CN112532319A - 一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法 - Google Patents

一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法，该方法涉及光通信技术领域、微波技术领域以及数字信号处理领域。所述方法如说明书附图图1所示，包括两个激光器CW1和CW2、偏振复用马曾调制器PDM‑MZM，25km的单模光纤SMF、两个偏振控制器PC1和PC2，集成相干接收机ICR，模数转换器ADC，数字信号处理模块DSP。利用PDM‑MZM对两个射频信号RF在光载波正交偏振态分别进行强度调制和相位调制，通过两个PC手动调整已调光信号和本振光信号的偏振态，送入ICR中进行相干检测，然后通过ADC采样送入DSP模块完成线性解调。本发明采用相干检测结合数字信号处理技术实现信号解调，具有频谱效率高，线性度好，灵敏度高，能有效抑制相位噪声等优点。

Description

一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域、微波技术领域以及数字信号处理领域，主要涉及利用光子学技术实现射频信号的高频谱效率传输和利用数字信号处理实现光相位调制的线性解调。
背景技术
在光通信技术领域，更大的传输带宽、更大的传输距离、更高的谱效率以及更高的接受灵敏度永远是科研工作者追求的目标。5G时代的到来以及互联网普及产生的信息爆炸式增长，对通信系统的性能提出更高的要求。传统的光通信系统主要采用强度调制/直接解调(IMDD)的方式，在发送端直接调制光载波的强度，接收端对光载波进行包络检波。这种方式结构简单成本较低广泛应用于现代通信系统中，它的缺点在于调制格式单一，单通道信道带宽有限，不能满足日益增长的带宽需求。相干光通信具有高接收灵敏度、高频谱效率以及适用多种调制格式等优点能有效地弥补强度调制直接解调的不足，通过相干解调可以对光载波的幅度、频率、相位等信息进行调制，促进光数字传输系统的发展。
相干光通信在发送端将射频信号调制到光载波的强度、频率或者相位上，通过光纤传输，在接收端，信号光通过一个光耦合器与本振光相干耦合输出到平衡探测器中，实现相干解调。本振光的有两种产生方式，一种是从发射端的激光器中分一路本振光，随着光调制信号直接传输过来，由于长距离传输导致本振光信号功率衰减，需要在接收端引入一个掺铒光纤放大器，但引入了放大器的自发辐射噪声，影响系统的性能；另一种方法是直接在接收端放置一个激光器作为本振光，在不使用光放大器的条件下就可以获得高接受灵敏度。在接收端直接引入本振光的方式会导致两个光信号的频率相位不匹配，会产生相位噪声严重影响系统的性能。
相干检测解调根据信号光和本振光频率相位是否一致又分为零差检测、内差检测和外差检测。零差检测要求本振光和信号光严格匹配，能获得很高的灵敏度，处理带宽较低，但是需要光学锁相环，对器件的性能要求很高，容易受环境因素影响。外差检测是信号光和本振光的频差大于射频信号带宽，相干检测后会产生一个中频信号，需要在电域进行二次解调才能获得基带信号。内差检测是本振光和信号光频差小于数据信号带宽，具有零差检测的处理带宽较低的特点，又具有不需要本振光和信号光同步的优点，接收机内部器件所需带宽只需要比信号速率稍微高一点，中频信号带宽小于数据信号带宽。有利结合数字信号处理技术消除频偏和相位噪声以及偏振态退化的影响，能适应高频效率的多种调制方式。
数字信号处理技术给现代通信系统性能带来了极大的提升，这种技术同样能用在光纤通信系统中。光信号经过光纤传输，调制解调器会受到光纤色散和非线性效应的影响，使得解调的信号产生严重的失真，到目前为止，研究人员已经提出许多基于数字信号处理技术的色散补偿算法和非线性效应的补偿算法。内差相干检测方法就是在接收端通过光电转换器和模数转换器将接收信号转换到数字域进行各种数字化的处理，比如噪声消除，色散补偿，非线性效应补偿等。弥补外差相干检测需要二次解调的缺点同时又能获得零差相干检测的优点。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出一种利用光偏振复用和数字信号处理技术实现线性数字相干解调的方法。该方法对单个光载波实现偏振复用，提高链路的频谱效率，在接收端采用相干接收和数字信号处理技术消除相位噪声，实现相位调制的严格线性解调。
采用偏振复用马赫曾德尔调制器对输入光信号进行正交偏振复用，一路为X偏振态实现强度调制(IM)，另一路为Y偏振态实现相位调制(PM)，然后通过一个偏振光束耦合器耦合输出到光纤中传输。同时使用单个光载波的两个偏振态，提高频谱效率。在接收端采用两个90°光混频器分别对强度调制信号和相位调制信号进行相干检测，在通过模数转换将信号送入到数字信号处理模块进行数字与的解调处理，消除相位噪声，实现线性解调。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：所述装置包括信号光源CW1、偏振复用马赫曾德尔调制器PDM-MZM、标准单模光纤SMF、偏振控制器PC1、偏振控制器PC2、本振光源CW2、集成相干接收机ICR、模数转换器ADC、数字信号处理模块DSP，射频源RF1，射频源RF2、电功率分配器、180°电混频器。CW1输出和PDM-MZM输入相连，PDM-MZM与SMF相连。RF1输出端口与180°电混频器相连，180°电混频器的两个输出端口分别与调制器上臂的两个射频口直接相连；RF2输出端口经过一个电功率分配器分两路直接与调制器下臂的两个射频口相连。PDM-MZM输出端口SMF相连。接收端，SMF与PC1连接，PC1输出端与ICR的信号光输入端口(SIG)相连；CW2输出端与PC2相连，PC2的输出端与ICR本振光输入端口(LO)相连接。ICR输出端口ADC连接，ADC输出DSP模块连接实现信号的解调。其中ICR输出端口也可以直接与频谱分析仪和采样示波器连接进行分析测试。
其中PDM-MZM由两个并行的双电极马赫曾德尔调制器X-MZM和Y-MZM，一个90°的偏振旋转器，一个偏振复用器构成。
上述PDM-MZM的子调制器具有相同的结构和功能。子调制器具有独立的射频信号输入端口和直流偏置端口；90°的偏振旋转器把下路X偏振态转换为Y偏振态；偏振复用器的作用是把X偏振态和Y偏振态耦合成一个光信号输出。
ICR由一个偏振分束器，一个分束器，两个90°光耦合器X-QOH和Y-QOH，四个平衡探测器BPD1，BPD2，BPD3，BPD4构成。偏振分束器负责把输入的光信号进行偏振态分离；分束器的作用是把从本振输入端输入的信号分成两束相同的光；两个90°光混频器的作用相同，X-QOH完成X偏振态的相干耦合，Y-QOH完成Y偏振态的相干耦合；四个平衡探测器的作用一样，其中BPD1，BPD2，完成X偏振态相干耦合后的光电转换，其中BPD3，BPD4，完成Y偏振态相干耦合后的光电转换。
ADC主要由信号处理单元完成，数字信号处理算法模块采用MATLAB数学工具设计完成，结合信号处理单元完成数据的处理。
本文在工作时包括以下步骤：
(1)从信号光源CW1发出中心波长为1551.710nm的光载波直接输入到PDM-MZM的输入端；
(2)RF1输出经过180°电混频器输入到PDM-MZM上臂X-MZM的射频输入端口，两个端口的射频信号相位相差180°，使X-MZM工作在推挽模式下，实现强度调制，RF2输出经过一个电功率分配器后分别接入到PDM-MZM的下臂Y-MZM的射频输入端口，两个端口的射频信号相位相同，使Y-MZM实现相位调制；
(3)在PDM-MZM中，将幅度为VDC1的直流电压接入到X-MZM直流偏置输入端，将幅度为VDC2的直流电压接入到Y-MZM直流偏置输入端。设置VDC1、VDC2的大小，使偏振复用马赫曾德尔调制器工作在双边带调制模式下；
(4)将PDM-MZM的输出已调光信号注入到SMF进行传输；
(5)在接收端将光纤传过来的信号通过PC1注入到ICR的信号输入端，把本振激光器CW2发出的波长为1551.685nm的光信号通过PC2注入到ICR的本振信号输入端；
(6)利用MATLAB数学工具设计后端的数字信号处理算法；
(7)将ICR输出的信号直接送入频谱分析仪和信号处理单元中进行分析测试，通过信号处理单元对信号进行模数转换，得到信号的数字域数据，DSP算法实现线性解调和相位噪声消除，对于强度调制，直接取合成IM复数信号的强度完成解调，对于相位调制，利用IM通道和PM通道同时携带相位噪声，分别对IM和PM取相位角，两路信号相减获得RF信号项，实现相位调制的线性解调。
(8)分析解调结果，计算解调信号的误差向量幅度(EVM)值；
(9)将IM通道关闭，给PM通道加上一个2GHz和2.1GHz的RF信号组成的双音信号，测试分析链路的无杂散动态范围(SFDR)。
本发明提出了一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法，使用PDM-MZM对光载波进行偏振复用，在一个光载波上同时实现强度调制和相位调制，提高了链路频谱效率。在接收端使用一个独立的本振光信号注入到ICR中实现内差相干解调，在不使用掺铒光纤放大器EDFA的条件下也能得到很高的灵敏度。使用包含两个90°光混频器和四个平衡探测器的ICR实现光信号到电信号的转换，为后续数字信号处理奠定基础。使用MATLAB数学工具设计数字信号处理算法。使用信号处理单元完成模数转换功能以及数字信号处理功能，最后恢复射频信号。
本方案既不需要采用复杂且不稳定的光锁相环OPLL就能获得高灵敏度，也不需要采用电域的二次解调，系统结构简单，不使用光放大器，避免光放大器噪声的引入。采用PDM-MZM实现光载波的偏振复用，提高了链路的频谱效率，节约资源。ICR结合数字信号处理模块完成相干解调，后端数字信号处理消除相位噪声，实现严格线性解调，减小解调信号的失真，提高链路的线性度。
附图说明
图1为高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方案的原理图。图2到图5是实验结果图。
图2中：
(a)为IIM端口输出的信号频谱图。
(b)为IM信道经过数字信号处理得到的信号频谱图。
图3中：
(a)为IPM端口输出的信号频谱图。
(b)为PM信道经过数字信号处理得到的信号频谱图。
图4为16-QAM信号经过25千米传输后PM和IM通道解调信号的EVM和接收光功率的关系图。
图5为PM信道中射频双音测试信号经过25千米单模光纤传输后，解调恢复频谱中基波项和三阶交调项的输出功率与射频输入功率的函数关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
图1为高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方案的原理图。CW1输出的光载波直接注入到PDM-MZM输入端，PDM-MZM对光载波的两个偏振态分别进行强度调制和相位调制。得到调制信号经过SMF进行传输。经过传输后的光信号和CW2输出的本振光信号一起注入到ICR中，得到光电转换之后的电信号，然后送入信号处理单元中进行模数转换和后端DSP完成相位噪声的消除和强度调制相位调制的严格线性解调。
如图1所示，本实施例中，装置包括：信号光源CW1、偏振复用马赫曾德尔调制器PDM-MZM、标准单模光纤SMF、偏振控制器PC1、偏振控制器PC2、本振光源CW2、集成相干接收机ICR、模数转换器ADC、数字信号处理模块DSP，射频源RF1，射频源RF2、电功率分配器、180°电混频器。其中PDM-MZM由两个并行的双电极马赫曾德尔调制器X-MZM和Y-MZM，一个90°的偏振旋转器，一个偏振复用器构成。ICR由一个偏振分束器PBS，一个分束器，两个90°光混频器X-QOH和Y-QOH，四个平衡探测器BPD1，BPD2，BPD3，BPD4构成。模数转换器ADC和数字信号处理模块DSP在实验中使用信号处理单元等效完成。如图1所示，CW1输出端与PDM-MZM光输入端口相连。RF1与180°电混频器相连，电耦合的两个输出端口分别与X-MZM两个射频口直接相连；RF2经过一个电功率分配器分两路直接与Y-MZM两个射频口相连。PDM-MZM输出端口与SMF相连。到接收端，SMF输出端与PC1相连，PC1的输出端与ICR的信号光输入端口相连；CW2输出端与PC2相连，PC2的输出端直接与ICR的本振光输入端口相连接。ICR的输出端口与频谱分析仪和信号处理单元连接进行分析测试。
本实例中具体包括以下步骤：
步骤一：CW1产生工作波长1551.710nm，线宽大约为20KHz，光功率为8.5dBm的连续光波，该连续光波作为载波输入到PDM-MZM。
步骤二：RF1产生中心频率为2.4GHz，符号速率为50Msymbol/s的正交幅度调制(16-QAM)的微波矢量信号经过一个180°电混频器，产生两个相位差为180°的射频信号分别加载到X-MZM完成双边带的强度调制；RF2产生中心频率为2GHz，符号速率为50Msymbol/s的16-QAM的微波矢量信号经过一个功率分配器分两路加载到Y-MZM完成相位调制，然后通过调制器内部的PBC耦合成一个已调光信号。
步骤三：在PDM-MZM中，半波电压为3.5V，消光比为20dB，将幅度为VDC1的直流电压接入到X-MZM直流偏置输入端，将幅度为VDC2的直流电压接入到Y-MZM直流偏置输入端。设置VDC1、VDC2的大小，使X-MZM工作在正交点，Y-MZM工作在最大点。
步骤四：将PDM-MZM输出的已调信号注入SMF进行传输。
步骤五：将SMF传输过来的信号通过一个PC1与ICR的信号光输入端口SIG相连，ICR的信号光输入端口SIG的光功率为-11.15dBm，通过手动调整PC1，两个调制信号被ICR内的PBS完全的分开。
步骤六：CW2产生工作波长为1551.685nm，线宽大约1MHz，光功率为2.84dBm的连续光波，用作本振光源，然后通过一个PC2与ICR的LO端口相连，通过调整PC2，使LO信号的极化方向相对于PBS的主轴对准45°。
步骤七：通过ICR解调之后，四个输出端口的电流信号接在采样示波器的4个通道口，进行模数转换，示波器的采样频率为20Gsa/s，得到采样数据。
步骤八：对采样数据进行DSP处理，实现线性解调和相位噪声消除，对于强度调制，直接取合成IM复数信号的强度完成解调，对于相位调制，利用IM通道和PM通道同时携带相位噪声，分别对IM和PM取相位角，两路信号相减获得RF信号项，实现相位调制的线性解调，消除相位噪声。
步骤九：将IM通道关闭，给PM通道加上一个2GHz和2.1GHz的RF信号组成的双音信号，测试链路的无杂散动态范围。
图2(a)为IIM端口输出的信号频谱图。在相干检测之后，两个激光器波长差为0.025nm产生中频(IF)约3.1GHz。(a)中的插图为相位噪声引起的中频信号模糊。2.4GHz的16-QAM微波矢量信号与IF混频产生0.7GHz和5.5GHz的边带。由于PBS的消光比较差，PM通道信号与IF混频产生1.1GHz和5.1GHz的两个弱边带。图2(b)为IM信道经过数字信号处理得到的信号频谱图，(b)插图为EVM为8.06％解调信号的星座图。
图3(a)为IPM端口输出的信号频谱图。由2GHz的16-QAM微波矢量信号和IF混频产生1.1GHz和5.1GHz的边带。由于PBS的消光比较差，IM通道信号与IF混频产生0.7GHz和5.5GHz的两个弱边带。(a)中的插图为相位噪声导致中频信号模糊。图3(b)为PM信道经过数字信号处理得到的信号频谱图，(b)中插图为EVM等于4.74％的星座图。
图4为16-QAM信号经过25千米传输后PM和IM通道解调信号的EVM和接收光功率的关系图。在测量中ICR的LO输入功率为-0.8dBm，当接收的光功率为-19.15dBm时，IM信道和PM信道的星座图都是可分离的。
图5为PM信道中射频双音测试信号经过25千米单模光纤传输后，恢复信号频谱中基波项和三阶交调项的输出功率与射频输入功率的关系。为证明实现线性相位解调，我们测试了系统的无杂散动态范围SFDR。此时IM通道关闭，PM通道的射频输入信号为两个2GHz和2.1GHz的RF信号组成的双音信号。ICR的信号光功率和本振光功率分别为-9dBm、5.8dBm。将双音信号的功率由8dBm增加到13dBm，分别测量解调信号的基波功率和三阶互调失真项功率。示波器的噪底为-145.8dBm/Hz，如图所示，系统的SFDR为112.8dB·Hz2/3，链路增益为-8.5dB，输出三阶截断点为23.4dBm。
综上，本发明提出了一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法。通过PDM-MZM在一个光载波上同时实现相位调制PM和强度调制IM，提高系统的频谱效率。通过ICR采用相干解调的方式，提高系统的灵敏度，既能恢复信号的幅度信息也能恢复信号的相位信息，完成整个信号的重建。设计DSP算法对信号进行数字域的处理，消除系统的相位噪声，实现相位调制的严格线性解调，提高链路的无杂散动态范围SFDR。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换。如将手动偏振控制器换为电动偏振控制器，同样可以调整偏振态。其他等同变形和替换也相应视为本发明的保护的范围。

Claims (1)

1.一种高频谱效率相干光链路的线性数字相位解调方法，包括两个连续可调谐激光器CW1和CW2，两个射频信号源RF1和RF2，180°电混频器，电功率分配器，偏振复用马赫曾德尔调制器PDM-MZM，标准单模光纤SMF，两个手动偏振控制器PC1和PC2，集成相干接收机ICR，四个模数转换器ADC，数字信号处理模块DSP；CW1的输出端与PDM-MZM的输入端连接，PDM-MZM的输出端和SMF连接，RF1的输出端通过一个180°电混频器与PDM-MZM上臂射频驱动端连接，RF2通过电功率分配器与PDM-MZM下臂射频驱动端连接，SMF的输出通过PC1与ICR的信号光输入端连接，CW2输出端通过PC2与ICR的本振光输入端连接，ICR的输出端口与信号处理单元相连，对数据进行数字信号处理；其特征在于：PDM-MZM由上下两个并行的X-MZM和Y-MZM,一个90°偏振旋转器以及偏振复用器PBC集成；X-MZM、Y-MZM分别工作在正交点和最大点，分别实现强度调制IM和相位调制PM，偏振复用，提高链路效率；手动调节PC1使信号光的X偏振态和Y偏振态完全分离，调节PC2本振光极化方向相对于偏振分束器PBS的主轴对准45°，通过ICR后可以完成X、Y偏振态的相干耦合；ICR由一个偏振分束器PBS，一个分束器，两个90°光混频器X-QOH、Y-QOH和四个平衡探测器集成，两个90°光混频器结构和性能相同，完成X偏振态和Y偏振态的相干耦合，四个平衡探测器的结构与性能相同，完成X、Y偏振态相干耦合后的光电转换；DSP算法实现线性解调和相位噪声消除，对于强度调制，直接取IM通道合成复数信号的幅度完成解调，对于相位调制，利用IM通道和PM通道同时携带相位噪声，分别对IM和PM取相位角，两路信号相减获得RF信号项，实现相位调制的线性解调，提高链路的动态范围，消除相位噪声。
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