CN1883144A - 光副载波复用传输 - Google Patents
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Abstract
用于生成和接收光副载波复用信号的装置具有数字信号处理器，用于执行变换操作，例如，傅里叶变换，以生成或接收光副载波复用信号。该装置使得能够在单个装置中生成和接收光副载波复用信号，与在独立装置中接收每个副载波的传统方法相比，使成本和复杂度减小。傅里叶变换的使用可使副载波间隔缩减至1/(信号的符号周期)，改善了系统的频谱效率。
Description
技术领域
本发明涉及用于光通信的副载波复用调制格式，以及涉及用于光通信系统的采用副载波复用调制格式的发射机和接收机。
背景技术
已知的光通信系统的容量受到多种因素的限制，这些因素例如，能够沿光路传输的波长数量、接收机恢复发送信号的能力和补偿传输介质中的损伤的能力。
由于发射机与接收机之间链路中的色散(CD)会使一个符号周期与相邻符号周期相混淆，可造成符号间干扰(ISI)。CD的出现是由于不同波长的光以不同的速度传播。随着每个信号的符号速率增大，由于符号周期缩短，使得CD容限变得更小。为了补偿色散，通常使用色散补偿模块(DCM)。然而，这些模块在光域中进行色散补偿，显著增加了系统成本。
光通信系统的另一已知降质因素是偏振模色散(PMD)。PMD是由于不同偏振光以不同速度传播造成，因此，当它们沿链路传播时可使符号周期变得模糊。PMD是波长的函数，由于链路中光纤的改变和移动，链路中每个波长的PMD量随时间变化。因此，不可能实现静态PMD补偿系统。活动光PMD已得以实施，不过，已证明在经济上不可行。
光链路中的信号也会受到强度和相位的非线性耦合的影响而降质，这种耦合可在单个信道内发生，或在多个信道间发生。其示例分别为自相位调制和交叉相位调制。由于其分布特性，使用离散设备很难对其进行补偿。
从而，光通信系统可达到的容量和范围受到多种效应的限制。随着符号速率增大，每种效应所造成的影响增大。
为传送数据，用数据调制载波信号。在传统调制格式中，例如幅度调制，单个载波表示所有数据。副载波复用(SCM)是表示数据的载波借此由多个副载波组成的调制格式。对每个副载波独立进行调制，从而使其表示由全部载波所表示的数据的一部分。
图1a显示出典型的SCM信号频谱，其中具有频率间隔开的四个副载波100a。在副载波之间设有保护频带101a，使得相邻副载波不会相互干扰。可根据系统要求来选择用于调制每个副载波的调制格式。
因此，SCM信号的符号速率由副载波数量以及每个副载波所用调制格式所限定。例如，如果使用四个二进制调制的副载波，则符号速率将是SCM信号所承载比特率的四分之一。或者，如果使用四个正交调制的副载波，则符号速率将是SCM信号所承载比特率的八分之一。
根据现有技术的系统，通过对各个载波进行调制独立生成每个副载波，然后将它们组合生成副载波复用信号。该技术具有这样的缺点，即，可能要提供各个装置以生成每个副载波，显著增加了系统成本。此外，副载波之间的保护频带降低了调制格式的频谱效率，降低了光通信系统的数据容量。
下面，将使用术语“合成信号”描述表示数据流的副载波集。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于生成包括多个副载波的光副载波复用信号的装置，所述装置包括：
数字信号处理器，用于接收表示在光副载波复用信号中所要承载的数据的输入信号，对输入信号执行变换操作，并将输出信号输出，和
调制器，用于光源或直接调制光源，用来响应数字信号处理器的输出信号生成光副载波复用信号。
该装置能够发送光副载波复用信号。在单个装置中生成信号中的所有副载波，可大大节省成本，并与独立生成每个副载波的先前装置相比降低了复杂性。
在一个实施例中，变换操作为傅里叶变换函数操作，数字信号处理器用于执行傅里叶变换，使得副载波间隔基本等于1/(光副载波复用信号的符号周期)的整数倍。
通过减小副载波的频率间隔，能够使得应用本发明的传输系统的频谱效率增大。当副载波间隔等于1/(光副载波复用信号的符号周期)时，副载波在频域中发生交叠，对于传统实现方式，一副载波会与另一副载波相干扰。在本发明中使用傅里叶变换，如果副载波间隔为1/(光副载波复用信号的符号周期)，即便它们在频域中交叠，也能够将其接收。
在一个实施例中，该装置包括映射器，用于接收在光副载波复用信号中所要承载的数据，根据预定调制格式生成该数据的表示，以及将生成的表示作为对数字信号处理器的输入信号输出。
可根据任何预定调制格式对光副载波复用信号的每个副载波进行调制。每个调制格式具有具体优点和缺点，这为本领域技术人员所熟知。广义而言，调制格式可为相位调制格式、幅度调制格式，或二者的组合。相位调制格式可使用相位的差分或绝对编码。
在一个实施例中，该装置包括串行器，用于将数字信号处理器的输出信号进行串行化处理。
变换操作的输出可为并行信号集。为能够使用传统光调制器，可将这些信号进行串行化。
在一个实施例中，该装置包括与调制器或直接调制光源相连的数模转换器。
传统光调制器需要模拟电压或电流对光载波进行调制。该装置的所述处理在数字域内执行，因此，可将输出值转换为模拟信号，以便驱动传统调制器。
在一个实施例中，该装置包括与调制器或直接调制光源相连的电信号发生器，所述电信号发生器用于对光副载波复用信号施加小深度调制。
为正确锁定接收信号，在接收机处需要已知频率。使用信号发生器以接收机处能检测到并可用于获得信号的小深度调制，调制发送信号。
在一个实施例中，调制器或直接调制光源用于对光载波的幅度或相位进行调制。
为生成光副载波复用信号，可对载波的幅度和相位进行调制。有益的是，如果该调制是在单个设备中执行，这会节约成本，并使硬件简化。
在一个实施例中，调制器包括两个马赫-曾德尔构件，它们与光组合器相连。
这是用于生成幅度和相位调制载波的有效结构。
在一个实施例中，调制器包括电信号调制器，用于响应数字信号处理器的输出信号生成调制电信号，其中，光副载波复用信号是根据该调制电信号生成。光调制器可为幅度或相位调制器。
对光载波的幅度和相位调制是代价高昂且复杂的。该装置需要能够仅对光载波的幅度或相位的其中之一进行调制的光调制器，因此使成本和复杂性降低。
在一个实施例中，该装置包括前向纠错编码器。
前向纠错编码可通过检测和校正在接收机处数据中的差错，提高通信系统的性能。通过使用前向纠错编码，能够优先校正因不同程度影响不同载波的现象所引起的差错。
在本发明的另一方面，提供了用于生成多个光副载波复用信号的装置，其中，每个光副载波复用信号均包括多个副载波，所述装置包括：
多个数字信号处理器，各用于接收表示在多个光副载波复用信号的各自一个信号中所要承载的数据的输入信号，对输入信号执行变换操作，并将输出信号输出；
相应多个电信号调制器，每个调制器分别用来响应数字信号处理器的各个输出信号生成电副载波复用信号；
电组合器，用于接收由电信号调制器生成的电副载波复用信号，且输出组合电输出信号；和
调制器，用于光源或直接调制光源，用来响应组合电输出信号生成多个光副载波复用信号。
在一个实施例中，由多个数字信号处理器执行的变换操作为傅里叶变换函数操作。
调制可为幅度或相位调制，或幅度与相位调制。
该装置通过对电信号的模拟组合，允许由单个光载波承载多个载波复用信号。这是有益的，因为它允许最大限度地利用光源的调制器或直接调制光源的带宽。有益的是，仅需对光信号的幅度或相位进行调制，从而避免了对幅度和相位都进行调制的高昂代价和复杂性，但这也是有可能的。
根据本发明的另一方面，提供了用于恢复在光副载波复用信号中所承载的数据的装置，该装置包括：
光电转换器，用于接收光副载波复用信号，以及输出电信号；和
数字信号处理器，用于响应电信号执行变换操作，以恢复表示在光副载波复用信号中所承载的数据的输出信号。
在一个实施例中，变换操作为傅里叶变换函数操作，傅里叶变换函数操作用于在光副载波复用信号的符号周期上进行积分。
用于光副载波复用信号的传统接收机独立地接收每个副载波，并对它们进行处理以获得数据。本发明使用一个数字信号处理器和相关设备接收全部副载波复用信号。这使得能够构建出更为简单和成本更低的高效接收机。此外，它还有这样的优点，即，能够接收其中载波以1/(光副载波复用信号的符号周期)为间隔并因此彼此交叠的副载波复用信号，以及上述优点。
在一个实施例中，该装置包括解码器，用于接收表示在光副载波复用信号中所承载的数据的输出信号，并根据预定调制格式生成对数据的解码。
在一个实施例中，该装置包括串并变换器，用于响应由光电转换器输出的电信号，生成用于数字信号处理器的串并变换输入信号。
从并行信号获得所需格式的数字流的简便方式是通过使用串行器。
在一个实施例中，解码器为阈值解码器，其中，通过将输入信号与预定值进行比较来确定输出数据。或者，解码器为极大似然序列估计解码器。
为了从接收机获得二进制数据，可对傅里叶变换的输出进行翻译。这可通过将该值与一个或多个域值进行比较来执行，或者通过应用极大似然序列估计程序执行。阈值检测实现起来较为简单且代价并不高昂，不过使用极大似然序列估计会提高接收机的性能。
在一个实施例中，该装置包括串并变换器，用于响应由光电转换器输出的电信号，生成用于数字信号处理器的串并变换输入信号。
传统光电转换器的输出可能是串行信号。对变换操作的输入为并行信号，因此，为能够使用传统光电转换器，可以对信号进行串并变换处理。
在一个实施例中，该装置包括前向纠错解码器。
通过对发送副载波应用前向纠错编码，能够提高系统性能。
在一个实施例中，该装置包括用于确定副载波信道状态信息的装置。该信息可为前向纠错解码器所使用以提高性能。
通过确定每个副载波的状态，可对纠错系统提供附加信息，以提高检错和纠错的性能。
在一个实施例中，该装置包括与光电转换器相连的光耦合器，所述光耦合器用于将光副载波复用信号与光本机振荡器的输出进行耦合。
为接收光副载波复用信号，可获得信号的同相和正交分量。这可有利地通过将信号与光本机振荡器的输出混合来执行。
根据本发明的另一方面，提供了用于恢复多个光副载波复用信号的装置，所述装置包括：
光电转换器，用于接收多个光副载波复用信号，并输出多个光副载波复用信号幅度的电信号表示，
电分离器，与光电转换器相连，具有多个电输出，分离器用于在所述多个电输出的每个上输出光副载波复用信号幅度的电信号表示的预定部分，
相应多个电解调器，每个电解调器与多个电输出中的各自一个相连，多个电解调器均用于接收与多个光副载波复用信号中不同信号相关的频率的电信号，并输出各自的解调电信号，和
相应多个数字信号处理器，每个数字信号处理器均与多个电解调器中各自一个相连，其用于响应各自的解调电信号执行变换操作，以恢复表示在多个光副载波复用信号的各自一个中所承载的数据的输出信号。
该装置具有在单个接收机系统中恢复多个光副载波复用信号的优点。这使得接收机的光学部分得以简化，且通过去除由于该光学部分所导致的降质而使性能提高。
在本发明的另一方面，提供了一种用于生成包括多个副载波的光副载波复用信号的方法，所述方法包括步骤：
对多个数字信号执行变换操作，每个信号均表示在光副载波复用信号的不同副载波上所要承载的数据；以及
响应变换操作对光载波进行调制，以生成光副载波复用信号。
该方法在单个设备中生成光副载波复用信号的所有副载波，与对于每个副载波使用双倍设备的现有已知技术相比，使成本缩减，且提高了性能。
在本发明的另一方面，提供了用于恢复在光副载波复用信号中所承载的数据的方法，所述方法包括步骤：
将光信号转换成电信号；以及
响应所述电信号执行变换操作，以获得多个电信号，每个信号均表示在光副载波复用信号的其中一个副载波上所承载的数据。
在本发明的另一方面，提供了一种使用光副载波复用信号进行光通信的方法，所述方法包括步骤：
对多个输入数字信号执行变换操作，每个信号均表示在光副载波复用信号的副载波上所要承载的数据，从而生成多个输出数字信号；
响应所述输出数字信号生成调制光载波，以生成光副载波复用信号；
从第一位置发送光副载波复用信号；
在第二远程位置处接收光副载波复用信号；
将接收光副载波复用信号转换成电信号；以及
响应转换电信号执行变换操作，以获得多个恢复数字信号，每个恢复数字信号均表示在光副载波复用信号的其中一个副载波上所承载的数据。
使用光副载波复用传输以及傅里叶变换来生成和接收信号，能够提高光传输系统的性能。
根据本发明的另一方面，提供了一种承载数据的光信号，所述光信号具有基本以整数倍1/(光信号的符号周期)为间隔的多个副载波。
具有多个副载波的光信号能够以大大低于比特率的符号速率传送数据。由于出现可提高性能的众多现象，这使降质减少，如以上所述。副载波以整数倍1/(光信号的符号周期)为间隔，提高了信号的频谱效率。
根据本发明的另一方面，提供了一种发射机，所述发射机包括与光信号发生器相连的数字信号处理器，所述发射机被设置成用于生成具有多个副载波的光副载波复用信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种生成具有多个副载波的光副载波复用信号的方法，所述方法包括步骤：
接收输入数字数据信号，
在数字信号处理器中将输入数据信号进行处理以生成输出数字数据信号，以及
响应输出数字数据信号生成光副载波复用信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种接收机，所述接收机包括与数字信号处理器相连的光电转换器，所述接收机被设置成用于接收具有多个副载波的光副载波复用信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种从具有多个副载波的光副载波复用信号恢复数字数据信号的方法，所述方法具有步骤：
将光副载波复用信号转换成电信号，以及
响应电信号执行数字信号处理以恢复数字数据。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括发射机和接收机的光通信系统，用于由发射机向接收机发送光数字信号，其中，所述光数字信号为正交频分复用信号。
根据本发明的另一方面，提供了用于生成包括多个副载波的光副载波复用信号的软件，所述软件包括：
设置用于对多个输入数字信号执行变换操作的代码，其中，每个输入数字信号表示在光副载波复用信号的不同副载波上所要承载的数据，从而变换操作会生成多个输出数字信号，所述输出数字信号用于对光载波进行调制以生成光副载波复用信号。
根据本发明的另一方面，提供了用于恢复在光副载波复用信号中所承载数据的软件，所述软件包括：
设置用于响应电信号执行变换操作的代码，所述电信号由光副载波复用信号转换而成，变换操作生成多个数字信号，每个信号表示在光副载波复用信号的其中一个载波上所承载的数据。
根据本发明的另一方面，提供了用于生成具有多个副载波的光副载波复用信号的软件，所述软件具有：
设置用于对输入数字数据信号进行处理以生成输出数字数据信号的代码，所述输出数字数据信号用于生成光副载波复用信号。
根据本发明的另一方面，提供了用于从具有多个副载波的光副载波复用信号恢复数字数据信号的软件，所述软件具有：
将光副载波复用信号转换成电信号，和
设置用于响应电信号执行数字信号处理的代码，所述电信号由光副载波复用信号转换而成，从而用于恢复数字数据信号。
对于本领域技术人员而言，显然能够想到可将上述任何特征组合在一起或与本发明的任何方面组合。本领域技术人员会易于想到其他优点。
下面，仅以示例性方式，详细描述本发明的优选实施例，其中：
附图说明
图1a显示出现有技术中已知的典型副载波复用信号频谱；
图1表示根据本发明使用SCM和前向纠错(FEC)编码的光通信方法的流程图；
图2表示根据本发明的发射机系统的示例框图；
图2a表示根据本发明的调制构像；
图3表示根据本发明的发射机系统的示例框图；
图4表示根据本发明用于一起接收所有副载波的接收机的框图；
图5表示根据本发明用于独立接收副载波的接收机的框图；
图6表示根据本发明的接收机的详细框图；
图7表示根据本发明，用于接收根据图3所示设备生成的信号的接收机的框图；
图8表示根据本发明，用于生成光副载波复用信号的方法的流程图；
图9表示根据本发明，用于接收光副载波复用信号的方法的流程图；
图10表示根据本发明，被设置成使傅里叶变换部件生成仅实部输出的发射机系统的一示例框图；
图11表示根据本发明，被设置成使傅里叶变换部件生成仅实部输出的发射机系统的另一示例框图；
图12表示根据本发明，用于接收幅度调制信号的接收机的详细框图；以及
图13表示根据本发明，用于接收根据图11所示设备生成的幅度调制信号的接收机的框图。
具体实施方式
本发明描述使用副载波复用(SCM)和数字信号处理的光通信。在光通信系统中使用SCM传输是有益的，因为这允许减小符号速率，从而增大对色散(CD)和偏振模色散(PMD)的容限，并使传输范围增大。此外，使用数字信号处理克服了先前所述对SCM使用模拟技术所具有的问题。尤其是，在发射机处无需多套装置用于生成副载波，而这是模拟SCM这一代技术所必需的，同时避免了由于副载波之间一般需要保护频带而使频谱效率减小。
在本发明中，接收机中的数字信号处理使得副载波间隔能被减小，从而使副载波交叠，进而提高了频谱效率。副载波以整数倍1/(副载波复用信号的符号周期)为间隔，通过在接收机中在符号周期上的积分，相邻副载波呈现为正交的，因此，尽管它们相交叠，也不会相干扰。例如，对于典型配置，副载波间隔可为3.3GHz，相比而言，对于传统模拟SCM系统的副载波间隔为数十GHz。以下将副载波以整数倍1/(副载波复用信号的符号周期)为间隔的调制格式称为正交频分复用(OFDM)调制格式。
应该理解，OFDM调制是SCM调制的特定实现方式，在本文献中，术语SCM以及同类术语意在包括OFDM。
通过在每个符号的开始处使用保护间隔，可进一步提高对CD和PMD的容限。由于其处在符号周期的开始位置，保护间隔承受因色散效应(例如，CD和PMD)所引起的任何符号间干扰，并保护符号的数据承载部分。在接收机处丢弃保护间隔，从而去除对接收数据符号的色散影响。保护间隔为添加到每个符号的时间周期，其不同于保护频带，保护频带是在副载波复用系统中各个副载波之间所需的频率间隔。在本文献中，所谓副载波复用信号的符号周期意味着不包括可使用的任何保护间隔的基本符号周期。
除由于增大符号周期而增加对CD和PMD的容限外，由于PMD的频域特性，还可获得其他优点。因PMD造成的降质的谱形对于光频是随机的，且随时间变化，并具有数十毫秒的特征周期。由于每个载波处在不同的光频，从而使其与给定合成信号中其他副载波相比受到不同程度的降质。
通过与数据一道传送附加信息，前向纠错(FEC)能够检测和校正在传输期间对数据造成的差错。如果向解码系统声明将已知质量较差的位作为删除位，则可提高FEC码的纠错能力。
可使用信道状态信息监视各个副载波的性能，从而该系统了解每个副载波的相对性能。PMD降质谱形演化的特征周期为数十毫秒，从而，信道状态信息能够易于跟踪每个载波的当前状态。
有可能确定数据位来自哪些载波，并从而能向FEC解码器声明来自已知质量较差的载波的数据作为删除数据，因此提高了纠错系统的性能。
诸如交叉相位调制和自相位调制之类的非线性效应可导致在副载波之间失去正交性。这是确定性效应，这样，能够在合成信号上并行应用最大似然序列估计(MLSE)解码，以进一步提高系统性能。在共同未决的美国申请10/425,809中讨论了在紧耦合的信道中使用MLSE，从而将其引作参考。
下面，将参照附图描述本发明的优选实施例，在描述发射机和接收机的优选实施例之前，首先对通信系统进行概括性描述。最后描述根据本发明的方法。
图1表示使用SCM和FEC编码的光通信方法的流程图。在步骤11，对输入数据10应用FEC编码，然后将其传送到SCM编码系统。在步骤14，使用傅里叶变换生成数字合成信号。在步骤15，将该信号转换成模拟信号，并在步骤16，使用光调制器将其施加到光载波。合成光信号通过系统传播到接收机，在此处，于步骤17将该信号转换回电域，并在之后于步骤18将其转换成数字信号。
在步骤19，从该数据提取信道状态信息，解码系统使用该信息以便改善检错和纠错的性能。在步骤190，对信号施加傅里叶变换，生成基本并行符号流。在步骤191，可使用在发射机处所应用的FEC码以及结合信道状态信息对符号进行解码。在步骤192将来自解码器的输出进行串行化，以生成基本串行数据流193，其格式可与输入到发射机的数据流格式相比。
图2表示根据本发明的发射机系统的示例框图。为便于解释，描述了示例配置。该示例具有承载数据速率为10Gb/s(100ps/位)的信号的输入20，并使用具有四个副载波的合成信号，每个副载波用正交调制。
首先，在编码器21中将数据串并变换和编码。利用由副载波数定义的并行位数以及每个副载波的调制格式，将数据串并变换成并行数据流。在本示例中，需要并行的八个位(每个副载波占两个位，共四个副载波)。
然后，根据所选调制格式，将每个副载波的数据映射成复二进制数。复数通常用两个正交分量来表示，称为‘I’和‘Q’，本说明书中沿用该约定。仅仅出于说明的目的，使用8位表示‘I’，以及使用8位表示‘Q’，不过，本领域技术人员显然能够理解，可也根据系统要求选择不同的位数。
图2a表示用于正交键控信号的映射操作，并显示出所要进行编码的四个可能数据状态298(00，01，10和11)。如果要在其中一个副载波上表示‘01’，则在相关输出上输出I＝‘00000000’和Q＝‘11111111’。并行输出的字对数由副载波数定义，每个I和Q对对应一个副载波。在该示例情形中，将输出8个并行字，对于四个副载波中每个副载波均有I和Q。每个字由8位组成，从而，每800ps输出64位。
然后，将并行数据传送到傅里叶变换部件25。该部件对每组并行输入数据都执行一个傅里叶变换。傅里叶变换输出将与输入具有相同的格式，因而在本示例中，将并行输出八个8位字。傅里叶变换函数也通常称为逆傅里叶变换，不过，在本文献中二者均具有相同的含义。
傅里叶变换输出的每对I和Q字均表示所要传送符号的一个时间段，在本示例中，每对表示总共800ps符号长度中的200ps。为生成所需传输波形，可将傅里叶变换的输出进行串行化，这在多位串行器28中执行。在本示例中，多位串行器28将每800ps并行接收64位，且每200ps并行输出两个8位字(一个用于I，一个用于Q)。
然后，将这些字均传送到模数转换器293，模数转换器293的输出用于驱动I/Q光调制器294，后者对光载波发生器295产生的光载波进行调制，以生成光副载波复用信号，并在光输出296上输出。或许在接收机处需要参考信号音(tone)297以便能够对数据解码，可在调制器处将其插入。该参考对光输出给予小深度调制，这可在接收机处得以检测和恢复。
“I/Q光调制器”是能够根据电输入信号对光载波的幅度和相位进行调制的光调制器。实现幅度和相位调制器的通用方法是并行使用两个独立的马赫-曾德尔调制器，一个由I信号驱动，另一个由Q信号驱动。然后，将这两个调制器的输出合并，使得能够输出具有由I和Q输入所定义幅度和频率的光信号。
本领域技术人员应该理解，还存在允许对光载波的幅度和相位进行调制的其他技术，这些技术同样可应用于本发明。例如，可使用直接调制激光器(未示出)代替I/Q光调制器294和光载波发生器295。该直接调制激光器可以是频率可调谐的。这些可选技术可对上述I/Q信号需要不同的驱动信号，在此情形中，在数字信号处理器中可执行附加处理以生成这些信号。
除上述的操作外，还可执行附加数字处理用于修改发送波形。例如，能够预补偿调制器系统中的非线性，以改善发送波形。这通过在数字信号处理中数学函数的实施而得以实现。
为接收由图2所示装置所生成的信号，需要相干检测系统，也就是，可对接收信号的相位和幅度进行检测。在优选实施例中，如图3所示，使用对光信号的幅度调制，从而不需要相干接收。
由标记30所表示的装置与图2中标记300所表示的装置相同，且根据与先前所述相同的原理操作。数模转换器的输出被传送到电I/Q调制器31，电I/Q调制器31对电载波信号音32进行调制。
在优选实施例中，并行重复多组设备30。对每个电调制器馈送以具有不同频率f1，…，fn的载波。将每个调制器的输出传送到电信号组合器33，以便将各电信号组合成单个电信号。然后将该电信号传送到光调制器34，以便对光载波发生器(未示出)生成的光载波进行调制。优选是，该光调制器为幅度调制器，不过，也可使用相位调制器，或幅度与相位调制器。如果使用相位调制器或幅度与相位调制器，则会再次需要相干接收。可使用直接调制激光器代替光调制器34和光载波发生器。优选是，该直接调制激光器对幅度进行调制，不过，也可使用用于对相位或幅度与相位进行调制的可调谐直接调制激光器。如果使用相位调制，或幅度与相位调制，则再次需要相干接收。
对多载波复用信号使用一个光调制器使得能够最大限度地使用光调制器的带宽。光调制器的带宽有可能超过发射机中其他元件的带宽，从而，将多个信号组合，可最大限度地使用该装置的所有部件。
通过使用偏振复用，能够进一步增大光通信系统的容量。由于已很好地定义激光器的偏振，从而有可能将来自两个激光器的具有正交偏振的信号组合，且信号彼此之间不会发生干扰。由于能够通过同一介质传输两个信号，使得介质的容量加倍。在接收机处，将两个偏振分开能够允许独立恢复这两个信号。在本发明的优选实施例中，使用了偏振复用。
图2和3所示方框是出于说明的目的，并不表示优选配置。
副载波数量的选择是系统中的重要参数。在电子傅里叶变换系统的速度与复杂性之间进行折衷。当载波的数量增加时，并行性和复杂性增加，然而，所需操作的速度要减小。例如，对于10Gb/s信号，可使用8至16个副载波，不过，当电子设备的性能得以提高时，也可使用或多或少的副载波。另一变量是应用于每个副载波的调制格式。在该示例中，使用上述二进制调制，不过，也可能使用更高阶的格式，从而增加了每个符号所传送的位数。一般而言，可使用任何传统调制格式。如果使用相位调制，则能够执行绝对或差分编码。如果使用绝对编码，则以规则间隔传送参考相位作为同步符号的一部分。然后，由接收机使用该参考相位对符号进行解码。
在接收机处，可采用多种方式接收光合成信号，下面，将描述两个示例。图4显示出在同一光电转换器41中将经由光输入40接收的所有副载波转换成电信号的情形，光电转换器41的输出被传送到处理器42。该处理器对接收信号进行处理，以恢复所发送数据在电输出43上输出。
接收信号的可选方法为：将副载波进行光分用并分别接收它们或作为子集接收，如图5所示。将光输入50分用51，并将每个副载波传送到单独的光电转换器52，将光信号转换成电信号。然后，将各转换器的输出传送到处理部件53，由处理部件53输出原始串行数据流。该方法具有这样的优点：每个光接收机仅需接收一个副载波，因此，需要更小的带宽，从而更便宜和更易于制造。由于每个副载波在光域和电域中都独立可用，就有可能对每个副载波进行不同的处理。该方法仅适用于接收在副载波之间具有保护频带的SCM信号以便允许光分用。
下面，参照图6，详细地描述如图4广义性示出的接收机。
以下所述接收机使用在符号周期上积分的傅里叶变换，从而能够接收OFDM信号。需将副载波复用信号的I和Q分量作为到接收机的输入。在已使用光I/Q调制器对光载波进行调制的情形中，使用相干接收机。在已使用I/Q调制电载波对光载波进行幅度调制的情形中，可使用替换接收机。在描述设备其余部分之前，首先描述用于从每种类型信号获得所需I&Q分量的装置，这对于二者是共同的。
如果使用光载波的I/Q调制，则能够使用传统相干光接收机获得信号的I和Q分量。此外，可使用偏振分集光接收机，并结合最大似然序列估计来提供改善的性能，如共同未决美国专利申请10/425,809所述以及参照以上所述。
图7表示可用于接收幅度调制副载波复用光信号的装置框图。
为接收幅度调制副载波复用信号，仅需接收信号的单边带。为去除不想要的边带，使信号通过具有所需谱形的光滤波器80。或者，可在系统的发射机端设置光滤波器，以便不会发送出不想要的边带。
将滤波器的输出传送到光电转换器81。如果已将多个副载波复用信号组合，如先前所述，现将电信号分离82。将每个输出传送到由各个电本机振荡器84驱动的电I/Q解调器83。每个解调器生成I和Q信号，然后，使用以下所述设备将这些信号解码。
为提供对电本机振荡器的频率控制，可从如图6所示作为装置一部分的傅里叶变换部件提供反馈。
图6显示出根据本发明的数字接收机的框图。参照如先前所使用的同样示例，描述该接收机的操作。输入信号的I和Q分量被传递到一对模数转换器60，每个模数转换器60均以发射机数模转换器所定义的速率进行同步采样。如本领域所熟知的(Keller等人于IEEEJournal on selected areas in communications，Vol.19，No.6，2001年6月发表的“Orthogonal Frequency Division MultiplexSynchronization Techniques for Frequency-Selective FadingChannels”)，可使得采样点与发射机同步。载波恢复系统61获得用于对数据解码的参考信号音(如果发送的话)，并去除任何剩余载波。载波恢复系统的输出62由串行的多个I&Q数据对组成。其被传递到串并变换器64，由串并变换器64生成基本并行字，每个字表示一个发送符号。通过数字信号处理器66对每个字执行傅里叶变换功能，并以符号速率提供输出。仅对符号的数据承载部分执行傅里叶变换，并丢弃保护间隔以如先前所述提高对CD和PMD的容限。输出67由每个副载波上的数据的多级表示组成。例如，如果执行8位傅里叶变换，则每个副载波由8位表示。然后，判决系统68如先前所述通过简单判决阈值或使用MLSE技术将这些数字转换成数据。然后使用FEC对该数据进行处理，以进行检错和纠错。然后，将输出69传递到串行器691，由串行器691将并行字(在该示例情形中，为8位宽)转换成在电输出692上输出的基本串行数据流。还可包括附加设备，用于提取可在解码处理中使用的信道状态信息。
下面，将参照附图，描述根据本发明的方法。
图8表示根据本发明用于生成光SCM信号的方法的流程图。在步骤91，对输入数据90应用FEC，然后，在步骤92将数据串并变换以生成基本并行电数据流。然后，在步骤94，对该数据执行傅里叶变换。在步骤95，将傅里叶变换操作的输出串行化，并在步骤96将其转换成模拟信号。然后，在步骤97，用该信号对光载波进行调制，生成光SCM信号98。
图9表示根据本发明用于接收光SCM信号的方法的流程图。在步骤101，将光SCM信号100转换成电信号，然后，在步骤102，将其转换成数字电信号。在步骤103，从该信号提取用于检错和纠错的信道状态信息。在步骤104，对该数据执行傅里叶变换，以生成基本并行符号流。在步骤105，优选使用MLSE将符号解码，以获得数据流。在步骤107，将数据串行化，以获得基本串行数据流。然后，在步骤108，将前向纠错编码解码以进行检错和纠错，生成基本串行电数据流109。
在本发明的其他实施例中，通过设置发射机系统使得傅里叶变换部件25生成仅实部输出，可简化发射机和接收机的装置，从而节省成本。图10和图11显示出这样设置的发射机系统示例，若不这样的话，则分别相当于以上参照图2和3所述的发射机系统。对图10和11中与图2和3保持相同的各部件赋予同样的附图标记。
根据第一种这样的实施例，如图10所示，将到傅里叶变换部件25的并行数据输入分组成对，使得每对包括就其相对于载频的频偏而言对称的两个输入。从而，如果将到傅里叶变换部件25的输入视为相应于对载频正或负频偏的频率库(frequency bin)，则选择输入对，使得某对中的一个输入对应+Δf的频偏，该对的另一输入对应-Δf的频偏。此外，将在每队处输入的复数字设置成某对中的一个字承载一部分所要发送数据的表示，该对的另一字承载同一表示的复共轭。通过图10所示的复共轭器23来计算复共轭。
某一字的复共轭是除复部的符号反转之外相同的该字。从而，使用四副载波正交键控信号的上述示例，且该信号使用8位字以及偏移二进制表示，假设要在一对复数字中的一个字中表示数据部分‘01’，因此，由编码器21在对应该字的输出上输出I＝‘00000000’，Q＝‘11111111’。在该情形中，在对应该对中另一字的输入处，输入复共轭I＝‘00000000’，Q＝‘00000000’。当傅里叶变换部件25对该输入数据执行傅里叶变换时，结果为具有仅实部信号的输出。换而言之，输出数据的I分量包括所要发送的数据的傅里叶变换，Q分量为全0。可认为该设置生成具有这样的频谱的调制信号，即，一个边带包含所要发送的实际数据，而另一边带包含所要发送数据的复共轭。该频谱预期具有幅度调制波形。
注意，在该实施例中，以及在上述的实和虚部实施例中，可使用二补码表示代替偏移二进制表示。这对于在傅里叶变换部件中执行复数相乘更为方便。
应该理解，通过使用多对复数字，且某对中仅一个字承载所要发送的数据，另一个字承载同一数据的冗余变换，这种仅实部系统的数据速率为对于同等副载波数和同等符号周期的诸如参照图2所述实和虚部系统的数据速率的一半。然而，优点在于，可使用较不复杂的光幅度调制器取代更复杂的光I/Q调制器。优选是，为了更加简化和成本节省，可使用直接调制激光器285取代光调制器294和光载波发生器295，尽管后者设置也是有可能的。此外，仅需一个数模转换器293。从而，使发射机系统更小，更简单和更便宜。注意，还可使用可调谐直接调制激光器，或光载波发生器和光相位、或幅度与相位调制器的设置。
同样，可使用以上参照图3所述实施例的仅实部形式，如图11所示。该装置按照如上所述操作，除了多组设备39与图10中标为390的设备相对应，电调制器35优选为电幅度调制器。再次注意，可使用相位、或幅度与相位电调制器取代电幅度调制器35。此外，可使用直接调制激光器(未示出)取代光调制器34和光载波发生器(未示出)，以便更为简化和节约成本。
通过将发射机系统设置成傅里叶变换部件生成仅实部输出，也使接收机系统得以简化。图12表示用于接收由图10所示发射机系统所产生的幅度调制光信号的接收机系统。无需相干检测，仅接收单个输入，并将其传送至单个模数转换器60。载波恢复系统61仅接收该单个输入，并串行输出I分量数据621的单个流。如同以上所述实施例，载波恢复系统61是可选的，且仅在发送参考信号音的情形中使用。同样，串并变换器64生成仅有I分量的基本并行字。傅里叶变换部件66仍对复数字操作，但是将Q分量均设置为0。接收机系统的其余部件按照如上参照图6所述接收机系统操作。从而，可以看出，使得该接收机系统显著简化，从而更加便宜。
图13显示用于接收由图11所示发射机系统生成的幅度调制光信号的接收机系统。该接收机按照如上参照图7所述接收机系统那样操作，除了使用电幅度解调器85取代电I/Q解调器83。因此，每个解调器仅生成I分量。
在本发明的其他实施例中，除使用OFDM调制格式的实施例外，可使用其他类型的变换部件取代在发射机和接收机系统中的傅里叶变换部件，例如使用沃尔什变换部件和离散余弦变换部件。
总之，描述了利用数字生成副载波复用信号的光通信系统。详细描述了使用傅里叶变换的发射机和接收机装置的优选实施例。此外，描述了使用SCM，数字生成SCM信号，数字接收SCM信号的通信方法。
Claims (66)
1.一种用于生成包括多个副载波的光副载波复用信号的装置，所述装置包括：
数字信号处理器，用于接收表示在光副载波复用信号中所要承载的数据的输入信号，对输入信号执行变换操作，并将输出信号输出，和
调制器，用于光源或直接调制光源，用来响应数字信号处理器的输出信号生成光副载波复用信号。
2.根据权利要求1的装置，其中，变换操作为傅里叶变换函数操作。
3.根据权利要求2的装置，其中，数字信号处理器用于执行傅里叶变换，使得副载波间隔基本等于1/(光副载波复用信号的符号周期)的整数倍。
4.根据权利要求1的装置，还包括映射器，用于接收在光副载波复用信号中所要承载的数据，根据预定调制格式生成该数据的表示，以及将生成的表示作为对数字信号处理器的输入信号输出。
5.根据权利要求4的装置，其中，预定调制格式为相位调制格式。
6.根据权利要求4的装置，其中，预定调制格式为差分相位调制格式。
7.根据权利要求4的装置，其中，预定调制格式为幅度调制格式。
8.根据权利要求4的装置，其中，预定调制格式为幅度与相位调制格式。
9.根据权利要求1的装置，其中，调制器或直接调制光源对光副载波复用信号的幅度进行调制。
10.根据权利要求1的装置，其中，调制器或直接调制光源对光副载波复用信号的相位进行调制。
11.根据权利要求1的装置，其中，调制器或直接调制光源对光副载波复用信号的幅度与相位进行调制。
12.根据权利要求11的装置，其中，调制器包括与光组合器相连的两个马赫-曾德尔构件。
13.根据权利要求1的装置，还包括串行器，用于将数字信号处理器的输出信号进行串行化。
14.根据权利要求1的装置，还包括与调制器或直接调制光源相连的数模转换器。
15.根据权利要求1的装置，还包括与调制器或直接调制光源相连的电信号发生器，所述电信号发生器用于对光副载波复用信号施加小深度调制。
16.根据权利要求1的装置，其中，调制器包括电信号调制器，用于响应数字信号处理器的输出信号生成调制电信号，其中，光副载波复用信号根据该调制电信号生成。
17.根据权利要求1的装置，还包括前向纠错编码器。
18.一种用于生成多个光副载波复用信号的装置，其中，每个光副载波复用信号均包括多个副载波，所述装置包括：
多个数字信号处理器，各用于接收表示在多个光副载波复用信号的各自一个信号中所要承载的数据的输入信号，对输入信号执行变换操作，并将输出信号输出；
相应多个电信号调制器，分别用来响应数字信号处理器的各个输出信号生成电副载波复用信号；
电组合器，用于接收由电信号调制器生成的电副载波复用信号，且输出组合电输出信号；和
调制器，用于光源或直接调制光源，用来响应组合电输出信号生成多个光副载波复用信号。
19.根据权利要求18的装置，其中，由多个数字信号处理器执行的变换操作为傅里叶变换函数操作。
20.根据权利要求18的装置，其中，调制器或直接调制光源对多个光副载波复用信号的幅度进行调制。
21.根据权利要求18的装置，其中，调制器或直接调制光源对多个光副载波复用信号的相位进行调制。
22.根据权利要求18的装置，其中，调制器或直接调制光源对多个光副载波复用信号的幅度与相位进行调制。
23.根据权利要求18的装置，还包括相应多个电载波信号发生器，用于生成在相应多个不同频率的电载波信号。
24.一种用于恢复在光副载波复用信号中所承载的数据的装置，所述装置包括：
光电转换器，用于接收光副载波复用信号，以及输出电信号；和
数字信号处理器，用于响应电信号执行变换操作，以恢复表示在光副载波复用信号中所承载的数据的输出信号。
25.根据权利要求24的装置，其中，变换操作为傅里叶变换函数操作。
26.根据权利要求25的装置，其中，傅里叶变换函数操作用于在光副载波复用信号的符号周期上进行积分。
27.根据权利要求24的装置，还包括解码器，用于接收表示在光副载波复用信号中所承载的数据的输出信号，并根据预定调制格式生成对数据的解码。
28.根据权利要求24的装置，其中，解码器为阈值解码器，其中，通过将输入信号与一个或多个预定值进行比较来确定输出数据。
29.根据权利要求24的装置，其中，解码器为极大似然序列估计解码器。
30.根据权利要求24的装置，还包括串并变换器，用于响应由光电转换器输出的电信号，生成用于数字信号处理器的串并变换输入信号。
31.根据权利要求24的装置，还包括前向纠错解码器。
32.根据权利要求31的装置，还包括用于确定副载波的信道状态信息的装置。
33.根据权利要求32的装置，其中，由前向纠错解码器使用信道状态信息以改善纠错性能。
34.根据权利要求24的装置，还包括与光电转换器相连的光耦合器，所述光耦合器用于将光副载波复用信号与光本机振荡器的输出进行耦合。
35.一种用于恢复多个光副载波复用信号的装置，所述装置包括光分用器，用于接收多个光副载波复用信号，并具有多个光输出，各用于承载至少一个光副载波复用信号，其中，每个输出均与根据权利要求24的装置相连。
36.一种用于恢复多个光副载波复用信号的装置，所述装置包括：
光电转换器，用于接收多个光副载波复用信号，并输出表示多个光副载波复用信号的幅度的电信号，
电分离器，与光电转换器相连，具有多个电输出，所述电分离器用于在所述多个电输出的每个上输出表示光副载波复用信号幅度的电信号的预定部分，
相应多个电解调器，每个电解调器与多个电输出中的各自一个相连，多个电解调器均用于接收与多个光副载波复用信号中不同信号相关的频率的电信号，并输出各自的解调电信号，和
相应多个数字信号处理器，每个数字信号处理器均与多个电解调器中各自一个相连，其用于响应各自的解调电信号执行变换操作，以恢复表示在多个光副载波复用信号的各自一个中所承载的数据的输出信号。
37.一种用于生成包括多个副载波的光副载波复用信号的方法，所述方法包括步骤：
对多个数字信号执行变换操作，每个信号均表示在光副载波复用信号的不同副载波上所要承载的数据；以及
响应变换操作对光载波进行调制，以生成光副载波复用信号。
38.根据权利要求37的方法，其中，所述变换操作为傅里叶变换函数操作。
39.根据权利要求38的方法，其中，执行傅里叶变换函数操作，使得副载波的间隔基本等于1/(光副载波复用信号的符号周期)的整数倍。
40.根据权利要求36的方法，还包括这样的步骤：接收在光副载波复用信号上所要承载的数据信号，并在执行所述变换操作之前根据预定调制格式对数据信号进行映射。
41.根据权利要求36的方法，还包括将变换操作的结果串行化的步骤。
42.根据权利要求36的方法，还包括对所述数据信号应用前向纠错的步骤。
43.一种用于恢复在光副载波复用信号中所承载的数据的方法，所述方法包括步骤：
将光信号转换成电信号；以及
响应所述电信号执行变换操作，以获得多个电信号，每个信号均表示在光副载波复用信号的其中一个副载波上所承载的数据。
44.根据权利要求43的方法，其中，所述变换操作为傅里叶变换函数操作。
45.根据权利要求44的方法，其中，傅里叶变换函数操作在光副载波复用信号的符号周期上进行积分。
46.根据权利要求43的方法，还包括将来自变换操作输出的信号进行串行化以获得基本串行数据流的步骤。
47.根据权利要求43的方法，还包括根据阈值判决规则将变换操作的输出信号解码的步骤。
48.根据权利要求43的方法，还包括对变换操作的输出应用最大似然序列估计的步骤。
49.根据权利要求43的方法，还包括对应用于数据的前向纠错解码的步骤。
50.根据权利要求49的方法，还包括获得关于副载波的信道状态信息的步骤，该信息表示每个副载波的质量。
51.根据权利要求50的方法，还包括使用所述信道状态信息控制前向纠错的行为的步骤。
52.一种使用光副载波复用信号进行光通信的方法，所述方法包括步骤：
对多个输入数字信号执行变换操作，每个信号均表示在光副载波复用信号的副载波上所要承载的数据，从而生成多个输出数字信号；
响应所述输出数字信号生成调制光载波，以生成光副载波复用信号；
从第一位置发送光副载波复用信号；
在第二远程位置处接收光副载波复用信号；
将接收光副载波复用信号转换成电信号；以及
响应转换电信号执行变换操作，以获得多个恢复数字信号，每个恢复数字信号均表示在光副载波复用信号的其中一个副载波上所承载的数据。
53.一种承载数据的光信号，所述光信号具有基本以整数倍1/(光信号的符号周期)为间隔的多个副载波。
54.一种发射机，所述发射机包括与光信号发生器相连的数字信号处理器，所述发射机被设置成用于生成具有多个副载波的光副载波复用信号。
55.根据权利要求54的发射机，其中，光数据信号为正交频分复用信号。
56.一种生成具有多个副载波的光副载波复用信号的方法，所述方法包括步骤：
接收输入数字数据信号，
在数字信号处理器中将输入数据信号进行处理以生成输出数字数据信号，以及
响应输出数字数据信号生成光副载波复用信号。
57.根据权利要求56的方法，其中，光副载波复用信号为正交频分复用信号。
58.一种接收机，所述接收机包括与数字信号处理器相连的光电转换器，所述接收机被设置成用于接收具有多个副载波的光副载波复用信号。
59.根据权利要求58的接收机，其中，光副载波复用信号为正交频分复用信号。
60.一种从具有多个副载波的光副载波复用信号恢复数字数据信号的方法，所述方法具有步骤：
将光副载波复用信号转换成电信号，以及
响应电信号执行数字信号处理以恢复数字数据。
61.根据权利要求60的方法，其中，光副载波复用信号为正交频分复用信号。
62.一种包括发射机和接收机的光通信系统，用于由发射机向接收机发送光副载波复用信号，其中，所述光副载波复用信号为正交频分复用信号。
63.一种用于生成包括多个副载波的光副载波复用信号的软件，所述软件包括：
设置用于对多个输入数字信号执行变换操作的代码，其中，每个输入数字信号表示在光副载波复用信号的不同副载波上所要承载的数据，从而变换操作会生成多个输出数字信号，所述输出数字信号用于对光载波进行调制以生成光副载波复用信号。
64.一种用于恢复在光副载波复用信号中所承载数据的软件，所述软件包括：
设置用于响应电信号执行变换操作的代码，所述电信号由光副载波复用信号转换而成，变换操作生成多个数字信号，每个信号表示在光副载波复用信号的其中一个载波上所承载的数据。
65.一种用于生成具有多个副载波的光副载波复用信号的软件，所述软件具有：
设置用于对输入数字数据信号进行处理以生成输出数字数据信号的代码，所述输出数字数据信号用于生成光副载波复用信号。
66.一种用于从具有多个副载波的光副载波复用信号恢复数字数据信号的软件，所述软件具有：
将光副载波复用信号转换成电信号，和
设置用于响应电信号执行数字信号处理的代码，所述电信号由光副载波复用信号转换而成，从而用于恢复数字数据信号。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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