CN108418639B - 一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统及方法。该系统包括本振激光器、3dB耦合器、光平衡探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)。信号与本振光经过3dB耦合器合波后输入光平衡探测器。光平衡探测器输出的射频电信号经过射频放大器放大，电滤波器滤波之后由ADC转换为数字信号并输入DSP。DSP将输入数字信号合成为虚拟光学最小相位信号光强变化的采样值，并通过Hilbert变换提取信号光相位信息，最后基于强度和相位信息重建信号光场。本发明使用单个光平衡探测器和单个ADC即可实现信号光场的数字化相干检测，结构简单，成本低，功耗小，噪声低，抗损伤能力强。

Description

一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统及方法
技术领域
本发明属于光纤通信，自由空间光通信，光信号检测和数字信号处理领域，更具体地，涉及一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统及方法。
背景技术
目前光通信系统主要采用强度调制和直接检测技术。基于直接检测技术的光接收机采用单个光电二极管将光信号转换为电信号，结构简单，成本低，但光电二极管输出电流与输入光信号模场的平方(即光功率)成正比，因此只能检测信号光的强度信息。由于强度调制并未充分利用光场的全部可调制维度，因此传输效率低，难以满足日益增长的高速大容量通信系统的需求。相干检测可以检测信号光的强度、频率、相位和偏振各个维度信息，具有更高的传输效率和灵敏度。由于相干检测中光场能够被线性化复原为电信号，因此是一种线性化检测技术。而数字化相干检测可以在数字域还原信号光场，进而可以通过算法实现载波同步，无需复杂的光锁相环和高性能激光器，因此目前高速大容量远距离光通信系统多采用基于数字化相干检测技术的相干光接收机。但是目前此类相干光接收机一般包括2个光混频器，4个光平衡探测器(每个光平衡探测器包含2个光电二极管，总共需要8个光电二极管)和4个ADC，其结构复杂，成本和功耗都很高，不适用数据中心，城域网和光接入网络等对成本较为敏感的场合，以及卫星、空间站等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，因而限制了高速大容量光网络的覆盖范围。最近国外研究者提出了一些新型的所谓“数字线性化”技术。该技术采用单个光电二极管检测光信号，通过DSP运算消除光电二极管平方率响应函数引入的非线性串扰，实现信号光场的线性化数字相干检测。该方案能够大大降低系统成本和功耗，是一种绿色低成本的数字化相干检测方法。
目前提出的“数字线性化”技术主要包括单级和两级线性化滤波技术、迭代线性化滤波技术、信号与信号拍频干扰消除技术以及基于最小相位信号的线性化技术这五种。前四种技术是将单个光电二极管平方率响应函数造成的非线性项作为一种失真计算出来后再从输出信号中减去。基于最小相位信号的线性化技术采用直流光与信号光合成光学最小相位信号，进而利用单个光电二极管检测其强度大小，最后在DSP中基于最小相位信号幅度和相位间存在的Hilbert变换关系重建信号光场，其频谱效率和输出信号质量较前四种技术更高。但是目前基于最小相位信号的线性化技术还存在一些缺点，例如其要求直流光功率远远大于信号光功率。在发射端加入直流光与信号光同传会造成较为严重的光纤非线性效应和信道间串扰，与现有光通信系统兼容性较差。对于空间光通信系统发射端光信号功率一般提高到瓦量级，对应发射端加入的直流光功率需要达到十瓦量级，因此实用性很差。如果在接收端采用本振激光器提供直流光则会带来至少3dB的信号或直流光功率合波损耗，造成系统灵敏降低，功耗提高，同时还会引入较强的相对强度噪声。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统及方法，由此解决目前的基于最小相位信号的线性化技术存在的要求直流光功率远远大于信号光功率、与现有光通信系统兼容性较差、实用性很差、3dB合波损耗低以及较强的相对强度噪声的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统，包括：依次相连的本振激光器、3dB耦合器、光平衡探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器和数字信号处理器；
其中，所述3dB耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，所述光平衡探测器具有2个输入端口和1个输出端口，所述3dB耦合器的2个输出端口与所述光平衡探测器的2个输入端口连接；
所述本振激光器用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号；
所述3dB耦合器，用于所述入射光信号和所述本振光信号的合波得到两路光信号；
所述光平衡探测器，用于将由所述3dB耦合器输入的所述两路光信号转换为一路射频电信号；
所述射频放大器，用于放大来自于所述光平衡探测器的所述射频电信号，以达到符合所述模数转换器采样电平的需求；
所述电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；
所述模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；
所述数字信号处理器，用于对由所述模数转换器输入的所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
优选地，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧边缘。
优选地，所述射频电信号为：其中，Iac(t)表示所述射频电信号，R表示所述光平衡探测器的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息。
优选地，所述数字信号为：其中，Idig(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
优选地，所述数字信号处理器，用于由对所述数字信号进行处理得到新的数字信号Imp(nT)，然后由对Imp(nT)进行Hilbert变换提取信号光场相位信息φE(nT)后，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Imp(nT)对应一个虚拟的光学最小相位信号光强变化的采样值，A为常数项，HT表示Hilbert变换，ΔA为信号的均值。
优选地，所述射频放大器的放大倍数应与所述模数转换器的额定输入电压动态范围相匹配，常数项A的值与所述模数转换器的最大输入电压所对应的数字信号值之间的差值小于预设阈值。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测方法，包括：
将入射光信号和本振光信号进行合波得到两路光信号，并将所述两路光信号转换为一路射频电信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧边缘；
对所述射频电信号进行放大，以达到符合模数转换采样电平的需求，并滤除放大后的射频电信号中的噪声；
将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号，并对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
优选地，所述射频电信号为：其中，Iac(t)表示所述射频电信号，R表示所述光平衡探测器的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息。
优选地，所述数字信号为：其中，Idig(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
优选地，所述对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，包括：
由对所述数字信号进行处理得到新的数字信号Imp(nT)；
由对Imp(nT)进行Hilbert变换提取信号光场相位信息φE(nT)；
由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Imp(nT)对应一个虚拟的光学最小相位信号光强变化的采样值，A为常数项，HT表示Hilbert变换，ΔA为信号的均值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的数字相干检测系统仅使用本振激光器，3dB耦合器，光平衡探测器(包含2个光电二极管)，射频放大器，电滤波器，模数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)各一个。相较于以往的数字相干光接收机，所需光电二极管，ADC和DSP数量均大幅降低，且无需光混频器，因此系统结构简单，可靠性好，成本低，功耗小。
(2)相比目前基于最小相位信号的线性化技术本发明，基于虚拟最小相位信号可以大幅降低所需直流光功率，同时通过采用平衡探测减少直流光和信号光合波损耗，并消除直流光带来的相对强度噪声(RIN)，提高输出射频电信号的信噪比，非常适合于数据中心，城域网和光接入网络等对成本较为敏感的场合，以及卫星、空间站等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，可以大幅提高高速大容量光网络的覆盖范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种在典型应用环境下，基于本发明和基于传统最小相位信号线性化技术的数字化相干检测系统所输出的信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随输入信号OSNR的变化曲线；
图3为本发明实施例提供的一种在固定信号输入功率且无前置光放大的条件下，基于本发明和基于传统最小相位信号线性化技术的数字化相干检测系统输出信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随所加入的直流光与信号光功率比值(用PLO/Ps表示)的变化曲线；
图4为本发明实施例提供的一种在固定信号输入功率并进行前置光放大的条件下，基于本发明和基于传统最小相位信号线性化技术的数字化相干检测系统输出信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随所加入的直流光与信号光功率比值(用PLO/Ps表示)的变化曲线；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-本振激光器，2-3dB耦合器，3-光平衡探测器，4-射频放大器，5-电滤波器，6-模数转换器，7-数字信号处理器。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统及方法，以大幅降低所需直流光功率，避免3dB合波损耗，并消除加入直流光带来的额外的相对强度噪声(RIN)，提高输出射频电信号的信噪比。
如图1所示为本发明实施例提供的一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统的结构示意图，在图1所示的系统中包括：依次相连的本振激光器1、3dB耦合器2、光平衡探测器3、射频放大器4、电滤波器5、模数转换器6和数字信号处理器7；
其中，3dB耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，光平衡探测器具有2个输入端口和1个输出端口，3dB耦合器的2个输出端口与光平衡探测器的2个输入端口连接；
本振激光器用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号；
在本发明实施例中，本振光信号的频率位于入射光信号的频谱的左侧或右侧边缘。
其中，本振光信号的频率位于入射光信号的频谱的左侧或右侧的预设范围内，其中，预设范围可以根据实际使用情况进行确定。
3dB耦合器，用于入射光信号和本振光信号的合波得到两路光信号；
其中，通过3dB耦合器进行合波后，使两路光信号经过光电转换后产生的电流信号中交流项具有180度相位差。
在本发明实施例中，入射光信号和本振光信号分别由3dB耦合器的2个输入端口输入，其中Ps、PLO分别为入射光信号和本振光信号的光功率，ωS、ωLO分别为入射光信号和本振光信号对应的角频率，φS为入射光信号携带的相位信息。
光平衡探测器，用于将由3dB耦合器输入的两路光信号转换为一路射频电信号；
在本发明实施例中，射频电信号为：其中，Iac(t)表示射频电信号，R表示光平衡探测器的响应度，PS表示入射光信号的光功率，PLO表示本振光信号的光功率，ωIF表示入射光信号的角频率与本振光信号的角频率差，φS表示入射光信号携带的相位信息，ωIF＝ωS-ωLO。
射频放大器，用于放大来自于光平衡探测器的射频电信号，以达到符合模数转换器采样电平的需求；
其中，射频放大器的放大倍数应与模数转换器的额定输入电压动态范围相匹配。
电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；
模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；
在本发明实施例中，数字信号为：其中，Idig(nT)表示数字信号，T表示数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
数字信号处理器，用于对由模数转换器输入的数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
在本发明实施例中，数字信号处理器，用于由对数字信号进行处理得到新的数字信号Imp(nT)，然后由对Imp(nT)进行Hilbert变换提取信号光场相位信息φE(nT)后，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Imp(nT)对应一个虚拟的光学最小相位信号光强变化的采样值，A为常数项，HT表示Hilbert变换，ΔA为信号的均值。
其中，常数项A的值与模数转换器的最大输入电压所对应的数字信号值之间的差值小于预设阈值，其中，预设阈值可以根据实际情况进行确定，以常数项A的值接近模数转换器的最大输入电压所对应的数字信号值为准。
本发明还提供了一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测方法，包括：
将入射光信号和本振光信号进行合波得到两路光信号，并将两路光信号转换为一路射频电信号，其中，本振光信号的频率位于入射光信号的频谱的左侧或右侧边缘；
对射频电信号进行放大，以达到符合模数转换采样电平的需求，并滤除放大后的射频电信号中的噪声；
将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号，并对数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
图2为典型应用环境下基于本发明和基于传统最小相位信号线性化技术的数字化相干检测系统所输出的信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随输入信号OSNR的变化曲线。其中，所检测的光信号为20Gbps(波特率为10GBaud)的正交相移键控(QPSK)信号。当EVM＝32.5％时BER＝1e-3。从图2可以看出当EVM＝32.5％即BER＝1e-3时基于本发明的数字化相干检测系统的灵敏度提高1dB(所需OSNR减小1dB)。
图3所示为固定信号输入功率且无前置光放大的条件下，基于本发明和基于传统最小相位信号线性化技术的数字化相干检测系统输出信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随所加入的直流光与信号光功率比值(用PLO/Ps表示)的变化曲线。从图3中可以看出当同样工作条件下当EVM＝32.5％即BER＝1e-3时本发明技术所需的直流光功率PLO＝0.7Ps，相比基于最小相位信号线性化技术(PLO＝3.8Ps)降低了5倍以上。
图4所示为固定信号输入功率并进行前置光放大的条件下，信号的光信噪比为13dB时，基于本发明和基于传统最小相位信号线性化技术的数字化相干检测系统输出信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随所加入的直流光与信号光功率比值(用PLO/Ps表示)的变化曲线。从图4中可以看出当同样的直流光功率条件下(PLO＝1.1Ps)，基于最小相位信号线性化技术只能达到EVM＝32.5％即BER＝1e-3，而本发明技术可以达到EVM＝16.0％即BER＝1e-10，性能明显占优。
总之，本发明相对于传统基于最小相位信号的数字化相干检测系统有着灵敏度更高，本振功率需求更小，能耗更低等多种优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测系统，其特征在于，包括：依次相连的本振激光器、3dB耦合器、光平衡探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器和数字信号处理器；
其中，所述3dB耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，所述光平衡探测器具有2个输入端口和1个输出端口，所述3dB耦合器的2个输出端口与所述光平衡探测器的2个输入端口连接；
所述本振激光器用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号；
所述3dB耦合器，用于所述入射光信号和所述本振光信号的合波得到两路光信号；
所述光平衡探测器，用于将由所述3dB耦合器输入的所述两路光信号转换为一路射频电信号；
所述射频放大器，用于放大来自于所述光平衡探测器的所述射频电信号，以达到符合所述模数转换器采样电平的需求；
所述电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；
所述模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；
所述数字信号处理器，用于对由所述模数转换器输入的所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测；
所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧的预设范围内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频电信号为：其中，Iac(t)表示所述射频电信号，R表示所述光平衡探测器的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字信号为：其中，Idig(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理器，用于由对所述数字信号进行处理得到新的数字信号Imp(nT)，然后由对Imp(nT)进行Hilbert变换提取信号光场相位信息φE(nT)后，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Imp(nT)对应一个虚拟的光学最小相位信号光强变化的采样值，A为常数项，HT表示Hilbert变换，ΔA为信号的均值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述射频放大器的放大倍数与所述模数转换器的额定输入电压动态范围相匹配，常数项A的值与所述模数转换器的最大输入电压所对应的数字信号值之间的差值小于预设阈值。
6.一种基于虚拟最小相位信号的数字化相干检测方法，其特征在于，包括：
将入射光信号和本振光信号进行合波得到两路光信号，并将所述两路光信号转换为一路射频电信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧的预设范围内；
对所述射频电信号进行放大，以达到符合模数转换采样电平的需求，并滤除放大后的射频电信号中的噪声；
将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号，并对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述射频电信号为：其中，Iac(t)表示所述射频电信号，R表示光平衡探测器的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数字信号为：其中，Idig(nT)表示所述数字信号，T表示数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，包括：
由对所述数字信号进行处理得到新的数字信号Imp(nT)；
由对Imp(nT)进行Hilbert变换提取信号光场相位信息φE(nT)；
由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Imp(nT)对应一个虚拟的光学最小相位信号光强变化的采样值，A为常数项，HT表示Hilbert变换，ΔA为信号]的均值。
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