CN111010236A - 一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统 - Google Patents

一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于光纤通信技术领域，具体为一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统。本发明高速光通信系统，在发送端使用一个偏振复用强度调制器将两路独立的电信号调制到两束波长相同但偏振态正交的光波上，然后将这两束信号光通过一根光纤链路传输；在接收端由一个偏振分光器分成两路光信号，用两个光电探测器分别接收，将光信号转化为电信号，经模数转换器采样后输入后端DSP模块；在后端采取MIMO形式的级联均衡算法，以此来实现两路偏振信号的解复用和对信道噪声的补偿，最终完成原始信号的恢复。本发明在大幅提升系统传输速率的同时，保持了IM/DD系统低成本、低复杂度的优势。

Description

一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统。
背景技术
随着4K/8K超清视频服务、云计算和虚拟/增强现实等新型个人应用的快速发展，对通信容量和接入需求的高速在近几年快速增长。在此背景之下，下一代光接入网络需要高达100gbit/s/λ甚至更高的容量。与长距离传输的骨干网不同，成本和复杂性是短距离接入网系统中优先考量的因素。强度调制和直接检测（IM/DD）通信系统具有低成本和低复杂度的优点，适合大规模部署的应用场景，是下一代高速光接入网的一种理想解决方案。
提升信号带宽和使用高频谱效率的调制格式是提升通信速率的直接方式。但考虑到光器件和电器件的带宽限制，提高信号的带宽将会带来器件成本提升、信号质量下降等一系列问题。同时，高频效率的调制格式往往具有较高调制阶数，其调制与解调过程更为复杂，将会增大系统的复杂度。由于光波具有不同的偏振态，偏振复用（PDM）技术可以在一个光波长信道中同时传输两束偏振态相互正交的光波。同时，这两束光波分别携带独立的信息从而实现信道容量的翻倍。PDM技术能使光传输系统的信息传输能力增加一倍且不需要额外的带宽资源，因此被广泛应用于高速相干光系统中。然而相干光传输中需要相干接收机来实现PDM信号的接收，直接应用于IM/DD中会造成系统成本增加，不利于大规模部署。
因此本发明提出了一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统，来提升IM/DD系统的容量，同时保持IM/DD系统低成本、低复杂度的优势。在发送端使用一个商用的偏振复用强度调制器（如马赫增德尔调制器），将两路独立的电信号调制到两束波长相同但偏振态正交的光波上，然后将这两束信号光通过一根光纤链路传输。在接收端由一个偏振分光器分成两路光信号，用两个光电探测器分别接收，从而将光信号转化为电信号，然后输入后端的数字信号处理（DSP）模块。在后端对电信号的处理中，我们采取MIMO形式的级联均衡算法，以此来实现两路偏振信号的解复用和对信道噪声的补偿，最终完成原始信号的恢复。我们提出的此种直调直检光通信系统，通过偏振复用提升了传输速率；仅使用一个PBS和两个光电探测器实现了低复杂度的光信号接收；通过基于MIMO形式的后端级联均衡算法完成了偏振解复用和信道均衡过程。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的是提供一种结构简单的基于直调直检（IM/DD）和偏振复用的（PDM）低复杂度高速光通信系统。
本发明提供的基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统中：
在发射端，利用一个激光器产生固定波长的光载波，然后将其输入一个偏振复用强度调制器（如马赫增德尔调制器）进行强度调制，此调制器由两路独立的高速电信号驱动。经调制之后，两路偏振态正交但波长相同的光波在同一根光纤中传输，并输入随后的光纤链路。在接收端由一个偏振分光器将接收到的光信号分成两路，用两个光电探测器分别接收，实现光电转换过程，最后输入后端的MIMO DSP模块。在后端对电信号的处理中，采取MIMO形式的级联均衡算法，具体包括恒模算法（CMA）、基于判决反馈的最小均方误差算法（DD-LMS），以此实现两路偏振信号的解复用和对信道噪声的补偿，最终完成原始信号的恢复。
本发明提供的基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统，包括：
发射机，其包括：激光器，用于产生光纤通信所需的特定波长连续波激光；偏振复用强度调制器，用于产生偏振复用光基带信号；数据源，用于产生数字基带信号。
接收机，其包括：光放大器，将接收到的光信号功率放大，便于后端的信号接收；偏振分光器，将放大后的光信号分成两束偏振态正交的光波；光电探测器，将光基带信号转化为电基带信号；模数转换器，将电信号采样，转换为离散数字信号，便于后端DSP信号处理。
后端DSP模块，其包括：重采样模块，将接收到的离散数字信号重采样至所需的采样倍数（1倍或2倍采样）；2×2 MIMO结构的CMA均衡模块，实现信号的偏振解复用，并补偿传输中的噪声；2×2 MIMO结构的DD-LMS均衡模块，基于判决反馈电路进一步进行信号均衡，提升信号的质量。
所述的发射机，包括以下工作过程：
激光器产生指定频率的连续波光载波进入偏振复用的强度调制器，调制器将连续光载波分成偏振态正交的两路光载波，同时将数据源产生的两路独立基带数据调制到两路光载波上。调制后的两路光载波在一路光纤中传输，并输入随后的光纤链路。
所述的接收机，包括以下工作过程：
接收到的光信号先经由光放大器进行功率放大。之后利用偏振分光器将光信号分成两路，此两路光信号的偏振态正交；两路光信号输入到两个独立的光电探测器，转换为电信号；最后用模数转换器对两路电信号采样，转换为离散数字信号。
所述的后端DSP模块，包括以下工作过程：
首先对采样后的两路离散数字信号进行重采样。将重采样后的两路数字信号输入2×2MIMO结构的CMA均衡模块，进行偏振解复用过程，并对信号进行均衡。均衡后的两路信号继续输入一个2×2 MIMO结构的DD-LMS均衡模块，进一步补偿传输过程中的信号损伤。最终输出的两路信号为恢复出来的原始基带数据。
本发明中，所述的电信号可以是任意波特率的强度调制信号，调制格式不限，包括但不限于PAM、DMT、CAP等。
本发明中，所述的激光可以是任意光通信波段的光载波，包括但不限于C波段、O波段和L波段。
本发明在大幅提升系统传输速率的同时，保持了IM/DD系统低成本、低复杂度的优势。
附图说明
图1是本发明的发射机结构示意图。
图2是本发明的接收机结构示意图。
图3是本发明的后端DSP模块结构示意图。
图4是本发明的基于直调直检和偏振复用的高速光通信系统示意图。
图中标号：1为激光器， 2为数据源，22为数据源，3为偏振复用强度调制器，4为光放大器， 5为偏振分光器， 6为光电探测器，66为光电探测器，7为模数转换器， 8为重采样模块，9为2×2 MIMO结构的CMA均衡模块，10为2×2 MIMO结构的DD-LMS均衡模块，11为发射机，12为光纤链路，13为接收机，14为后端DSP模块。
具体实施方式
下面结合具体实验例子和附图，对本发明作进一步具体说明。
由图1所示，基于直调直检和偏振复用的高速光通信系统的发射机各部件及功能分别说明如下：
激光器1，产生波长λ的连续波激光。数据源2，产生数字基带信号a1(t)。数据源22，产生数字基带信号a2(t)。强度调制器3，将数据源2和数据源22产生的数字基带信号a1(t)和a2(t)调制到激光器1产生的波长λ的连续波激光上，输出两路偏振态正交的基带光信号，分别携带信息a1(t)和a2(t)，并在一根光纤中传输。调制后的信号通过光纤链路传输到接收机。
由图2所示，基于直调直检和偏振复用的高速光通信系统的接收机各部件及功能分别说明如下：
光放大器4，将接收到的光信号功率放大。偏振分光器5，将放大后的光信号分为两路偏振态正交的光信号。光电探测器6和光电探测器66将两路光信号转换为两路电信号。模数转换器7，最终实现两路电信号的采样，并将其输入随后的DSP模块。
由图3所示，基于直调直检和偏振复用的高速光通信系统的后端DSP模块各部件及功能分别说明如下：
重采样模块8，将接收到的两路电信号重新采样至需要的采样率。2×2 MIMO结构的CMA均衡模块9，进行偏振解复用过程，并对信号进行均衡。2×2 MIMO结构的DD-LMS均衡模块10，进一步均衡传输过程中的信号损伤，最终输出恢复出来的两路基带数据。
本发明所述的基于直调直检和偏振复用的高速光通信系统如图4所示。
所述的高速光通信系统包括发射机11，光纤链路12，接收机13和后端DSP模块14。
本发明所述的发射机11，主要作用是产生偏振复用的光基带信号。光纤链路12，其作用是传输发射机和接收机之间的光信号。本发明所述的接收机13，主要作用是实现偏振复用光基带信号的光电转换和接收采样。本发明所述的后端DSP模块14，主要作用是实现信号的重采样、偏振解复用和信道均衡。
所述的基于直调直检和偏振复用的高速光通信系统的具体连接方式如下：
发射机11中的偏振复用强度调制器3的输出端与光纤链路12相连。传输光纤链路12的另一个输出端与接收机13中的光放大器4的输入端相连。接收机13中的模数转换器7的输出端与后端DSP模块14中的重采样模块8的输入端相连。
发射机11中的各部件连接方式如下：
发射机11的激光器1的输出端与偏振复用强度调制器3的输入端用光纤相连，信号源2与信号源22的输出端与强度调制器3的输入端用电缆相连。强度调制器3的输出端与光纤链路12相连接。
接收机13中的各部件连接方式如下：
光纤链路12另一端与偏振分光器4的输入端相连。偏振分光器4的输出端与光电探测器6和光电探测器66的输入端用光纤相连。光电探测器6和光电探测器66的输出端与模数转换器7的输入端用电缆相连。
后端DSP模块14中的各部件连接方式如下：
模数转换器7的输出端与重采样模块8的输入端相连，重采样模块8的输出端与2×2MIMO结构的CMA均衡模块9的输入端相连，2×2 MIMO结构的CMA均衡模块9的输出端与2×2MIMO结构的DD-LMS均衡模块10的输入端相连。以上连接均为数字域连接或在FPGA电路中实现。
本发明中所述的发射机和接收机适合于任意波特率偏振复用的强度调制信号在光纤中的传输。
本发明在发射机采用偏振复用技术，可以提高IM/DD系统的传输容量，在后端DSP模块采用MIMO结构的均衡算法模块，可以成功实现偏振信号的解复用，并通过联合均衡提升信号的解调质量。
总之，本发明的优点是能倍增IM/DD光传输系统的传输速率，同时保证系统整体结构的简单行和低成本性。容易实现，并能大幅度提高系统的传输容量。

Claims (7)

1.一种基于直调直检和偏振复用的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，包括：发射机、接收机和后端DSP模块；其中：
所述发射机，包括：
激光器，用于产生光纤通信所需的特定波长连续波激光；
偏振复用强度调制器，用于产生偏振复用光基带信号；
数据源，用于产生数字基带信号；
所述接收机，包括：
光放大器，用于将接收到的光信号功率放大，便于后端的信号接收；
偏振分光器，用于将放大后的光信号分成两束偏振态正交的光波；
两个光电探测器，用于将光基带信号转化为电基带信号；
模数转换器，用于对电信号采样，转换为离散数字信号，便于后端DSP信号处理；
所述后端DSP模块，包括：
重采样模块，用于将接收到的离散数字信号重采样至所需的采样倍数（1倍或2倍采样）；
2×2 MIMO结构的CMA均衡模块，实现信号的偏振解复用，并补偿传输中的噪声；
2×2 MIMO结构的DD-LMS均衡模块，基于判决反馈电路进一步进行信号均衡，提升信号的质量。
2.根据权利要求1所述的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，所述发射机的工作过程为：
激光器产生指定频率的连续波光载波进入偏振复用的强度调制器，调制器将连续光载波分成偏振态正交的两路光载波，同时将数据源产生的两路独立基带数据调制到两路光载波上；调制后的两路光载波在一路光纤中传输，并输入随后的光纤链路。
3.根据权利要求2所述的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，所述接收机的工作过程为：
接收到的光信号先经由光放大器进行功率放大；之后由偏振分光器将光信号分成两路，此两路光信号的偏振态正交；两路光信号输入到两个独立的光电探测器，转换为电信号；最后用模数转换器对两路电信号采样，转换为离散数字信号。
4.根据权利要求3所述的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，所述后端DSP模块的工作过程为：
首先对采样后的两路离散数字信号进行重采样；将重采样后的两路数字信号输入2×2MIMO结构的CMA均衡模块，进行偏振解复用过程，并对信号进行均衡；均衡后的两路信号继续输入2×2 MIMO结构的DD-LMS均衡模块，进一步补偿传输过程中的信号损伤；最终输出的两路信号为恢复出来的原始基带数据。
5.根据权利要求1所述的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，所述的偏振复用强度调制器产生的两路偏振态正交且波长相同的光信号，并在一根光纤中输出。
6.根据权利要求1-5之一所述的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，所述的电信号是任意波特率的强度调制信号，调制格式不限。
7.根据权利要求1-5之一所述的低复杂度高速光通信系统，其特征在于，所述的激光是任意光通信波段的光载波。
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