CN111431609A - 一种正交模分复用信号的接收方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交模分复用信号的接收方法，包括：对于传输过来的正交复用信号，首先对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延，其次，将各个正交模式的信号光进行分离，继而对分离得到的不同模式的光信号进行接收，并采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。本发明能够有效的提升系统的传输容量和传输距离；利用相干接收的方法可以提高接收的灵活性，利用外差检测的方式对于提高接收系统的灵敏度有很大的帮助，对于背景噪声的抑制也有很好的效果；相干接收技术可以利用信号光和本振光在探测器光敏面上的相干混频，将接收信号频率从10¹⁴Hz的光信号领域转换为10⁸～10⁹Hz的电信号领域，有利于降低在数字信号处理的复杂度。

Description

一种正交模分复用信号的接收方法和系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言涉及一种正交模分复用信号的接收方法和系统。

背景技术

随着物联网、4K高清视频、云数据、虚拟现实技术(VR)等业务的快速发展，以及到来的5G时代使得人们对于网络带宽的需求不断增长。在波分复用(WDM)、频分复用(FDM)、时分复用(TDM)，偏振复用(PDM)等一系列的复用技术使用后，使得单模光纤通信系统的传输容量不断接近香农极限。在这样的背景下，科研人员们将关注的重点放在了光纤中尚未被开发的维度。空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)技术利用少模光纤承载的模式数量相对较多，能够稳定的进行模式复用，减弱了不同模式间的耦合，优化系统的参数。相比单模光纤可以极大的提高系统的传输容量，并且拥有很大的模场半径，可以有效抑制光纤的非线性。因此，与单模光纤和多模光纤相比，少模光纤是模分复用技术系统的最佳选择。所谓模式，是电磁波在光波导中的不同光场分布形式。在理想条件下，少模光纤中传输的任意两个模式都满足正交性，但是在实际的条件下，少模光纤由于制备中的瑕疵，在使用是会有拉伸和扭曲等情况，就会导致少模光纤中的各个模式之间出现模场的叠加，从而破坏了少模光纤中传输的各个模式之间的正交性，最终引起各个模式之间的耦合，不仅损伤了传输信号，而且限制了传输的带宽。同时在MDM系统中，由于模式复用器和解复用器会把各个模式的光进行耦合，导致模式之间的差分群时延以及光纤的传输损耗等问题进而导致模式间的串扰，使得信号失真。尽管采取物理信道优化的方法能有效抑制信道的非线性损伤，然而接收端信号模式之间的非线性仍无法完全消除，尤其在存有模间串扰的情况下，模式间的非线性效应十分严重。

正交模分复用信号可有效解决前述问题，然而如何快速有效地生成正交模式复用信号，以及基于这种正交模分复用信号的接收和解调的研究相对空缺，目前尚未能有效应用于实际通讯过程中。

发明内容

本发明目的在于提供一种正交模分复用信号的接收方法和系统，可以有效的提升系统的传输容量和传输距离。同时，利用相干接收的方法可以提高接收的灵活性，利用外差检测的方式对于提高接收系统的灵敏度有很大的帮助，对于背景噪声的抑制也有很好的效果。此外，相干接收技术可以利用信号光和本振光在探测器光敏面上的相干混频，将接收信号频率从10¹⁴Hz的光信号领域转换为10⁸～10⁹Hz的电信号领域，有利于降低在数字信号处理的复杂度。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种正交模分复用信号的接收方法，所述接收方法包括：

对于传输过来的正交复用信号，首先对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延，其次，将各个正交模式的信号光进行分离，继而对分离得到的不同模式的光信号进行接收，并采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。

作为其中的一种优选例，所述正交复用信号的生成过程包括以下步骤：

利用空间光调制器产生不同有效半径的模场，经过调制后将各个不同模场半径的光的模式进行光子耦合，形成多个圆环状的复用模场，各个模式的模场之间呈不互相叠加的同心圆环分布，各个模式之间具有正交性。

作为其中的一种优选例，所述对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延的过程包括：

探测得到信号光波波前相位信息，生成一相位共轭波前对信号光波前进行校正，使信号光波前恢复成调制前的正交模式光束的波前，从而消除模组间的色散以及信号之间的时延。

作为其中的一种优选例，所述将各个正交模式的信号光进行分离的过程包括：

对正交模场进行调制，将正交模场分离成一个个有效半径不同的圆形模场。

作为其中的一种优选例，所述对分离得到的不同模式的光信号进行接收的过程包括：

将不同相位的模式以及X,Y两种偏振态分开接收。

作为其中的一种优选例，所述采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理的过程包括：

对I路和Q路进行正交化处理；

对接收端的采样时钟进行同步处理，使其和发送端的采样时钟一致；

将接收信号分成若干个小段，采用FFT将时域信号转变成频域信号，乘上频域的补偿函数，得到频域补偿后的信号，再进行IFFT变换得到时域补偿后的信号；

采用归一化LMS算法对接收信号进行MIMO均衡处理。

对接收信号进行频偏估计和相位恢复处理。

作为其中的一种优选例，所述对接收信号进行频偏估计的过程包括：

通过对相邻两个符号之间的相位差做四次方计算，取连续的多个符号的频偏值作为频偏的估计值。

结合图2，本发明还提及一种正交模分复用信号的接收系统，所述接收系统包括依次连接的波前匹配补偿装置、正交模组匹配分离装置、相干接收装置、数字信号处理模块；

所述波前匹配补偿装置与少模光纤连接，用于接收通过少模光纤传输过来的正交复用信号，对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延；

正交模组匹配分离装置用于将各个正交模式的信号光进行分离；

所述相干接收装置用于对分离得到的不同模式的光信号进行接收；

所述数字信号处理模块用于采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。

作为其中的一种优选例，所述波前匹配补偿装置包括依次连接的波前探测器、波前控制器和波前校正器；

所述波前探测器用于探测得到波前相位信息，基于波前相位信息获取波前相位的畸变漂移结果；

所述波前控制器用于接收波前探测器发送的波前相位信息，利用共轭光束重构出波前的相位信息来作为控制信号；

所述波前校正器与空间光调制器连接，用于根据波前控制器中重构出的波前相位信息，改变空间光调制器的外加电场，继而改变空间光调制器的相位特征以实现对波前的补偿。

作为其中的一种优选例，所述相干接收装置包括信号光模式分离模块、本振光模式分离模块、双偏振IQ接收机、X态偏振分集接收机、Y态偏振分离接收机；

所述信号光模式分离模块用于对接收光信号做模式分离处理，将分离得到的IQ信号发送至双偏振IQ接收机，将X态偏振态的信号光发送至X态偏振分集接收机，将Y态偏振态的信号光发送至Y态偏振分集接收机；

所述本振光模式分离模块用于对本振光信号做模式分离处理，将分离得到的IQ信号发送至双偏振IQ接收机，将X态偏振态的信号光发送至X态偏振分集接收机，将Y态偏振态的信号光发送至Y态偏振分集接收机。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

(1)将发射端所产生的同心圆环状的正交模分复用的信号光通过波前匹配补偿装置，抑制模组之间的模式色散以及信号间的时间延迟，然后利用正交模组匹配装置将各个正交模式进行分离，最后通过相干接收器进行接收，实现了具有同心圆环状的模场的正交模分复用的信号光的有效接收。

(2)利用相干接收的方法可以提高接收的灵活性，利用外差检测的方式对于提高接收系统的灵敏度有很大的帮助，对于背景噪声的抑制也有很好的效果。

(3)采用的相干接收技术可以利用信号光和本振光在探测器光敏面上的相干混频，将接收信号频率从10¹⁴Hz的光信号领域转换为10⁸～10⁹Hz的电信号领域，有利于降低在数字信号处理的复杂度。

(4)采用基于空间光调制器所产生的同心圆环状的模场，各个模式之间没有相互重叠部分，实现了严格的正交性。而目前常用的模分复用技术，由于不同模式间的耦合和色散将会影响整个系统的传输容量，因此，较之常用模分复用技术，本发明采用的这种正交模分复用系统可以有效的提升系统的传输容量和传输距离。

(5)采用同步时钟模块消除发送与接收端的采样时钟的频移。

(6)对光纤传输过程中造成的色散进行补偿，确保了传输距离和传输容量。

(7)采用变步长方法来缩短LMS算法的收敛过程，加快LMS算法的收敛速度，其中，引入了μ(n)，其μ值会随着n的变化而不断发生变化，从而调节至最优值。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的正交模分复用信号的接收方法的流程图。

图2是本发明的正交模分复用信号的接收系统的结构框图。

图3是本发明的正交模分复用信号示意图。

图4是本发明的相干接收装置示意图。

图5是本发明的DSP算法流程图。

图6是本发明的归一化LMS(NLMS)算法流程图。

图7是本发明的NLMS算法系统图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提出一种正交模分复用信号的接收方法，所述接收方法包括：

对于传输过来的正交复用信号，首先对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延，其次，将各个正交模式的信号光进行分离，继而对分离得到的不同模式的光信号进行接收，并采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。

结合图2，本发明还提及一种正交模分复用信号的接收系统，所述接收系统包括依次连接的波前匹配补偿装置、正交模组匹配分离装置、相干接收装置、数字信号处理模块。

所述波前匹配补偿装置与少模光纤连接，用于接收通过少模光纤传输过来的正交复用信号，对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延。

正交模组匹配分离装置用于将各个正交模式的信号光进行分离。

所述相干接收装置用于对分离得到的不同模式的光信号进行接收。

所述数字信号处理模块用于采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。

本发明提出的正交模分复用信号的接收方法，是将发射端所产生的同心圆环状的正交模分复用的信号光通过波前匹配补偿装置，抑制模组之间的模式色散以及信号间的时间延迟，然后利用正交模组匹配装置将各个正交模式进行分离，最后通过相干接收装置进行接收。这种基于空间光调制器所产生的同心圆环状的模场，各个模式之间没有相互重叠部分，实现了严格的正交性。而目前常用的模分复用技术，由于不同模式间的耦合和色散将会影响整个系统的传输容量。因此这种正交模分复用系统可以有效的提升系统的传输容量和传输距离。

作为其中的一种优选例，所述正交复用信号的生成过程包括以下步骤：

利用空间光调制器产生不同有效半径的模场，经过调制后将各个不同模场半径的光的模式进行光子耦合，形成多个圆环状的复用模场，各个模式的模场之间呈不互相叠加的同心圆环分布，各个模式之间具有正交性。

图3是本发明的正交模分复用信号示意图。

一、正交模分复用信号的接收系统的整体工作原理

正交模分复用信号的接收系统的整体工作原理如下：

将产生的正交模分复用信号经过少模光纤传输后，进入波前匹配装置。此装置基本思想是自适应光学系统，主要通过改善正交模式光束波前质量的技术，从而改善光束由于传输介质的不稳定而引起的随机波前扰动。对于相干光通信波前校正时一般采用相位共轭原理。首先，测量信号光波前，用波前控制器产生一相位共轭波前对信号光波前进行校正，使信号光波前尽可能恢复成调制前的正交模式光束的波前，从而消除模组间的色散以及信号之间的时延。之后，利用正交模组匹配分离装置将正交模式中的各个不同的模式进行分离，最后利用相干接收机对不同的模式进行接收，利用MIMO技术对其进行DSP处理。

二、正交模分复用信号的接收系统各个模块的工作原理

(1)波前匹配补偿装置

传统的模分复用系统在光纤中传输时，由于色散和模式间的耦合的影响，会破坏其正交性，从而导致传输距离和传输质量的下降。本专利利用SLM产生不同有效半径的模场分布进行叠加，各个模式的模场之间呈同心圆环分布，没有相互叠加的情况，可以严格保证各个模式之间的正交性，从而保证信号的传输距离和传输质量。

波前匹配装置模块的主要作用是消除模组间的色散以及信号之间的时延。主要包括三个部分。波前探测器、波前控制器和波前校正器。波前探测器的主要功能在于利用所探测的波前相位信息，准确获得波前相位的畸变漂移等现象，从而为波前控制器提供可靠的波前信息。波前控制器在得到波前探测器所得到的相位信息后，利用共轭光束重构出波前的相位信息来作为控制信号。波前校正装置是自适应光学系统中的核心部件，对于具有空间光调制器系统而言，主要是通过改变折射率以实现相位补偿的目的。首先在波前控制器中重构出波前相位信息，同时改变外加电场，从而改变液晶的双折射，最终改变空间光调制器的相位特征最终实现对波前校正的目的，实现对波前的补偿。

(2)正交模组匹配分离装置

该模块的作用在于对环形状的正交模场进行分离。利用空间光调制器对正交模场进行调制，将正交模场分离成一个个有效半径不同的圆形模场。

(3)相干接收装置

相干接收时，与传统的强度调制直接检测不同，相干接收需要加入本振光源来进行相干检测。首先信号光和本振光分别进行模式分离，在本发明所提出的正交模分复用中，正交模组内部存在这相位相反的两种模式以及X,Y两个不同方向的偏振态。因此，在接收时，需要将不同相位的模式以及X,Y两种偏振态分开接收。利用双偏振IQ接收机对IQ信号进行接收和分析，利用偏振分集接收机对X,Y偏振态的信号光进行分析。具体内容如图4所示。

(4)数字信号处理模块

该模块的主要作用是对接收后的信号光进行补偿和解调处理。具体流程图如图5所示：

相干接收的过程中，首先需要对I路和Q路进行正交化来抑制由于I，Q两路的偏置点设置不正确等原因而导致的两路正交信号幅度与相位无法匹配。然后由于解码判决采样的需要进行时钟同步。接下来，由于光纤中的色散等非线性效应的存在需要进行补偿和均衡来消除这些影响。最后由于发端激光器和本振激光器的频率难以一致，因此需要进行频偏估计和相位恢复来进行修正。

(4.1)时钟同步

接收信号在经过检测后，将会进行模数转换然后下采样。一般条件下，将会用本地时钟作为ADC采样时钟，但是这两个时钟时相互独立的，因此会导致接收端和发端的时钟频率存在差别。由于色散等因素的影响，会使得发送端与接收端的采样时钟的偏移很大，进而导致整个系统性能的衰减。所以同步时钟模块的作用就在于消除发送与接收端的采样时钟的频移。常用的时钟恢复技术就是利用在接收信号内进行插值滤波，对其重新采样。

(4.2)色散补偿

在光纤的传输过程中，色散会导致信号脉冲展宽，进而导致信号失真，影响通信质量。同时，随着光纤通信传输速率和传输距离的不断提升，偏振模色散的影响变得十分严重，严重制约了传输距离和传输容量。因此需要滤波器对这些色散进行补偿。在频域补偿中，将接收信号分成若干个小段，利用FFT将时域信号转变成频域信号，然后再乘上频域的补偿函数，就得到频域补偿后的信号，最后再进行IFFT变换得到时域补偿后的信号。

(4.3)MIMO均衡

少模光纤在远距离传输的过程中，存在模式耦合，模式群时延，模式相关损耗等，在接收端利用MIMO技术可以一致信道中的干扰来恢复原始信号。在本专利中，我们利用归一化LMS算法来进行MIMO均衡，其流程图如图6所示。

由于传统的LMS算法的收敛过程相对较慢，为了加快LMS算法的收敛速度，可用变步长方法来缩短其收敛过程。在LMS算法中，μ值为一固定值，其收敛速度对变化较快的信号反应比较慢。而NLMS算法中引入了μ(n)，其μ值会随着n的变化而不断发生变化，从而调节至最优值。NLMS算法的系统图如图7所示。

(4.4)频偏估计与相位恢复

在相干通信系统中，由于发射端激光器和本振光之间没有精准的频率锁定，所以在接收端很难和发射端的光信号频率保持一致，即发射端和接收端之间将会出现频率的漂移。同时，频率漂移也会转换为相位的偏移，最终导致整个星座图的旋转，最后引起符号判决的错误，因此必须通过DSP模块来消除这种影响。目前常用的四次方频偏估计算法利用反馈是结构，通过对相邻两个符号之间的相位差做四次方计算，然后取连续的多个符号的频偏值作为频偏的估计值。

综上所述，本发明提出了一种正交模分复用信号的接收方法和系统。所使用的正交模分复用信号是利用空间光调制器所产生的同心圆环状的模场分布，具有严格的正交性。同时，在接收端，利用利用波前匹配装置和正交模组分离装置来对信号模组的分离，利用相干接收的方法对接收到的信号做进一步处理，最后通过MIMO技术和数字信号处理技术来对信号进行处理和分析，实现了对正交模分复用信号的有效接收和分析处理过程。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述接收方法包括：

对于传输过来的正交复用信号，首先对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延，其次，将各个正交模式的信号光进行分离，继而对分离得到的不同模式的光信号进行接收，并采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。

2.根据权利要求1所述的正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述正交复用信号的生成过程包括以下步骤：

利用空间光调制器产生不同有效半径的模场，经过调制后将各个不同模场半径的光的模式进行光子耦合，形成多个圆环状的复用模场，各个模式的模场之间呈不互相叠加的同心圆环分布，各个模式之间具有正交性。

3.根据权利要求1所述的正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延的过程包括：

探测得到信号光波波前相位信息，生成一相位共轭波前对信号光波前进行校正，使信号光波前恢复成调制前的正交模式光束的波前，从而消除模组间的色散以及信号之间的时延。

4.根据权利要求1所述的正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述将各个正交模式的信号光进行分离的过程包括：

对正交模场进行调制，将正交模场分离成一个个有效半径不同的圆形模场。

5.根据权利要求1所述的正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述对分离得到的不同模式的光信号进行接收的过程包括：

将不同相位的模式以及X,Y两种偏振态分开接收。

6.根据权利要求1所述的正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理的过程包括：

对I路和Q路进行正交化处理；

对接收端的采样时钟进行同步处理，使其和发送端的采样时钟一致；

将接收信号分成若干个小段，采用FFT将时域信号转变成频域信号，乘上频域的补偿函数，得到频域补偿后的信号，再进行IFFT变换得到时域补偿后的信号；

采用归一化LMS算法对接收信号进行MIMO均衡处理。

对接收信号进行频偏估计和相位恢复处理。

7.根据权利要求6所述的正交模分复用信号的接收方法，其特征在于，所述对接收信号进行频偏估计的过程包括：

通过对相邻两个符号之间的相位差做四次方计算，取连续的多个符号的频偏值作为频偏的估计值。

8.一种正交模分复用信号的接收系统，其特征在于，所述接收系统包括依次连接的波前匹配补偿装置、正交模组匹配分离装置、相干接收装置、数字信号处理模块；

所述波前匹配补偿装置与少模光纤连接，用于接收通过少模光纤传输过来的正交复用信号，对模组间的色散进行抑制并且消除不同信号之间的时延；

正交模组匹配分离装置用于将各个正交模式的信号光进行分离；

所述相干接收装置用于对分离得到的不同模式的光信号进行接收；

所述数字信号处理模块用于采用MIMO技术对接收信号进行数字信号处理。

9.根据权利要求8所述的正交模分复用信号的接收系统，其特征在于，所述波前匹配补偿装置包括依次连接的波前探测器、波前控制器和波前校正器；

所述波前探测器用于探测得到波前相位信息，基于波前相位信息获取波前相位的畸变漂移结果；

所述波前控制器用于接收波前探测器发送的波前相位信息，利用共轭光束重构出波前的相位信息来作为控制信号；

所述波前校正器与空间光调制器连接，用于根据波前控制器中重构出的波前相位信息，改变空间光调制器的外加电场，继而改变空间光调制器的相位特征以实现对波前的补偿。

10.根据权利要求8所述的正交模分复用信号的接收系统，其特征在于，所述相干接收装置包括信号光模式分离模块、本振光模式分离模块、双偏振IQ接收机、X态偏振分集接收机、Y态偏振分离接收机；

所述信号光模式分离模块用于对接收光信号做模式分离处理，将分离得到的IQ信号发送至双偏振IQ接收机，将X态偏振态的信号光发送至X态偏振分集接收机，将Y态偏振态的信号光发送至Y态偏振分集接收机；

所述本振光模式分离模块用于对本振光信号做模式分离处理，将分离得到的IQ信号发送至双偏振IQ接收机，将X态偏振态的信号光发送至X态偏振分集接收机，将Y态偏振态的信号光发送至Y态偏振分集接收机。

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