系统更易于集成化。
第三，由于本发明的方法采用自动相位分集，克服了现有技术中的DOPLL方法只能消除激光器线宽和激光器相位偏移造成的相位噪声的缺点，使得本发明的方法扩大了相位噪声消除范围。
第四，由于本发明的方法采用差分运算消除相位噪声，计算量少，克服了现有技术载波相位估计方法计算复杂的缺点，使得本发明的方法对硬件资源的消耗更少
附图说明
图1是本发明的系统方框图；
图2是本发明的光混频模块方框图；
图3是本发明方法的流程图；
图4是本发明的仿真实验效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1本发明的系统包括五个模块：光混频模块、同相和正交电流提取模块、幅度不平衡补偿模块、相位不平衡补偿模块、相位噪声消除模块。
参照附图2，光混频模块包括2个分束器、2个耦合器、一个电光调制器；其中，所述的第一分束器用于将接收机接受的本振光均分为两束本振光；第二分束器用于将接收机接受的信号光均分为两束信号光；电光调制器用于将分光后的一束本振光移相，得到移相后的本振光；第一耦合器用于将移相后的本振光与分光后的一束信号光混频，产生第一混频光，第二耦合器用于将分光后的未移相的本振光与分光后的另一束信号光混频，产生第二混频光。
同相和正交电流提取模块，包括2个光电二极管、2个带通滤波器；其中，所述的第一光电二极管用于将第一混频光转化为第一光电流；第一带通滤波器用于滤除第一光电流中的直流成分，得到输出后的正交电流；第二光电二极管用于将第二混频光转化为第二光电流；第二带通滤波器用于滤除第二光电流中的直流成分，得到输出后的同相电流。
幅度不平衡补偿模块，包括一个固定增益放大器、一个可变增益放大器、2个包络检波器、一个差分放大器；其中，所述的可变增益放大器用于将输入的同相电流放大，得到输出后的放大同相电流；固定增益放大器用于将输入的正交电流放大，得到输出后的放大正交电流；第一包络检波器用于检测输入的放大正交电流，得到输出后的正交电流幅度；第二包络检波器用于检测输入的放大同相电流，得到输出后的同相电流幅度；差分放大器用于将输入的正交电流幅度与同相电流幅度的差值进行放大，得到输出后的幅度误差信号，并将幅度误差信号输入到可变增益放大器。
相位不平衡补偿模块包括一个乘法器，一个低通滤波器；其中，乘法器用于将输入的同相电流和正交电流做乘法操作，得到输出后的相乘电流；低通滤波器用于将输入的相乘电流中的高频成分滤除，得到输出后的相位误差信号，并将相位误差信号输入到光混频模块中的电光调制器。
相位噪声消除模块包括一个差分解码器，所述的差分解码器用于将幅度、相位补偿后的同相电流、正交电流做差分运算，消除相位噪声。
参照附图3，对本发明的方法做进一步描述。
步骤1，光混频。
第一分束器将接收机接受的本振光均分为两束本振光El和E′l，第二分束器将接收机接受的信号光均分为两束信号光Es和E′s。
电光调制器将分光后的一束本振光El先移相得到移相后的本振光jEl，其中j表示虚数单位。
第一耦合器将移相后的本振光jEl与分光后的一束信号光Es混频，产生第一混频光E1，第二耦合器将分光后的未移相的本振光E′l与分光后的另一束信号光E′s混频，产生第二混频光E2。
步骤2，提取正交电流。
将第一混频光E1输入第一光电二极管，得到输出后的第一光电流I1，其表达式为：
其中，R1表示第一光电二极管响应度，表示取实部，方括号上的横线表示在几个光频周期上的时间平均，as表示信号光Es的幅度，al表示本振光El的幅度，sin表示做正弦操作，表示信号光第k个码元的调制相位，θ表示激光器的线宽、激光器的相位偏移造成的相位噪声，η表示对应光程以及环境等引起的相位噪声。
将第一光电流I1输入第一带通滤波器，滤除第一光电流I1中的直流成分，得到输出后的正交电流I′1，其表达式为：
步骤3，提取同相电流。
将第二混频光E2输入第二光电二极管，得到输出后的光电流I2，其表达式为：
其中，R2表示第二光电二极管的响应度，a′s表示信号光E′s的幅度，a′l表示本振光E′l的幅度，cos表示做余弦操作，η′表示对应光程以及环境引起的相位噪声。
将第二光电流I2输入第二带通滤波器，滤除第二光电流I2中的直流成分，得到输出后的同相电流I′2，其表达式为：
步骤4，幅度不平衡补偿。
将同相电流输入可变增益放大器，得到输出后的放大同相电流，将正交电流输入固定增益放大器，得到输出后的放大正交电流。
将放大正交电流输入第一包络检波器，得到输出后的正交电流幅度，将放大同相电流输入第二包络检波器，得到输出后的同相电流幅度；
将正交电流幅度和同相电流幅度输入差分放大器，正交电流幅度与同相电流幅度的差值被放大，得到输出后的幅度误差信号；
将幅度误差信号输入到可变增益放大器，当幅度误差信号为正值时，表示正交电流幅度大于同相电流幅度，可变增益放大器扩大增益系数，使同相电流幅度变大，当幅度误差信号为负值时，表示正交电流幅度小于同相电流幅度，可变增益放大器减小增益系数，使同相电流幅度减小，始终控制同相电流幅度等于正交电流幅度。
步骤5，相位不平衡补偿。
将同相电流和正交电流输入到乘法器，得到输出的相乘电流S，其表达式为：
将相乘电流S输入到低通滤波器，由于是调制相位，可以看作高频成分，η′-η是由光程，温度变化，震动等引起的相位噪声，可以看作低频成分，所以经过低通滤波器滤波后得到输出后的相位误差信号u，其表达式为：
将相位误差信号输入到电光调制器，当相位误差信号为正值时，说明同相电流相位大于正交电流相位，电光调制器对本振光产生一个额外的负相移，使正交电流相位扩大，当相位误差信号为负值时，说明同相电流相位小于正交电流相位，电光调制器对本振光产生一个额外的正相移，使正交电流相位减小，始终控制正交电流相位等于同相电流相位。
步骤6，消除相位噪声：
幅度、相位补偿后的同相电流、正交电流分别表示为II和IQ，其表达式为：
其中，B表示同相电流、正交电流经过幅度不平衡补偿后的幅度值，将补偿后的同相电流II和补偿后的正交电流IQ输入到差分解码器进行如下运算，最终得到消除相位噪声的基带信号：
其中，*表示相乘操作，I′I表示延迟一个信号码元周期的幅度、相位不平衡补偿后的同相电流，I′Q表示延迟一个信号码元周期的幅度、相位不平衡补偿后的正交电流，表示信号光第k-1个码元的调制相位。
下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步说明。
1.仿真实验条件：
本发明的仿真实验使用Matlab 2016和optisystem7.0仿真实验软件联合仿真，采用QDPSK调制格式，比特率为100GBits/s，信号光和本振光波长都为1552nm，激光器线宽都为2MHz，信号光初相位为0°，本振光初相位为10°，为了引入相位不平衡，在同相电流中引入一个最大幅度为10°，频率为1GHz的相位噪声，为了引入幅度不平衡，设置第二光电二极管响应度为1.2A/W，第一光电二极管响应度为1A/W，不考虑光纤传输损伤。
2.仿真实验内容及结果分析：
图4是本发明的仿真实验的结果图，其中，图4(a)是没有进行任何补偿和相位噪声消除的星座图，星座图可以形象的表示相位调制格式的相位矢量，星座点到原点的距离表示相位矢量的幅度，星座点和原点的连线与横坐标正轴形成的夹角表示相位矢量的相位，所以横坐标代表相位矢量的同相分量，纵坐标代表相位矢量的正交分量，单位都为相对值。从图4(a)可以看出，每个相位点分布散乱，说明相位噪声比较大，四个相位点整体位置发生了旋转，说明信号光和本振光的初相位不相等，四个相位点不构成一个正方形，说明存在相位不平衡和幅度不平衡。图4(b)是采用本发明消除相位噪声后的星座图，从图4(b)可以看出，每个相位点很集中，相位点位置回到标准位置，四个相位点构成正方形，对比图4(a)有明显提升。图4(c)是激光器线宽都为0MHz，信号光和本振光初相位都为0°，没有幅度不平衡和相位不平衡的星座图，即理想星座图，对比图4(b)，可以看出本发明可以达到理想效果。

Claims (6)

1.一种基于自动相位分集的相位噪声消除系统，包括光混频模块、同相和正交电流提取模块、幅度不平衡补偿模块、相位不平衡补偿模块、相位噪声消除模块，其中：
所述的光混频模块，包括2个分束器、2个耦合器、一个电光调制器；其中，所述的第一分束器用于将接收机接受的本振光均分为两束本振光；第二分束器用于将接收机接受的信号光均分为两束信号光；电光调制器用于将分光后的一束本振光移相，得到移相后的本振光；第一耦合器用于将移相后的本振光与分光后的一束信号光混频，产生第一混频光，第二耦合器用于将分光后的未移相的本振光与分光后的另一束信号光混频，产生第二混频光；
所述同相和正交电流提取模块，包括2个光电二极管、2个带通滤波器；其中，所述的第一光电二极管用于将第一混频光转化为第一光电流；第一带通滤波器用于滤除第一光电流中的直流成分，得到输出后的正交电流；第二光电二极管用于将第二混频光转化为第二光电流；第二带通滤波器用于滤除第二光电流中的直流成分，得到输出后的同相电流；
所述的幅度不平衡补偿模块，包括一个固定增益放大器、一个可变增益放大器、2个包络检波器、一个差分放大器；其中，所述的可变增益放大器用于将输入的同相电流放大，得到输出后的放大同相电流；固定增益放大器用于将输入的正交电流放大，得到输出后的放大正交电流；第一包络检波器用于检测输入的放大正交电流，得到输出后的正交电流幅度；第二包络检波器用于检测输入的放大同相电流，得到输出后的同相电流幅度；差分放大器用于将输入的正交电流幅度与同相电流幅度的差值进行放大，得到输出后的幅度误差信号，并将幅度误差信号输入到可变增益放大器；
所述的相位不平衡补偿模块包括一个乘法器，一个低通滤波器；乘法器用于将输入的同相电流和正交电流做乘法操作，得到输出后的相乘电流；低通滤波器用于将输入的相乘电流中的高频成分滤除，得到输出后的相位误差信号，并将相位误差信号输入到光混频模块中的电光调制器；
所述的相位噪声消除模块包括一个差分解码器，所述的差分解码器将幅度、相位补偿后的同相电流、正交电流做差分运算，消除相位噪声。
2.根据权利要求1所述的基于自动相位分集的相位噪声消除系统，其特征在于，所述的光混频模块中的电光调制器采用固有相移为的电光调制器，用于相位误差信号输入到电光调制器时，电光调制器在的相移基础上再产生一个与相位误差信号成正比的相移，比例系数为负数。
3.一种基于自动相位分集的相位噪声消除方法，包括如下步骤：
(1)光混频：
(1a)第一分束器将接收机接受的本振光均分为两束本振光，第二分束器将接收机接受的信号光均分为两束信号光；
(1b)电光调制器将分光后的一束本振光先移相当有相位误差信号输入到电光调制器时，电光调制器在的相移基础上再产生一个与相位误差信号成正比的相移，比例系数为负数，得到移相后的本振光；
(1c)第一耦合器将移相后的本振光与分光后的一束信号光混频，产生第一混频光，第二耦合器将分光后的未移相的本振光与分光后的另一束信号光混频，产生第二混频光；
(2)提取正交电流：
(2a)将第一混频光输入第一光电二极管，得到输出后的第一光电流；
(2b)将第一光电流输入第一带通滤波器，滤除第一光电流中的直流成分，得到输出后的正交电流；
(3)提取同相电流：
(3a)将第二混频光输入第二光电二极管，得到输出后的第二光电流；
(3b)将第二光电流输入第二带通滤波器，滤除第二光电流中的直流成分，得到输出后的同相电流；
(4)幅度不平衡补偿：
(4a)将同相电流输入可变增益放大器，得到输出后的放大同相电流，将正交电流输入固定增益放大器，得到输出后的放大正交电流；
(4b)将放大正交电流输入第一包络检波器，得到输出后的正交电流幅度，将放大同相电流输入第二包络检波器，得到输出后的同相电流幅度；
(4c)将正交电流幅度和同相电流幅度输入差分放大器，正交电流幅度与同相电流幅度的差值被放大，得到输出后的幅度误差信号；
(4d)将幅度误差信号输入到可变增益放大器，利用自动幅度控制改变同相电流幅度使其等于正交电流幅度；
(5)相位不平衡补偿：
(5a)将同相电流和正交电流输入到乘法器，将输出的相乘电流输入到低通滤波器，得到输出后的相位误差信号；
(5b)将相位误差信号输入到电光调制器，利用自动相位控制改变正交电流相位使其等于同相电流相位；
(6)消除相位噪声：
将幅度、相位补偿后的同相电流、正交电流输入到差分解码器进行差分运算，得到消除相位噪声的基带信号。
4.根据权利要求3所述的基于自动相位分集的相位噪声消除方法，其特征在于，步骤(4d)中所述的自动幅度控制是指，当幅度误差信号为正值时，表示正交电流幅度大于同相电流幅度，可变增益放大器扩大增益系数，使同相电流幅度变大，当幅度误差信号为负值时，表示正交电流幅度小于同相电流幅度，可变增益放大器减小增益系数，使同相电流幅度减小，始终控制同相电流幅度等于正交电流幅度。
5.根据权利要求3所述的一种自动相位分集的相位噪声消除方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的自动相位控制是指，当相位误差信号为正值时，说明同相电流相位大于正交电流相位，电光调制器对本振光产生一个额外的负相移，使正交电流相位扩大，当相位误差信号为负值时，说明同相电流相位小于正交电流相位，电光调制器对本振光产生一个额外的正相移，使正交电流相位减小，始终控制正交电流相位等于同相电流相位。
6.根据权利要求3所述的一种自动相位分集的相位噪声消除方法，其特征在于，步骤(6)中所述的差分运算如下：
其中，II表示幅度、相位不平衡补偿后的同相电流，*表示相乘操作，II′表示延迟一个信号码元周期的幅度、相位不平衡补偿后的同相电流，IQ表示幅度、相位不平衡补偿后的正交电流，I′Q表示延迟一个信号码元周期的幅度、相位不平衡补偿后的正交电流，B表示同相电流、正交电流经过幅度不平衡补偿后的幅度值，cos表示做余弦操作，表示信号光第k个码元的调制相位，表示信号光第k-1个码元的调制相位，sin表示做正弦操作。
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