CN110492946B - 一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统与方法。系统包括光耦合器、本振激光器、光探测器、模数转换器与数字信号处理系统。所述本振激光器谱线位于信号光谱一侧的边缘,通过光耦合器与信号光合波形成伪单边带信号,之后由光探测器转换为电信号,并通过快速傅里叶变换转换为数字信号便于数字信号处理系统处理。数字信号处理系统对数据流进行重叠分块和快速傅里叶变换,再乘以复合传函H,得到色散补偿后的伪单边带信号频谱。之后,通过位移使得信号频谱中心处于零频处。最后进行逆快速傅里叶变换,提取出非重叠数据完成信号光场重建和色散补偿。本发明大幅减小了光场重建与色散补偿系统软硬件复杂度和功耗,具有良好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信,相干检测和数字信号处理技术领域,更具体地,涉及一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统与方法。
背景技术
随着通信对速度和容量要求的提高,相干探测技术成为下一代光通信系统中的关键技术,得到了广泛的应用。基于相干探测的数字相干光接收机重建信号光场需要采用相位分集装置,每个相位分集装置包含1个光混频器、4个光探测器和2个模数转换器。其结构复杂,成本高,功耗大。对光纤通信系统,由于光纤色散的作用会造成信号脉冲的展宽引入严重的码间干扰,导致信号无法解调,因此相干光接收机为实现信号的解调必须通过DSP对色散进行补偿。传统数字相干光接收机采用专用的单一功能的色散补偿算法,通过对信号进行FFT变换得到信号频谱,然后乘以色散频域传函的逆函数实现色散补偿,最后再通过IFFT将信号还原到时域。由于FFT/IFFT运算需要大量复数乘法操作,却只能完成单一色散补偿功能,因此传统色散补偿算法工作效率较低。
由于传统数字相干光接收机中光场重建光场依赖复杂的相位分集装置,而色散补偿依赖专用的单一功能色散补偿算法,工作效率较低,因此需要配置高性能的DSP系统。这导致其无法满足中短距离光通信应用,例如光接入网、城域网和数据中心互联等应用对的低成本和低功耗的诉求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统与方法。该系统由于只用单探测器接收,具有较低的成本,并能在光场重建的同时补偿信号色散,极大降低了计算复杂度,便于DSP实时化处理。
为解决上述技术问题,按照本发明的一个方面,提出了一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统。该系统包括本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器与数字信号处理(DSP)系统;
所述本振光由光发射机中激光器产生并伴随信号传输,或由光接收机中激光器产生并与入射光信号在所述光探测器前合并在一起。本振光谱线偏离信号频谱中心的频偏为f0,位于入射光信号频谱一侧的边缘。
所述光探测器,用于将输入光信号强度信息转换为电信号;
所述模数转换器,用于将电信号转换为数字信号,以便于DSP处理;
所述光耦合器,用于将信号光与本振光进行合波形成伪单边带信号。
所述DSP系统内部包含缓存模块1、快速傅里叶变换(FFT)模块、复合传函模块、逆快速傅里叶变换(IFFT)模块、缓存模块2。缓存模块1首先对输入数据流进行重叠分块,使得进入FFT模块的数据块在开头与上一个数据块结尾有重复,在结尾与下一个数据块开头也有重复。FFT模块用于进行快速傅里叶变换(FFT)得到每个数据块的频谱。复合传函模块对数据块的频谱乘以复合传函H,得到色散补偿后的伪单边带信号的频谱,再将伪单边带信号的频谱进行位移,使得输入信号频谱中心位置处于零频处。IFFT模块用于在时域重建无色散损伤的输入信号光场,缓存模块2用于提取未重叠的数据。
所述复合传函H包含H1,H2两部分。H=H1×H2,H1用于提取伪单边带信号频谱,其表达式如下:
H2用于实现色散补偿,其表达式如下:
其中Fs为信号采样速率,c为光速,L为光纤长度,B为信号等效带宽,D为光纤色散系数,fc为光载波频率,f为信号频率,f0为本振与信号载波的频偏。将H1(f),H2(f)相乘即可以得到复合传函H(f)的表达式。
本发明同时提出了所述一种采用单探测器的光场重建与色散补偿方法,其特征在于,涉及本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器和DSP系统。信号的光场重建与色散补偿包括以下步骤:
本振光由光发射机中激光器产生并伴随信号传输,或由光接收机中本振激光器产生。信号光与本振光经过光耦合器进行合波,本振光谱线偏离信号频谱中心的频偏为f0,位于入射光信号频谱一侧的边缘,与信号光合波形成伪单边带信号。伪单边带信号经过光探测器转换为电信号。光探测器与模数转换器间采用交流耦合,输入模数转换器的信号转换为数字信号后进入DSP系统进行处理。
在DSP所述内部首先对输入数据流进行重叠分块,使得进入FFT的数据块在开头与上一个数据块结尾有重复,在结尾与下一个数据块开头也有重复。在对重叠分块数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到每个数据块的频谱。复合传函模块对数据块的频谱乘以复合传函H,得到色散补偿后的伪单边带信号的频谱,再将伪单边带信号的频谱进行位移,使得输入信号频谱中心位置处于零频处。之后,进行IFFT在时域重建无色散损伤的输入信号光场,最后提取未重叠的数据作为输出数据。
相较于基于传统数字相干光接收机的光场重建和色散补偿系统,本发明中采用单探测器同时实现信号光场重建与色散补偿,避免了使用复杂的相位分集装置,省去了独立色散补偿模块中的FFT,IFFT模块,极大的减少了硬件复杂度和算法计算量,能够满足中短距离光通信应用对的低成本的诉求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为本发明具体实施的一种基于光场重建与色散补偿算法的单探测器相干解调系统结构示意图,包括本振激光器1,光耦合器2,光探测器3,模数转换器4,DSP系统5。其中DSP系统5包括:6、第一缓存模块,7、FFT模块,8、复合传函模块,9、IFFT模块,10、第二缓存模块。
图2为DSP模块的算法示意图。
图3为传输函数H1的幅频响应曲线。
图4(a)、(b)分别为频函模块中传输函数H2的幅频响应曲线和相频响应曲线。
图5(a)、(b)为频函模块中复合传函H的幅频响应和相频响应曲线。
图6(a)为经过光场重建色散补偿解调恢复后信号星座图,(b)为经过光纤传输传统数字相干接收机进行光场重建和色散补偿的星座图,(c)为经过光场重建但未进行色散补偿的星座图。
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、表及实施例,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。
本发明提供了一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统,由此解决传统数字相干光接收机中光场重建和色散补偿系统结构复杂,成本和功耗高的问题。
如图1所示为本发明实施例提供的一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统的结构示意图。在图1所示的系统中包括:本振激光器1、光耦合器2、光探测器3、模数转换器4以及DSP系统5。DSP系统包括第一缓存模块6、FFT模块7、复合传函模块8、IFFT模块9和第二缓存模块10。
在本发明实施例中,本振光场由光发射机中激光器产生并伴随信号传输,或由光接收机中激光器产生并与入射光信号在所述光探测器前合并在一起;
光探测器采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管,用于将输入光信号强度信息转换为电信号;
模数转换器,用于将电信号转换为数字信号,以便于DSP处理;
光耦合器,用于将所述入射光信号和所述本振光进行合波得到满足单边带条件的光信号,本振光谱线偏离信号频谱中心的频偏为f0。
图2为DSP模块5中的算法示意图。DSP模块,用于对输入信号进行处理,实现信号光场重建和色散的补偿。其中第一缓存模块对信号进行重叠分块,FFT模块得到信号的频谱,复合传函模块将传输函数与信号频谱相乘得到色散补偿后的伪单边带信号频谱。之后,对频谱进行位移使得信号频谱中心位于零频率处。IFFT模块用于还原时域信号,第二缓存模块提取其中未重叠的信号,实现信号光场重建和色散的补偿。
本发明具体实施的伪单边带信号光场重建与色散补偿解调方法,结合图1中所述,信号的光场重建与色散补偿包括以下步骤:
本振光由光发射机中激光器产生并伴随信号传输,或由光接收机中本振激光器产生。信号光与本振光经过光耦合器进行合波,本振光谱线偏离信号频谱中心的频偏为f0,位于入射光信号频谱一侧的边缘,与信号光合波形成伪单边带信号。伪单边带信号经过光探测器转换为电信号。光探测器与模数转换器间采用交流耦合,输入模数转换器的信号转换为数字信号后进入DSP系统进行处理。
在DSP所述内部首先对输入数据流进行重叠分块,使得进入FFT的数据块在开头与上一个数据块结尾有重复,在结尾与下一个数据块开头也有重复。在对重叠分块数据进行快速傅里叶变换(FFT)得到每个数据块的频谱。复合传函模块对数据块的频谱乘以复合传函H,得到色散补偿后的伪单边带信号的频谱,再将伪单边带信号的频谱进行位移,使得输入信号频谱中心位置处于零频处。之后,进行IFFT在时域重建无色散损伤的输入信号光场,最后提取未重叠的数据作为输出数据。
复合传函模块对输入数据块频谱乘以复合传函H。H=H1×H2包含两个部分H1,H2。H1用于提取伪单边带信号频谱,其表达式如下:
H1与信号频谱相乘得到伪单边带信号的频谱。
H2用于实现色散补偿,其表达式如下:
其中Fs为模数转换器采样频率,c为光速,L为光纤长度,B为信号等效带宽,D为光纤色散系数,fc为光载波频率,f为信号频率,f0为振光谱线偏离信号频谱中心的频偏。将H1(f),H2(f)相乘即可以得到复合传函H(f)的表达式。
具体实施过程中,采用信号波特率B为10GBaud,OSNR=20dB,光纤长度L为80km,光纤色散系数为16ps/nm/km,信号光载波频率fc为193.1e12Hz,本振与信号光频率偏移f0为5G,模数转换器采用2倍采样速率,由于Fs=2B,B=2f0可得H1(f),H2(f)的具体表达式如下:
H1传输函数如图3所示,H2幅频响应和相频响应如图4(a)和4(b)所示,又由于H=H1×H2,根据上述表达式可得,H的幅频响应和相频响应5(a)和5(b)所示。
3)利用DSP进行后续常规算法,进行传统的自适应均衡滤波以及载波恢复算法。图6(a)为采用本发明进行光场重建和色散补偿后的信号的星座图,图6(b)为OSNR=20dB,没有经过光纤传输传统数字相干光接收机进行光场重建和色散补偿后得到的信号星座图,两者误差矢量幅度接近,可见本文方法星座图还原较好。图6(c)为经过光场重建但未进行色散补偿的星座图,可见若未进行色散补偿星座图质量较差,色散较大时可能完全无法接收。
相较于基于传统数字相干光接收机的光场重建和色散补偿系统,本发明中采用单探测器同时实现信号光场重建与色散补偿,避免了使用复杂的相位分集装置,省去了独立色散补偿模块中的FFT,IFFT模块,极大的减少了硬件复杂度和算法计算量,能够满足中短距离光通信应用对的低成本的诉求。
最后所应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施示例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种采用单探测器的光场重建与色散补偿系统,其特征在于,包括本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器和数字信号处理系统;
所述本振激光器位于光发射机或光接收机中,用于产生本振光,所述本振光谱线位于信号光谱一侧的边缘,与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半;
所述光耦合器,用于将信号光与本振光进行合波形成伪单边带信号;
所述光探测器,用于将所述伪单边带信号转换为电信号;光探测器与模数转换器间采用交流耦合,
所述模数转换器,用于将所述光探测器输出的电信号转换为数字信号,以便于数字信号处理系统进行处理;
所述数字信号处理系统,用于对输入的所述数字信号进行处理,
所述数字信号处理系统包含第一缓存模块、快速傅里叶变换模块、复合传函模块、逆快速傅里叶变换模块、第二缓存模块;
所述第一缓存模块用于对输入数据流进行重叠分块,使得进入快速傅里叶变换模块的数据块在开头与上一个数据块结尾有重复,在结尾与下一个数据块开头也有重复;
所述快速傅里叶变换模块用于对每个数据块进行快速傅里叶变换得到每个数据块的频谱;
所述复合传函模块用于对数据块的频谱乘以复合传函H,得到色散补偿后的伪单边带信号的频谱,再将伪单边带信号的频谱进行位移,使得输入信号频谱中心位置处于零频处;
逆快速傅里叶变换模块用于在时域重建无色散损伤的输入信号光场;所述第二缓存模块用于提取未重叠的数据,所述未重叠的数据作为输出数据。
3.一种采用单探测器的光场重建与色散补偿的方法,其特征在于,涉及本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器和数字信号处理系统,包括以下步骤:
本振光由位于光发射机中的本振激光器产生并伴随信号传输,或由位于光接收机中的本振激光器产生;信号光与本振光经过光耦合器进行合波,本振光谱线偏离信号频谱中心的频偏为f0,位于入射光信号频谱一侧的边缘,与信号光合波形成伪单边带信号;
伪单边带信号经过光探测器转换为电信号;
光探测器与模数转换器间采用交流耦合,输入模数转换器的信号转换为数字信号后进入数字信号处理系统进行处理;
所述数字信号处理包括以下步骤:首先对输入数据流进行重叠分块,使得每个数据块的开头与上一个数据块结尾有重复,结尾与下一个数据块开头也有重复;对重叠分块数据进行快速傅里叶变换得到每个数据块的频谱;对数据块的频谱乘以复合传函H,得到色散补偿后的伪单边带信号的频谱,再将伪单边带信号的频谱进行位移,使得输入信号频谱中心位置处于零频处;进行逆快速傅里叶变换在时域重建无色散损伤的输入信号光场,最后提取未重叠的数据作为输出数据。
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