WO2022174656A1 - 一种相干检测方法、装置及系统 - Google Patents

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贝劲松
李正璇
钟一鸣
杨波
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中兴通讯股份有限公司
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Definitions

  • the present application relates to the field of optical fiber communication, and in particular, to a coherent detection method, device and system.
  • the homodyne detection system requires that the frequency of the signal light and the laser source of the local oscillator be the same.
  • the advantage is that the bandwidth requirement of the device is low, but it needs to use two pairs of balanced detectors at the receiving end to recover the baseband signal, which greatly increases the equipment. cost.
  • the signal light and the local oscillator light are divided into two paths after passing through a 90° mixer and sent to two pairs of balanced detectors respectively. In-phase component and quadrature component.
  • 1 is a schematic diagram of a phase diversity homodyne receiving system
  • 5b is a second schematic block diagram of a coherent detection system provided by an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is a signal mapping constellation diagram of a four-level pulse amplitude modulation signal (PAM4) provided by an embodiment of the present application;
  • PAM4 pulse amplitude modulation signal
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a local oscillator optical phase modulation method and a signal IQ component receiving method provided by an embodiment of the present application;
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a suboptimal local oscillator optical phase modulation method provided by an embodiment of the present application.
  • the step S101 may further include: before adjusting the polarization state, adjusting the received optical power of the intensity-modulated optical signal transmitted by the transmitting end.
  • two polarization beam splitters can also be used to perform polarization diversity on the intensity-modulated optical signal and the phase-modulated local oscillator optical signal respectively, so that the same
  • the intensity-modulated optical signal of the polarization state and the phase-modulated local oscillator optical signal are detected coherently. That is, both the polarization controller and the first and second polarization beam splitters are used to keep the polarization states of the intensity-adjusted optical signal and the phase-modulated local oscillator optical signal consistent.
  • the signal recovery module includes a set of devices, namely an optical coupler, a balanced detector, Analog-to-digital converters and digital signal receivers.
  • the method and device for coherent detection provided by the above embodiments of the present invention are applied to the receiving end.
  • phase modulating the local oscillator optical signal By phase modulating the local oscillator optical signal, the homodyne detection of phase diversity is avoided, and the signal can be obtained only by a pair of balanced detectors.
  • the IQ component reduces the cost of system equipment.
  • the intensity modulated optical signal is used to avoid the subsequent carrier recovery algorithm and reduce the system complexity.
  • an embodiment of the present invention also provides a coherent detection system for the above-mentioned coherent detection method, the system includes a transmitter and a receiver, wherein: the transmitter is configured to perform intensity modulation on the original signal to obtain Intensity modulated optical signal; the receiving end includes the aforementioned coherent detection device, which will not be repeated here.
  • the coherent detection method and system avoid the use of phase diversity by modulating the local oscillator signal by phase, and only need a pair of balanced detectors to obtain the I component and the Q component of the signal, reducing the The cost of system equipment is reduced, and the intensity modulated optical signal is used to avoid the subsequent carrier recovery algorithm and reduce the system complexity.
  • Fig. 5a is a first schematic block diagram of a coherent detection system provided by an embodiment of the present application.
  • the coherent detection system based on phase-modulated local oscillator light includes: an electro-absorption light modulated laser (or called electro-absorption optical modulator, intensity modulator, Electroabsorption Modulated distributed feedback Laser, EML), a distributed feedback laser (Distributed Feedback Laser, DFB), pulse signal generator, balanced detector (or called balanced receiver, Blanced Photodiode, BPD), polarization controller (Polarization Controller, PC), phase modulator (Phase Modulator, PM), adjustable electrical delay line ( ⁇ ), analog-to-digital converter (ADC), digital signal receiving module (equivalent to In the aforementioned digital signal receiver), single mode fiber (Single Mode Optical Fiber, SSMF), adjustable optical attenuator (or called optical attenuator, Variable Optical Attenuator, VOA), optical coupler (Optical Coupler, OC
  • the pulse signal generator At the transmitting end, the pulse signal generator generates a four-level pulse amplitude modulation (4Pulse Amplitude Modulation, PAM4) pulse signal, which drives the electro-absorption optical modulator for intensity modulation, and the output light wave signal after intensity modulation is transmitted by a single-mode fiber Or back to back (B2B) transmission.
  • PAM4 Pulse Amplitude Modulation
  • the following uses the optical communication simulation software to verify the homodyne detection system of the phase-modulated local oscillator light using the PAM4 modulation format in this embodiment.
  • the center wavelength of the electro-absorption optical modulation laser used in the simulation is 1550nm and the line width is 1MHz.
  • the center wavelength of the distributed feedback laser used is 1550nm and the line width is 1MHz.
  • the center wavelength of the electro-absorption optical modulator can be tuned to simulate the frequency shift between the signal light and the local oscillator light.
  • the local oscillator light is obtained by phase modulation after the light wave signal is generated by the distributed feedback laser, and the phase modulator is driven by a binary pulse signal with a frequency of 25 GHz, so that the two levels of the pulse signal correspond to 0° phase modulation respectively. and 90° phase modulation.
  • the modulation phase of the LO is 90°
  • the balanced detector corresponds to the in-phase component of the output signal
  • the modulation phase is 0°
  • the balanced detector corresponds to the quadrature component of the output signal.
  • the specific phase modulation method of the local oscillator light by the receiving end can be as shown in FIG. 7 , that is, ideally, the modulation frequency of the phase modulation of the local oscillator light is the same as the symbol rate of the signal, and it presents the same appearance as the received symbol.
  • the interleaved form specifically, changes the modulation phase of the local oscillator light at the middle moment of each symbol period.
  • the balanced detector will output the in-phase component and quadrature component of each symbol in the order of IQQI in the figure, and receive the signal in this order to recover the complete symbol.
  • the use of the adjustable electrical delay line is to ensure that the phase modulation of the local oscillator is exactly half a symbol period staggered from the received symbol.
  • the 90° phase modulation period of the LO corresponds to the first half cycle of the first and third symbols and the second half cycle of the second symbol
  • the 0° phase modulation period corresponds to the second half cycle of the first and third symbols and the first half cycle of the second symbol. Therefore, the in-phase and quadrature components of the three symbols should be extracted in the order of IQQIIQ.
  • the final output signal is in the form of IQQI recurring, and the two components of each symbol are extracted in this order.
  • the specific phase modulation manner of the local oscillator light by the receiving end may be as shown in FIG. 8 , and the same effect as the foregoing embodiment can also be achieved.
  • this method requires that the modulation phase of the local oscillator light be changed twice per symbol period, that is, the frequency of the local oscillator light phase modulation is twice the signal symbol rate (the rates of the two are the same in the foregoing embodiments), which is 50 GHz .
  • the balanced detector will output the in-phase component of the symbol, and in the second half period, the balanced detector will output the quadrature component.
  • the in-phase and quadrature components must be extracted in the order of IQIQ during subsequent digital reception.
  • a polarization beam splitter PBS
  • PBS polarization beam splitter
  • additional polarization demultiplexing is required to recover the single-polarization state signal, and the remaining algorithms are consistent with the single-polarization state reception, which can achieve the same effect as the embodiment in FIG. 5a.
  • the embodiment of the present application is a low-cost coherent detection technology in a passive access network scenario, which performs coherent detection based on phase-modulated local oscillator light. Still in the category of homodyne detection, compared with the traditional local oscillator light form, the embodiment of the present application replaces the phase diversity by performing phase modulation on the local oscillator light. Compared with the traditional phase diversity homodyne detection system, the embodiment of the present application only A pair of balanced detectors is required to demodulate the signal, and no 90° optical mixer is required, which greatly reduces the cost on the device.
  • I n Acos( ⁇ +2 ⁇ 2n ⁇ fT)
  • R represents the responsivity of the photodiode
  • P s represents the signal power
  • P LO represents the local oscillator optical power
  • ⁇ s represents the modulation phase of the signal itself
  • ⁇ n represents the phase noise.
  • Phase noise is mainly caused by the frequency deviation and line width of the laser source at the transceiver end, and it is unavoidable, which will cause the constellation diagram of the received signal to rotate.
  • the signal in the intensity modulation format is received coherently, its intensity and phase will be detected, and the signal can be expressed as the following formula:
  • the phase of the received signal only has a phase offset caused by frequency offset and phase noise.
  • the signal has value only on the in-phase component.
  • the phase of the signal will rotate, that is, the signal has values on the in-phase component I and the quadrature component Q, and the final manifestation is the rotation of the signal constellation.

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Abstract

一种相干检测方法、装置及系统，所述方法包括：接收发射端传输的强度调制光信号(S101)，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的；对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号(S102)；将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号(S103)。

Description

一种相干检测方法、装置及系统
相关申请的交叉引用
本申请基于申请号为202110187937.4、申请日为2021年2月18日的中国专利申请提出，并要求该中国专利申请的优先权，该中国专利申请的全部内容在此引入本申请作为参考。
技术领域
本申请涉及光纤通信领域，尤其涉及一种相干检测方法、装置及系统。
背景技术
随着智能终端设备以及数据业务的爆炸式增长，用户对带宽的需求越来越高。光纤接入作为主流接入方式，具有满足用户高带宽需求的潜力。
由于相干检测可以获得比直接检测更高的灵敏度，因此在未来相干检测将被广泛地应用在无源接入网中。
传统的相干检测系统可以用于幅度和相位的同时解调，其系统结构复杂，需要多对平衡探测器(或平衡接收机)以实现相位分集、偏振分集接收，同时需要额外的数字信号处理过程(Digital Signal Processing，DSP)用以消除相位噪声、实现载波恢复等。以上这些问题导致相干光通信不能满足短距离通信对于传输成本的要求。
传统的相干检测主要分为两种：零差检测以及外差检测。零差相干检测一般被应用在核心传输网当中，而外差检测则更多被用于光和无线的混合网络中。
零差检测系统要求信号光与本振光的激光源频率相同，其优势在于对器件的带宽需求较低，但是其需要在接收端使用两对平衡探测器才能恢复出基带信号，大大增加了设备成本。如图1所示，一个相位分集零差接收系统中，信号光与本振光在通过90°混合器后分为两路分别送入两对平衡探测器，它们完成光电转换后直接输出信号的同相分量以及正交分量。
对于外差检测系统，如图2a所示，其所需要的平衡探测器数目仅为零差检测的一半，并且不需要使用90°混合器，虽然其不需要做相位分集，但是由于探测器直接输出的信号仍处在中频，在电域仍需要进行下变频以获得基带信号，相当于增加了系统的复杂度。图2b展示了数字下变频的过程，对接收到的中频信号分别乘上一个载波以及相移过90°的载波，并且经过低通滤波即可得到基带信号的同相分量I以及正交分量Q。
图3所示的是单偏振态接收情况下的相干检测的数字信号处理过程，依次包括IQ正交化、时钟恢复、色散补偿、频偏恢复、相位估计和判决输出。由于相干检测能够获得信号的幅度信息以及相位信息，因此系统中产生的相位噪声会对接收信号产生严重的影响。相位噪声往往是收发端激光器的频率偏差以及线宽导致的，所以在后续数字信号处理过程中需要进行频偏恢复以及相位估计等载波恢复算法以恢复出原始信号。
伴随着相干检测技术的愈发成熟，如何降低成本成为了一大研究热点，不但要求在光域上系统结构简单，也要求在数字域上信号处理过程尽可能减少且复杂度低。
综上所述，为了应对上述接入网场景下的相干检测系统的成本问题，迫切需求一种设备 成本低、系统复杂度低的相干检测方案。
发明内容
本申请实施例提供一种相干检测方法、装置及系统，旨在至少一定程度上解决相关的技术问题之一，包括传统相干检测系统设备成本高、系统复杂度高的问题。
本申请实施例提供了一种相干检测方法，所述方法包括：接收发射端传输的强度调制光信号，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的；对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号；将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
本申请实施例还提供了一种相干检测方法，所述方法包括：发射端对原始信号进行强度调制，得到强度调制光信号；接收端对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，并将所述相位调制本振光信号与所述发射端传输的所述强度调制光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
本申请实施例还提供了一种相干检测装置，所述装置包括：信号接收模块，被设置成接收发射端传输的强度调制光信号，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的；相位调制模块，被设置成对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号；信号恢复模块，被设置成将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
本申请实施例还提供了一种相干检测系统，所述系统包括发射端和接收端，其中：所述发射端，被设置成对原始信号进行强度调制，得到强度调制光信号；所述接收端，包括前述的相干检测装置。
附图说明
图1是相位分集零差接收系统示意图；
图2a是相位分集外差接收系统示意图；
图2b是数字下变频过程示意图；
图3是单偏振态接收情况下的相干检测的数字信号处理过程示意图；
图4是本申请实施例提供的一种相干检测方法的流程示意图；
图5a是本申请实施例提供的一种相干检测系统的第一示意性框图；
图5b是本申请实施例提供的一种相干检测系统的第二示意性框图；
图6是本申请实施例提供的四电平脉冲幅度调制信号(PAM4)的信号映射星座图；
图7是本申请实施例提供的本振光相位调制方式与信号IQ分量接收方式示意图；
图8是本申请实施例提供的次优本振光相位调制方式示意图；
图9是本申请实施例提供的信号处理过程示意图；
图10a和图10b分别是本申请实施例提供的接收光功率为-20dbm，本振光与信号光之间不存在频偏时仿真得到的信号星座图和信号模值图；
图11a、图11b、图11c分别是本申请实施例提供的接收光功率为-20dbm，本振光与信号光存在5GHz频偏时仿真得到的正交化前的信号星座图、正交化后的信号星座图和信号模值图；
图12a和图12b分别是本申请实施例提供的接收光功率为-25dbm，本振光与信号光不存在频偏时仿真得到的信号星座图和信号模值图；
图13a、图13b、图13c分别是本申请实施例提供的接收光功率为-25dbm，本振光与信号光存在5GHz频偏时仿真得到的正交化前的信号星座图、正交化后的信号星座图和信号模值图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
图4是本申请实施例提供的一种相干检测方法的流程示意图，如图4所示，所述方法可以包括：
步骤S101：接收发射端传输的强度调制光信号，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的。
步骤S102：对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号。
具体地，所述步骤S102可以包括：在每个符号周期内对所述本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率与所述强度调制光信号的符号速率一致。或者，所述步骤S102可以包括：在每个符号周期内对所述本振光信号分别进行两次相位调制，依次得到两个相位不同的相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率是所述强度调制光信号的符号速率的二倍。
步骤S103：将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
在一个实施方式中，所述步骤S101可以包括：利用偏振控制器，对所述发射端传输的所述强度调制光信号的偏振态进行调节，使所述强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号的偏振态一致。在另一实施方式中，所述方法还包括：利用第一偏振分束器，将所述相位调制本振光信号分为两个偏振态正交的相位调制本振光信号。相应地，所述步骤S101可以包括：利用第二偏振分束器，将所述发射端传输的所述强度调制光信号分为两个偏振态正交的强度调制光信号，以得到两组偏振态一致的强度调制光信号和相位调制本振光信号。也就是说，除采用偏振控制器控制接收的强度调制光信号的偏振外，也可以采用两个偏振分束器，分别对强度调制光信号和相位调制本振光信号进行偏振分集，以便对同一偏振态的强度调制光信号和相位调制本振光信号进行相干检测。即，偏振控制器及第一和第二偏振分束器均是为了使得强度调整光信号与相位调制本振光信号的偏振态保持一致。
所述步骤S101还可以包括：在对偏振态调节之前，对所述发射端传输的所述强度调制光信号的接收光功率进行调整。
无论是采用偏振控制器得到的一组偏振态一致的强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号，还是采用偏振分束器得到的两组偏振态一致的强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号中的任何一组，均可以采用所述步骤S103进行信号恢复。
所述步骤S103可以包括：将偏振态一致的所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合；对混合后的光信号进行光电探测，得到包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号；对所述包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号进行模数转换；对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信号进行判决解调，以恢复出原始信号。
在一个实施方式中，所述对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信 号进行判决解调，以恢复出原始信号包括：提取每个符号的同相分量和正交分量；对每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决，以恢复出原始信号。
在另一实施方式中，所述对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信号进行判决解调，以恢复出原始信号包括：提取每个符号的同相分量和正交分量；对已提取的所述每个符号的同相分量和正交分量进行正交化处理，对正交化处理后的每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决，以恢复出原始信号。
相应地，本方明实施例提供了一种可实现图1所述实施例的相干检测装置，所述装置可以包括：信号接收模块、相位调制模块和信号恢复模块，其中：
所述信号接收模块，被设置成接收发射端传输的强度调制光信号，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的。
所述相位调制模块，被设置成对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号。具体地，所述相位调制模块包括：可调电延时线，被设置成对所述本振光信号的相位调制进行控制；相位调制器，被设置成在可调电延时线的控制下，对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号。其中，在一实施方式中，所述相位调制器在可调电延时线的控制下，在每个符号周期内对所述本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率与所述强度调制光信号的符号速率一致。在另一实施方式中，所述相位调制器在可调电延时线的控制下，在每个符号周期内对所述本振光信号分别进行两次相位调制，依次得到两个相位不同的相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率是所述强度调制光信号的符号速率的二倍。
所述信号恢复模块，被设置成将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
在一个实施方式中，所述信号接收模块可以包括：偏振控制器，被设置成对所述发射端传输的所述强度调制光信号的偏振态进行调节，使所述强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号的偏振态一致。在另一实施方式中，所述装置还包括：第一偏振分束器，被设置成将所述相位调制本振光信号分为两个偏振态正交的相位调制本振光信号；相应地，所述信号接收模块包括：第二偏振分束器，将所述发射端传输的所述强度调制光信号分为两个偏振态正交的强度调制光信号，以得到两组偏振态一致的强度调制光信号和相位调制本振光信号。也就是说，除采用偏振控制器控制接收的强度调制光信号的偏振外，也可以采用两个偏振分束器，分别对强度调制光信号和相位调制本振光信号进行偏振分集，以便对同一偏振态的强度调制光信号和相位调制本振光信号进行相干检测。即，偏振控制器及第一和第二偏振分束器均是为了使得强度调整光信号与相位调制本振光信号的偏振态保持一致。
另外，所述信号接收模块还可以包括：可调光衰减器，被设置成在对偏振态调节之前，对所述发射端传输的所述强度调制光信号的接收光功率进行调整。
当采用偏振控制器得到的一组偏振态一致的强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号时，所述信号恢复模块包括一组器件，即光耦合器、平衡探测器、模数转换器和数字信号接收器。当采用偏振分束器得到两组偏振态一致的强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号时，所述信号恢复模块包括二组器件，每组均包括光耦合器、平衡探测器、模数转换器和数字信号接收器，以分别利用一组偏振态一致的强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号进行信号恢复。
其中，光耦合器，被设置成将偏振态一致的所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合；平衡探测器，被设置成对混合后的光信号进行光电探测，得到包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号；模数转换器，被设置成对所述包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号进行模数转换；数字信号接收器，被设置成对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信号进行判决解调，以恢复出原始信号。其中，在一实施方式中，所述数字信号接收器，具体被设置成提取每个符号的同相分量和正交分量，并对每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决，恢复出原始信号。在另一实施方式中，所述数字信号接收器，具体被设置成提取每个符号的同相分量和正交分量；对已提取的所述每个符号的同相分量和正交分量进行正交化处理，对正交化处理后的每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决，以恢复出原始信号，与前一实施方式比较，本实施方式适用于IQ分量不平衡的情况下，即先对已提取的所述每个符号的同相分量和正交分量进行正交化处理，以消除IQ不平衡问题，然后再对正交化处理后的每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决。
本方明上述实施例提供的一种相干检测方法及装置，应用于接收端，其通过相位调制本振光信号，避免了相位分集的零差检测，只需要一对平衡探测器便可以得到信号的IQ分量，降低了系统设备成本，同时采用强度调制光信号，避免后续的载波恢复算法，降低了系统复杂度。
本申请实施例还提供了一种相干检测方法，所述可以方法包括：发射端对原始信号进行强度调制，得到强度调制光信号；接收端对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，并将所述相位调制本振光信号与所述发射端传输的所述强度调制光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。其中，发射端通过对原始信息进行偏压以及幅度调节，得到可使接收端通过信号模值判决信号的强度调制光信号。接收端的处理步骤与图1实施例相同，在此不再赘述。
相应地，本方明实施例还提供了一种上述相干检测方法的相干检测系统，所述系统包括发射端和接收端，其中：所述发射端，被设置成对原始信号进行强度调制，得到强度调制光信号；所述接收端，包括前述的相干检测装置，在此不再赘述。
本申请上述实施例提供的一种相干检测方法及系统，其通过相位调制本振光信号，避免了相位分集的使用，只需要一对平衡探测器便可以得到信号的I分量和Q分量，降低了系统设备成本，同时采用强度调制光信号，避免后续的载波恢复算法，降低了系统复杂度。
下面结合图1、图5a-图13，对本申请进行详细说明。
图5a是本申请实施例提供的一种相干检测系统的第一示意性框图，如图5a所示，本实施例提供的基于相位调制本振光的相干检测系统包括：一个电吸收光调制激光器(或称电吸收光调制器，强度调制器，Electroabsorption Modulated distributed feedback Laser，EML)、一个分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)，脉冲信号生成器、平衡探测器(或称平衡接收机，Blanced Photodiode，BPD)、偏振控制器(Polarization Controller，PC)、相位调制器(Phase Modulator，PM)、可调电延时线(τ)、模数转换器(ADC)、数字信号接收模块(相当于前述数字信号接收器)、单模光纤(Single Mode Optical Fiber，SSMF)、可调光衰减器(或称光衰减器，Variable Optical Attenuator，VOA)，光耦合器(Optical Coupler， OC)。
在发射端，脉冲信号生成器产生四电平脉冲幅度调制(4Pulse Amplitude Modulation，PAM4)脉冲信号，由该信号驱动电吸收光调制器进行强度调制，强度调制后输出的光波信号由单模光纤传输或者背靠背(Back to back，B2B)传输。
在接收端，单模光纤中的光波信号先输入给光衰减器进行接收光功率的调整，经过偏振控制器调整偏振态之后与本振光信号进行混合。本振光信号是由一个分布式反馈激光器产生光波信号后经过相位调制器之后得到，可调电延时线用以控制对本振光的相位调制。混合后的光信号输入至平衡接收机进行光电探测，得到的电信号在模数转换之后进行数字接收以及后续的信号处理。
下面采用光通信仿真软件对本实施例的采用PAM4调制格式的相位调制本振光的零差检测系统进行验证。仿真中采用的电吸收光调制激光器的中心波长为1550nm，线宽为1MHz，采用的分布式反馈激光器的中心波长为1550nm，线宽为1MHz。其中，电吸收光调制器的中心波长可调谐用以模拟信号光与本振光之间的频率偏移。
在发射端，由伪随机序列生成器产生二进制序列，经过比特映射后由脉冲信号生成器产生PAM4信号，其速率为50Gbit/s，波特率为25Gbaud。所述的PAM4信号驱动电吸收光调制器产生强度调制的光波信号(即强度调制光信号)，电光调制之后进行背靠背传输。PAM4信号的比特映射星座图如图6所示，通过调节强度调制器的偏压以及脉冲信号幅度可以得到如图6中的PAM4信号。在这种情况下，即使存在较大的相位噪声，造成了接收信号星座图的旋转，其星座图呈现出四个环形，依然可以通过信号的模值对信号进行判决，从而可以避免使用载波恢复算法。
在接收端，信号首先经过可调光衰减器调整接收光功率并且通过偏振控制器调节其偏振态与本振光的偏振态保持一致，之后输入至耦合比为50％的光耦合器与本振光进行混合。然后采用带宽为50GHz、灵敏度为1A/W的平衡探测器对混合后的光信号进行光电转换。
其中，所述本振光是由分布式反馈激光器生成光波信号后经过相位调制得到的，相位调制器由频率为25GHz的二进制脉冲信号驱动，使得脉冲信号的两个电平分别对应0°相位调制以及90°相位调制。在本振光调制相位为90°期间，平衡探测器对应输出信号的同相分量，而其调制相位为0°时，平衡探测器对应输出信号的正交分量。
在一个实施方式中，接收端对本振光的具体相位调制方式可以如图7所示，即理想情况下，本振光的相位调制的调制频率与信号的符号速率相同，并且与接收符号呈现出交错的形式，具体地，在每个符号周期的中间时刻改变本振光的调制相位。这样，平衡探测器就会依照图中IQQI的顺序输出每个符号的同相分量以及正交分量，按这一顺序接收信号即可恢复得到完整的每个符号。可调电延时线的使用则是为了确保本振光的相位调制与接收符号正好错开半个符号周期。
采用数字储存示波器对平衡探测器输出的信号进行接收，即模数转换(ADC)，示波器的采样率设置为信号符号速率的两倍，为50Gsample/s。由于接收到的信号包含了每个符号的同相分量I与正交分量Q，因此需要以特定的顺序来提取串行信号数据中的该两个分量。信号的IQ分量接收顺序如图7所示，以接收到的三个符号为例，本振光90°相位调制期间对应了第1、3个符号的前半周期与第2个符号的后半周期，0°相位调制期间对应了第1、3个符号的后半周期与第2个符号的前半周期。因此，应该以IQQIIQ的顺序提取这3个符号各自的 同相分量与正交分量。同理，最后的输出信号为IQQI反复出现的形式，按该顺序提取每个符号的两个分量。
在另一实施方式中，接收端对本振光的具体相位调制方式可以如图8所示，也能够达到与前述实施方式同样的效果。具体地，该方式要求每个符号周期对本振光的调制相位改变两次，即本振光相位调制的频率为信号符号速率的两倍(在前述实施方式中两者的速率相同)，为50GHz。此时，对应每个符号周期，前半周期，平衡探测器会输出该符号的同相分量，后半周期，平衡探测器会输出正交分量。在后续数字接收时须按照IQIQ的顺序进行同相和正交分量的提取。
图5b是本申请实施例提供的一种相干检测系统的第二示意性框图，如图5b所示，采用偏振分集接收方式代替图5a所示的偏振控制器的使用，具体地说，第一偏振分束器将相位调制本振光信号分为两个偏振态正交的相位调制本振光信号，第二偏振分束器将所述发射端传输的所述强度调制光信号分为两个偏振态正交的强度调制光信号，从而得到两组偏振态一致的强度调制光信号和相位调制本振光信号，即本实施例在偏振分集的情况下，不再需要通过偏振控制器调节信号的偏振态，而是使用偏振分束器(PBS)将信号分为两个正交偏振态，分别与两个偏振态的相位调制后的本振信号进行光混合然后进行探测。后续数字信号处理过程中需要额外进行偏振解复用恢复出单偏振态信号，其余算法与单偏振态接收一致，可以达到与图5a的实施方式相同的效果。
本申请实施例是一种无源接入网场景下的低成本相干检测技术，其基于相位调制本振光进行相干检测，采用的本振光激光器的频率与发送端信号光激光器频率一致，因此仍处于零差检测的范畴，与传统的本振光形式相比，本申请实施例通过对本振光进行相位调制代替相位分集，与传统的相位分集零差检测系统相比，本申请实施例只需要一对平衡探测器便可解调出信号，并且无需使用90°光混合器，使得设备上的成本大大降低。
进一步地，由于每个符号的同相分量与正交分量是由相邻的两个采样得到的，因此收发端激光器的频率偏差将会导致信号IQ分量不平衡的问题。
由于激光器频率偏移造成的符号IQ分量的不平衡可由下式表示：
I n＝Acos(φ+2π2nΔfT)
Q n＝Asin(φ+2π(2n+1)ΔfT)
该式为第n个接收符号的IQ分量，A为信号强度，T表示采样时刻，φ表示相位噪声，后一项为由于频率偏移Δf导致的累计相偏。同一符号的I和Q分量之间存在的相位偏移即为2πΔfT。
使用施密特正交化算法对该IQ不平衡现象进行消除。经测量，当存在-5至5.5GHz的频率偏移时，将产生3db的功率补偿。因此，在实施例的频偏容忍度大致为±Rs/5，Rs表示符号率。
图9是本申请实施例提供的信号处理过程示意图，如图9所示，后续数字信号处理过程可以包括：在提取出每个符号的同相分量以及正交分量之后，对信号做正交化处理消除IQ不平衡，并且直接取模判决恢复出原始信号，最后计算误码率。
需要说明的是，传统的相位分集接收的零差系统，如图1所示，其最终输出的两路信号可以表示为：
Figure PCTCN2021136544-appb-000001
Figure PCTCN2021136544-appb-000002
上两式中的同相分量和正交分量共同决定了最终的信号：
Figure PCTCN2021136544-appb-000003
式中，R表示光电二极管的响应度，P s表示信号功率，P LO表示本振光功率，θ s表示信号自身的调制相位，θ n代表相位噪声。
相位噪声主要是由收发端的激光源的频率偏差以及线宽导致的，是不可避免的，它会使接收信号的星座图发生旋转。强度调制格式的信号在进行相干接收时，其强度与相位都会被检测出来，该信号可以表示为下式：
Figure PCTCN2021136544-appb-000004
由于强度信号并不存在自身的调制相位，因此，接收信号的相位只存在由于频偏与相位噪声导致的相偏
Figure PCTCN2021136544-appb-000005
在理想情况下，相偏为0°时，该信号只有在同相分量上才有值。而当存在相偏的情况下，信号的相位将发生旋转，即信号在同相分量I与正交分量Q上都有值，最终表现出来的就是信号星座图的旋转。
本申请实施例在发射端采用强度调制格式的信号后，接收端在得到信号的同相分量以及正交分量之后计算模值即可对信号进行判决解调，无需额外的载波恢复算法，使得数字域上的复杂度降低。
以接收光功率为-20dbm，本振光与信号光之间不存在频偏为例，图10a为接收信号的星座图，由于存在相位噪声，信号星座图已经旋转成了四个环形。图10b为信号的模值图，从图10b中可以清楚地分辨出四个电平，此时对其直接进行PAM4信号的判决可以得到较低的误码率。
以接收光功率为-20dbm，本振光与信号光存在5GHz频偏为例，图11a为存在IQ分量不平衡影响时的信号星座图，由于使用IQQI的顺序来接收信号，IQ与QI顺序对应的符号同相分量与正交分量之间的相位失配角是反向的，因此就产生了图11a中两种IQ分量不平衡叠加在一起的星座图。在使用正交化算法消除由于频偏造成的IQ分量不平衡之后，星座图恢复成如图11b所示的四个环，最后得到的如图11c所示的PAM4信号模值图依旧可以用肉眼清晰地分辨出四个电平，此时的误码率仍是较低的。
以接收光功率为-25dbm，本振光与信号光不存在频偏为例，如图12a和图12b所示，与图11a和图11b相似，此时光信噪比较低，接收信号的模值图依然呈现四个电平，但是已经出现少量的重叠部分，此时对其进行判决的误码率较高。
以接收光功率为-25dbm，本振光与信号光存在5GHz频偏为例，如图13a、图13b、图13c所示，与图11a和图11b相似，这种情况下得到的PAM4信号的模值图四个电平的重叠部分要明显多于不存在频偏的情况。为了解决频偏带来的IQ分量不平衡问题，正交化算法的使用会在一定程度上导致误码率的提升。
本申请实施例具有以下技术效果：
1、本申请实施例的接收端通过对本振光进行相位调制来代替相位分集，相较于传统的相 位分集零差检测方案，节省了一半的接收机硬件开销，降低了成本；
2、本申请实施例的后续的数字信号处理过程不需要额外的载波恢复算法，并且采用正交化算法解决额外造成的IQ分量不平衡问题，复杂度较低，易于实现。
本发明实施例提供的一种相干检测方法、装置及系统，其通过相位调制本振光信号，避免了相位分集的使用，只需要一对平衡探测器便可以得到信号的I分量和Q分量，降低了系统设备成本，同时采用强度调制光信号，避免后续的载波恢复算法，降低了系统复杂度。
以上参照附图说明了本申请的一些实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (16)

  1. 一种相干检测方法，包括：
    接收发射端传输的强度调制光信号，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的；
    对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号；
    将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
  2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号包括：
    在每个符号周期内对所述本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率与所述强度调制光信号的符号速率一致；或
    在每个符号周期内对所述本振光信号分别进行两次相位调制，依次得到两个相位不同的相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率是所述强度调制光信号的符号速率的二倍。
  3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述接收发射端传输的强度调制光信号包括：
    利用偏振控制器，对所述发射端传输的所述强度调制光信号的偏振态进行调节，使所述强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号的偏振态一致。
  4. 根据权利要求2所述方法，其中，所述方法还包括：
    利用第一偏振分束器，将所述相位调制本振光信号分为两个偏振态正交的相位调制本振光信号；
    相应地，所述接收发射端传输的强度调制光信号包括：
    利用第二偏振分束器，将所述发射端传输的所述强度调制光信号分为两个偏振态正交的强度调制光信号，以得到两组偏振态一致的强度调制光信号和相位调制本振光信号。
  5. 根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号包括：
    将偏振态一致的所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合；
    对混合后的光信号进行光电探测，得到包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号；
    对所述包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号进行模数转换；
    对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信号进行判决解调，以恢复出原始信号。
  6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信号进行判决解调，以恢复出原始信号包括：
    提取每个符号的同相分量和正交分量；
    对每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决，恢复出原始信号。
  7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述方法还包括：
    在对每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决前，对已提取的所述每个符号的同相分量和正交分量进行正交化处理，以便对正交化处理后的每个符号的同相分量和正交分量进 行取模判决。
  8. 一种相干检测方法，包括：
    发射端对原始信号进行强度调制，得到强度调制光信号；
    接收端对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，并将所述相位调制本振光信号与所述发射端传输的所述强度调制光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
  9. 一种相干检测装置，包括：
    信号接收模块，被设置成接收发射端传输的强度调制光信号，其中，所述强度调制光信号是所述发射端对原始信号进行强度调制而得到的；
    相位调制模块，被设置成对本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号；
    信号恢复模块，被设置成将所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合后依次进行光电探测、模数转换和数字信号接收处理，以恢复出原始信号。
  10. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述相位调制模块包括：
    可调电延时线，被设置成对所述本振光信号的相位调制进行控制；
    相位调制器，被设置成在可调电延时线的控制下，在每个符号周期内对所述本振光信号进行相位调制，得到相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率与所述强度调制光信号的符号速率一致；或在每个符号周期内对所述本振光信号分别进行两次相位调制，依次得到两个相位不同的相位调制本振光信号，其中，所述相位调制本振光信号的调制频率是所述强度调制光信号的符号速率的二倍。
  11. 根据权利要求10所述的装置，其中，所述信号接收模块包括：
    偏振控制器，被设置成对所述发射端传输的所述强度调制光信号的偏振态进行调节，使所述强度调制光信号的偏振态与所述相位调制本振光信号的偏振态一致。
  12. 根据权利要求10所述的装置，其中，所述装置还包括：
    第一偏振分束器，被设置成将所述相位调制本振光信号分为两个偏振态正交的相位调制本振光信号；
    相应地，所述信号接收模块包括：
    第二偏振分束器，将所述发射端传输的所述强度调制光信号分为两个偏振态正交的强度调制光信号，以得到两组偏振态一致的强度调制光信号和相位调制本振光信号。
  13. 根据权利要求11或12所述的装置，其中，所述信号恢复模块包括：
    光耦合器，被设置成将偏振态一致的所述强度调制光信号和所述相位调制本振光信号进行混合；
    平衡探测器，被设置成对混合后的光信号进行光电探测，得到包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号；
    模数转换器，被设置成对所述包含每个符号的同相分量和正交分量的电信号进行模数转换；
    数字信号接收器，被设置成对模数转换后的包含每个符号的同相分量和正交分量的数字信号进行判决解调，以恢复出原始信号。
  14. 根据权利要求13所述的装置，其中，所述数字信号接收器，被设置成提取每个符号的同相分量和正交分量，并对每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决，恢复出原始信 号。
  15. 根据权利要求14所述的装置，其中，所述数字信号接收器，还被设置成在对每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决前，对已提取的所述每个符号的同相分量和正交分量进行正交化处理，以便对正交化处理后的每个符号的同相分量和正交分量进行取模判决。
  16. 一种相干检测系统，包括发射端和接收端，其中：
    所述发射端，被设置成对原始信号进行强度调制，得到强度调制光信号；
    所述接收端，包括权利要求9-15任意一项所述的相干检测装置。
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LI YUN, LI ZHENGXUAN; HUANG XINGANG; YANG BO; ZHONG YIMING; MA ZHUANG; SONG YINGXIONG: "Coherent Detection System Based on Phase-Modulated Local Oscillator", ACTA OPTICA SINICA, SHANGHAI KEXUE JISHU CHUBANSHE , SHANGHAI, CN, vol. 41, no. 20, 1 October 2021 (2021-10-01), CN , pages 15 (200601 - 23 (200601-9), XP055960579, ISSN: 0253-2239, DOI: 10.3788/AOS202141.2006001 *

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