CN111313976A - 脉冲幅度调制信号外差相干pon系统及收发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脉冲幅度调制信号外差相干PON系统及收发方法，涉及相干接收无源光网络领域。该系统包括OLT端和ONU端，OLT端包括发射激光器、偏振分束器、两个MZM、两个DAC、第一数字信号处理芯片、偏振合束器、光放大器，ONU端包括可调衰减器、本振激光器、光耦合器和顺次相连的一个PD、电放大器、一个ADC和第二数字信号处理芯片。本发明能实现低成本的相干接收PON结构。

Description

脉冲幅度调制信号外差相干PON系统及收发方法
技术领域
本发明涉及相干接收无源光网络领域，具体是涉及一种脉冲幅度调制信号外差相干PON系统及收发方法。
背景技术
下一代PON(Passive Optical Network，无源光网络)的速率将达到单波长25Gb/s、50Gb/s甚至100Gb/s。在高速PON中，低成本的IM-DD(Intensity Modulation DirectDetection，直接调制直接检测)会面临一系列问题，包括低接收灵敏度、在波特率较高传输距离较长时，由色散引入的频率选择性衰落引起性能恶化等。
作为一种在长距离高速光传输系统中广泛应用的技术，相干接收技术能够大大提高接收机的灵敏度，从而增加分路比和传输距离，且由于其线性检测的特性，可以有效地进行数字域色散补偿。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：长距离高速光传输系统中使用的相干收发机的成本过高，限制了其在PON中的应用。因此适用于高速PON的低成本相干接收技术的研究就成了国内外研究的热点。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种脉冲幅度调制信号外差相干PON系统及收发方法，能实现低成本的相干接收PON结构。
第一方面，提供一种脉冲幅度调制信号外差相干PON系统，包括OLT端和ONU端，OLT端包括发射激光器、偏振分束器、两个MZM、两个DAC、第一数字信号处理芯片、偏振合束器、光放大器，ONU端包括可调衰减器、本振激光器、光耦合器和顺次相连的一个PD、电放大器、一个ADC和第二数字信号处理芯片。
根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述OLT端的第一数字信号处理芯片对PAM信号进行双极性编码和偏振时间编码，并插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号；数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，分别进入两个MZM；发射激光器发射的光信号经过偏振分束器分别进入两个MZM；产生X、Y偏振的光信号，进入偏振合束器，合成一路光信号，经光放大器放大后送到光纤链路中传输。
根据第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述ONU端的可调衰减器接收的光信号与本振激光器产生的光载波一同送入光耦合器，经过一个PD，得到一路电模拟信号，被电放大器放大后，由ADC转换成数字信号，第二数字信号处理芯片进行数字信号处理。
根据第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第二数字信号处理芯片进行数字信号处理，包括外差相干接收的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步、信道均衡与偏振时间解码、双极性解码，恢复出发送信号。
根据第一方面，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述光放大器包括EDFA、RFA。
根据第一方面，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述电放大器包括跨阻放大器。
第二方面，提供一种脉冲幅度调制信号外差相干收发方法，包括以下步骤：
OLT端对PAM信号进行双极性预编码和偏振时间编码；
ONU端采用一个PD实现外差相干接收。
根据第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，还包括以下步骤：
OLT端对PAM信号进行双极性编码和偏振时间编码之后，插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号；数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，分别进入两个MZM；发射激光器发射的光信号经过偏振分束器分别进入两个MZM；产生X、Y偏振的光信号，进入偏振合束器，合成一路光信号，经光放大器放大后送到光纤链路中传输。
根据第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，ONU端采用一个PD实现外差相干接收，具体包括以下步骤：
ONU端的可调衰减器接收的光信号与本振激光器产生的光载波一同送入光耦合器，经过一个PD，得到一路电模拟信号，放大后转换成数字信号，进行数字信号处理。
根据第二方面的第二种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述数字信号处理包括外差相干接收的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步、信道均衡与偏振时间解码、双极性解码，恢复出发送信号。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明在OLT端对PAM信号进行双极性预编码和偏振时间编码，并在接收端采用外差相干接收以及相应的数字信号处理方法，在不需要偏振控制器的情况下，ONU只需要一个PD(Photo Diode，光电探测器)，即可实现相干接收，从而能实现低成本的相干接收PON结构。
附图说明
图1是本发明实施例中脉冲幅度调制信号外差相干PON系统的结构框图。
图2是内差相干接收信号的光频谱示意图。
图3是外差相干接收信号的光频谱示意图。
图4是现有的一种相干发射机和接收机的结构示意图。
图5是现有的另一种相干发射机和接收机的结构示意图。
图6是本发明实施例中相干发射机和接收机的结构示意图。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。
为了解决相干接收技术用于PON成本过高的问题，本发明实施例提供一种脉冲幅度调制信号外差相干PON系统，参见图1所示，该系统包括OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)端和ONU(Optical Network Unit，光网络单元)端，其中，OLT端包括发射激光器、PBS(Polarization Beam Splitter，偏振分束器)、两个MZM(Mach-Zehnder Modulator，马赫増德调制器)、两个DAC(Digital-to-Analog convertor，数模转换器)、第一数字信号处理芯片、PBC(Polarization Beam Combiner，偏振合束器)、光放大器，发射激光器通过偏振分束器分别连接两个MZM，第一数字信号处理芯片通过两个DAC分别连接两个MZM，两个MZM均与偏振合束器相连，偏振合束器通过光放大器连接到光纤链路。
ONU端包括可调衰减器、本振激光器、光耦合器和顺次相连的一个PD(PhotoDiode，光电探测器)、电放大器、一个ADC(Analog-to-Digital Convertor，模数转换器)和第二数字信号处理芯片，可调衰减器、本振激光器均与光耦合器相连。
作为优选的实施方式，OLT端的第一数字信号处理芯片对PAM(Pulse amplitudemodulation，脉冲幅度调制)信号进行双极性编码和偏振时间编码，并插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号；数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，分别进入两个MZM；发射激光器发射的光信号经过偏振分束器分别进入两个MZM；产生X、Y偏振的光信号，进入偏振合束器，合成一路光信号，经光放大器放大后送到光纤链路中传输。
作为优选的实施方式，ONU端的可调衰减器接收的光信号与本振激光器产生的光载波一同送入光耦合器，经过一个PD，得到一路电模拟信号，被电放大器放大后，由ADC转换成数字信号，第二数字信号处理芯片进行数字信号处理。
作为优选的实施方式，第二数字信号处理芯片进行数字信号处理，包括外差相干接收的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步、信道均衡与偏振时间解码、双极性解码，恢复出发送信号。
作为优选的实施方式，所述光放大器包括EDFA(Erbium-Doped Optical FiberAmplifier，掺铒光纤放大器)、RFA(Raman Fiber Amplifier，拉曼光纤放大器)。
作为优选的实施方式，所述电放大器包括TIA(Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器)。
本发明实施例还提供一种脉冲幅度调制信号外差相干收发方法，包括以下步骤：
OLT端对PAM(Pulse Amplitude Modulation，脉冲幅度调制)信号进行双极性预编码和偏振时间编码；
ONU端采用一个PD实现外差相干接收。
作为优选的实施方式，还包括以下步骤：
OLT端对PAM信号进行双极性编码和偏振时间编码之后，插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号；数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，分别进入两个MZM；发射激光器发射的光信号经过偏振分束器分别进入两个MZM；产生X、Y偏振的光信号，进入偏振合束器，合成一路光信号，经光放大器放大后送到光纤链路中传输。
作为优选的实施方式，ONU端采用一个PD实现外差相干接收，具体包括以下步骤：
ONU端的可调衰减器接收的光信号与本振激光器产生的光载波一同送入光耦合器，经过一个PD，得到一路电模拟信号，放大后转换成数字信号，进行数字信号处理。
作为优选的实施方式，所述数字信号处理包括外差相干接收的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步、信道均衡与偏振时间解码、双极性解码，恢复出发送信号。
本发明实施例采用实数Alamouti编码，即双极性预编码和偏振时间编码，结合外差相干接收，在不需要偏振控制器的情况下，接收机只需一个PD即可实现相干接收，从而实现高灵敏度、低复杂度的无源光网络结构。
内差相干接收信号的光频谱如图2所示，外差相干接收信号的光频谱如图3所示，相比于传统的内差相干接收机在接收端将本振激光器的频率置于信号带内，外差相干检测技术通过将接收端的本振激光器的频率置于信号边带外，从而将所需的光电探测器(PD)数量降低，其结构如图4所示。
还存在一种采用双极性预编码和偏振时间编码来实现偏振无关的脉冲幅度调制信号的内差相干接收方法，也能将所需要的PD数量降低，其结构如图5所示。
本发明实施例提出一种新的简化的脉冲幅度调制信号外差相干PON系统，其结构如图6所示，通过在发送端(光线路终端，OLT)对PAM信号进行双极性预编码和偏振时间编码，并在接收端采用外差相干方式，在不需要偏振控制器的情况下，接收端(光网络单元，ONU)只需要一个光电探测器(PD)，即可实现相干接收，相比于传统的集成相干收发机，OLT端用低成本的马赫増德调制器(MZM)代替了I/Q调制器；接收端只需1个PD，1个光耦合器，从而能实现超低成本的相干接收PON结构。
本发明实施例中，基于相干接收技术的PON系统包括：
发送端，用于：对PAM信号进行双极性预编码和偏振时间编码；
接收端，用于：采用1个PD实现外差相干接收以及相应的数字信号处理。
首先，在发送端，对PAM信号采用双极性编码和偏振时间编码，并插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号。
然后，数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，然后分别送入到两个MZM，由于两个偏振的信号均带有正负号的信息，这里MZM的偏置点需要设置在零点。
同时，发射激光器发射的光信号经过PBS(Polarization Beam Splitter，偏振分束器)分别进入到两个MZM，产生X、Y偏振的光信号；X、Y偏振的光信号经过PBC(Polarization Beam Combiner，偏振合束器)合成一路光信号，并经过EDFA送入到光纤链路中传输。
在ONU端，对于接收光信号，将其与LO(Local oscillator，本振)激光器产生的光载波一同送入到光耦合器，再经过一个PD，从而得到一路电模拟信号，经过TIA(Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器)放大后，再将放大后的信号经过ADC转换成数字信号，并进行数字信号处理。
数字信号处理的流程包括：传统外差相干接收中的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步，然后对得到的同步接收信号进行信道均衡与偏振时间解码，从而恢复出发送信号。
相比于图4中的相干接收方案，本发明实施例中发送端DAC的数量降低50％，MZM的数量降低50％，接收端所需各种器件(光耦合器、ADC)的数量均降低50％，且用1个PD代替两个平衡探测器，无需偏振分束器。考虑所需器件的数量和单价，以及数量增多所带来的封装成本上升，本发明实施例可降低大约70％的硬件成本。
相比于图5中的相干接收方案，本发明实施例中发送端的硬件结构一样，接收端用低成本的光耦合器代替了复杂的90°混频器；用1个PD代替了2个平衡探测器；用一个ADC代替了两个ADC。考虑所需器件的数量和单价，以及数量增多所带来的封装成本上升，本发明实施例可降低大约50％的硬件成本。
综上分析，本发明实施例是一种超低硬件成本的相干PON系统的实现方案。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种脉冲幅度调制信号外差相干PON系统，包括OLT端和ONU端，OLT端包括发射激光器、偏振分束器、两个MZM、两个DAC、第一数字信号处理芯片、偏振合束器、光放大器，其特征在于：ONU端包括可调衰减器、本振激光器、光耦合器和顺次相连的一个PD、电放大器、一个ADC和第二数字信号处理芯片。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述OLT端的第一数字信号处理芯片对PAM信号进行双极性编码和偏振时间编码，并插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号；数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，分别进入两个MZM；发射激光器发射的光信号经过偏振分束器分别进入两个MZM；产生X、Y偏振的光信号，进入偏振合束器，合成一路光信号，经光放大器放大后送到光纤链路中传输。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述ONU端的可调衰减器接收的光信号与本振激光器产生的光载波一同送入光耦合器，经过一个PD，得到一路电模拟信号，被电放大器放大后，由ADC转换成数字信号，第二数字信号处理芯片进行数字信号处理。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述第二数字信号处理芯片进行数字信号处理，包括外差相干接收的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步、信道均衡与偏振时间解码、双极性解码，恢复出发送信号。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光放大器包括EDFA、RFA。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电放大器包括跨阻放大器。
7.一种脉冲幅度调制信号外差相干收发方法，其特征在于：包括以下步骤：
OLT端对PAM信号进行双极性预编码和偏振时间编码；
ONU端采用一个PD实现外差相干接收。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：还包括以下步骤：
OLT端对PAM信号进行双极性编码和偏振时间编码之后，插入训练序列用于接收端的同步和信道均衡，形成数字帧信号；数字帧信号经过两个DAC变成模拟信号，分别进入两个MZM；发射激光器发射的光信号经过偏振分束器分别进入两个MZM；产生X、Y偏振的光信号，进入偏振合束器，合成一路光信号，经光放大器放大后送到光纤链路中传输。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：ONU端采用一个PD实现外差相干接收，具体包括以下步骤：
ONU端的可调衰减器接收的光信号与本振激光器产生的光载波一同送入光耦合器，经过一个PD，得到一路电模拟信号，放大后转换成数字信号，进行数字信号处理。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述数字信号处理包括外差相干接收的下变频、数字滤波、重采样、频偏估计、色散补偿、帧同步、信道均衡与偏振时间解码、双极性解码，恢复出发送信号。
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