CN111953424A - 残余边带光信号调制方法、系统及直接检测光纤通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种残余边带光信号调制方法、系统及直接检测光纤通信方法，包括：步骤M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；步骤M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；步骤M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。本发明能够克服色散功率衰落效应的限制，增加强度调制直接检测系统的传输距离和传输带宽。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体地，涉及一种残余边带光信号调制方法、系统及直接检测光纤通信方法；更为具体地，涉及一种基于时延的残余边带光信号调制方法、系统及基于残余边带光信号的直接检测光纤通信方法。
背景技术
强度调制直接检测光纤通信系统具有低成本、结构简单和无色性等优势，因此是目前数据中心光互连等中短距传输系统的主流方案。然而，强度调制信号为共轭对称的双边带信号，在光纤传输后两个边带将分别受到色散的相位影响。再经过光电探测器平方律检测后，两个边带相互叠加，出现色散影响从相位到幅度的转变，导致频率选择性的功率衰落，严重限制强度调制直接检测系统的传输距离以及可用的传输带宽。
为了应对网络流量的指数增长，数据中心光互连也将相应地扩容升级，因此亟需一种低成本的调制方案来克服色散功率衰落效应，增加传输距离和信号带宽。
目前，避免色散功率衰落的方法主要有两种，一种是进行残余边带光滤波，另一种是采用单边带调制。
1)残余边带光滤波。这种方法要求在接收端光电探测器之前设置一个光滤波器，用于基本滤除双边带信号的其中一个边带。这样可以避免光电转换时的边带叠加，从而避免功率衰落。缺点是光滤波器的引入会提高成本和额外的衰减，并且信号中心波长随温度漂移会与光滤波器通带错开，影响滤波的残余边带效果，因此具有较高的硬件要求和不稳定性。
2)单边带调制。这种方法在一路发送原始强度调制信号，另一类发送原始信号的希尔伯特变换，经过叠加能调制生成只有一个边带的信号，因此天然地避免功率衰落。这种方案的缺点是需要两路数模转换器，且通常用IQ调制器实现，具有较高的硬件和计算复杂度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供残余边带光信号调制方法、系统及直接检测光纤通信方法。
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号调制方法，包括：
步骤M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；
步骤M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；
步骤M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。
优选地，所述步骤M1包括：将待发送的二进制比特序列在数字域依次进行多电平符号映射、上采样、插入帧头先导序列和奈奎斯特滤波得到基带信号；或将待发送的二进制比特序列经过离散多音频调制、副载波调制或无载波幅度相位调制得到基带信号。
优选地，所述步骤M3包括：当信号间的时延通过电学方法产生时，则差分电信号A0或B0通过电延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号，将调节时延后的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，双驱动调制器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
当信号间的时延通过光学方法产生时，则差分电信号A0和B0分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，对双驱动强度调制器的上臂或下臂通过光延时线进行时延，双驱动调节器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
优选地，所述时延的时延量由符号率和发射端与接收端之间的光纤长度决定；时延量的范围在电信号符号周期的一半至电信号符号周期之间；
所述符号周期为符号率的倒数；所述符号率为根据光纤传输系统发射端调制器的带宽确定调制信号的符号率。
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号调制系统，包括：
模块M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；
模块M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；
模块M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。
优选地，所述模块M1包括：将待发送的二进制比特序列在数字域依次进行多电平符号映射、上采样、插入帧头先导序列和奈奎斯特滤波得到基带信号；或将待发送的二进制比特序列经过离散多音频调制、副载波调制或无载波幅度相位调制得到基带信号。
优选地，所述模块M3包括：当信号间的时延通过电学方法产生时，则差分电信号A0或B0通过电延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号，将调节时延后的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，双驱动调制器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
当信号间的时延通过光学方法产生时，则差分电信号A0和B0分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，对双驱动强度调制器的上臂或下臂通过光延时线进行时延，双驱动调节器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
优选地，所述时延的时延量由符号率和发射端与接收端之间的光纤长度决定；时延量的范围在电信号符号周期的一半至电信号符号周期之间；
所述符号周期为符号率的倒数；所述符号率为根据光纤传输系统发射端调制器的带宽确定调制信号的符号率。
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号直接检测方法，包括：
步骤S1：将残余边带光信号发送至通信信道；
步骤S2：通过光电探测器将残余边带光信号转换成电信号；
步骤S3：通过模数转换器对电信号波形进行采样和量化，得到接收符号序列；
步骤S4：对接收符号序列依次进行重采样、奈奎斯特滤波、最佳采样时刻优化、帧同步、信道均衡，判决和解调回二进制比特序列。
优选地，所述信号均衡包括线性信道均衡和非线性信道均衡；所述非线性信道均衡包括Volterra级数均衡器和神经网络均衡器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明所述方法在强度调制直接检测系统中，对差分输入的双驱动强度调制器两臂引入特定时延，基于符号间相关性进行非对称的信号频谱整形，实现了残余边带信号的调制，可以有效抑制色散功率衰落效应；
2、本发明只需要单个模数转换器和双驱动强度调制器，不需要额外的光滤波器，并与现有强度调制直接检测系统结构相兼容，因此是一种低成本且高效的残余边带调制方法和系统；
3、本发明能够克服色散功率衰落效应的限制，增加强度调制直接检测系统的传输距离和传输带宽。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于时延的残余边带调制光信号的调制方法流程图；
图2为基于光时延的残余边带调制光信号的调制方法流程图；
图3为基于时延的残余边带调制光信号直接检测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种基于时延的残余边带光信号调制方法，以及实现该方法的直接检测系统，基于一路数模转换器和差分输入的双驱动马赫曾德尔强度调制器，以与现有强度调制直接检测系统几乎相同的硬件复杂度低成本拓展传输距离和可用带宽。
实施例1
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号调制方法，包括：
步骤M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；
步骤M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；差分电信号由同一个数模转换器产生；
步骤M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。
具体地，所述步骤M1包括：将待发送的二进制比特序列在数字域依次进行多电平符号映射、上采样、插入帧头先导序列和奈奎斯特滤波得到基带信号；或将待发送的二进制比特序列经过离散多音频调制(DMT)、副载波调制(SCM)或无载波幅度相位调制(CAP)得到基带信号，目的是提高频谱效率。对待发送基带信号进行调制器非线性补偿和宽带预补偿，然后发送至数模转换器。
具体地，所述步骤M3包括：当信号间的时延通过电学方法产生时，则差分电信号A0或B0通过电延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号，将调节时延后的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，双驱动调制器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
当信号间的时延通过光学方法产生时，则差分电信号A0和B0分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，对双驱动强度调制器的上臂或下臂通过光延时线进行时延，双驱动调节器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
所述步骤M3包括：差分电信号A0或B0通过延时线产生皮秒级时延调节时延，得到调节时延后的差分电信号。
具体地，所述时延的时延量由符号率和发射端与接收端之间的光纤长度决定；时延量的范围在电信号符号周期的一半至电信号符号周期之间；
所述符号周期为符号率的倒数；所述符号率为根据光纤传输系统发射端调制器的带宽确定调制信号的符号率。
所述双驱动强度调制器可以是基于铌酸锂、硅基或者磷化铟材料制成。
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号调制系统，包括：
模块M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；
模块M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；差分电信号由同一个数模转换器产生；
模块M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。
具体地，所述模块M1包括：将待发送的二进制比特序列在数字域依次进行多电平符号映射、上采样、插入帧头先导序列和奈奎斯特滤波得到基带信号；或将待发送的二进制比特序列经过离散多音频调制(DMT)、副载波调制(SCM)或无载波幅度相位调制(CAP)得到基带信号，目的是提高频谱效率。
具体地，所述模块M3包括：当信号间的时延通过电学方法产生时，则差分电信号A0或B0通过电延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号，将调节时延后的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，双驱动调制器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号，如图1所示；
当信号间的时延通过光学方法产生时，则差分电信号A0和B0分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，对双驱动强度调制器的上臂或下臂通过光延时线进行时延，双驱动调节器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号，如图2所示；
所述模块M3包括：差分电信号A0或B0通过延时线产生皮秒级时延调节时延，得到调节时延后的差分电信号。
具体地，所述时延的时延量由符号率和发射端与接收端之间的光纤长度决定；时延量的范围在电信号符号周期的一半至电信号符号周期之间；
所述符号周期为符号率的倒数；所述符号率为根据光纤传输系统发射端调制器的带宽确定调制信号的符号率。
所述双驱动强度调制器可以是基于铌酸锂、硅基或者磷化铟材料制成。
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号直接检测方法，如图3所示，包括：
步骤S1：将残余边带光信号发送至通信信道；
步骤S2：通过光电探测器将残余边带光信号转换成电信号；
步骤S3：通过模数转换器对电信号波形进行采样和量化，得到接收符号序列；
步骤S4：对接收符号序列依次进行重采样、奈奎斯特滤波、最佳采样时刻优化、帧同步、信道均衡，判决和解调回二进制比特序列。
具体地，发射端只用单个数模转换器产生差分电信号，发射端和接收端不适用光滤波器；
具体地，所述信号均衡包括线性信道均衡和非线性信道均衡；所述非线性信道均衡包括Volterra级数均衡器和神经网络均衡器。
根据本发明提供的一种基于时延的残余边带光信号直接检测系统，包括：发射端和接收端；
发射端：
将残余边带光信号发送至通信信道；
接收端：
光电探测器模块连接通信信道，通过光电探测器将残余边带光信号转换成电信号；
模数转换器模块连接光电探测器模块，通过模数转换器对电信号波形进行采样和量化，得到接收符号序列；
接收端信号解调模块连接光电探测器模块，对接收符号序列依次进行重采样、奈奎斯特滤波、最佳采样时刻优化、帧同步、信道均衡，判决和解调回二进制比特序列。
具体地，发射端只用单个数模转换器产生差分电信号，发射端和接收端不适用光滤波器；
具体地，所述信号均衡包括线性信道均衡和非线性信道均衡；所述非线性信道均衡包括Volterra级数均衡器和神经网络均衡器。
实施例2
实施例2是实施例1的变化例
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
下面结合本实施例的算法流程图1对技术方案的实施进行具体说明，图1中右边虚线框所示部分为本发明方案的主要内容。
第一步：根据系统发射端调制器的带宽确定信号的符号率B，将待发送的二进制比特序列在数字域进行多电平符号映射，上采样，帧头先导序列插入和奈奎斯特滤波，产生基带信号s(t)送至数模转换器。
第二步：将数模转换器产生的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，并且强度调制器偏置在π/4或3π/4点，实现光信号强度调制。选取其中一路电信号间进行延时，延时量以符号周期一半为初始值，以1皮秒为步进根据传输性能优化。
以对下臂的电信号进行延时为例，则强度调制器上臂的驱动电信号为A0＝s(t)，下臂的驱动电信号为B′＝B0(t-τ)＝s(t-τ)，则偏置在π/4和3π/4点时的调制器输出E1(t)和E2(t)可以分别表示为：
E1(t)＝ejπ/4+s(t)+e-jπ/4-s(t-τ)
E2(t)＝ej3π/4+s(t)+e-j3π/4-s(t-τ)
通过傅里叶变换可以得到信号的频谱E1(f)和E2(f)：
因此，π/4偏置点对应于保留频域下边带的残余边带调制，而3π/4偏置点对应保留频域上边带的残余边带调制，实际情况中可根据可用频谱以及光放大器特性进行灵活选取。
在信号经过光纤链路传输之前，一般要在频域上对信号进行带宽预补偿：
Spre(f)＝S(f)/H-1(f)
其中，Spre(f)是预补偿之后频域数据，S(f)是预补偿前频域数据，H-1(f)为系统频域带宽响应的逆。
图3为与上述方法对应的基于时延的残余边带调制光信号直接检测系统结构示意图，包括发射端和接收端。
发射端包括：发射端信号调制模块，用于待发送二进制比特序列多电平符号映射，上采样，帧头先导序列插入和奈奎斯特滤波，提高频谱利用率；发射端预处理模块，连接发射端信号调制模块，用于对产生的基带信号进行调制器非线性补偿和带宽预补偿，然后发送至数模转换器模块。数模转换器模块，连接发射端信号调制模块，用于产生差分电信号；延时线模块，连接数模转换器模块，用于对差分信号中的一路产生皮秒级时延；双驱动强度调制器模块，连接延时线模块，用于将差分电信号调制成残余边带光信号，然后发送至通信信道；
接收端包括：光电探测器模块，连接通信信道，用于残余边带光信号转换成电信号；模数转换器模块，连接光电探测器模块，用于对电信号波形进行采样、量化；接收端信号解调模块，连接模数转换器模块，用于对电信号进行重采样，匹配奈奎斯特滤波，最佳采样时刻优化，帧同步，信道均衡，判决和解调回二进制比特序列；
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于时延的残余边带光信号调制方法，其特征在于，包括：
步骤M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；
步骤M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；
步骤M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。
2.根据权利要求1所述的基于时延的残余边带光信号调制方法，其特征在于，所述步骤M1包括：将待发送的二进制比特序列在数字域依次进行多电平符号映射、上采样、插入帧头先导序列和奈奎斯特滤波得到基带信号；或将待发送的二进制比特序列经过离散多音频调制、副载波调制或无载波幅度相位调制得到基带信号。
3.根据权利要求1所述的基于时延的残余边带光信号调制方法，其特征在于，所述步骤M3包括：当信号间的时延通过电学方法产生时，则差分电信号A0或B0通过电延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号，将调节时延后的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，双驱动调制器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
当信号间的时延通过光学方法产生时，则差分电信号A0和B0分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，对双驱动强度调制器的上臂或下臂通过光延时线进行时延，双驱动调节器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号。
4.根据权利要求1所述的基于时延的残余边带光信号调制方法，其特征在于，所述时延的时延量由符号率和发射端与接收端之间的光纤长度决定；时延量的范围在电信号符号周期的一半至电信号符号周期之间；
所述符号周期为符号率的倒数；所述符号率为根据光纤传输系统发射端调制器的带宽确定调制信号的符号率。
5.一种基于时延的残余边带光信号调制系统，其特征在于，包括：
模块M1：将待发送的二进制比特序列进行信号调制得到基带信号S；
模块M2：利用数模转换器将基带信号S转换成差分电信号A0和B0；
模块M3：差分电信号A0或B0通过延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号；将调节时延后的差分电信号通过双驱动强度调制器输出残余边带光信号。
6.根据权利要求5所述的基于时延的残余边带光信号调制系统，其特征在于，所述模块M1包括：将待发送的二进制比特序列在数字域依次进行多电平符号映射、上采样、插入帧头先导序列和奈奎斯特滤波得到基带信号；或将待发送的二进制比特序列经过离散多音频调制、副载波调制或无载波幅度相位调制得到基带信号。
7.根据权利要求5所述的基于时延的残余边带光信号调制系统，其特征在于，所述模块M3包括：当信号间的时延通过电学方法产生时，则差分电信号A0或B0通过电延时线调节时延，得到调节时延后的差分电信号，将调节时延后的差分电信号分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，双驱动调制器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号；
当信号间的时延通过光学方法产生时，则差分电信号A0和B0分别加载到双驱动强度调制器的两个调制臂上，对双驱动强度调制器的上臂或下臂通过光延时线进行时延，双驱动调节器的上臂与下臂合成后，输出残余边带光信号。
8.根据权利要求5所述的基于时延的残余边带光信号调制系统，其特征在于，所述时延的时延量由符号率和发射端与接收端之间的光纤长度决定；时延量的范围在电信号符号周期的一半至电信号符号周期之间；
所述符号周期为符号率的倒数；所述符号率为根据光纤传输系统发射端调制器的带宽确定调制信号的符号率。
9.一种基于时延的残余边带光信号直接检测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将残余边带光信号发送至通信信道；
步骤S2：通过光电探测器将残余边带光信号转换成电信号；
步骤S3：通过模数转换器对电信号波形进行采样和量化，得到接收符号序列；
步骤S4：对接收符号序列依次进行重采样、奈奎斯特滤波、最佳采样时刻优化、帧同步、信道均衡，判决和解调回二进制比特序列。
10.根据权利要求9所述的基于时延的残余边带光信号直接检测方法，其特征在于，所述信号均衡包括线性信道均衡和非线性信道均衡；所述非线性信道均衡包括Volterra级数均衡器和神经网络均衡器。
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