CN112054977B - 一种基于功率谱整形的光传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率谱整形的光传输方法及装置，支持高谱效率光信号直接检测也即平方解调。本发明在发送端采用功率谱整形调制方法，该调制方法通过在零点也即V_π偏置马曾光调制器，增加电平，结合非线性预编码，实现多电平改进双二进制编码和多电平偏置双二进制编码，也可以结合光滤波器，实现残留边带改进双二进制编码；在接收端采用非线性均衡将收到信号去除码间串扰，同时可以将接收电平差别反馈到发射机，实现非等距多电平调制，减少非线性均衡复杂度。本发明通过适当非线性预编码和非线性均衡使需要相干解调的信号能使用直接检测，从而降低硬件复杂度。

Description

一种基于功率谱整形的光传输方法及装置

技术领域

本发明属于光通信的技术领域，尤其涉及一种基于功率谱整形的光传输方法及装置。

背景技术

近年来，光通信成为了数据中心内部互联、外部互联与接入的首选研究对象，能满足企业或运营商对于信息与数据处理系统日益增长的带宽要求。随着触觉互联网的提出，服务质量的需求除带宽外，增加了超低延时、高可靠性、高可用性以及高安全性。其中，超低延时的需求可以通过优化传输方案实现，而高可靠性可以通过冗余编码实现，高可用性可以通过冗余资源备份实现，高安全性可以通过冗余加密实现。以上新增服务质量需求导致必须在低延时条件下提高谱效率。

通过高阶调制格式和均衡算法的应用，光通信的谱效率可以达到较高水平，而且有多种调制实现方式，包括：正交幅度调制(QAM)、幅度相位调制(APSK)、残留边带及偏置双二进制/改进双二进制(VSB-MDB-PAM4)、多载波(DMT)。这些调制格式中，残留边带和偏置双二进制/改进双二进制能同时满足高谱效率和低延时要求。由于这两种方式可以直接提高波特率，同时可以结合多电平，使得能够在不需要复杂均衡算法也即确保延时条件下提高谱效率。Jianing Lu在2018年Journal of Lightwave Technology中题目为“CarrierPhase Recovery for Set-Partitioning QAM Formats”的文章中介绍了QAM的载频恢复问题，以及QAM的星座图构成。对于QAM，由于同一波长存在着两路信号，光纤传输非线性产生的交叉相位调制和自相位调制的补偿需要复杂数字信号处理。出于这种考虑，Juan CamiloVelásquez在2019年Optical Letters中题目为“Differential 8-APSK monolithicallyintegrated dual-EML transmitter for flexible coherent PONs”的文章中讨论了APSK，其中幅度调制可以通过平方解调，而相位调制可以使用相干。由于仍然存在相位检测，非线性影响依然存在。Jingchi Li在2020年Photonics Technology Letters中题目为“VSB Modified Duobinary PAM4 Signal Transmission in an IM/DD System WithMitigated Image Interference”的文章中讨论了VSB-MDB-PAM4，光滤波用来处理色散带来失真，而功率谱整形用于提高谱效率，也是使用改进双二进制的动机。具体而言，该论文通过MDB减少带宽从而减少色散，然后通过残留边带滤波去除色散相位的偶对称特点，减少非线性失真。MDB的使用将零频率分量减为零，也可以去除残留边带滤波带来的镜像串扰。但是该研究的马曾调制器偏置于正交点，不是零点，因此，信号幅度全部为正，平方解调时信号没有反折，仍然属于线性均衡可以处理的范围。另一方面，信号幅度全部为正，则导致信号功率较高。Dongdong Zou在2019年题为“Comparison of Bit-Loading DMT and Pre-Equalized DFT-Spread DMT for 2-km Optical Interconnect System”文章中讨论了多载波使用，可以简化正交多载波实现。该研究中的多载波在电域实现，对电器件要求高。

综上所述，如何降低高谱效率信号调制及解调复杂度，从而保持传输系统的实时性及减少功耗是极需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于功率谱整形的光传输方法及装置，可以将直检的谱效率逼近到相干检测能实现的范围，同时保持收发设备的实时性，适合于数据中心的内部互联、外部互联和接入。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种基于功率谱整形的光传输方法，包括：

发送端将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号，将功率谱整形电信号调制成功率谱整形光信号后发送给接收端；

接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号，电信号经模数转换成数字信号后，对数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

根据本发明一实施例，所述发送端将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号，将功率谱整形电信号调制成功率谱整形光信号进一步包括：

采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制信号；

将改进双二进制信号或偏置双二进制信号进行多电平调制及光滤波，得到第一阶段功率谱整形光信号；

将第一阶段功率谱整形光信号进一步光滤波生成残留边带信号，得到第二阶段功率谱整形光信号。

根据本发明一实施例，所述采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制进一步包括：

对待发送的数据序列进行绝对值运算建模，将绝对值运算建模后的信号求解输入进行预编码。

根据本发明一实施例，所述将功率谱整形电信号调制成功率谱整形光信号进一步包括：

采用V_π偏置马曾光调制器对功率谱整形电信号进行正负相位调制，输出幅度减小的功率谱整形光信号。

根据本发明一实施例，所述对数字信号进行非线性均衡处理进一步包括：

采用判决反馈均衡算法、最大似然序列均衡算法、Volterra均衡算法或机器学习均衡算法中的一种或者多种组合非线性均衡算法对数字信号进行处理。

根据本发明一实施例，所述接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号进一步包括：

接收端与发送端通过单模光纤以及可用带宽为12.5GHz的光滤波器互联进行光信号传输；此处，光滤波器用于模拟分波合波器；

接收端采用光电探测器将光纤传输的功率谱整形光信号转换为电信号。

一种基于功率谱整形的光传输装置，包括：发送端及接收端，所述发送端与接收端通过光纤通信；

所述发送端将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号，将功率谱整形电信号调制成功率谱整形光信号后发送给接收端；

所述接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号，电信号经模数转换成数字信号后，对数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

根据本发明一实施例，所述发送端包括：

功率谱整形信号生成模块，用于将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号；

光调制器，用于将功率谱整形电信号转换为光信号；

光滤波器，用于将所述光调制器输出的信号进行滤波，输出功率谱整形光信号；

光放大器，用于对所述功率谱整形光信号进行功率放大。

根据本发明一实施例，所述接收端包括：

光探测器，用于接收功率谱整形光信号，并将功率谱整形光信号转换为电信号；

模数转换器，用于将所述光探测器输出的电信号转换为数字信号；

数字信号处理器，用于将所述模数转换器输出的数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

根据本发明一实施例，所述功率谱整形信号生成模块采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制信号；

所述光调制器将改进双二进制信号或偏置双二进制信号进行多电平调制，得到第一阶段功率谱整形光信号；

所述光滤波器将第一阶段功率谱整形光信号进行光滤波生成残留边带信号，得到第二阶段功率谱整形光信号。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明一实施例中的基于功率谱整形的光传输方法，通过功率谱整形提高了谱效率，并且调制了强度和相位，使用了马曾调制器的正负相位调制功能，降低了输出光信号幅度。光滤波器残留边带滤波能够减少高谱效率调制的复杂度，使谱效率达到1～2b/s/Hz，而一般4相位调制的谱效率为1b/s/Hz。

2)本发明一实施例中的基于功率谱整形的光传输方法，通过非线性预编码实现多电平与偏置双二进制/改进双二进制直接检测的结合。通过同时使用正负相位，减少多电平偏置双二进制/改进双二进制的光强度，并且在直接检测导致正负重叠时也可以正确解码。多电平偏置双二进制/改进双二进制可以减少带宽，从而减少色散，而残留边带滤波可以去除色散相位偶对称部分，减少非线性失真，从而降低信号处理复杂度，提高数据中心光接口集成度。

3)本发明一实施例中的基于功率谱整形的光传输方法，通过非线性均衡实现平方解调信号的码间串扰消除，去除直检对码间串扰的非线性失真。而非线性均衡方法包括以下算法及它们的组合：判决反馈均衡、最大似然序列均衡、Volterra均衡以及机器学习均衡算法，如支持向量机、K最近邻。均衡后可以达到软判决FEC输入误码率门限，如0.024。

附图说明

图1为本发明一实施例中的基于功率谱整形的光传输装置示意图；

图2为本发明一实施例中的功率谱整形信号的时域示意图；

图3为本发明一实施例中的功率谱整形信号的频域示意图；

图4为本发明一实施例中的改进双二进制非线性预编码示意图；

图5为本发明一实施例中的偏置双二进制非线性预编码示意图；

图6为本发明一实施例中的多电平改进双二进制直接检测试验效果图；

图7为本发明一实施例中的多电平偏置双二进制直接检测试验效果图；

图8为本发明一实施例中的残留边带改进双二进制直接检测试验效果图。

附图标记：

1：功率谱整形信号产生模块；2：光调制器；3：光滤波器；4：光放大器；5：光电探测器；6：数字信号处理模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于功率谱整形的光传输方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

本发明提供的基于功率谱整形的光传输方法，包括发送端将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号，将功率谱整形电信号调制成功率谱整形光信号后发送给接收端；接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号，电信号经模数转换成数字信号后，对数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

上述基于功率谱整形的光传输方法适用于如图1所示的光传输装置。该光传输装置包括发送端、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中所述发送端对初始数据序列采用的调制方式为功率谱整形调制。

其中，发送端包括：功率谱整形信号产生模块1、光调制器2、光滤波器3以及光放大器4，接收端包括：光电探测器5、模数转换器以及数字信号处理模块6。

具体的，功率谱整形信号生成模块1，用于将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号。该功率谱整形电信号包含多电平改进双二进制信号、多电平偏置双二进制信号及残留边带改进双二进制信号。

如图2所示，功率谱整形信号可以在频域将使用带宽压缩到逼近理想低通，但是定时信息需要从其它信道获取，如控制平面的归零编码。同时，存在两种一阶段整形方法，双二进制和改进双二进制，对于双二进制，通过偏置可以降低输出电平，使正负电平各占一半。

该功率谱整形信号生成模块1按照两阶段生成功率谱整形电信号，如图3所示。第一阶段生成改进双二进制信号和偏置双二进制信号，第二阶段生成残留边带改进双二进制信号。而第一阶段信号可以采用多电平调制，第二阶段信号通过相对光滤波器偏置激光器中心频率生成残留边带改进双二进制信号。鉴于需要模数转换，采用光域多载波，将光谱宽度定位为12.5GHz，而波特率最多可以达到15GB/s。对于一阶段整形，可以增加多电平，提高速率。

在非线性预编码实现方面：对于改进双二进制信号，按照需要获得绝对值建模后的信号，然后对包含码间串扰的该信号求解输入进行预编码。由于平方解调将相位消除，采用绝对值对预编码进行建模，同时用两个变量记录奇数与偶数输出符号的状态，如图4所示。其中，奇数与偶数输出符号使用模更小值。对于偏置双二进制信号，需要考虑输出电信号后的偏置，用绝对值对预编码进行建模，并且用一个变量记录输出符号的状态，如图5所示。其中，输出符号使用模更小值。

光调制器2，用于将功率谱整形电信号转换为光信号。待发送的数据序列(随机序列)经过编码后成为功率谱整形电信号进入光调制器2，该光调制器2可采用外调制激光器和V_π偏置马曾光调制器，调制功率谱整形电信号的幅度及相位。由于V_π偏置马曾光调制器具有正负相位调制功能，可减小调制后输出的光信号的幅度。

光滤波器3，用于将光调制器2输出的信号进行滤波，输出功率谱整形光信号。该光滤波器3可在光域成形改进双二进制或者偏置双二进制信号，从而得到与多电平调制结合的第一阶段功率谱整形光信号；也可将调制器产生的第一阶段功率谱整形光信号光滤波生成残留边带信号，从而得到第二阶段功率谱整形光信号。该光滤波器3的残留边带滤波能够减少高谱效率调制的复杂度，使谱效率达到1～2b/s/Hz，而一般4相位调制的谱效率为1b/s/Hz。具体说明，光滤波器3也可以同时存在于发送端与接收端。

光放大器4，用于对光滤波器3输出的光信号进行功率放大。

上述，将待发送的数据序列(随机序列)经过非线性预编码后成为功率谱整形电信号进入光调制器2，然后进入光滤波器3使信号在光域成形，随后成形的光信号在放大后通过25千米的单模光纤传输。由于而输入激光信号可能会相对光滤波器3进行偏置，从而形成残留边带信号。

光探测器5，用于直接检测功率谱整形光信号，并将功率谱整形光信号转换为电信号。该光探测器5可以是光电二极管或者雪崩二极管APD。

模数转换器，用于将光探测器5输出的电信号转换为数字信号。

数字信号处理器6，用于将模数转换器输出的数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到原先的数据序列；可将该数据序列发送给客户端。时钟恢复还可用于对光探测器5输出的模拟电信号进行模数转换的过程中，将所得的时钟用于控制模数转换的采样点。

该非线性均衡处理可采用以下算法及它们的组合：判决反馈均衡算法、最大似然序列均衡算法、Volterra均衡算法或机器学习均衡算法(如支持向量机、K最近邻)。其中，机器学习均衡算法可以采用训练序列获取信道模型，也可以通过自适应滤波算法如迭代最小二乘获取参数，但机器学习算法需要足够训练数据。而信道模型的获取，需要在连续两个1之间插入需要测试数目的零，使用1对应的峰值差分来判断码间串扰的数值，具体处理结果需要细节调整，比如，缩小一半数值，防止测量噪声影响其稳定性。

而判决反馈均衡算法，均衡信号的输出是前向滤波器和反向滤波器两部分之和，均衡后的判决信号再反馈到前向滤波器中，其基本思想是：如果检测信号已知(假定过去的判决是正确的)，那么通过从均衡输出中减去过去符号值与适当权重的乘积，这些符号中的码间干扰可以完全消除。而前向与反向滤波器可以包含高阶项和交叉项，也即结合Volterra级数。

该判决反馈均衡算法可以输出软判决信息，为上层软纠错算法提供输入符号信息。如图6所示，对于25Gbps多电平改进双二进制信号，通过软判决反馈均衡可以达到软判决输入误码率门限0.024。如图7所示，对于25Gbps多电平偏置双二进制信号，通过软判反馈均衡可以达到软判决输入误码率门限0.024。如图8所示，对于15Gbps残留边带改进双二进制信号，通过软判决反馈均衡可以达到软判决输入误码率门限0.024。

下面简要介绍一下本发明基于功率谱整形的光传输方法，如下所示：

建立基于功率谱整形实现高速信号高谱效率实时光传输的系统，包括：发送端、光纤、接收端，发送端通过光纤连接至接收端，其中发送端对待发送的数据序列采用的调制方式为功率谱整形调制。发送端将待发送的数据序列(随机序列)经过非线性预编码后成为功率谱整形电信号进入光调制器2，随后进入光滤波器3使信号在光域成形，随后成形的光信号在放大后通过25千米的单模光纤传输，而输入激光信号可能会相对光滤波器3进行偏置，从而形成残留边带信号。具体说明，光滤波器3也可以同时存在于发送端与接收端。

接收端通过功率谱整形提高谱效率的光信号被直接检测，随后经过时钟恢复及非线性均衡去除直检对码间串扰的非线性失真，经过非线性均衡后的信号提交上层处理，如FEC解码。

实际应用中，上述过程可采用任意波形生成器，激光器，电放大器，马曾调制器，参饵光纤放大器，光纤，可调光滤波器，直接检测光电管及采样存储示波器等器件实现。

综上，本发明给出一种基于功率谱整形的光传输方法及装置，支持光信号直接检测也即平方解调。本发明在发送端采用功率谱整形调制方法，该调制方法通过在零点也即V_π偏置马曾光调制器，增加电平，结合非线性预编码，实现多电平改进双二进制编码和多电平偏置双二进制编码，也可以结合光滤波器，实现残留边带改进双二进制编码；在接收端采用非线性均衡对收到信号去除码间串扰，同时可以将接收电平差别反馈到发射机，实现非等距多电平调制，减少非线性均衡复杂度。本发明基于功率谱整形/直接检测的高谱效率实时光传输系统和方法可以将直检的谱效率逼近到相干检测能实现的范围，同时保持收发设备的实时性，适合于数据中心的内部互联，外部互联和接入。另外，双二进制/改进双二进制可以减少带宽，从而减少色散，而残留边带滤波可以去除色散相位偶对称部分，减少非线性失真，从而降低信号处理复杂度，提高数据中心光接口集成度。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于功率谱整形的光传输方法，其特征在于，包括：

发送端采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制信号；

将改进双二进制信号或偏置双二进制信号进行多电平调制及光滤波，得到第一阶段功率谱整形光信号；

将第一阶段功率谱整形光信号进一步光滤波生成残留边带信号，得到第二阶段功率谱整形光信号后发送给接收端；

接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号，电信号经模数转换成数字信号后，对数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

2.如权利要求1所述的基于功率谱整形的光传输方法，其特征在于，所述采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制进一步包括：

对待发送的数据序列进行绝对值运算建模，将绝对值运算建模后的信号求解，进行预编码。

3.如权利要求1所述的基于功率谱整形的光传输方法，其特征在于，将功率谱整形电信号调制成功率谱整形光信号进一步包括：

采用V_π偏置马曾光调制器对功率谱整形电信号进行正负相位调制，输出幅度减小的功率谱整形光信号。

4.如权利要求1所述的基于功率谱整形的光传输方法，其特征在于，所述对数字信号进行非线性均衡处理进一步包括：

采用判决反馈均衡算法、最大似然序列均衡算法、Volterra均衡算法或机器学习均衡算法中的一种或者多种组合的非线性均衡算法对数字信号进行处理。

5.如权利要求1所述的基于功率谱整形的光传输方法，其特征在于，所述接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号进一步包括：

接收端与发送端通过单模光纤以及可用带宽为12.5GHz光滤波器互联进行光信号传输；

接收端采用光电探测器将光纤传输的功率谱整形光信号转换为电信号。

6.一种基于功率谱整形的光传输装置，其特征在于，包括：发送端及接收端，所述发送端与接收端通过光纤通信；

所述发送端采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制信号；将改进双二进制信号或偏置双二进制信号进行多电平调制及光滤波，得到第一阶段功率谱整形光信号；将第一阶段功率谱整形光信号进一步光滤波生成残留边带信号，得到第二阶段功率谱整形光信号后发送给接收端；

所述接收端接收功率谱整形光信号后转换为电信号，电信号经模数转换成数字信号后，对数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

7.如权利要求6所述的基于功率谱整形的光传输装置，其特征在于，所述发送端包括：

功率谱整形信号生成模块，用于将待发送的数据序列编码为功率谱整形电信号；

光调制器，用于将功率谱整形电信号转换为光信号；

光滤波器，用于将所述光调制器输出的信号进行滤波，输出功率谱整形光信号；

光放大器，用于对所述功率谱整形光信号进行功率放大。

8.如权利要求6或7所述的基于功率谱整形的光传输装置，其特征在于，所述接收端包括：

光探测器，用于接收功率谱整形光信号，并将功率谱整形光信号转换为电信号；

模数转换器，用于将所述光探测器输出的电信号转换为数字信号；

数字信号处理器，用于将所述模数转换器输出的数字信号进行时钟恢复及非线性均衡处理后，得到所述数据序列。

9.如权利要求7所述的基于功率谱整形的光传输装置，其特征在于，所述功率谱整形信号生成模块采用非线性预编码将待发送的数据序列编码为改进双二进制信号或偏置双二进制信号；

所述光调制器将改进双二进制信号或偏置双二进制信号进行多电平调制，得到第一阶段功率谱整形光信号；

所述光滤波器将第一阶段功率谱整形光信号进行光滤波生成残留边带信号，得到第二阶段功率谱整形光信号。

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