CN110768728B - 一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统与方法。系统包括偏振分束器、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系统。所述偏振分束器将信号光和本振光分解为X和Y偏振分量。本振激光器谱线位于入射信号光谱一侧的边缘。两个光耦合器分别将X和Y偏振方向信号光和本振光合成两路伪单边带信号，并通过两个光探测器转换为两路电信号，再通过2个模数转换器转换为两路数字信号输入数字信号处理系统。数字信号处理系统对两路数字信号分别进行光场重建、码间干扰补偿后将其相干叠加。本发明大幅减小了偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统的软硬件复杂度和功耗，具有良好的实用价值。

Description

一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统与方法
技术领域
本发明涉及光纤通信，自由空间光通信，相干检测和数字信号处理技术领域，更具体地，涉及一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统与方法。
背景技术
为了满足不断增长的海量数据传输业务的需求，光纤通信系统正由强度调制——直接检测体制向多维调制——相干检测体制转变。相干检测技术目前已经成为高速、远距离、大容量光通信系统中的关键技术，得到了广泛的应用。在相干检测由于本振光需要与入射信号光进行拍频，而拍频只能发生在同一偏振方向的两个光束之间，因此相干检测天生具有偏振敏感性。对于自由空间光通信系统和光纤通信系统，光信号偏振方向在传输过程中可能由于平台的运动和光纤双折射效应而发生变化，因此必须消除相干光接收机的偏振敏感性。
传统的数字相干光接收机要实现偏振无关的信号光场重建需要采用偏振分集装置，每个偏振分集装置包含2个光混频器、8个光探测器和4个ADC，因此整个偏振分集装置结构复杂，成本高，功耗大。除了偏振态的变化，光纤中模间色散、模内色散以及偏振模色散还会引入严重脉冲展宽和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对码间干扰进行自适应补偿。传统数字相干光接收机采用专用的单一功能的码间干扰自适应补偿算法，运算量较大，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，例如光接入网、城域网和数据中心互联等场合对低成本的诉求，也无法满足自由空间光通信系统对相干光接收机体积、重量和功耗的苛刻要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明所要解决的技术问题是提供一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统与方法。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统，该系统包括光耦合器(OC)、本振激光器(LO)、偏振分束器(PBS)、光探测器(PD)、模数转换器(ADC)与数字信号处理(DSP)系统；
其中，所述PBS，用于将信号光以及本振光分解为X和Y偏振分量；
所述LO，由光接收机中激光器产生。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，其功率大于信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰；
所述OC，包含X和Y偏振支路上两个OC，分别用于将同X和Y偏振方向的信号光与本振光进行合波形成X和Y两路伪单边带信号；
所述PD，包含X和Y偏振支路上两个PD，分别用于将X和Y两路伪单边带信号转换为X和Y两路电信号；
所述ADC，与PD间采用交流耦合，包含X和Y偏振支路上两个ADC，分别用于将X和Y两路电信号转换为X和Y两路数字信号，以便于DSP系统进行处理；
所述DSP系统，用于对输入的X和Y偏振方向数字信号进行处理，实现X和Y偏振方向信号光场重建、码间干扰补偿和其相干叠加。
所述DSP系统内部包含第一缓存模块，FFT模块，频域传函模块，频域自适应滤波模块，IFFT模块，第二缓存模块，误差计算与抽头更新模块，相干叠加模块。第一缓存模块用于对输入数据流进行重叠分块，然后FFT模块分别对X和Y分量每个数据块进行快速傅里叶变换。频域传函模块分别对X和Y分量输入的数据块乘以频域传函H1恢复X和Y分量伪单边带信号频谱。频域自适应滤波模块内部包含两个滤波器，分别对X和Y分量伪单边带信号频谱乘以频域传函H2X和H2Y，以补偿各种传输损伤引发的码间干扰，之后将对信号频谱进行位移，使得信号频谱中心处于零频率处。IFFT模块分别将X和Y分量信号转换到时域中，完成X和Y分量信号光场的重建和码间干扰的自适应补偿。缓存模块2用于提取非重叠数据作为输出信号。误差计算与抽头更新模块首先计算输出信号模值与期望值之间的误差，再根据误差大小对频域自适应滤波模块的抽头进行更新，实现码间干扰的自适应补偿。相干叠加模块用于将X分量和Y分量进行相干叠加，使得DSP系统输出信号变为一路，从而消除光场重建的偏振敏感性。
所述的频域传函模块和频域自适应滤波模块分别对应着频域传函H1和H2X，H2Y。其表达式如下：
Figure GDA0002326086210000031
Figure GDA0002326086210000032
H2X＝FFT(h2X) (3)
Figure GDA0002326086210000033
H2Y＝FFT(h2Y) (5)
其中N为FFT数据块大小，i为数据块内数据元素编号，h2X和h2Y是时域滤波器，a、b为为预设初始值。根据上述表达式可知，H1,H2X和H2Y矩阵分别为一个一维向量。
优选地，所述光强度探测器可以采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
优选地，若发射信号为偏振复用信号，则频域滤波模块内部除包含H2X，H2Y两个滤波器外还包含H2XY，H2YX两个滤波器。其表达式如下。
Figure GDA0002326086210000041
H2XY＝FFT(h2XY) (7)
Figure GDA0002326086210000042
H2YX＝FFT(h2YX) (9)
这四个数字滤波器组成蝶形滤波器结构实现偏振解复用以及码间干扰的自适应补偿功能。此时去除相干叠加模块，整个DSP系统输出信号分为X和Y分量两路。
按照本发明的另一方面，一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿方法，包括以下步骤：
本振光由光接收机中激光器产生。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，其功率大于信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰。偏振分束器将本振光和信号光分解成X和Y两路，然后再通过两个光耦合器将其与本征光合波形成两路伪单边带信号，再采用两个光探测器把两路伪单边带信号转换为两路电信号，再通过2个ADC将电信号转换为两路数字信号，最后输入DSP系统进行处理。
在DSP系统中，输入数据流首先在缓存模块1中重叠分块，然后FFT模块分别对X和Y分量每个数据块进行快速傅里叶变换。频域传函模块分别对X和Y分量输入的数据块乘以频域传函H1恢复X和Y分量伪单边带信号频谱，该传函的构造如下：
Figure GDA0002326086210000051
其中N为FFT数据块大小，i为数据块内数据元素编号。根据上述表达式可知，H1矩阵为一个一维向量。X和Y分量伪单边带信号频谱乘以频域传函H1后，在频域自适应滤波模块乘以频域传函H2X和H2Y来对信道中的各种损伤进行自适应补偿。传函H2X和H2Y的构造如下：
Figure GDA0002326086210000052
H2X＝FFT(h2X)
Figure GDA0002326086210000053
H2Y＝FFT(h2Y)
h2X和h2Y是时域滤波器，a、b分别为预设初始值。之后将对信号频谱进行位移，使得信号频谱中心处于零频率处。IFFT模块分别将X和Y分量信号转换到时域中，完成X和Y分量信号光场的重建和码间干扰的自适应补偿。缓存模块2用于提取非重叠数据作为输出信号。误差计算与抽头更新模块首先计算输出信号模值与期望值之间的误差，再根据误差大小对频域自适应滤波模块的抽头进行更新，实现码间干扰的自适应补偿。相干叠加模块用于将X分量和Y分量进行相干叠加，使得DSP系统输出信号变为一路，从而消除光场重建的偏振敏感性。
优选地，若发射信号为偏振复用信号，则频域滤波模块内部除包含H2X，H2Y两个滤波器外还包含H2XY，H2YX两个滤波器。这四个数字滤波器组成蝶形滤波器结构实现偏振解复用以及码间干扰的自适应补偿功能。对于偏振复用信号相干叠加模块可以去除整个DSP系统输出信号分为X和Y分量两路。
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)本发明大大简化了偏振无关光场重建系统的结构。传统的数字相干光接收机要实现偏振无关光场重建需要采用偏振分集装置，每个偏振分集装置包含2个光混频器、8个光探测器和4个ADC，因此整个偏振分集装置结构复杂，成本高，功耗大。本发明中偏振无关光场重建系统只包含2个光探测器和2个ADC就能实现偏振无关的光场重建，因此具有较低的成本和功耗。
(2)本发明中将光场重建的同时能够实现码间干扰的自适应补偿，极大降低了DSP系统的计算量。
综上所述，本发明中仅采用2个光探测器和2个ADC就可以实现偏振无关信号光场重建与码间干扰的自适应补偿，避免了使用复杂的偏振分集装置，省去了专用单一功能的码间干扰补偿算法模块，极大的减少了硬件复杂度和算法计算量，能够满足自由空间光通信系统以及中短距离光通信应用对低功耗和低成本的诉求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统的结构示意图；
图2为入射信号为单偏振信号时频域自适应滤波模块内部滤波器结构示意图；
图3为入射信号为偏振复用信号时频域自适应滤波模块内部滤波器结构示意图；
图4为本发明实施例中在存在偏振模色散造成的码间干扰的条件下，采用基于传统数字相干光接收机，以及本发明的偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统输出的信号误码率(BER)随光信噪比(OSNR)的变化曲线。为了方便比较，还给出理论极限下BER和OSNR的关系曲线。可以看到在软硬件大为简化的条件下，本专利输出信号质量仍优于基于传统数字相干光接收机的系统。
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。
本发明提供了一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统与方法，由此在对光场重建的同时，实现对系统内的传输损伤进行自适应补偿，同时达到减小DSP中算法复杂度以及降低功耗的目的。
如图1所示为本发明实施例提供的一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统的结构示意图。图1方框内为DSP系统6中的光场重建与码间干扰自适应补偿算法流程图。其中：
1-分解信号光的偏振分束器PBS，1’-分解本振光的偏振分束器PBS，2-本振激光器LO，3-X路的光耦合器OC，3’-Y路的光耦合器OC，4-X路的光探测器PD，4’-Y路的光探测器PD，5-X路的模数转换器ADC，5’-Y路的模数转换器ADC，6-数字信号处理(DSP)系统，7-第一缓存模块，8-FFT模块，9-频域传函模块，10-频域自适应滤波模块，11-IFFT模块，12-第二缓存模块，13-误差计算与抽头更新模块，14-相干叠加和解调模块。
在本发明实施例中，LO由光接收机中激光器产生。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，其功率大于信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰；
分解信号光的偏振分束器PBS 1用于将信号光以及本振光分解为X和Y偏振分量；分解本振光的偏振分束器PBS 1’用于将本振光分解为X和Y偏振分量；
光耦合器包含X和Y偏振支路上两个OC 3、OC 3’，分别用于将同X和Y偏振方向的信号光与本振光进行合波形成X和Y两路伪单边带信号；
光探测器包含X和Y偏振支路上两个PD 4、PD4’，分别用于将X和Y两路伪单边带信号转换为X和Y两路电信号；
模数转换器与PD间采用交流耦合，包含X和Y偏振支路上两个ADC 5、ADC5’，分别用于将X和Y两路电信号转换为X和Y两路数字信号，以便于DSP系统进行处理；
图1方框6内为DSP系统中的算法流程图，用于对输入的X和Y偏振方向数字信号进行处理，实现X和Y偏振方向信号光场重建和码间干扰补偿和其相干叠加。DSP系统内部包含第一缓存模块，FFT模块，频域传函模块，频域自适应滤波模块，IFFT模块，第二缓存模块，误差计算与抽头更新模块，相干叠加模块。第一缓存模块首先对输入数据流进行重叠分块，然后FFT模块分别对X和Y分量每个数据块进行快速傅里叶变换。频域传函模块分别对X和Y分量输入的数据块乘以频域传函H1恢复X和Y分量伪单边带信号频谱。频域自适应滤波模块内部包含两个滤波器，分别对X和Y分量伪单边带信号频谱乘以频域传函H2X和H2Y，以补偿各种传输损伤引发的码间干扰，之后将对信号频谱进行位移，使得信号频谱中心处于零频率处。IFFT模块分别将X和Y分量信号转换到时域中，完成X和Y分量信号光场的重建和码间干扰的自适应补偿。第二缓存模块用于提取非重叠数据作为输出信号。误差计算与抽头更新模块首先计算输出信号模值与期望值之间的误差，再根据误差大小对频域自适应滤波模块的抽头进行更新，实现码间干扰的自适应补偿。相干叠加模块用于将X分量和Y分量进行相干叠加，使得DSP系统输出信号变为一路，从而消除光场重建的偏振敏感性。
本发明具体实施的偏振无关光场重建与码间干扰补偿方法，结合图1中所述，具体包括如下步骤：
本振光由光接收机中激光器产生。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，其功率大于信号光功率的10倍以上，从而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰。偏振分束器将本振光和信号光分解成X和Y两路，然后再通过两个光耦合器将其与本征光合波形成两路伪单边带信号，再采用两个光探测器把两路伪单边带信号转换为两路电信号，再通过2个ADC将电信号转换为两路数字信号，最后输入DSP系统进行处理。
在DSP系统中，输入数据流首先在第一缓存模块中重叠分块，然后FFT模块分别对X和Y分量每个数据块进行快速傅里叶变换。频域传函模块分别对X和Y分量输入的数据块乘以频域传函H1恢复X和Y分量伪单边带信号频谱，该传函的构造如下：
Figure GDA0002326086210000091
其中N为FFT数据块大小，i为数据块内数据元素编号。根据上述表达式可知，H1矩阵为一个一维向量。X和Y分量伪单边带信号频谱乘以频域传函H1后，在频域自适应滤波模块乘以频域传函H2X和H2Y来对信道中的各种损伤进行自适应补偿。传函H2X和H2Y的构造如下：
Figure GDA0002326086210000092
H2X＝FFT(h2X) (2)
Figure GDA0002326086210000101
H2Y＝FFT(h2Y) (4)
h2X和h2Y是时域滤波器，a，b预设值为0.3。之后将对信号频谱进行位移，使得信号频谱中心处于零频率处。IFFT模块分别将X和Y分量信号转换到时域中，完成X和Y分量信号光场的重建和码间干扰的自适应补偿。第二缓存模块提取非重叠数据作为输出信号。误差计算与抽头更新模块首先计算输出信号模值与期望值之间的误差，再根据误差大小对频域自适应滤波模块的抽头进行更新，实现码间干扰的自适应补偿。相干叠加模块用于将X分量和Y分量进行相干叠加，使得DSP系统输出信号变为一路，从而消除光场重建的偏振敏感性。
图2为入射信号为单偏振信号时频域自适应滤波模块内部滤波器结构示意图。
图3为入射信号为偏振复用信号时频域自适应滤波模块内部滤波器结构示意图。
图4为本发明实施例中在存在偏振模色散造成的码间干扰的条件下，采用基于传统数字相干光接收机，以及本发明的偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统输出的信号误码率(BER)随光信噪比(OSNR)的变化曲线。为了方便比较，给出理论极限下BER和OSNR的关系曲线。可以看到在软硬件大为简化的条件下，本发明系统的输出信号质量仍优于基于传统数字相干光接收机的系统。从仿真的结果可以看出，在系统的误码率为1e-3的情况下，本系统OSNR代价(相对理论极限所需OSNR的增加值)为1.2dB，对于基于传统数字相干光接收机的系统，其OSNR代价为1.45dB。当OSNR变大时，本专利的优势就更加明显。
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 (6)

1.一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统，其特征在于，包括偏振分束器、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系统；
其中，所述偏振分束器，用于将信号光以及本振光分解为X偏振分量、Y偏振分量；
所述本振激光器，位于光接收机中用于产生本振光；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，其功率大于信号光功率的10倍以上；
所述光耦合器，包含分别置于X、Y偏振支路上第一光耦合器、第二光耦合器，分别用于将X和Y偏振方向的信号光与本振光进行合波形成X和Y两路伪单边带信号；
所述光探测器，包含分别置于X、Y偏振支路上的第一光探测器、第二光探测器，分别用于将X和Y两路伪单边带信号转换为X和Y两路电信号；
所述模数转换器，包含分别置于X、Y偏振支路上第一模数转换器、第二模数转换器，第一模数转换器、第二模数转换器分别与第一光探测器、第二光探测器采用交流耦合，用于分别将X和Y两路电信号转换为X和Y两路数字信号，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X和Y偏振方向数字信号进行处理，实现X和Y偏振方向信号光场重建、码间干扰补偿和其相干叠加；
所述数字信号处理系统包含第一缓存模块，FFT模块，频域传函模块，频域自适应滤波模块，IFFT模块，第二缓存模块，误差计算与抽头更新模块，相干叠加模块；第一缓存模块用于对输入数据流进行重叠分块，输出到FFT模块，FFT模块用于分别对X和Y分量每个数据块进行快速傅里叶变换；频域传函模块用于分别对X和Y分量输入的数据块乘以频域传函H1恢复X和Y分量伪单边带信号频谱，输出到频域自适应滤波模块；频域自适应滤波模块内包含两个滤波器，分别用于对X和Y分量伪单边带信号频谱乘以频域传函H2X和H2Y，以补偿各种传输损伤引发的码间干扰，之后将对信号频谱进行位移，使得信号频谱中心处于零频率处，分别输出到IFFT模块；IFFT模块用于分别将X和Y分量信号转换到时域中，完成X和Y分量信号光场的重建和码间干扰的自适应补偿，分别输出到第二缓存模块；第二缓存模块用于提取非重叠数据作为输出信号；误差计算与抽头更新模块用于首先计算输出信号模值与期望值之间的误差，再根据误差大小对频域自适应滤波模块的抽头进行更新，实现码间干扰的自适应补偿后输出到相干叠加模块；相干叠加模块用于将X分量和Y分量进行相干叠加，使得DSP系统输出信号变为一路，从而消除光场重建的偏振敏感性。
2.根据权利要求1所述的偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统，其特征在于，所述频域传函模块对应的频域传函H1的表达式如下：
Figure FDA0002784718040000021
所述频域自适应滤波模块分别对应的频域传函H2X，H2Y的表达式如下：
Figure FDA0002784718040000022
H2X＝FFT(h2X) (3)
Figure FDA0002784718040000023
H2Y＝FFT(h2Y) (5)
其中N为快速傅里叶变换的数据块大小，i为数据块内数据元素编号，h2X和h2Y是时域滤波器，a、b分别为预设初始值；根据上述表达式可知，H1,H2X和H2Y矩阵分别为一个一维向量。
3.根据权利要求1所述的偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统系统，其特征在于，所述光强度探测器可以采用PIN光电二极管或雪崩光电二极管。
4.根据权利要求1所述的偏振无关光场重建与码间干扰补偿系统系统，在接收到的信号为偏振复用信号的条件下，频域滤波模块内部除了包含H2X，H2Y两个滤波器外，还包含H2XY，H2YX两个滤波器，其表达式分别为：
Figure FDA0002784718040000031
H2XY＝FFT(h2XY) (7)
Figure FDA0002784718040000032
H2YX＝FFT(h2YX) (9)
这四个数字滤波器组成蝶形滤波器结构实现偏振解复用以及码间干扰的自适应补偿功能；此时去除相干叠加模块，整个DSP系统输出信号分为X和Y分量两路。
5.一种偏振无关光场重建与码间干扰补偿方法，其特征在于，涉及光耦合器、本振激光器、偏振分束器、光探测器、模数转换器与数字信号处理系统；包括以下步骤：
本振光由光接收机中激光器产生；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，其功率大于信号光功率的10倍以上；
偏振分束器将本振光和信号光分解成X和Y两路，两个光耦合器将X和Y偏振方向的信号光与本振光进行合波形成X和Y两路伪单边带信号，再采用两个光探测器分别把两路伪单边带信号转换为两路电信号，再通过2个模数转换器将电信号转换为两路数字信号，最后输入数字信号处理系统进行处理；
在数字信号处理系统中，输入数据流首先在第一缓存模块中重叠分块，然后FFT模块分别对X和Y分量每个数据块进行快速傅里叶变换；频域传函模块分别对X和Y分量输入的数据块乘以频域传函H1恢复X和Y分量伪单边带信号频谱，频域传函H1的构造如下：
Figure FDA0002784718040000041
其中N为快速傅里叶变换数据块大小，i为数据块内数据元素编号；根据上述表达式可知，H1矩阵为一个一维向量；X和Y分量伪单边带信号频谱乘以频域传函H1后，在频域自适应滤波模块乘以频域传函H2X和H2Y来对信道中的各种损伤进行自适应补偿，频域传函H2X和H2Y的构造如下：
Figure FDA0002784718040000042
H2X＝FFT(h2X)
Figure FDA0002784718040000043
H2Y＝FFT(h2Y)
h2X和h2Y是时域滤波器，a、b分别为预设初始值；之后将对信号频谱进行位移，使得信号频谱中心处于零频率处；IFFT模块分别将X和Y分量信号转换到时域中，完成X和Y分量信号光场的重建和码间干扰的自适应补偿；第二缓存模块用于提取非重叠数据作为输出信号；误差计算与抽头更新模块首先计算输出信号模值与期望值之间的误差，再根据误差大小对频域自适应滤波模块的抽头进行更新，实现码间干扰的自适应补偿；相干叠加模块用于将X分量和Y分量进行相干叠加，使得DSP系统输出信号变为一路，从而消除光场重建的偏振敏感性。
6.根据权利要求5所述的偏振无关光场重建与码间干扰补偿方法，其特征在于，在发射信号为偏振复用信号的条件下，频域滤波模块内部除了包含H2X，H2Y两个滤波器之外，还包含H2XY，H2YX两个滤波器，其表达式分别为：
Figure FDA0002784718040000051
H2XY＝FFT(h2XY)
Figure FDA0002784718040000052
H2YX＝FFT(h2YX)
这四个数字滤波器组成蝶形滤波器结构实现偏振解复用以及码间干扰的自适应补偿功能；此时去除相干叠加模块，整个DSP系统输出信号分为X和Y分量两路。
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