CN110138454A - 融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统 - Google Patents

融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，该系统采用偏振复用技术和双二进制调制方式在发射端产生光双偏振态双二进制(DP‑DB)信号，并将该信号以10Gb/s的速率通过50km单模光纤(SMF‑28)和100m自由空间无线光通信(FSO)信道传输，相较于传统光接入系统方案，测试结果证明：本发明提出的DP‑DB光纤接入系统同时具备光纤链路和自由空间下行链路的接入优势，不仅可以提供高带宽效率的接入和支持偏振解复用后直接探测光信号，而且可以应用于不利于光纤传输的“最后一公里”区域。

Description

融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光 接入系统
技术领域
本发明属于光通信网络中的光接入系统领域，用于改善信号的长距离收发质量和融合光纤链路和FSO自由空间光通信信道接入系统的传输性能和提高接入系统的应用范围。
背景技术
随着人们对网络带宽的需求呈指数形式持续增长，为了缓解用户接入网络的瓶颈，宽带光接入技术的研究与使用已成为必然趋势。光纤通信是利用光纤作为通信媒介来传输光信号，其具有高带宽、低损耗和低成本的特点，且不易受恶劣环境的影响，但在解决“最后一公里”接入问题时，其存在诸如移动性能差、施工成本高等局限性。而自由空间光通信(FSO)能在光网络单元(ONU,Optical Network Unit)和光线路终端(OLT，Optical LineTerminal)间提供宽带无线光连接，其最大的特点是使光信号不受光纤有限链路的限制，能够在部分特殊的场合(如人口稀少的农村山区、三峡库区等)进行相应的无线连接，从而解决部署的适应问题，这已经成为了无线通信领域的研究热点。近年来，人们发现双二进制(DB，Duobinary)信号的频谱是非归零(NRZ)信号的一半，具备更大的色散容限，从而使传输信号可以在无色散补偿条件下能实现较远距离传输。目前，人们大都采用PSK、DQPSK、PAM、QAM等复杂调制方式来对接入信号进行调制解调，上述这些调制方式大都需要在接收端把相位调制信号转换为幅度调制信号进行单独处理，或者需要在收发两端进行复杂数字信号处理(DSP)才能实现低误码率接收，这些都不利于实际应用。
目前业界已提出的基于光纤传输和FSO信道的光接入系统方案，虽然能使信号进行长距离传输，并使系统具有大带宽优势，但是收发结构复杂，且其频谱利用率和接收性能有待进一步改进和提高。
发明内容
本发明针对上述情况，本发明提出融合光纤链路和FSO自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，该系统采用偏振复用技术和双二进制调制方式在发射端产生光双偏振态双二进制(DP-DB)信号，并将该信号以10Gb/s的速率通过50km单模光纤(SMF-28)和100m自由空间无线光通信(FSO)信道传输，相较于传统接入系统方案，测试结果证明：本发明提出的DP-DB光纤接入系统结合光纤和自由空间下行链路的潜在优势，不仅可以提供高带宽效率的接入和支持直接检测光信号，而且可以解决不利于光纤传输的“最后一公里”问题，并且传输后接收质量良好。上述装置实现方便，技术上切实可行。
为实现上述目的本发明采用的技术方案是，融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，包括激光器、第一偏振分束器、双二进制预编码系统、调制器、偏振合束器、光纤、自由空间光通信装置、第二偏振分束器和光电探测器；其中所述激光器发出的连续激光经过第一偏振分束器被分成两路光载波；两个所述双二进制预编码系统分别生成两路双二进制信号；光载波与双二进制信号经过调制器调制生成光DB信号，两路光DB信号经过偏振合束器调制合束成一路光DP-DB信号；光DP-DB信号通过光纤传输后经自由空间光通信装置进入自由空间光通信信道传输，然后进入第二偏振分束器解调分成两光路，两光路中分别采用光电探测器进行数据恢复。
具体地，所述双二进制预编码系统包括脉冲发生器、低通滤波器和1X2分路器，对伪随机二进制序列进行非运算后，进行二进制预编码处理，然后输入脉冲发生器，经低通滤波器滤波后输入1X2分路器，输出双二进制信号。
进一步，所述双二进制预编码系统还包括电放大器，其输入端与1X2分路器的输出端连接，将1X2分路器输出的双二进制信号进行放大处理。
在上述方案中，所述自由空间光通信装置包括激光信号发射装置和激光信号接收装置，在激光信号发射装置和激光信号接收装置上均设置有红外校准装置，激光信号发射装置将光纤内传输的信号以激光的形式发送，并在自由空间光通信信道中传输，再由激光信号接收装置接收。所述激光信号发射装置的前端连接第一掺饵光纤放大器，所述激光信号接收装置的后端连接第二掺饵光纤放大器。从而系统能实现信号长距离传输。
具体地，所述调制器采用LiNbO3马赫增德尔调制器。
分布反馈式激光器发出的连续激光被45度偏振分束器分成两路光载波，这两路光载波分别与两路双二进制预编码作用生成两路光DB信号，再由45度偏振合束器将这两路光DB信号合束成一路信号，从而产生光DP-DB信号。光DP-DB信号通过光纤链路和FSO下行传输信道传输。具体光DP-DB信号首先经50km标准单模光纤链路传输，由于信号在传输过程中受到不良因素(如光纤本身的色散等)影响，因此使用一个掺铒光纤放大器(EDFA)来补偿衰减。然后，该光DP-DB信号通过100m FSO信道传输，后置级联一个掺铒光纤放大器用以补偿自由空间传输衰减。从而系统能实现信号长距离传输。在系统接收端，光DP-DB信号只需在偏振解复用后分别采用光电接收器直接探测解调该信号就能恢复原始数据1和数据2，在接收机结构上配置简单，从而能简化系统结构。
本申请设计的偏振复用光双二进制调制方式是首先在发射端进行预编码实现降低误码持续传播的部分响应双二进制调制，然后结合偏振复用产生光双偏振态双二进制(DP-DB)信号，采用该方式产生的DP-DB在接收端偏振解复用后可以直接探测恢复，不会增加系统接收端复杂度，因此它作为一种新型调制格式应用于光通信接入系统具有应用优势。
综上所述，双偏振态双二进制(DP-DB)光接入系统不仅具有收发过程简单、传输容量大、谱效率高、抗色散、误码率低等优势，而且在复杂地形条件下进行长距离传输后接收性能良好，其将成为改善长距离传输和接入系统研究的较有前景的候选方案。
附图说明
图1为本发明中融合光纤链路和FSO信道的双偏振态双二进制(DP-DB)接入系统结构图；
图2为本发明中光DP-DB信号传输前后的光谱图；
图3为本发明中光DP-DB信号的Q因子和比特周期关系曲线图；
图4为本发明中光DP-DB信号的数据1(方点表示)和数据2(圆点表示)在背靠背传输(a)、只在光纤中传输(b)以及通过50km SMF-28与100mFSO下行链路传输(c)情况下的BER与接收功率关系曲线图，图中的插图分别对应两路光DP-DB信号在BER为10-9的眼图。
具体实施方式
参见图1，本方案中，在发射端设置了分布反馈式激光器1，其发出的连续激光经第一偏振分束器2被分成两路光载波，采用码型发生器生成伪随机二进制序列，对伪随机二进制序列进行非运算后，进行二进制预编码处理，然后输入第一NRZ脉冲发生器3.1，经第一低通滤波器4.1滤波后输入第一1X2分路器5.1，然后进入第一电放大器6.1放大，输出第一双二进制预编码信号，第一双二进制预编码信号与其中一路光载波经第一LiNbO3马赫增德尔调制器7.1调制生成第一光DB信号。同理，另一路，采用码型发生器生成伪随机二进制序列，对伪随机二进制序列进行非运算后，进行二进制预编码处理，然后输入第二NRZ脉冲发生器3.2，经第二低通滤波器4.2滤波后输入第二1X2分路器5.2，然后进入第二电放大器6.2放大，输出第二双二进制预编码信号，第二双二进制预编码信号与另一路光载波经第二LiNbO3马赫增德尔调制器7.2调制生成第二光DB信号。第一光DB信号和第二光DB信号经过一个偏振合束器8将两路光DB信号调制合束生成一路光DP-DB信号，该光DP-DB信号以10Gb/s的速率通过50km标准单模光纤(SMF-28)并经第一掺铒光纤放大器9(EDFA)来补偿传输衰减，再通过100m FSO信道传输，此时也后置级联第二掺铒光纤放大器11(EDFA)，用以补偿自由空间传输衰减。然后，光DP-DB信号通过第二偏振分束器12解调分成两光路，这时在两光路的接收端分别采用光电探测器13直接检测解调为数据1和数据2。FSO信道传输通过激光信号发射装置10.1和激光信号接收装置10.2实现，激光信号发射装置10.1和激光信号接收装置10.2上均设置有红外校准装置10.3。
测试结果如附图2所示，其中图(a)和图(b)分别为发射端生成的两路光DB信号经偏振合束器合束之前的光谱图，图(c)为生成光DP-DB信号的光频谱图，其中光载波的中心频率为193.1THz，图(d)为光DP-DB信号经50km标准单模光纤(SMF-28)和100mFSO信道传输后的光谱图，图(e)和图(f)分别为光DP-DB信号解调分成的两光路的光频谱图。从图中可以看出，DP-DB信号充分显示了其频谱利用率高的特点，且接收端接收光谱质量良好，证明本发明提出方案接收性能良好。在本方案中，尽管系统中采用了两个EDFA来补偿衰减，但使用光器件和传输过程中仍存在一定程度的损耗，因此，接收功率小于输入功率。
附图3为光DP-DB信号的Q因子和比特周期关系曲线图，其中图(a)和图(b)是光DP-DB信号的数据1和数据2的Q因子和比特周期关系曲线图，从图中可以看出，数据1和数据2的Q值表现良好，解调信号的最佳判决点是0.48bit。最优Q值的判决点是为了能以最佳判决方式恢复数据并分配给不同的接入应用用户。
附图4为光DP-DB信号的数据1(圆点表示)和数据2(方点表示)在背靠背传输(a)、只在光纤中传输(b)以及通过50km SMF-28与100mFSO下行链路传输(c)情况下的BER与接收功率关系曲线图，图中的插图分别对应两路光DP-DB信号在BER为10-9时的眼图。结果表明，光DP-DB信号经背靠背传输后的眼图明显优于下行传输(指DP-DB信号经过光纤传输后再经过自由空间信道传输的过程)后的眼图，但所提出方案的眼图张开度较为清晰，该系统经长距离传输后性能良好；光DP-DB信号在背对背情况下的接收灵敏度明显优于下行传输后的接收灵敏度；经过50km光纤链路和100m FSO系统下行传输后，偏分解复用后两路接收信号的误码性能相似，系统信号接收性能良好，证明该信号能显著改善信号经长距离传输后的接收质量。与背对背和只有光纤链路传输的情况相比，DP-DB信号经50km标准单模光纤(SMF-28)链路和100mFSO系统下行传输后，接收灵敏度为-3.6dBm(BER为10-9)，两路信号的接收灵敏度代价均大于0.7dB，可在实际接入系统中得到应用。

Claims (6)

1.融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，其特征在于：包括激光器、第一偏振分束器、双二进制预编码系统、调制器、偏振合束器、光纤、自由空间光通信装置、第二偏振分束器和光电探测器；其中所述激光器发出的连续激光经过第一偏振分束器被分成两路光载波；两个所述双二进制预编码系统分别生成两路双二进制信号；光载波与双二进制信号经过调制器调制生成光DB信号，两路光DB信号经过偏振合束器调制合束成一路光DP-DB信号；光DP-DB信号通过光纤传输后经自由空间光通信装置进入自由空间光通信信道传输，然后进入第二偏振分束器解调分成两光路，两光路中分别采用光电探测器进行数据恢复。
2.根据权利要求1所述融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，其特征在于：所述双二进制预编码系统包括脉冲发生器、低通滤波器和1X2分路器，对伪随机二进制序列进行非运算后，进行二进制预编码处理，然后输入脉冲发生器，经低通滤波器滤波后输入1X2分路器，输出双二进制信号。
3.根据权利要求2所述融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，其特征在于：所述双二进制预编码系统还包括电放大器，其输入端与1X2分路器的输出端连接，将1X2分路器输出的双二进制信号进行放大处理。
4.根据权利要求1-3任一项所述融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，其特征在于：所述自由空间光通信装置包括激光信号发射装置和激光信号接收装置，在激光信号发射装置和激光信号接收装置上均设置有红外校准装置，激光信号发射装置将光纤内传输的信号以激光的形式发送，并在自由空间光通信信道中传输，再由激光信号接收装置接收。
5.根据权利要求4所述融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，其特征在于：所述激光信号发射装置的前端连接第一掺饵光纤放大器，所述激光信号接收装置的后端连接第二掺饵光纤放大器。
6.根据权利要求1-3或5任一项所述融合光纤链路和自由空间光通信信道的双偏振态双二进制光接入系统，其特征在于：所述调制器采用LiNbO3马赫增德尔调制器。
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