CN115580353A - 一种基于数字相干接收的400g光模块的通信系统 - Google Patents

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胡业芳
李敏
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Abstract

本发明公开了一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，该系统包括：激光发射端、集成相干接收端及光纤链路；所述激光发射端，用于将电信号转换为光信号并发射激光；所述集成相干接收端，用于接收光信号并转换为电信号；所述光纤链路，用于作为光信号传输的路径。本发明通过采用数字相干接收技术，有效提高通信系统的OSNR灵敏度，补偿CD和PMD线路传输损伤；在接收端采用多径输入，配合自动信号捕获跟踪，可对衰落与受干扰信号进行精确采集及处理，从而大幅降低光信号远距离传输的产生损耗的影响，同时保证信号传输接收的高速率；能够保障高速发展的400G光模块在超远距离输送及高速率传输的稳定性。

Description

一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统
技术领域
本发明涉及光模块通信技术领域，具体来说，涉及一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统。
背景技术
随着IEEE100Gbit/s(以下简称100G)以太网标准讨论与制定工作的结束，全球主流厂商正在推动100G的全球部署，并把目光聚焦到400G甚至1Tbit/s系统上来。同40G/100G一样，400G的部署应该是渐进的方式。为了更有效地利用现有的DWDM(密集波分复用)线路资源，降低投资成本，运营商希望400G能在现有的网络上部署，而不是重新设计和建造一个新的网络以适应400G的传输。这意味着400G必须适应100G/40G或10G的网络设计规划，以实现400G、100G/40G的混合部署。
由于400G系统采用了更高阶的星座调制，在线路的接收端则需要更大量数字信号的解决方案。为了满足>17dB的CMRR(共模抑制比)，混频失配损耗必须在1％～2％之间，PD(光探测器)响应度失配必须<10％。平衡接收要求所有的PD以及TIA(跨阻放大器)具有良好的匹配特性，两PD之间的歪斜必须小。此外，多通道PD之间的歪斜和灵敏度的不平衡会降低接收机的CMRR。TIA也需要保持信号的良好线性度以实现ADC的纯数字化。
对于相干探测而言，采用分立的自由空间的90°混频器和光平衡探测器搭建相干接收系统，这种复杂的配置方法要实现商用化是很难的。从2009年的ECOC上，U2T和HHI演示了单片集成的PLC90°。混频器和两对高速平衡PD的接收机，到2010年的ECOC上，U2T和HH1再度演示了单片集成的两路PLC90°。混频器和8个高速平衡PD的接收机。从近几年100G传输技术的演进和发展趋势看来，400G线路接收技术也逐渐走向集成化。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，该系统包括：激光发射端、集成相干接收端及光纤链路；
所述激光发射端，用于将电信号转换为光信号并发射激光；
所述集成相干接收端，用于接收光信号并转换为电信号；
所述光纤链路，用于作为光信号传输的路径。
进一步，所述激光发射端包括正交多载波光源、子载波处理模块及PDM-QPSK光信号发射模块；
其中，所述正交多载波光源用于提供平稳的正交多载波光信号；
所述子载波处理模块用于对输出的多载波光信号进行复用与过滤；
所述PDM-QPSK光信号发射模块用于产生并输出PDM-QPSK光信号。
进一步，所述正交多载波光源包括光发射接头、光发射芯片、相位调制器、正弦射频信号源、功率分配器、相移器及功率放大器；
所述子载波处理模块包括光分插复用器与可调谐光滤波器；
所述PDM-QPSK光信号发射模块包括I/Q调制器与偏振复用器。
进一步，所述集成相干接收端采用四载波调制方式，将接收到的每个载波分为两径接收，且统一采用65M时钟固定时延进行分径接收。
进一步，所述集成相干接收端包括信号采样器、扩频调制器、双极化光混频器、多通道准直仪、高速光电转换器；
其中，所述信号采样器用于对传输路径中光信号进行捕获跟踪及采集；
所述扩频调制器用于对光信号进行扩频增益；
所述双极化光混频器用于扩展光信号的波段；
所述多通道准直仪用于降低所述双极化混频器与所述信号采样器之间的耦合损耗；
所述高速光电转换器用于实现光信号至电信号的高速转换。
进一步，所述信号采样器包括信号采样单元、信号捕获单元与信号跟踪单元；
其中，所述信号采样单元用于采集输入的PDM-QPSK光信号；
所述信号捕获单元用于捕获载波的频率值及伪码的相位值；
所述信号跟踪单元用于对载波光信号实现精确跟踪。
进一步，所述信号捕获单元用于捕获载波的频率值及伪码的相位值的流程包括以下步骤：
经过所述信号单元对PDM-QPSK光信号进行采样后获得中频信号，且所述扩频调制器同步对中频信号进行扩频，该过程中的光信号为扩频伪码；
产生本地载波并调整其频率值，与输入的光信号相乘，当两者频率值接近时，滤除高频载波分量，实现输入光信号中载波频率的捕获；
基于快速傅里叶变换的并行相关运算，捕获伪码的相位值。
进一步，所述信号跟踪单元包括数字控制振荡器、鉴频器、鉴相器及环路滤波器。
进一步，所述扩频调制器接收光信号并进行扩频调制的表达式为：
Figure BDA0003814999270000031
Figure BDA0003814999270000032
式中，r(t)表示接收到的光信号；
y(t)表示扩频调制后的光信号；
c(t)表示当前传输路径的冲激响应函数；
Figure BDA0003814999270000033
表示卷积；
rl(t)表示由第l条路径传输过来的信号；
s(t-Tl)表示所述激光发射端发射的信号；
Tl表示第l条路径的传输时延；
n(t)表示各路的加性噪声之和。
进一步，所述光纤链路包括两个标准单模光纤、与标准单模光纤数量相等的掺饵光纤放大器。
本发明的有益效果为：通过采用数字相干接收技术，有效提高通信系统的OSNR灵敏度，补偿CD和PMD线路传输损伤；在接收端采用多径输入，配合自动信号捕获跟踪，可对衰落与受干扰信号进行精确采集及处理，从而大幅降低光信号远距离传输的产生损耗的影响，同时保证信号传输接收的高速率；能够保障高速发展的400G光模块在超远距离输送及高速率传输的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统
图中：
1、激光发射端；2、集成相干接收端；3、光纤链路。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，该系统包括：激光发射端1、集成相干接收端2及光纤链路3；
所述激光发射端1，用于将电信号转换为光信号并发射激光；
其中，所述激光发射端1包括正交多载波光源、子载波处理模块及PDM-QPSK光信号发射模块；
其中，所述正交多载波光源用于提供平稳的正交多载波光信号；
且所述正交多载波光源包括光发射接头、光发射芯片、相位调制器、正弦射频信号源、功率分配器、相移器及功率放大器；
所述子载波处理模块包括光分插复用器与可调谐光滤波器；
所述PDM-QPSK光信号发射模块包括I/Q调制器与偏振复用器。
所述子载波处理模块用于对输出的多载波光信号进行复用与过滤；
所述PDM-QPSK光信号发射模块用于产生并输出PDM-QPSK光信号。
所述集成相干接收端2，用于接收光信号并转换为电信号；
其中，所述集成相干接收端2采用四载波调制方式，将接收到的每个载波分为两径接收，且统一采用65M时钟固定时延进行分径接收。
接收端分离和利用多径的能力受分辨率即扩频增益和接收的信号处理方式及能力所限。根据宽带扩频信号的相关理论，设计适当扩频比的扩频信号和相应的信号处理方式就能将被扩散的信号能量分离、处理、合并，并加以有效利用。而时延功率谱的利用效率主要取决于多径时延带宽的程度及多径分离的能力。多径分离的能力则主要取决于扩频增益与扩频带宽。本发明采用四载波调制的方式，每个载波分两径接收，为了减小硬件实现的复杂度，没有去跟踪每一径的实际延时，而统一用一个65M时钟的固定时延来分径接收。
所述集成相干接收端2包括信号采样器、扩频调制器、双极化光混频器、多通道准直仪、高速光电转换器；
其中，所述信号采样器用于对传输路径中光信号进行捕获跟踪及采集；
所述信号采样器包括信号采样单元、信号捕获单元与信号跟踪单元；
其中，所述信号采样单元用于采集输入的PDM-QPSK光信号；
所述信号捕获单元用于捕获载波的频率值及伪码的相位值，其流程包括以下步骤：
S11、经过所述信号单元对PDM-QPSK光信号进行采样后获得中频信号，且所述扩频调制器同步对中频信号进行扩频，该过程中的光信号为扩频伪码；
S12、产生本地载波并调整其频率值，与输入的光信号相乘，当两者频率值接近时，滤除高频载波分量，实现输入光信号中载波频率的捕获；
S13、基于快速傅里叶变换的并行相关运算，捕获伪码的相位值。
接受到的光信号经采样后作为中频信号，该信号的格式如下：扩频伪码，码长为1023的C/A码；伪码速率为1.023MHz；通信速率为1kbps；中心频点为70MHz；载波频率变化范围为±10kHz。信号的捕获跟踪过程针对以上格式的中频信号进行处理。扩频序列的同步过程包括捕获和跟踪2个阶段。捕获是粗同步过程，跟踪是细同步过程。为了捕获载波的频率值以及伪码的粗略相位值，信号的快速捕获过程实际实现的是载波频率和伪码相位的二维搜索。载波捕获的搜索过程主要是通过产生本地载波，并调整载波的频率值(频率调整范围为–10～10kHz，步长为1kHz)，与输入信号相乘，当两者频率值很接近时，高频载波分量就会被滤除。伪码的搜索则是基于快速傅里叶变换(FFT)的并行相关运算，伪码相位误差约为±0.5个码片。
所述信号跟踪单元用于对载波光信号实现精确跟踪。
且所述信号跟踪单元包括数字控制振荡器、鉴频器、鉴相器及环路滤波器。
所述扩频调制器用于对光信号进行扩频增益；
所述双极化光混频器用于扩展光信号的波段；
所述多通道准直仪用于降低所述双极化混频器与所述信号采样器之间的耦合损耗；
所述高速光电转换器用于实现光信号至电信号的高速转换。
其中，所述扩频调制器接收光信号并进行扩频调制的表达式为：
Figure BDA0003814999270000061
Figure BDA0003814999270000062
式中，r(t)表示接收到的光信号；
y(t)表示扩频调制后的光信号；
c(t)表示当前传输路径的冲激响应函数；
Figure BDA0003814999270000063
表示卷积；
rl(t)表示由第l条路径传输过来的信号；
s(t-Tl)表示所述激光发射端发射的信号；
Tl表示第l条路径的传输时延；
n(t)表示各路的加性噪声之和。
所述光纤链路3，用于作为光信号传输的路径。
其中，所述光纤链路3包括两个标准单模光纤、与标准单模光纤数量相等的掺饵光纤放大器。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过采用数字相干接收技术，有效提高通信系统的OSNR灵敏度，补偿CD和PMD线路传输损伤；在接收端采用多径输入，配合自动信号捕获跟踪，可对衰落与受干扰信号进行精确采集及处理，从而大幅降低光信号远距离传输的产生损耗的影响，同时保证信号传输接收的高速率；能够保障高速发展的400G光模块在超远距离输送及高速率传输的稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，该系统包括：激光发射端1、集成相干接收端2及光纤链路3；
所述激光发射端1，用于将电信号转换为光信号并发射激光；
所述集成相干接收端2，用于接收光信号并转换为电信号；
所述光纤链路3，用于作为光信号传输的路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述激光发射端1包括正交多载波光源、子载波处理模块及PDM-QPSK光信号发射模块；
其中，所述正交多载波光源用于提供平稳的正交多载波光信号；
所述子载波处理模块用于对输出的多载波光信号进行复用与过滤；
所述PDM-QPSK光信号发射模块用于产生并输出PDM-QPSK光信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述正交多载波光源包括光发射接头、光发射芯片、相位调制器、正弦射频信号源、功率分配器、相移器及功率放大器；
所述子载波处理模块包括光分插复用器与可调谐光滤波器；
所述PDM-QPSK光信号发射模块包括I/Q调制器与偏振复用器。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述集成相干接收端采用四载波调制方式，将接收到的每个载波分为两径接收，且统一采用65M时钟固定时延进行分径接收。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述集成相干接收端包括信号采样器、扩频调制器、双极化光混频器、多通道准直仪、高速光电转换器；
其中，所述信号采样器用于对传输路径中光信号进行捕获跟踪及采集；
所述扩频调制器用于对光信号进行扩频增益；
所述双极化光混频器用于扩展光信号的波段；
所述多通道准直仪用于降低所述双极化混频器与所述信号采样器之间的耦合损耗；
所述高速光电转换器用于实现光信号至电信号的高速转换。
6.根据权利要求5所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述信号采样器包括信号采样单元、信号捕获单元与信号跟踪单元；
其中，所述信号采样单元用于采集输入的PDM-QPSK光信号；
所述信号捕获单元用于捕获载波的频率值及伪码的相位值；
所述信号跟踪单元用于对载波光信号实现精确跟踪。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述信号捕获单元用于捕获载波的频率值及伪码的相位值的流程包括以下步骤：
经过所述信号单元对PDM-QPSK光信号进行采样后获得中频信号，且所述扩频调制器同步对中频信号进行扩频，该过程中的光信号为扩频伪码；
产生本地载波并调整其频率值，与输入的光信号相乘，当两者频率值接近时，滤除高频载波分量，实现输入光信号中载波频率的捕获；
基于快速傅里叶变换的并行相关运算，捕获伪码的相位值。
8.根据权利要求7所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述信号跟踪单元包括数字控制振荡器、鉴频器、鉴相器及环路滤波器。
9.根据权利要求8所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述扩频调制器接收光信号并进行扩频调制的表达式为：
Figure FDA0003814999260000021
Figure FDA0003814999260000022
式中，r(t)表示接收到的光信号；
y(t)表示扩频调制后的光信号；
c(t)表示当前传输路径的冲激响应函数；
Figure FDA0003814999260000023
表示卷积；
rl(t)表示由第l条路径传输过来的信号；
s(t-Tl)表示所述激光发射端发射的信号；
Tl表示第l条路径的传输时延；
n(t)表示各路的加性噪声之和。
10.根据权利要求1所述的一种基于数字相干接收的400G光模块的通信系统，其特征在于，所述光纤链路包括两个标准单模光纤、与标准单模光纤数量相等的掺饵光纤放大器。
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