CN115441958B - 一种模拟相干光通信的信号处理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟相干光通信的信号处理方法及系统，其中，模拟相干光通信的信号处理方法，包括以下步骤：生成单偏振多相位调制光信号；对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号。本发明可以消除偏振旋转的影响的影响，同时避开了技术难度极大的光锁相环或电信号锁相环，也简化了载波恢复处理过程。
Description
技术领域
本发明涉及相干光通信技术领域，具体涉及一种模拟相干光通信的信号处理方法及系统。
背景技术
大规模商用的相干光通信技术实际是相干光通信(Coherent lightwavecommunications)与数字信号处理(Digital Signal Process，DSP)的结合体。而数字信号处理一般由下列部分组成：色散补偿－时钟采样误差提取－自适应均衡(完成偏振解复用与偏振模色散补偿)－载波恢复(频差估计与补偿)－载波恢复(相位噪声估计与补偿)－码元判决－差分解码。这种数字相干光通信技术广泛用于100G、400G、800G光通信系统，在长途网、城域网建设中取得了统治地位。
随着互联网企业的兴起，数据中心间的数据通信成指数增长，而现有的数字相干光通信技术成本过高，且功耗大，带来了巨大的电费消耗成本以及散热要求。同时，由于数据中心间距离较近，所以广泛采用传统直調直检技术互联。但对于80km或超80km的数据中心互联要求，要求使用相干光通信技术。
现有相干光通信主要的能耗来自于模数转换(ADC)与数字信号处理(DSP)，所以将数字信号处理部分变为模拟信号处理或光信号处理可以大幅度降低光模块的功耗，满足发展绿色经济的需要。
相干光通信一般采用偏振复用技术，要求在收端进行偏振解复用。对于单偏振光信号，也要求进行信号结合，这都要求对偏振矩阵进行估算。在数字相干光通信系统，偏振逆矩阵一般通过迭代自适应滤波器系数实现。而在模拟域实现自适应滤波具有很高技术难度。
然而，目前模拟相干光通信的载波恢复常采用的一种方法是锁相环技术，锁相环技术主要包括光锁相环技术和电锁相环技术。但是无论是光锁相环技术还是电锁相环技术，存在的共同问题是，由于相位检测、环路滤波以及电路走线带来的延迟，锁相环带宽较窄，难以跟踪收发端激光器的快速频差变化。
另一种方法是延迟差分检测，但是该方法无法使用本征激光的放大作用，对未经放大的信号光检测灵敏度很低。而且还会成倍增加噪声，带来OSNR(光信噪比)代价。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供了一种模拟相干光通信的信号处理方法，其可以消除偏振旋转的影响，同时避开了技术难度极大的光锁相环或电信号锁相环，也简化了载波恢复处理过程。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种模拟相干光通信的信号处理方法，该方法包括以下步骤：
生成单偏振多相位调制光信号；
对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；
分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；
将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号。
一些实施例中，所述将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到合成信号后，还包括：
基于自适应相位补偿产生补偿复信号；
将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号。
一些实施例中，所述单偏振多相位调制光信号包括单偏振四相位调制QPSK光信号或单偏振二相位调制BPSK光信号。
一些实施例中，生成单偏振四相位调制QPSK光信号，包括：
根据公式：S_encode(n)＝[S_encode(n-1)+S(n)]MOD 4，对四进制信号S(n)进行差分编码，其中，S_encode(n)为编码后的四进制信号，n的取值范围为0、1、2、3，MOD4表示取模运算；
根据公式：
S(t)＝exp[j*2πfCt+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT，
将编码后的四进制信号调制成单偏振四相位调制光信号，其中，fC为光载波频率，T为码元周期。
一些实施例中，所述对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号，包括：
根据公式：
S(t)＝exp[j*2πfCt+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT，
且根据单偏振四相位调制QPSK光信号在传输过程发生基于正交琼斯矩阵的偏振旋转，其中conj表示共轭，A与B为正交琼斯矩阵构成单元，满足Aconj A+Bconj B1，
以将相干接收得到的X偏振复信号和Y偏振复信号分别表示为：
SRX(t)＝A exp[j*2πΔft+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT
SRY(t)＝conj(B)exp[j*2πΔft+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT
其中，Δf＝fC-fL，fL为本征激光频率。
一些实施例中，所述分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号，包括：
当(n-1)T<t＜nT时
其中，SR_combo(t)为差分检测后的合成信号。
一些实施例中，所述基于自适应相位补偿产生补偿复信号；将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号，包括：
使用自适应相位补偿电路产生补偿复信号：
其中，δ(t)表示补偿复信号的相位误差；
使用复信号相乘电路将合成信号与补偿复信号相乘，得到补偿后合成信号：
一些实施例中，在所述将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号，还包括：
调节补偿复信号的相位，使得基于公式：
δ(t)＝sign[IFINAL(t)]QFINAL(t)-sign[QFINAL(t)]IFINAL(t)表示的相位误差的检测值δ(t)最小，其中，IFINAL(t)为补偿后合成信号的I路子信号，QFINAL(t)为补偿后合成信号的Q路子信号。
一些实施例中，所述对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号之后，还包括：
对X偏振复信号和Y偏振复信号进行电域均衡处理的步骤。
本发明第二方面提供了一种模拟相干光通信的信号处理系统，其可以消除偏振旋转的影响偏振旋转的影响，同时避开了技术难度极大的光锁相环或电信号锁相环，也简化了载波恢复处理过程。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种模拟相干光通信的信号处理系统，包括：
调制设备，其用于生成单偏振多相位调制光信号；
相干接收机，其用于对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；
共轭乘法电路，其用于分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；
加法电路，其用于将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明中的模拟相干光通信的信号处理方法，其通过生成单偏振多相位调制光信号；对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到合成信号后。得到的合成信号不含A/B两偏振旋转因子，已消除了偏振旋转的影响，同时避开了技术难度极大的光锁相环或电信号锁相环，也简化了载波恢复处理过程。本发明保留了信号光电转换的线性特点，便于进行色散补偿。其实现简单，系统鲁棒性强。并天然具有抵抗信号偏振态超快旋转，且对于激光器线宽不敏感的特点。
附图说明
图1是相关技术中基于光锁相环的相干光接收的结构框图；
图2是相关技术中基于电锁相环的相干光接收的结构框图；
图3是相关技术中基于延迟相干的相干光接收的结构框图；
图4是本发明实施例中模拟相干光通信的信号处理方法的流程图；
图5是本发明实施例中模拟相干光通信的信号处理方法的结构框图。
具体实施方式
针对为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
值得说明的是，在相关技术中，模拟相干光通信的载波恢复采用的是锁相环技术。光锁相环技术如图1所示，信号经本征光解调后，对解调信号的相位进行检测，并调节本征激光频率使本征激光与接收光信号相位一致，光信号被解调为NRZ电信号。然后用电信号接收器接收NRZ信号。
另一种锁相环方式是电锁相环技术，即让本征激光器工作在自由振荡状态，而用可调的电频率源对解调电信号进行锁定，如图2所示。
这两种锁相环的共同问题是，由于相位检测、环路滤波以及电路走线带来的延迟，锁相环带宽较窄，难以跟踪收发端激光器的快速频差变化。
另一种方法是延迟差分检测，延迟差分检测可以在光域或电域实现。光域延迟相干如图3所示，即延迟信号光一码元，两个相邻信号光码元相干。这种方法由于前后码元都由一个光源发出，不受激光源频差影响。但是，这种相干检测方法无法使用本征激光的放大作用，对未经放大的信号光检测灵敏度很低。而且，这种延迟相干检测相当于前后光信号共轭相乘，所以光域到电域的转换是非线性的，这种情况下，难以有效补偿色散及其他滤波器效应。同时信号共轭相乘会成倍增加噪声，带来光信噪比OSNR代价。
为了解决上述问题，参见图4和图5所示，本发明实施例公开了一种模拟相干光通信的信号处理方法，该方法包括以下步骤：
S1.生成单偏振多相位调制光信号。
值得说明的是，本发明实施例中的单偏振多相位调制光信号主要包括单偏振四相位调制QPSK光信号或单偏振二相位调制BPSK光信号。
下面以单偏振四相位调制QPSK光信号为例进行说明：
首先需要在发送端产生四进制信号S(n)，n的取值范围为0、1、2、3，其中n为序列号。然后对四进制信号S(n)进行差分编码，最后将差分编码后的信号调制成单偏振多相位调制光信号。
具体而言，步骤S1包括：
S11.根据公式：S_encode(n)＝[S_encode(n-1)+S(n)]MOD 4，对四进制信号S(n)进行差分编码，其中，S_encode(n)为编码后的四进制信号，n的取值范围为0、1、2、3，MOD 4表示取模运算；
S12.根据公式：
S(t)＝exp[j*2πfCt+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT，
将编码后的四进制信号调制成单偏振四相位调制光信号，其中，fC为光载波频率，T为码元周期。
单偏振多相位调制光信号，经光纤信道传输，单偏振多相位调制光信号在传输过程发生基于正交琼斯矩阵的偏振旋转，其中conj表示共轭，A与B为正交琼斯矩阵构成单元，满足Aconj A+Bconj B＝1。
S2.对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号。
使用频率为fL的本征激光对光信号进行相干接收时，由于电域信号是光信号的线性搬移，所以可以将X偏振复信号和Y偏振复信号进行电域均衡处理，分别进行线性均衡，补偿色散、滤波效应等码间串扰ISI效应。
得到的X偏振复信号和Y偏振复信号可分别表示为：
SRX(t)＝Aexp[j*2πΔft+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT
SRY(t)＝conj(B)exp[j*2πΔft+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT
其中，Δf＝fC-fL。
S3.分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘。
S4.将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号。
将X偏振复信号SRX延迟一码元周期与未延迟的自身信号共轭相乘，同时将Y偏振复信号SRY延迟一码元周期与未延迟的自身信号共轭相乘，再将相乘后两路复信号相加得到差分检测后的合成信号，其信号处理过程可表示为：
当(n-1)T<t＜nT时
其中，SR_combo(t)为差分检测后的合成信号，可以看出差分检测后合成信号已经不含A/B两偏振旋转因子，已消除了偏振旋转的影响；另外，收发端频差的影响也可表示为2πΔfT，由于收发端频差变化缓慢，所以2πΔfT为一缓变值。这样一来相当于避免了复杂的偏振矩阵计算，同时避开了技术难度极大的光锁相环或电信号锁相环，也简化了载波恢复处理过程。
为了便于进行信号判决，一些优选的实施方式中，所述将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到合成信号后，还包括：
基于自适应相位补偿产生补偿复信号；将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号。
具体而言，使用自适应相位补偿电路产生补偿复信号，补偿复信号可以表示为：
其中，δ(t)表示补偿复信号的相位误差。
然后，使用复信号相乘电路将合成信号与补偿复信号相乘，得到补偿后合成信号EFINAL(t)，表示为：
在上述公式中加上的目的在于：
当S(n)＝0/1/2/3时，复信号为 即/>此时复信号可看作两路NRZ信号，便于信号的直接判决。
此外，在所述将合成信号与补偿复信号相乘，得到补偿后合成信号之后，还包括：
调节补偿复信号的相位，使得基于公式：
δ(t)＝sign[IFINAL(t)]QFINAL(t)-sign[QFINAL(t)]IFINAL(t)表示的相位误差的检测值δ(t)最小，其中，EFINAL(t)＝IFINAL(t)+jQFINAL(t)，IFINAL(t)为补偿后合成信号的I路子信号，QFINAL(t)为补偿后合成信号的Q路子信号。
综上所述，本发明中的模拟相干光通信的信号处理方法，其通过生成单偏振多相位调制光信号；对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到合成信号后。得到的合成信号不含A/B两偏振旋转因子，已消除了偏振旋转的影响，同时避开了技术难度极大的光锁相环或电信号锁相环，也简化了载波恢复处理过程。本发明保留了信号光电转换的线性特点，便于进行色散补偿。其实现简单，系统鲁棒性强。并天然具有抵抗信号偏振态超快旋转，且对于激光器线宽不敏感的特点。
本发明实施例公开了一种模拟相干光通信的信号处理系统，其包括调制设备、相干接收机、共轭乘法电路、加法电路。
其中，调制设备，其用于生成单偏振多相位调制光信号；相干接收机，其用于对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；共轭乘法电路，其用于分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；加法电路，其用于将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号。
一些实施例中，模拟相干光通信的信号处理系统还包括自适应相位补偿电路和复信号乘法电路。
自适应相位补偿电路用于基于自适应相位补偿产生补偿复信号；复信号乘法电路用于将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号。
一些实施例中，模拟相干光通信的信号处理系统还包括相差调节环路。
相差调节环路用于在所述复信号乘法电路将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号时，调节补偿复信号的相位，使得基于公式：
δ(t)＝sign[IFINAL(t)]QFINAL(t)-sign[QFINAL(t)]IFINAL(t)表示的相位误差的检测值δ(t)最小，其中，IFINAL(t)为补偿后合成信号的I路子信号，QFINAL(t)为补偿后合成信号的Q路子信号。
所述单偏振多相位调制光信号包括单偏振四相位调制QPSK光信号或单偏振二相位调制BPSK光信号。
其中，所述调制设备生成单偏振四相位调制QPSK光信号，包括：
根据公式：S_encode(n)＝[S_encode(n-1)+S(n)]MOD 4，对四进制信号S(n)进行差分编码，其中，S_encode(n)为编码后的四进制信号，n的取值范围为0、1、2、3，MOD4表示取模运算；
根据公式：
S(t)＝exp[j*2πfCt+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t＜nT，
将编码后的四进制信号调制成单偏振四相位调制光信号，其中，fC为光载波频率，T为码元周期。
优选地，所述四进制光信号为QPSK信号或BPSK信号。
一些实施例中，所述偏振旋转为单偏振多相位调制光信号传输过程发生基于正交琼斯矩阵的偏振旋转，其中conj表示共轭，A与B为正交琼斯矩阵构成单元，满足Aconj A+Bconj B＝1。
一些实施例中，所述模拟相干光通信的信号处理系统还包括电域均衡器，在对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号之后，所述电域均衡器用于对X偏振复信号和Y偏振复信号进行电域均衡处理。
以上仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种模拟相干光通信的信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
生成单偏振多相位调制光信号；
对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；
分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；
将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号；
所述单偏振多相位调制光信号包括单偏振四相位调制QPSK光信号或单偏振二相位调制BPSK光信号；
生成单偏振四相位调制QPSK光信号，包括：
根据公式：S_encode(n)＝[S_encode(n-1)+S(n)]MOD4，对四进制信号S(n)进行差分编码，其中，S_encode(n)为编码后的四进制信号，n的取值范围为0、1、2、3，MOD4表示取模运算；
根据公式：
S(t)＝exp[j*2πfCt+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t<nT，
将编码后的四进制信号调制成单偏振四相位调制光信号，其中，fC为光载波频率，T为码元周期；
所述对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号，包括：
根据公式：
S(t)＝exp[j*2πfCt+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t<nT，
且根据单偏振四相位调制QPSK光信号在传输过程发生基于正交琼斯矩阵的偏振旋转，其中conj表示共轭，A与B为正交琼斯矩阵构成单元，满足Aconj(A)+Bconj(B)＝1，
以将相干接收得到的X偏振复信号和Y偏振复信号分别表示为：
SRX(t)＝Aexp[j*2πΔft+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t<nT
SRY(t)＝conj(B)exp[j*2πΔft+j*S_encode(n)/4*2π+j*π/4],(n-1)T<t<nT
其中，Δf＝fC-fL，fL为本征激光频率；
所述分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号，包括：
当(n-1)T<t<nT时
其中，SR_combo(t)为差分检测后的合成信号。
2.根据权利要求1所述的一种模拟相干光通信的信号处理方法，其特征在于，所述将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到合成信号后，还包括：
基于自适应相位补偿产生补偿复信号；
将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号。
3.根据权利要求1所述的一种模拟相干光通信的信号处理方法，其特征在于，所述基于自适应相位补偿产生补偿复信号；将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号，包括：
使用自适应相位补偿电路产生补偿复信号：
其中，δ(t)表示补偿复信号的相位误差；
使用复信号相乘电路将合成信号与补偿复信号相乘，得到补偿后合成信号：
4.根据权利要求3所述的一种模拟相干光通信的信号处理方法，其特征在于，在所述将合成信号与补偿复信号相乘，得到用于进行信号判决的补偿后合成信号，还包括：
调节补偿复信号的相位，使得基于公式：
δ(t)＝sign[IFINAL(t)]QFINAL(t)-sign[QFINAL(t)]IFINAL(t)表示的相位误差的检测值δ(t)最小，其中，IFINAL(t)为补偿后合成信号的I路子信号，QFINAL(t)为补偿后合成信号的Q路子信号。
5.根据权利要求1所述的一种模拟相干光通信的信号处理方法，其特征在于，所述对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号之后，还包括：
对X偏振复信号和Y偏振复信号进行电域均衡处理的步骤。
6.一种实现如权利要求1所述的模拟相干光通信的信号处理方法的模拟相干光通信的信号处理系统，其特征在于，包括：
调制设备，其用于生成单偏振多相位调制光信号；
相干接收机，其用于对偏振旋转后的单偏振多相位调制光信号进行相干接收，得到X偏振复信号和Y偏振复信号；
共轭乘法电路，其用于分别将X偏振复信号和Y偏振复信号延迟一码元周期，并与未延迟的自身信号共轭相乘；
加法电路，其用于将共轭相乘后的X偏振复信号和Y偏振复信号相加得到消除偏振旋转影响的合成信号。
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