CN116155392B - 一种双路qpsk信号的单探测器直接检测方法 - Google Patents

一种双路qpsk信号的单探测器直接检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，涉及光通信技术领域，包括：在发端将两路QPSK电信号调制成具有相干性的Twin‑SSB‑QPSK光信号，并生成发出的光信号；在接收端采用光电探测器PD对发端发出的光信号进行直接检测接收，得到16QAM信号；对16QAM信号进行均衡处理；将均衡后的16QAM信号分离为两路QPSK信号。本发明采用两路低阶调制格式进行传输，通过PD直接检测合成高阶调制信号，有效降低了对发端各器件的线性型要求和有效比特位要求，从而降低对发端器件的成本和功耗要求。

Description

一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法。
背景技术
5G技术、数字经济、云计算等数字基础设施及其应用的建设与发展，使数据流量呈现高速增长态势。在全球各大厂商推动下，4G+互联网主线正逐步往5G+元宇宙过渡，这些应用进一步加剧了对高速数据传输的需求。光通信网络作为高速数据传输的主要干道，直接制约着终端应用的传输速率。在大规模光通信网络建设需求下，进一步要求光通信网络能够提供高速、低成本、低功耗的极简设计，以实现快速低成本的高速光通信网络建设。为实现这一目的，可以在发端将两路单边带低电平信号调制到光域形成单波长的多带传输信号，即孪生-单边带信号(Twin single sideband，Twin-SSB)，降低高速信号对发端光电器件的要求，接收端再通过相干或非相干方式对该多带信号进行接收。
现有技术可归纳为三项，其一是Twin-SSB-16QAM(quadrature amplitudemodulation，正交振幅调制)直接检测。在系统发端通过光信号处理的方式，通过低速率光电器件将两路QPSK(quadrature phase shift keying，正交相移键控)电信号调制到光域得到Twin-SSB-QPSK光信号，在光域通过高非线性光纤、光频梳和高功率泵浦激光构成的光信号处理单元，将Twin-SSB-QPSK光信号通过光域信号相干叠加的方式得到高速的16QAM的Twin-SSB光信号，即Twin-SSB-16QAM，从而降低发端对光电器件的要求。在接收端，通过光带通滤波器，滤出Twin-SSB-16QAM的其中一个SSB-16QAM信号后，最后采用一个光电探测器(photodiode，PD)进行直接检测接收，并在电域进行16QAM的数字基带信号处理。其缺陷在于：发端的光信号处理单元包括高非线性光纤、光频梳发生器、高功率泵浦激光，结构复杂，成本较高；接收端需要光带通滤波器滤出所要接收的光信号，对光带通滤波器要求较高，要求光带通滤波器尽可能滤除其中一个边带，且不能将过多的光载波功率滤除，否则较低的载波信号功率比将导致无法正常通过直接检测接收信号，难以控制最优的载波信号功率比。
另一项是基于光带通滤波器滤波的Twin-SSB直接检测方案。发端先调制成电信号的Twin-SSB信号，然后通过光IQ(Inphase quadrature，同步正交)调制器调制到光域，接收端采用两个光带通滤波器将Twin-SSB的两个边带信号分别滤出，并通过2个光电检测器各自独立接收两路信号。其缺陷在于接收端需要通过光带通滤波器滤出索要接收的光信号，同方案一一样，对光带通滤波器的带宽和滚降都要求较高，不容易控制光载波信号功率比。相比现有方案一，该项技术在接收端需要两个光带通滤波器和两个信号的直接检测接收机，即包括：两个光电检测器，两路信号的模数转换器(ADC，Analog-to-digitalconvertor)和两路信号的信号处理单元。接收端占用较多资源，实现的成本高、功耗大、接收机体积较大。
现有技术三则是基于GS-3PSK和QPSK的Twin-SSB直接检测方案。发射机端同样实现Twin-SSB信号，但是Twin-SSB的两路信号调制格式不同，一路信号为QPSK信号，另一路信号为GS-3PSK(geometric shaping 3-PSK)信号，接收端采用一个PD进行直接检测，得到Twin-SSB两路信号的合成信号。该技术通过GS-3PSK和QPSK信号合成得到新信号，而该信号的星座图为非标准星座图。因此，在接收机中需要根据合成的非标准星座图设计独特的DSP算法，不具备信号处理通用性，不能与常规的基带信号处理模块兼容。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法解决了现有技术无法兼顾功耗、成本、兼容性以及结构难度的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，包括以下步骤：
S1、在发端将两路QPSK电信号调制成具有相干性的Twin-SSB-QPSK光信号，并生成发出的光信号；
S2、在接收端采用光电探测器PD对发端发出的光信号进行直接检测接收，得到16QAM信号；
S3、对16QAM信号进行均衡处理；
S4、将均衡后的16QAM信号分离为两路QPSK信号。
进一步地，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、在发端，通过上变频模块于电域分别将两路QPSK电信号调制到射频信号频率±frf得到Twin-SSB信号；
S12、通过光IQ调制器，使用激光器的一路激光信号，将Twin-SSB信号调制到光域，得到Twin-SSB-QPSK光信号；
S13、将Twin-SSB-QPSK光信号与激光器的另一路激光信号通过光耦合器耦合，生成发出的光信号。
进一步地，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、在发端，通过上变频模块于电域将两路QPSK电信号均调制到射频信号频率frf处；
S12、通过希尔伯特滤波器对两路经过上变频模块调制的QPSK电信号进行移相处理，得到Twin-SSB信号；
S13、通过光IQ调制器，使用激光器的一路激光信号，将Twin-SSB信号调制到光域，得到Twin-SSB-QPSK光信号；
S14、将Twin-SSB-QPSK光信号与激光器的另一路激光信号通过光耦合器耦合，生成发出的光信号。
进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、在接收端，通过光电探测器PD，并利用其拍频效应，将Twin-SSB-QPSK光信号的两路边带信号进行相干叠加，得到PD输出的电信号；
S22、将PD输出的电信号通过跨阻放大器放大，并进行下变频和滤波处理，得到16QAM信号。
进一步地，所述第一路QPSK电信号为：s1＝a1+jb1其中，s1为第一路QPSK电信号，a1为第一路QPSK电信号的实部，j为虚部标识符，b1为第一路QPSK电信号的虚部；所述第二路QPSK电信号为：s2＝a2+jb2其中，s2为第二路QPSK电信号，a2为第二路QPSK电信号的实部，b2为第二路QPSK电信号的虚部；a1，b1，a2，b2∈{-1，+1}所述激光器的两路激光信号均为：
Figure BDA0004176866730000031
其中，Slaser(t)为激光信号，t为时间，A为激光信号的幅度，e为自然常数，π为圆周率，fc为激光波长对应的频率，/>
Figure BDA0004176866730000032
为激光初始随机相位噪声。
进一步地，所述Twin-SSB-QPSK光信号为：stx·signal(t)＝s1·cos[2π(fc+frf)t]+js2·sin[2πr(fc-frf)t]其中，stx·signal(t)为Twin-SSB-QPSK光信号，cos[·]为余弦函数，sin[·]为正弦函数；所述发端发出的光信号为：
Figure BDA0004176866730000041
其中，stx(t)为发端发出的光信号。
Figure BDA0004176866730000042
Figure BDA0004176866730000043
其中，rpd·elec(t)为PD输出的电信号；所述步骤S22中得到的16QAM信号为：/>
Figure BDA0004176866730000044
其中，rbb·filtered(t)为16QAM信号，S1 *为第一路QPSK电信号s1的共轭，/>
Figure BDA0004176866730000045
为带内噪声。
进一步地，所述步骤S3得到的均衡后的16QAM信号为：requalized＝s1*+s2其中，requalized为均衡后的16QAM信号。
本发明的有益效果为：(1)采用两路低阶调制格式进行传输，通过PD直接检测合成高阶调制信号，有效降低了对发端各器件的线性型要求和有效比特位要求，从而降低对发端器件的成本和功耗要求；同时实现在高速器件受限的情况下，以现有低速、低成本器件实现高速信号的产生和传输的目的，降低了高速传输系统对发射机器件的要求。
(2)本发明光IQ调制器后得到的孪生单边带光信号与一路激光信号耦合在一起发送，以便PD可以直接探测接收。
(3)PD探测得到的信号通过了下变频到基带，同时通过滤波处理滤除了带外噪声，使16QAM信号中仅包含少量带内噪声，增大了信噪比，降低了误码率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法的流程图；
图2为本发明实施例中光电探测器PD对发端发出的光信号进行直接检测接收的示意图；
图3为本发明实施例中两路QPSK信号叠加形成16QAM信号的星座图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、在发端将两路QPSK电信号调制成具有相干性的Twin-SSB-QPSK光信号，并生成发出的光信号；
S2、在接收端采用光电探测器PD对发端发出的光信号进行直接检测接收，得到16QAM信号；
S3、对16QAM信号进行均衡处理；
S4、将均衡后的16QAM信号分离为两路QPSK信号。
实施例2
在上述实施例1的基础上，步骤S1包括以下分步骤：
S11、在发端，通过上变频模块于电域分别将两路QPSK电信号调制到射频信号频率±frf处，得到Twin-SSB信号；
S12、通过光IQ调制器，使用激光器的一路激光信号，将Twin-SSB信号调制到光域，得到Twin-SSB-QPSK光信号；
S13、将Twin-SSB-QPSK光信号与激光器的另一路激光信号通过光耦合器耦合，生成发出的光信号。
实施例3
在上述实施例1的基础上，步骤S1包括以下分步骤：
S11、在发端，通过上变频模块于电域将两路QPSK电信号均调制到射频信号频率frf处；
S12、通过希尔伯特滤波器对两路经过上变频模块调制的QPSK电信号进行移相处理，得到Twin-SSB信号；
S13、通过光IQ调制器，使用激光器的一路激光信号，将Twin-SSB信号调制到光域，得到Twin-SSB-QPSK光信号；
S14、将Twin-SSB-QPSK光信号与激光器的另一路激光信号通过光耦合器耦合，生成发出的光信号。
实施例4
在上述实施例3的基础上，步骤S2包括以下分步骤：
S21、如图2所示，在接收端，通过光电探测器PD，并利用其拍频效应，将Twin-SSB-QPSK光信号的两路边带信号进行相干叠加，得到PD输出的电信号；
S22、将PD输出的电信号通过跨阻放大器放大，并进行下变频和滤波处理，得到16QAM信号。
实施例5
在上述实施例4的基础上，第一路QPSK电信号为：s1＝a1+jb1其中，s1为第一路QPSK电信号，a1为第一路QPSK电信号的实部，j为虚部标识符，b1为第一路QPSK电信号的虚部；
第二路QPSK电信号为：s2＝a2+jb2其中，s2为第二路QPSK电信号，a2为第二路QPSK电信号的实部，b2为第二路QPSK电信号的虚部；a1，b1，a2，b2∈{-1，+1}
激光器的两路激光信号均为：
Figure BDA0004176866730000061
其中，slaser(t)为激光信号，t为时间，A为激光信号的幅度，e自然常数，π为圆周率，fc为激光波长对应的频率，/>
Figure BDA0004176866730000062
为激光初始随机相位噪声。
实施例6
在上述实施例5的基础上，Twin-SSB-QPSK光信号为：stx·signal(t)＝s1·cos[2π(fc+frf)t]+js2·sin[2π(fc-frf)t]其中，stx·signal(t)为Twin-SSB-QPSK光信号，cos[·]为余弦函数，sin[·]为正弦函数；
发端发出的光信号为：
Figure BDA0004176866730000063
其中，stx(t)为发端发出的光信号。
实施例7
在上述实施例6的基础上，步骤S21通过光电探测器PD，并利用其拍频效应，将Twin-SSB-QPSK光信号的两路边带信号进行相干叠加，理论可得到电信号：
Figure BDA0004176866730000071
PD输出信号中，超过器件有效频带范围的高频项被滤除，实际PD输出的电信号为：
Figure BDA0004176866730000072
Figure BDA0004176866730000073
其中，rpd·elec(t)为PD输出的电信号。
步骤S22将PD输出的电信号经跨阻放大器放大后，再进行下变频得到基带电信号。忽略跨阻放大器带来的幅度放大因子。下变频信号源本振频率为frf，滤除下变频后信号中的直流信号，以及在2倍频和4倍频处的干扰噪声信号，可得到基带电信号，继而将包含的3倍频项即带外噪声也滤除，1倍频项为带内噪声项，记为
Figure BDA0004176866730000075
滤除2倍频项的带外噪声，进一步得到电信号：/>
Figure BDA0004176866730000074
其中，rbb·filtered(t)为16QAM信号，s1 *为第一路QPSK电信号S1的共轭，/>
Figure BDA0004176866730000076
为带内噪声。调节发端两路QPSK电信号功率比，让两路信号的幅度比为1：2，则叠加信号为标准的16QAM信号。然后可以按照标准16QAM信号处理方法进行均衡处理。
实施例8
在上述实施例7的基础上，步骤S3用DSP进行信号均衡处理。均衡后得到标准16-QAM星座点的信号可以表示为：requalized＝s1*+s2其中，requalized为均衡后的16QAM信号。其信号星座图如图3所示，均衡后的16QAM信号原理上由原来发端两路QPSK电信号叠加而成。
两路信号星座图幅度比例为1：2。星座图的叠加过程相当于将第一路QPSK电信号的星座点搬移到以第二路QPSK电信号4个星座点为中心的位置，从而形成4×4＝16的16QAM标准星座图。通过叠加合成的16QAM星座图中的虚线星座点实际上已经不存在了，图3中保留虚线星座点主要是为了表示16QAM的4个象限中的小QPSK信号是以虚线星座点为中心构成的。
在本实施例中，步骤S4将步骤S3均衡完成的信号进行信号分离操作。根据上述原理过程可知：16QAM星座图中每个象限的中心点构成的星座图即为发端信号S2因此，只需将均衡后的信号requalized以坐标轴(即0电平)作为门限进行判决即可分离出发端的第二路QPSK信号s2。并通过下式计算得到s1：s1＝(requalized-s2)*至此，完成将均衡后16QAM信号的分离，此两路QPSK信号便是单探测器直接检测得到的发端两路QPSK电信号。
综上，本发明采用两路低阶调制格式进行传输，通过PD直接检测合成高阶调制信号，有效降低了对发端各器件的线性型要求和有效比特位要求，从而降低对发端器件的成本和功耗要求；同时实现在高速器件受限的情况下，以现有低速、低成本器件实现高速信号的产生和传输的目的，降低了高速传输系统对发射机器件的要求。PD探测得到的信号通过了下变频到基带，同时通过滤波处理滤除了带外噪声，使16QAM信号中仅包含少量带内噪声，增大了信噪比，降低了误码率。
本发明还可以以第二路QPSK信号为基础，将第一路信号进一步扩展为16QAM信号，两路信号叠加得到4×16＝64的64-QAM标准QAM信号。后续的信号均衡按照标准64-QAM信号进行处理，最后信号的分离与原方法完全相同。采用本发明方案，还可以将两路信号的调制阶数进一步提高，实现两路QPSK与高阶QAM信号的单PD直接检测接收。同理，还可以将两路QPSK信号进一步扩展为3路或更多路QPSK或QAM信号，调节各路QPSK/QAM信号的幅度比例，按照图3所示方法，通过接收机的单个PD探测器将多路QPSK/QAM信号叠加为新的标准高阶QAM信号，接收端的信号分离按照实施例8的步骤S4方法进行迭代判决后分理处多路信号。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在发端将两路QPSK电信号调制成具有相干性的Twin-SSB-QPSK光信号，并生成发出的光信号；
S2、在接收端采用光电探测器PD对发端发出的光信号进行直接检测接收，得到16QAM信号；
S3、对16QAM信号进行均衡处理；
S4、将均衡后的16QAM信号分离为两路QPSK信号；
所述S1包括以下分步骤：
S11、在发端，通过上变频模块于电域分别将两路QPSK电信号调制到射频信号频率±frf处，得到Twin-SSB信号；
S12、通过光IQ调制器，使用激光器的一路激光信号，将Twin-SSB信号调制到光域，得到Twin-SSB-QPSK光信号；
S13、将Twin-SSB-QPSK光信号与激光器的另一路激光信号通过光耦合器耦合，生成发出的光信号；
或
所述S1包括以下分步骤：
S11、在发端，通过上变频模块于电域将两路QPSK电信号均调制到射频信号频率frf处；
S12、通过希尔伯特滤波器对两路经过上变频模块调制的QPSK电信号进行移相处理，得到Twin-SSB信号；
S13、通过光IQ调制器，使用激光器的一路激光信号，将Twin-SSB信号调制到光域，得到Twin-SSB-QPSK光信号；
S14、将Twin-SSB-QPSK光信号与激光器的另一路激光信号通过光耦合器耦合，生成发出的光信号；
所述S2包括以下分步骤：
S21、在接收端，通过光电探测器PD，并利用其拍频效应，将Twin-SSB-QPSK光信号的两路边带信号进行相干叠加，得到PD输出的电信号；
S22、将PD输出的电信号通过跨阻放大器放大，并进行下变频和滤波处理，得到16QAM信号。
2.根据权利要求1所述的双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，其特征在于，第一路QPSK电信号为：
S1＝a1+jb1
其中，S1为第一路QPSK电信号，a1为第一路QPSK电信号的实部，j为虚部标识符，b1为第一路QPSK电信号的虚部；
第二路QPSK电信号为：
s2＝a2+jb2
其中，s2为第二路QPSK电信号，a2为第二路QPSK电信号的实部，b2为第二路QPSK电信号的虚部；a1，b1，a2，b2∈{-1，+1}；
所述激光器的两路激光信号均为：
Figure FDA0004271210200000021
其中，slaser(t)为激光信号，t为时间，A为激光信号的幅度，e为自然常数，π为圆周率，fc为激光波长对应的频率，
Figure FDA0004271210200000022
为激光初始随机相位噪声。
3.根据权利要求2所述的双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，其特征在于，所述Twin-SSB-QPSK光信号为：
stx.signal(t)＝s1·cos[2π(fc+frf)t]+js2·sin[2π(fc-frf)t]
其中，stx·signal(t)为Twin-SSB-QPSK光信号，cos[·]为余弦函数，sin[·]为正弦函数；
所述发端发出的光信号为：
Figure FDA0004271210200000031
其中，stx(t)为发端发出的光信号。
4.根据权利要求3所述的双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，其特征在于，所述S21中PD输出的电信号为：
rpd·elec(t)＝r1+r2+r3，
Figure FDA0004271210200000032
Figure FDA0004271210200000033
Figure FDA0004271210200000034
其中，rpd·elec(t)为PD输出的电信号，r1为第一中间参量，r2为第二中间参量，r3为第三中间参量；
所述S22中得到的16QAM信号为：
Figure FDA0004271210200000035
其中，rbb·filtered(t)为16QAM信号，s1 *为第一路QPSK电信号s1的共轭，
Figure FDA0004271210200000036
为带内噪声。
5.根据权利要求4所述的双路QPSK信号的单探测器直接检测方法，其特征在于，所述S3得到的均衡后的16QAM信号为：
reuqalized＝s1 *+s2
其中，requalized为均衡后的16QAM信号。
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