CN114401050A - 一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统及方法，属于光通信技术领域。本发明提供的基于单个光电探测器接收独立边带信号的方法，是通过调整信号发送端两个边带上信号的星座点分布，并结合信号接收端直接探测来实现的，能够保证信号接收端从直接探测后的电信号中恢复出2个边带上的信息。本发明不仅降低了双边带信号接收端的复杂度。基于上述独立边带信号接收方案的系统，具有结构简单、执行简易、成本高效等优点。将其应用于自由空间光通信、光纤通信系统或光纤无线通信系统中可以简化系统架构，降低系统成本。

Description

一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统及方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，涉及一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统及方法。
背景技术
在光通信系统中，通过外调制器可以产生双边带(DSB)、单边带(SSB)和光载波抑制(OCS)的光信号；与单边带信号相比，独立边带信号的两个边带可以携带不同的数据，在相同带宽下可以传输更多的数据，频谱效率更高。在很多文献中已报导基于单个I/Q调制器便可以产生独立边带信号。可以实现单载波【X.Pan,X.Liu,H.Zhang,K.Wang,Y.Zhang,D.Ran,X.Wang and C.Wang,“Independent dual single-sideband vector millimeter-wave signal generationbyone singleI/Qmodulator,”OpticsExpress,vol.27,no.14,pp.19906-19914,2019】、多载波【R.Deng,J.Yu,J.He,M.Chen,Y.Wei,L.Zhao,Q.Zhang,X.Zin,“Twin-SSB-OFDM Transmission Over Heterodyne W-Band Fiber-WirelessSystem With Real-Time Implementable BlindCarrierRecovery,”JournalofLightwaveTechnology,vol.36,no.23,pp.5562-5572,2018】独立边带信号的产生。
然而，独立边带信号的信号接收端比较复杂，需要对上下两个边带分别进行接收处理。一般是将信号分成两路，对于每一路先使用一个滤波器选择上/下边带，然后使用一个光电探测器进行光电转换，之后再进行后续的DSP处理。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统及方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统，该系统包括信号发送端和信号接收端；
所述信号发送端包括：
外腔激光器，用于产生光信号；
I/Q调制器，用于把电信号调制为光信号；
信号发送端离线数字信号处理模块，用于生产2个边带的QPSK信号，并调制到不同的频率上；
数模转换模块，用于将离线数字信号处理模块的两路输出信号进行数模转换，以便驱动I/Q调制器；
所述信号接收端包括：
光电探测器，用于把光信号转换成电信号；
模数转换模块，用于对探测得到的电信号执行模数转换；
离线数字信号处理模块，用于对数字化后的电信号进行带通滤波、正交解调、低通滤波、均衡和载波恢复，以得到两路具有QPSK星座的信号。
可选的，所述信号发送端中：
外腔激光器，产生193.1THz的连续波光信号；
I/Q调制器，用来对光信号进行调制，信号发送端离线数字信号处理模块，用来将两路QPSK信号分别调制到-30GHz和30GHz频段，两路QPSK信号为QPSK信号的相位分别为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]和[0,π/2,π,3π/2]；两路信号相加后取实部和虚部作为两路输出；
数模转换器模，用来将信号发送端离线数字信号处理模块输出的两路数字信号转换为模拟信号，以便驱动I/Q调制器，I/Q调制器的输出有3个频率成分，分别是193.07THz，携带的QPSK信号的相位为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]；193.1THz，不携带数据信息；以及和193.13THz，携带的QPSK信号的相位为[0,π/2,π,3π/2]；
掺铒光纤放大器EDFA，对调制好的光信号进行功率放大；放大后的光信号通过自由空间或者光纤进行传输。
可选的，所述系统应用在自由空间光通信或光纤通信系统时，在接收端进行光电探测，接收端包括光电探测模块；信号接收端中，从自由空间或者光纤接收到的光信号经过光电探测器，将光信号转换为电信号，电信号包括30GHz频谱成分和60GHz频谱成分；
所述系统应用在光纤无线通信系统时，在发送端进行光电探测，接收端就不包括光电探测模块；
模数转换器模块，用来将电信号执行模数转换；
信号接收端离线数字信号处理模块，用来对接收到的信号进行离线处理，以恢复出两路QPSK信号，具体过程包括，先使用中心频率为30GHz的带通滤波器选出30GHz的频谱成分，然后进行正交解调以及低通滤波，得到同相和正交两路分量，之后进行多模均衡以及载波恢复等，从中恢复出原始的两路QPSK发送数据。
基于所述系统的基于单个光电探测器接收独立边带信号的方法，单个光电探测器接收独立边带信号，调整信号发送端两个边带上信号的星座点位置，并结合信号接收端探测，具体如下：
信号发送端路信号都采用QPSK调制，幅度均为1，一路QPSK信号的相位为θ1(t)，θ1(t)取值为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]，另一路QPSK信号的相位为θ2(t)，θ2(t)取值为[0,π/2,π,3π/2]；
产生所需的数据信号
Figure BDA0003477743600000031
该数据信号由两种不同频率的信号组成；再将信号的实部和虚部分离出来驱动IQ调制，使得两路QPSK信号分别加载到光信号的上下两个边带上；
I/Q调制器的输出为
Figure BDA0003477743600000032
其中A和fc为外腔激光器的幅度和频率输入；α是I/Q调制器的响应，β是中心频段的光载波的直流分量；对于自由空间光通信或者光纤通信系统直接将I/Q调制器的输出送入信道，在信号接收端使用光电探测器进行检测，对于光纤无线通信系统，使用光电探测器将I/Q调制器的输出光信号转成电信号，再使用天线进行发射；
信号接收端信号表达式为：
I1(t)＝2αβA2R{cos[2πfst+θ2(t)]+cos[2πfst-θ1(t)]}+2α2A2Rcos[4πfst+θ2(t)-θ1(t)]使用中心频率为fs的带通滤波器除掉高频分量，带通滤波器输出信号为：
I2(t)＝2αβA2R{cos[2πfst+θ2(t)]+cos[2πfst-θ1(t)]}
R表示光电转换效率，对该输出信号进行正交解，即将信号分成两路，分别乘cos(2πfst)和-sin(2πfst)，再分别使用低通滤波器滤除高频分离，得到的上下两路信号分别为：
I(t)＝αβA2R{cos[θ1(t)]+cos[θ2(t)]}
Q(t)＝αβA2R{sin[θ1(t)]-sin[θ2(t)]}
将两路信号用复数的形式表示为
Figure BDA0003477743600000033
令
Figure BDA0003477743600000034
通过信号接收端的星座点恢复出和的信息，即θ1(t)和θ2(t)的信息在信号接收端不会混叠。
本发明的有益效果在于：本发明仅使用一个光电探测器就可以实现独立边度信号的接收，降低了系统复杂度，易于操作。为未来自由空间光通信系统、光纤通信系统光纤无线通信系统需要的高频谱效率低成本提供了创新思路。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为信号S的星座图；
图2为本发明的信号发送端结构示意图；
图3为本发明的信号接收端结构示意图。
附图标记：1-外腔激光器，2-I/Q调制器，3-信号发送端离线数字信号处理模块，4-数模转换器模块，5-掺铒光纤放大器EDFA，6-光电探测器，7-模数转换器模块，8-信号接收端离线数字信号处理模块。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供的基于单个光电探测器接收独立边带信号的方法，是通过调整信号发送端两个边带上信号的星座点位置，并结合信号接收端直接探测来实现的，具体如下：
信号发送端2路信号都采用QPSK调制，幅度均为1，一路QPSK信号的相位为θ1(t)，θ1(t)取值为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]，另一路QPSK信号的相位为θ2(t)，θ2(t)取值为[0,π/2,π,3π/2]。先产生所需的数据信号
Figure BDA0003477743600000051
该信号由两种不同频率的信号组成。再将信号的实部和虚部分离出来驱动IQ调制，使得两路QPSK信号分别加载到光信号的上下两个边带上。I/Q调制器的输出为
Figure BDA0003477743600000052
其中A和fc为外腔激光器1的幅度和频率输入。α是I/Q调制器的响应，β是中心频段的光载波的直流分量。对于自由空间光通信或者光纤通信系统直接将I/Q调制器的输出送入信道，在信号接收端使用光电探测器进行检测，对于光纤无线通信系统，使用光电探测器将I/Q调制器的输出光信号转成电信号，再使用天线进行发射。信号接收端信号表达式为：
I1(t)＝2αβA2R{cos[2πfst+θ2(t)]+cos[2πfst-θ1(t)]}+2α2A2Rcos[4πfst+θ2(t)-θ1(t)]使用中心频率为fs的带通滤波器除掉高频分量，带通滤波器输出信号为：
I2(t)＝2αβA2R{cos[2πfst+θ2(t)]+cos[2πfst-θ1(t)]}
R表示光电转换效率，对该输出信号进行正交解，即将信号分成两路，分别乘cos(2πfst)和-sin(2πfst)，再分别使用一个低通滤波器滤除高频分离，得到的上下两路信号分别为：
I(t)＝αβA2R{cos[θ1(t)]+cos[θ2(t)]}
Q(t)＝αβA2R{sin[θ1(t)]-sin[θ2(t)]}
将两路信号用复数的形式表示为
Figure BDA0003477743600000053
令
Figure BDA0003477743600000054
不同θ1(t)和θ2(t)对应的S的值如下表所示：
0 π/2 π 3π/2
π/4 2sin(3π/8)e<sup>jπ/8</sup> 2sin(π/8)e<sup>j15π/8</sup> 2sin(π/8)e<sup>j5π/8</sup> 2sin(3π/8)e<sup>j3π/8</sup>
3π/4 2sin(π/8)e<sup>j3π/8</sup> 2sin(π/8)e<sup>j9π/8</sup> 2sin(3π/8)e<sup>j7π/8</sup> 2sin(3π/8)e<sup>j5π/8</sup>
5π/4 2sin(π/8)e<sup>j13π/8</sup> 2sin(3π/8)e<sup>j11π/8</sup> 2sin(3π/8)e<sup>j9π/8</sup> 2sin(π/8)e<sup>j7π/8</sup>
7π/4 2sin(3π/8)e<sup>j15π/8</sup> 2sin(3π/8)e<sup>j13π/8</sup> 2sin(π/8)e<sup>j11π/8</sup> 2sin(π/8)e<sup>jπ/8</sup>
S对应的星座图如图1所示，由图1可知可以通过信号接收端的星座点同时恢复出θ1(t)和θ2(t)的信息，即θ1(t)和θ2(t)的信息在信号接收端不会混叠。
对应上述方法，本发明还涉及使用单个I/Q调制器产生两个独立边带的光信号的系统，该系统包括信号发送端和信号接收端，其中：
所述信号发送端，包括：外腔激光器，用于产生光信号；一个I/Q调制器，用于把电信号调制为光信号；一个信号发送端离线数字信号处理模块3，用于生产2个边带的QPSK信号，并调制到不同的频率上；一个数模转换模块，用于将离线数字信号处理模块的两路输出信号进行数模转换，以便驱动I/Q调制器；
所述信号接收端，包括：一个光电探测器6，用于把光信号转换成电信号；一个模数转换模块，用于对探测得到的电信号执行模数转换；一个离线数字信号处理模块，用于对数字化后的电信号进行带通滤波、正交解调、低通滤波、均衡、载波恢复等。以得到两路具有QPSK星座的信号。
本发明整个系统包括：信号发送端和信号接收端。
所述信号发送端结构如图2所示，各部件及功能分别说明如下：
外腔激光器1，产生193.1THz的连续波光信号，I/Q调制器2，用来对光信号进行调制，信号发送端离线数字信号处理模块，用来将两路QPSK信号(一路QPSK信号的相位为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]，另一路为[0,π/2,π,3π/2])分别调制到-30GHz和30GHz频段，两路信号相加后取实部和虚部作为两路输出，数模转换器模块4，用来将信号发送端离线数字信号处理模块输出的两路数字信号转换为模拟信号，以便驱动I/Q调制器，I/Q调制器的输出有3个频率成分，分别是193.07THz(携带的QPSK信号的相位为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4])、193.1THz(不携带数据信息)和193.13THz(携带的QPSK信号的相位为[0,π/2,π,3π/2])，掺铒光纤放大器EDFA5，对调制好的光信号进行功率放大。放大后的光信号通过自由空间或者光纤进行传输。
所述信号接收端结构如图3所示，各部件及功能分别说明如下：
从自由空间或者光纤接收到的光信号经过光电探测器6，将光信号转换为电信号，电信号包括30GHz频谱成分和60GHz频谱成分，模数转换器模块7，用来将电信号执行模数转换，信号接收端离线数字信号处理模块8，用来对接收到的信号进行离线处理，以便恢复出两路QPSK信号。具体过程包括，先使用中心频率为30GHz的带通滤波器选出30GHz的频谱成分，然后进行正交解调以及低通滤波，得到同相和正交两路分量，之后进行多模均衡以及载波恢复等。便可以从中恢复出原始的两路QPSK发送数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统，其特征在于：该系统包括信号发送端和信号接收端；
所述信号发送端包括：
外腔激光器，用于产生光信号；
I/Q调制器，用于把电信号调制为光信号；
信号发送端离线数字信号处理模块，用于生产2个边带的QPSK信号，并调制到不同的频率上；
数模转换模块，用于将离线数字信号处理模块的两路输出信号进行数模转换，以便驱动I/Q调制器；
所述信号接收端包括：
光电探测器，用于把光信号转换成电信号；
模数转换模块，用于对探测得到的电信号执行模数转换；
离线数字信号处理模块，用于对数字化后的电信号进行带通滤波、正交解调、低通滤波、均衡和载波恢复，以得到两路具有QPSK星座的信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统，其特征在于：所述信号发送端中：
外腔激光器，产生193.1THz的连续波光信号；
I/Q调制器，用来对光信号进行调制，信号发送端离线数字信号处理模块，用来将两路QPSK信号分别调制到-30GHz和30GHz频段，两路QPSK信号为QPSK信号的相位分别为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]和[0,π/2,π,3π/2]；两路信号相加后取实部和虚部作为两路输出；
数模转换器模，用来将信号发送端离线数字信号处理模块输出的两路数字信号转换为模拟信号，以便驱动I/Q调制器，I/Q调制器的输出有3个频率成分，分别是193.07THz，携带的QPSK信号的相位为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]；193.1THz，不携带数据信息；以及和193.13THz，携带的QPSK信号的相位为[0,π/2,π,3π/2]；
掺铒光纤放大器EDFA，对调制好的光信号进行功率放大；放大后的光信号通过自由空间或者光纤进行传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于单个光电探测器接收独立边带信号的系统，其特征在于：所述系统应用在自由空间光通信或光纤通信系统时，在接收端进行光电探测，接收端包括光电探测模块；信号接收端中，从自由空间或者光纤接收到的光信号经过光电探测器，将光信号转换为电信号，电信号包括30GHz频谱成分和60GHz频谱成分；
所述系统应用在光纤无线通信系统时，在发送端进行光电探测，接收端就不包括光电探测模块；
模数转换器模块，用来将电信号执行模数转换；
信号接收端离线数字信号处理模块，用来对接收到的信号进行离线处理，以恢复出两路QPSK信号，具体过程包括，先使用中心频率为30GHz的带通滤波器选出30GHz的频谱成分，然后进行正交解调以及低通滤波，得到同相和正交两路分量，之后进行多模均衡以及载波恢复等，从中恢复出原始的两路QPSK发送数据。
4.基于权利要求1～3中任一项系统的基于单个光电探测器接收独立边带信号的方法，其特征在于：
单个光电探测器接收独立边带信号，调整信号发送端两个边带上信号的星座点位置，并结合信号接收端探测，具体如下：
信号发送端路信号都采用QPSK调制，幅度均为1，一路QPSK信号的相位为θ1(t)，θ1(t)取值为[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]，另一路QPSK信号的相位为θ2(t)，θ2(t)取值为[0,π/2,π,3π/2]；
产生所需的数据信号
Figure FDA0003477743590000021
该数据信号由两种不同频率的信号组成；再将信号的实部和虚部分离出来驱动IQ调制，使得两路QPSK信号分别加载到光信号的上下两个边带上；
I/Q调制器的输出为
Figure FDA0003477743590000022
其中A和fc为外腔激光器的幅度和频率输入；α是I/Q调制器的响应，β是中心频段的光载波的直流分量；对于自由空间光通信或者光纤通信系统直接将I/Q调制器的输出送入信道，在信号接收端使用光电探测器进行检测，对于光纤无线通信系统，使用光电探测器将I/Q调制器的输出光信号转成电信号，再使用天线进行发射；
信号接收端信号表达式为：
I1(t)＝2αβA2R{cos[2πfst+θ2(t)]+cos[2πfst-θ1(t)]}+2α2A2Rcos[4πfst+θ2(t)-θ1(t)]
使用中心频率为fs的带通滤波器除掉高频分量，带通滤波器输出信号为：
I2(t)＝2αβA2R{cos[2πfst+θ2(t)]+cos[2πfst-θ1(t)]}
R表示光电转换效率，对该输出信号进行正交解调，即将信号分成两路，分别乘cos(2πfst)和-sin(2πfst)，再分别使用低通滤波器滤除高频分离，得到的上下两路信号分别为：
I(t)＝αβA2R{cos[θ1(t)]+cos[θ2(t)]}
Q(t)＝αβA2R{sin[θ1(t)]-sin[θ2(t)]}
将两路信号用复数的形式表示为
Figure FDA0003477743590000031
令
Figure FDA0003477743590000032
通过信号接收端的星座点恢复出θ1(t)和θ2(t)的信息，即θ1(t)和θ2(t)的信息在信号接收端不会混叠。
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