CN117318830A - 差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法及系统,方法包括:在接收端获取PDM‑DQPSK信号,所述PDM‑DQPSK信号包括接收侧H偏振和接收侧V偏振;分别将所述接收侧H偏振和接收侧V偏振进行光域差分检测,得到两个拍频项,并对所述接收侧H偏振和接收侧V偏振进行混频得到交叉偏振拍频项;对两个拍频项和交叉偏振拍频项改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信息。本发明能够在电域对经历偏振态随机旋转的PDM‑DQPSK信号进行高效的电域偏振解复用,再对电域偏振解复用后信号进行解调。
Description
技术领域
本发明涉及PDM-DQPSK信号解调技术领域,尤其是指一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法及系统。
背景技术
随着新型数字经济的迅速发展,数据中心内和数据中心间的数据流量呈指数型增长,形成了对高速高性能中短距光纤传输不断增长的需求。因强度调制直接检测(IM/DD)技术具有成本低、结构简单和功耗低等优势,是中短距光纤传输系统中的主要解决方案。然而,IM/DD技术只能传输实数信号,无法将信息调制到载波相位上。因此,其面临频谱效率(SE)低,接收灵敏度低等挑战。
现行方案中采用差分调制信号,并在接收端结合光域差分解调实现信号恢复的方法是中短距光传输系统中具有潜力的方案之一。该系统发送的信号一般是差分正交相移键控信号,(DQPSK),同时结合偏振分集复用(PDM),可以同时在两个偏振上传输信息。然而,正是因为PDM-DQPSK信号是在发送端利用差分编码实现的,因此,在光纤传输过程中,由两个偏振的偏振态旋转(RSOP)导致的信号损伤和偏振间的能量交换在差分检测后变得更加复杂。
现有技术中,通过在光域利用偏振控制器(PC)进行光域偏振跟踪,通过增加光器件,在光域追踪偏振态的随机旋转,可以实现PDM-DQPSK信号的偏振解复用。然而光域偏振跟踪面临跟踪速度过低的问题。因此,在光纤传输过程中,一旦偏振旋转速度过快,该方案将不再有效。
现有技术中,一种采用两个差分相干接收前端和4个平衡探测器的电域偏振跟踪的PDM-DQPSK系统方案。该方案不在光域进行偏振跟踪,而是寻求在DSP中实现电域偏振跟踪。相比于光域偏振跟踪,电域偏振跟踪具有更快的偏振跟踪速度,且无需PC。然而,现有基于该系统的方案,只能在一定程度上实现电域偏振跟踪和解复用,引入了其他难以补偿的损伤,导致性能随着偏振旋转角度的变大而迅速降低。该方案用于电域偏振解复用的递归算法1(如图1所示):该方案首先利用训练序列估计出偏振旋转角度,在第一个符号已知的情况下,通过递归算法估计出所有符号的值,然后进行电域偏振解复用,最后进行差分解码得到原始信息。然而,该方案的递归算法会导致噪声的累积,严重劣化系统性能。针对该问题,该方案中提出的用于电域偏振解复用的递归算法2(如图2所示):该方案同样利用训练序列估计出偏振旋转角度,在第一个符号已知的情况下,通过递归算法估计出下一个符号的值,然后进行电域偏振解复用,之后进行硬判决去除噪声项。然后,将判决后的信号重新经过估计出的信道矩阵,得到估计出的第二个符号,然后反馈回去,用于帮助估计出第三个符号,依次进行,直至整个序列完成偏振解复用。然而,该方案会导致每次估计出的有效信息,带有一项与旋转角度有关的噪声项,即旋转角度越大,系统性能越差。而且,由于该方案中所引入的硬判决操作,会导致当出现误判时,造成之后多个符号连续出错的问题。
不难发现,现有技术对于PDM-DQPSK信号的偏振解复用均存在一定的局限性,偏振解复用效果不好。
发明内容
为此,本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中对于PDM-DQPSK信号的偏振解复用效果不好的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,包括:
步骤S1:在接收端获取PDM-DQPSK信号,所述PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t);
步骤S2:分别将所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行光域差分检测,得到拍频项和/>并对所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行混频得到交叉偏振拍频项/>
步骤S3:对所述和/>利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;
步骤S4:对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信息。
在本发明的一个实施例中,所述步骤S3中对所述 和利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号,方法包括:
基于改进的递归算法,利用所述分别对/> 进行场重构得到/>和/>再对/>和/>进行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号。
在本发明的一个实施例中,所述基于改进的递归算法,利用所述分别对进行场重构得到/>和/>方法包括:
首先在发送端的待发送信号前加一串训练序列,待发送信号到达接收端后,利用所述训练序列估计信道的旋转矩阵;
由于发送端发送信号的有效信息的两个偏振Ev(t)和Eh(t)的第一个符号和已知,根据所述旋转矩阵和第一个符号/> 估计出接收到的H偏振Eh(t)和V偏振Ev(t)的第一个信息/>和/>
场重构过程为:首先,基于第一个信息和/>在t时刻下,利用交叉拍频项提取/>和/>中的Eh(t)和Ev(t)项,其中τ的大小等于一个符号周期;其次,利用提取出的Eh(t)和Ev(t)项分别作为t+1时刻已知信息,用于提取和/>中的Eh(t+1)和Ev(t+1)项,依此类推,最终提取到整个DQPSK序列所有符号的信息。
在本发明的一个实施例中,所述基于改进的递归算法,利用所述分别对 进行场重构得到/>和/>公式为:
其中,xk表示发送侧X偏振方向的第k个符号,yk表示发送侧Y偏振方向的第k个符号,nvk表示V偏振方向的第k个自发辐射噪声项,nhk表示H偏振方向的第k个自发辐射噪声项。
在本发明的一个实施例中,所述对和/>进行电域偏振解复用,得到DQPSK信号,方法包括:先对场重构后的H偏振/>和V偏振/>取共轭得到/>和/>再通过恒模算法对取共轭后的H偏振/>和V偏振/>的信号进行电域偏振解复用,得到DQPSK信号。
在本发明的一个实施例中,所述训练序列为二进制符号序列。
在本发明的一个实施例中,所述步骤S4中对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信息,方法包括:对DQPSK信号的进行取延时、取共轭,并与/>相乘得到发送端的X偏振方向的相位信息/>对DQPSK信号的/>进行取延时、取共轭,并与/>相乘得到发送端的Y偏振方向的相位信息/>
为解决上述技术问题,本发明提供了一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的系统,包括:
光域差分检测模块:用于在接收端获取PDM-DQPSK信号,所述PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t);
场重构模块:用于分别将所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行光域差分检测,得到拍频项和/>并对所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行混频得到交叉偏振拍频项/>
偏振解复用模块:用于对所述 和/>利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;
解差分模块:用于对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信号。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法的步骤。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现如上述差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法的步骤。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
本发明的PDM-DQPSK信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法关于电域偏振解复用能够尽可能实现完美的偏振解复用,本发明在PDM-DQPSK信号光域差分接收和电域偏振解复用方法中对场重构的递归算法进行了改进,使用改进后的递归算法能够对后续信号的偏振解复用奠定较好的基础;
本发明构建了PDM-DQPSK接收机,该接收机通过添加额外的两个平衡探测器和额外的一个光混频器搭建,结构相对简单,且便于后续的电域偏振解复用,尽可能地实现完美的偏振解复用。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术中电域偏振解复用的一个递归算法示意图;
图2是现有技术中电域偏振解复用的另一个递归算法示意图;
图3是本发明的方法流程图;
图4是本发明实施例中PDM-DQPSK接收机结构示意图;
图5是本发明实施例中改进的解调算法示意图;
图6是本发明实施例中本发明的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明,以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
参照图3所示,本发明涉及一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,包括:
步骤S1:在接收端获取在光纤传输中遭受随机偏振旋转和自发辐射噪声影响后的PDM-DQPSK信号,所述PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t);
步骤S2:分别将所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振进行光域差分检测,得到拍频项和/>并对所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行混频得到交叉偏振拍频项/>
步骤S3:对所述 和/>三个拍频项,利用本发明提出的改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;
步骤S4:对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信息。
以下对本实施例进行详细介绍:
在发送端,首先生成两串随机的二进制比特流并进行差分编码,之后将差分编码后的比特序列映射为两路DQPSK符号序列,分别作为X偏振和Y偏振的信号。之后,将数字DQPSK信号经过数模转换(DAC)之后得到模拟信号,并利用IQ调制器将模拟DQPSK信号调制到光载波上。光信号经过在光纤中的传输到达接收端。
本发明构建的PDM-DQPSK信号接收机架构如图4所示,其包括两个光接收前端(OFE)、一个光混频器(Hybrid)、6个平衡探测器(位于接收机的输出位置)以及1个偏振旋转模块。图4中的光接收前端OFE包括3-dB光耦合器(Coupler,对应图4中的灰色正方形)、时延模块(对应图4中的τ),以及一个π/2相位旋转模块。OFE的上下臂分别输出拍频项的实虚部。
到达接收端的PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t),接收侧H偏振Eh(t)和V偏振Ev(t)经过上述PDM-DQPSK接收机后得到 和三个拍频项。简而言之,本实施例通过引入额外的交叉项信息/>使得最终该接收机的输出有/> 和/>三项。
基于上述三个输出 和/>本发明提出一种改进的解调算法架构,包括场重构(对场重构设计了改进的递归算法)、偏振解复用、解差分三部分,如图5所示。
(一)场重构
该改进的递归算法首先需要在发送端的待发送信号前加一串训练序列(即二进制符号序列),到达接收端后,利用训练序列估计信道的旋转矩阵。首先在发送端的待发送信号前加一串训练序列,待发送信号到达接收端后,利用所述训练序列估计信道的旋转矩阵。由于发送端发送信号的两个偏振Ev(t)和Eh(t)的第一个符号和/>已知,根据所述旋转矩阵和第一个符号/> 估计出接收到的H偏振Eh(t)和V偏振Ev(t)的第一个信息/>和/>场重构过程就是基于第一个信息/>和/>在t时刻下,利用交叉拍频项/>提取/>和/>中的Eh(t)和Ev(t)项,其中τ的大小等于一个符号周期,在数字域,上述τ=1。之后,利用提取出的Eh(t)和Ev(t)项分别作为t+1时刻已知信息,用于提取/>和/>中的Eh(t+1)和Ev(t+1)项。依此类推,最终提取到整个DQPSK序列所有符号的信息。
简而言之,本实施例利用额外引入的提取/>和/>中的Eh(2)和Ev(2)项。根据估计得到的符号2的信息,可以估计得到符号3的信息,依次类推,可以得到整个序列的信息。对于,第k个符号,估计得到的信息为:
其中,xk表示发送侧X偏振方向的第k个符号,yk表示发送侧Y偏振方向的第k个符号,nvk表示V偏振方向的第k个自发辐射噪声项,nhk表示H偏振方向的第k个自发辐射噪声项。
从公式(1)和(2)可以看出,估计出的符号信息在H和V偏振,分别乘以了一个固定的干扰项和/>因此,系统性能主要受到基于训练序列估计的偏振旋转角度的准确度和第一个参考符号的噪声影响。因此,通过提高第一个参考符号的信号功率,使得干扰项在准确的角度估计情况下,尽可能地趋近于1,则可以尽可能完美地实现偏振解复用。
(二)偏振解复用
对和/>进行电域偏振解复用,得到DQPSK信号,方法包括:先对场重构后的H偏振/>和V偏振/>取共轭(图5中的conj(·))得到/>和/>再通过恒模算法(CMA)对取共轭后的/>和V极化/>的信号进行电域偏振解复用,得到DQPSK信号(包括/>和/>),由于恒模算法(CMA)是现有技术,本实施例不再赘述。
(三)解差分
对DQPSK信号的进行取延时、取共轭,并与/>相乘得到发送端的X偏振方向的绝对相位信息/>对DQPSK信号的/>进行取延时、取共轭,并与/>相乘得到发送端的Y偏振方向的绝对相位信息。
仿真测试
如图6所示(除DSCD-DQPSK、CD-DQPSK以外都是本发明的曲线),其中DSCD-DQPSK是差分自相干检测-DQPSK方案的理论仿真曲线,CD-DQPSK是相干检测-DQPSK信号的理论仿真曲线。C-1是利用训练序列估计的偏振旋转矩阵的逆矩阵,R-1是信道旋转矩阵的逆矩阵。PDM-DQPSK信号的波特率为28GBd。从以上的仿真结果可以看出,当采用现有训练序列估计方案估计信道旋转矩阵的情况下,当偏振旋转角度越大时,性能降低。当偏振旋转角度较小时,本实施例的方案优于DSCD-DQPSK信号的理论仿真性能。当采用理想的信道旋转逆矩阵进行偏振解复用时,在θ=π/10和θ=π/6的情况下,本实施例的方案均能实现和CD-DQPSK方案相同的性能。这表明,一旦信道旋转矩阵估计准确,本实施例的方案性能与偏振旋转角度无关,且实现与CD-DQPSK信号相同的性能。
实施例二
本实施例提供一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的系统,包括:
光域差分检测模块:用于在接收端获取PDM-DQPSK信号,所述PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t);
场重构模块:用于分别将所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行光域差分检测,得到拍频项和/>并对所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行混频得到交叉偏振拍频项/>
偏振解复用模块:用于对所述和/>利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;
解差分模块:用于对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信号。
实施例三
本实施例提供一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一所述差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法的步骤。
实施例四
本实施例提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时,实现实施例一所述差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现,例如,面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:包括:
步骤S1:在接收端获取PDM-DQPSK信号,所述PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t);
步骤S2:分别将所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行光域差分检测,得到拍频项和/>并对所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行混频得到交叉偏振拍频项/>
步骤S3:对所述和/>利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;
步骤S4:对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信息。
2.根据权利要求1所述的差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:所述步骤S3中对所述和/>利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号,方法包括:
基于改进的递归算法,利用所述分别对/>进行场重构得到/>和/>再对/>和/>进行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号。
3.根据权利要求2所述的差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:所述基于改进的递归算法,利用所述分别对/>进行场重构得到/>方法包括:
首先在发送端的待发送信号前加一串训练序列,待发送信号到达接收端后,利用所述训练序列估计信道的旋转矩阵;
由于发送端发送信号的有效信息的两个偏振Ev(t)和Eh(t)的第一个符号和/>已知,根据所述旋转矩阵和第一个符号/>估计出接收到的H偏振Eh(t)和V偏振Ev(t)的第一个信息/>和/>
场重构过程为:首先,基于第一个信息和/>在t时刻下,利用交叉拍频项提取/>和/>中的Eh(t)和Ev(t)项,其中τ的大小等于一个符号周期;其次,利用提取出的Eh(t)和Ev(t)项分别作为t+1时刻已知信息,用于提取和/>中的Eh(t+1)和Ev(t+1)项,依此类推,最终提取到整个DQPSK序列所有符号的信息。
4.根据权利要求1所述的差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:所述基于改进的递归算法,利用所述分别对/>进行场重构得到/>和/>公式为:
其中,xk表示发送侧X偏振方向的第k个符号,yk表示发送侧Y偏振方向的第k个符号,nvk表示V偏振方向的第k个自发辐射噪声项,nhk表示H偏振方向的第k个自发辐射噪声项。
5.根据权利要求2所述的差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:所述对和/>进行电域偏振解复用,得到DQPSK信号,方法包括:先对场重构后的H偏振/>和V偏振/>取共轭得到/>和/>再通过恒模算法对取共轭后的H偏振/>和V偏振/>的信号进行电域偏振解复用,得到DQPSK信号。
6.根据权利要求3所述的差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:所述训练序列为二进制符号序列。
7.根据权利要求1所述的差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法,其特征在于:所述步骤S4中对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信息,方法包括:对DQPSK信号的进行取延时、取共轭,并与/>相乘得到发送端的X偏振方向的相位信息/>对DQPSK信号的/>进行取延时、取共轭,并与/>相乘得到发送端的Y偏振方向的相位信息/>
8.一种差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的系统,其特征在于:包括:
光域差分检测模块:用于在接收端获取PDM-DQPSK信号,所述PDM-DQPSK信号包括接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t);
场重构模块:用于分别将所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行光域差分检测,得到拍频项和/>并对所述接收侧H偏振Eh(t)和接收侧V偏振Ev(t)进行混频得到交叉偏振拍频项/>
偏振解复用模块:用于对所述和/>利用改进的递归算法进行场重构、并执行电域偏振解复用,得到解复用后的DQPSK信号;
解差分模块:用于对所述DQPSK信号进行解差分得到发送端的原始信号。
9.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于:所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器执行时,实现如权利要求1至7中任一项所述差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法的步骤。
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CN202311262877.3A CN117318830A (zh) | 2023-09-27 | 2023-09-27 | 差分信号的光域差分接收和电域偏振解复用的方法及系统 |
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CN117834037A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 江苏科大亨芯半导体技术有限公司 | 一种pdm-dqpsk信号偏振解复用方法、系统及装置 |
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- 2023-09-27 CN CN202311262877.3A patent/CN117318830A/zh active Pending
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CN117834037B (zh) * | 2024-03-05 | 2024-05-24 | 江苏科大亨芯半导体技术有限公司 | 一种pdm-dqpsk信号偏振解复用方法、系统及装置 |
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