基于超密集波分复用的多载波码分复用光传输系统和方法

摘要

本发明公开了一种基于超密集波分复用的多载波码分复用光传输系统和方法，系统包括依次相连的多载波光源生成部分、调制部分、复用部分、解复用部分、解调部分和信号处理部分，先利用单频光源产生出多载波光源；然后调制部分将各支路电信号调制到相应的光载波上；复用部分用于将调制好的各个光载波复用到光纤信道中；解复用部分用于将信号中的各个光载波分开进行信号恢复；解调部分用于将各支路信号解调；信号处理部分用于对解调后的信号进行补偿。本发明方法融合了码分复用技术、副载波调制与解调技术、波分复用与解复用技术、基于相干解调的副载波解调技术等。本发明提高了网络系统的通信容量，具有扩容简单和性能可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别涉及一种基于超密集波分复用的多载波码分 复用光传输系统和方法。

背景技术

在现代光传输系统中，为满足高清音频和视频等大容量数据传输的需求， 波分复用（WDM）这一方法得到了广泛应用，采用这一方法可以提高系统的频 谱利用率，实现更高的数据传输率。波分复用是指多个具有不同载波频率的光 信号在同一条光传输通道上传输，每一路光载波都可以看作是相互独立的传输 信道。在实际应用中，为了增加传输容量，波分复用的载波数量不断的提高， 随即出现了密集波分复用（DWDM）和超密集波分复用（UDWDM）。但随着载 波数量的增加，载波间的频率间隔和每一路载波的频带宽度也随之而变小。

随着波分复用技术应用的发展，需要用到更多数量的载波。一般产生多载 波的方法有：用超连续光谱光源和光频梳技术、基于级联的相位调制或者幅度 调制技术、基于环频移的单边带调制技术和利用多波长的掺铒光纤激光器产生 多载波技术。最近，利用超连续光谱光源和光频梳技术产生了5.4Tb/s的用于正 交频分复用的PDM-QPSK信号，但受超连续谱的光信噪比的限制，其传输距离 非常短；同时实现的还有利用级联的相位调制技术产生了1.2Tb/s的 PDM-RZ-QPSK DWDM光信号，但受限于相位调制器上射频信号，只能产生12 路副载波。而基于环频移的单边带副载波调制具有非常大的发展潜力。

码分复用（CDM）或码分多址（CDMA）技术是用一组包含互相正交的码 字的码组携带多路信号。采用同一波长的扩频序列，频谱资源利用率高，与WDM 结合，可以大大增加系统容量。频谱展宽是靠与信号本身无关的一种编码来完 成的。码分复用是一种共享信道的方法，每个用户可在同一时间使用同样的频 带进行通信，但使用的是基于码字的分割信道的方法，即每个用户分配一个地 址码，各个码型正交，通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。码分复 用技术主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。它不仅可以提高通信的 话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响，而且增大了通信系 统的容量。

相干检测系统是在接收端使用零差或外差相干检测技术和数字信号处理技 术恢复原始的数字信号。其优势在于接收机灵敏度与直接探测系统更高，另外， 使用相干检测技术可以有效的利用光纤带宽。

随着计算机和电子信息技术的飞速发展，数字信号处理（DSP）技术应运而 生并得到迅速的发展。数字化技术有今天的飞速发展，是依仗于强大的软、硬 件环境支撑。作为数字信号处理的一个实际任务就是要求能够快速、高效、实 时完成处理任务，这就要通过通用或专用的数字信号处理器来完成。在光通信 系统中，数字信号处理可以用于时钟恢复，色散管理，解码，偏振分离，频率 估计和相位恢复等。

因此，提供一种能够有效提高光纤信道的频谱利用率、提高传输效率的光 传输系统和方法，以满足大容量数据传输的需求具有极大的研究和应用价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于超密集 波分复用的多载波码分复用光传输系统，该系统能大大提高网络系统的通信容 量，有效地提高光纤信道的频谱利用率，提高传输效率，而且具有扩容简单、 性能可靠、可以方便直接地接入多种业务等诸多优点。本发明还提供了一种基 于上述系统的光传输方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：基于超密集波分复用的多载波码 分复用光传输系统，包括依次相连的多载波光源生成部分、调制部分、复用部 分、解复用部分、解调部分和信号处理部分，所述多载波光源生成部分是利用 单频光源产生出用于传输的多载波光源；调制部分用于将各支路电信号调制到 多载波光源生成部分所生成的相应的光载波上；复用部分用于将调制部分调制 好的各个光载波复用到一根光纤信道中；解复用部分用于将光纤传递来的信号 中的各个光载波分开，分别进行信号恢复；解调部分用于将解复用后的各支路 信号解调，以恢复信号；信号处理部分用于通过数字信号处理技术对解调后的 信号在光纤传输中的各种线性和非线性损伤进行补偿。

根据多载波生成方法的不同，多载波光源生成部分也具有不同的结构。其 中对于采用基于串联相位调制器的循环频移（RFS）产生多载波的方法，则多载 波光源生成部分包括形成一个回路的第一保偏光耦合器、第一相位调制器、第 二相位调制器、第二保偏光耦合器、第一移相器和掺铒光纤放大器 （Erbium-Doped FiberAmplifier，EDFA），激光器出射的光源经过第一保偏光耦 合器后依次输入到第一相位调制器和第二相位调制器中进行调制；一路调制电 信号通过第一信号放大器加载到第一相位调制器上，另一路调制电信号通过第 二移相器和第二信号放大器后加载到第二相位调制器上，调制完成后信号经过 第二保偏光耦合器，一路输出到第一移相器，然后经过掺铒光纤放大器后输入 到第一保偏光耦合器，另一路输出到滤波器，经滤波器滤波后得到多载波信号。

对于采用基于I/Q调制器的循环频移（RFS）产生多载波的方法，多载波光 源生成部分由耦合器、I/Q调制器、第一掺铒光纤放大器、滤波器、第二掺铒光 纤放大器和相位控制器闭环组成，所述耦合器输入端分别与相位控制器和激光 器连接，输出端分别与I/Q调制器和信号输出端连接，I/Q调制器被两路幅值相 同、相位相差90度的射频信号驱动。

所述调制部分可以采用光I/Q调制器或双电极调制器等。

所述复用部分使用光耦合器或阵列波导光栅（AWG）等器件可以完成。

优选的，所述复用部分还包括掺铒光纤放大器。用于在信号传输过程中对 信号进行放大以补偿传输过程中的损耗。

所述解复用部分为阵列波导光栅。用于将多载波信号分离出单路光信号。

所述相干解调部分可由本地光载波、内差相干接收机和DSP处理器组成。

一种基于上述基于超密集波分复用的多载波码分复用光传输系统的光传输 方法，包括以下步骤：

（1）利用单频光源产生密集的多载波光源；

（2）采用基于时域拓展码分复用和副载波调制的方法、或基于多载波码分 复用和副载波调制的方法对电信号进行传输前预调制；

（3）利用超密集波分复用技术将多路信号集中到一路光纤中进行传输；

（4）对于接收到的信号，用解复用技术恢复传输前预调制的电信号；

（5）根据步骤（2）所采用的调制方法，解调出副载波调制所携带的码分 复用信号，再通过解码分复用信号、滤波、相位均衡完成信源信号恢复。

作为一种优选方案，所述步骤（1）中，利用单频光源产生多载波光源的方 法具体为基于串联相位调制器的循环频移（RFS）产生多载波方法，该方法步骤 如下：激光器出射光信号，光信号经第一保偏耦合器耦合后依次进入第一相位 调制器和第二相位调制器，第一相位调制器和第二相位调制器上加载有不同相 位差的调制电信号，经调制后，信号经过第二保偏光耦合器输出到滤波器，经 滤波器滤波后得到多载波信号。

具体原理是：设LD激光器出射光信号E_c＝E_oexp(j2πf_ct)，其中：E_o为初 始光载波信号幅值。两个相位调制器看成完全一样，其光信号表达式可以表示 为：其中V_d是驱动信号，V_π是相位调制器半波长电压。 射频信号为f_s(t)＝RV_πsin(2πf_st)，其中：R是调制系数，表示射频信号与调制 半波电压V_π的比值；f_s为射频信号时钟频率。那么输出信号为：

E_out＝E_c exp(jπRsin(2πf_st))＝E₀exp(j2πf_ct)exp(jπRsin(2πf_st))；

用雅可比扩展式展开即可得到谐波形式的多载波表达式：

$E_{\mathrm{out}}\approx E_0{\Sigma }_{n=-m}^{+m}{J}_n\left(\mathrm{\pi R}\right)\exp \left[j2\pi (f_c+n{f}_s)t\right];$

其中：产生的副载波总数为2m+1，J_n(πR)为n阶第一类贝塞尔函数。所 产生的多载波信号经过耦合器输出到滤波器进行整形滤波后即可得到想要的多 载波信号。

作为一种优选方案，所述步骤（1）中，利用单频光源产生多载波光源的方 法具体为基于I/Q调制器的循环频移（RFS）产生多载波方法，该方法步骤如下： 激光光源发出光载波信号，光信号经耦合器耦合后进入I/Q调制器，I/Q调制器 被两路幅值相同，相位相差90度的射频信号驱动，所产生的多载波信号经过相 位控制、EDFA放大和滤波器整形滤波，即在耦合器输出端得到多载波信号。

具体原理是：设输入信号为E_in(t)＝Aexp(j2πf₀t)，其中：A为出射光信号幅 值，f₀为出射光信号频率；I/Q调制器被两路幅值相同，相位相差90度的射频信 号驱动，射频驱动信号分别为：f_I(t)＝V_PPsin(2πf_st)，f_Q(t)＝V_PPcos(2πf_st)， 其中：V_PP为射频信号峰峰值电压，f_s为射频信号时钟频率；单边带循环频移（RFS） 调制生成的频率信号为f₀,f₁……f_N，I/Q调制器的电信号输出为：$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=$$\frac{E_{\mathrm{in}}\left(t\right)}{2}\left[j\sin \left(\frac{\pi }{2}\frac{f_I\left(t\right)}{V_{\pi }}\right)+\sin \left(\frac{\pi }{2}\frac{f_Q\left(t\right)}{V_{\pi }}\right)\right],$用雅可比扩展式展开即可得到：

E_out(t)＝E_in(t)·[J₁(δ_m)exp(j2πf_st)-J₃(δ_m)exp(-j6πf_st)]exp(jφ_RT)+ E_in(t)·[J₅(δ_m)exp(j10πf_st)-…]exp(jφ_RT)；

其中，δ_m＝(πV_PP)/(2V_π)是相位调制深度，J_2k-1(δ_m)是第一类贝塞尔函数， φ_RT是光信号每行一圈的相位延迟。所产生的多载波信号经过相位控制、EDFA 放大和滤波器整形滤波，即可在耦合器输出端得到想要的多载波信号。

所述步骤（2）中，采用基于时域拓展码分复用和副载波调制的方法对电信 号进行传输前预调制的具体步骤是：对于第i个通道，1≤i≤n，对每个用户分 配相同长度、相互正交的扩频码（如伪随机码）作为其特征码，将每个用户发 送的数据用其分配的扩频码进行扩频调制，然后将所有用户调制后的信号叠加 到一个信道中；设每m个用户发送的信号占用一个信道，一共有r个信道，分 别用频率为f₁……f_r的基带信号对每一条信道进行调制，即将经过扩频调制的信 号进行频谱搬移，然后将经过调制后的r条信道的所有信号叠加到一条信道之中， 然后将得到的这条信道连接到电光调制器，将此信道内的复合信号调制到波长 为λ_i的光上。对于每个通道都可以传输r×m个用户发送的信息。

所述步骤（2）中，采用基于多载波码分复用和副载波调制的方法对电信号 进行传输前预调制的具体步骤是：

假定每个用户传输的信号被分为r个码元，共m个用户，每个码元用一个 开关控制来进行编码，因此一共需要r×m个开关；然后每个用户的相应每一路 开关控制信号经过同步和不进位相加，得到的每一路信号分别经过频率不同的 f₁~f_r的基带信号调制，最后相加到一起组成经过副载波调制的信号。

所述步骤（3）中，利用超密集波分复用技术将多路信号集中到一路光纤中 进行传输具体步骤是：

因为每个通道对应采用一个波长的光作为载波，所以共有n个波长的光经 过光复用器件合光之后进行传输。传输过程中用掺铒光纤放大器进行放大以补 偿传输过程中的信号损耗。

所述步骤（4）用解复用技术恢复传输前预调制的电信号具体是：先经过分 光器提取出共n路波长不同的光信号，对每一路信号进行相干解调；对于波长 为λ_i的光信号进入解调部分输入端，用偏振态相同的相干光对入射光进行相干解 调，输出光信号经过光电探测器即可获得传输前经过频谱扩展和副载波调制的 电信号。

采用上述基于时域拓展码分复用和副载波调制的方法对电信号进行传输前 预调制，则所述步骤（5）对应采用下面的方法进行解调：对于得到的经过频谱 扩展和副载波调制的电信号先进行时钟恢复，时钟同步后用频率为f₁~f_r的载波 与信号进行相干解调，再用每个用户对应的特征码进行解调，恢复出每个用户 所传输的原始数据，得到副载波调制所携带的码分复用信号，再通过解码分复 用信号、滤波、相位均衡完成信源信号恢复。

采用上述基于多载波码分复用和副载波调制的方法对电信号进行传输前预 调制，则所述步骤（5）对应采用下面的方法进行解调：对解调后得到的每一路 传输前经过频谱扩展和副载波调制的电信号，通过匹配滤波器后按照1相加、0 相减的原则进行合并，所得信号即为所有用户各位信号之和，当接收到所有用 户的信号后，经过时钟同步提取出每一路用户所发信号，然后通过滤波、相位 均衡完成信源信号恢复。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明融合了码分复用技术、副载波调制与解调技术、波分复用与解复用 技术、基于相干解调的副载波解调技术以及数字信号处理技术等，可以同时传 输多路用户数据，不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的 带宽，而且具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是可以方便直接地接入 多种业务，因此其应用前景十分光明。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

图2是本发明实施例1中多载波光源生成部分的结构示意图；

图3是本发明实施例1中调制部分的工作原理示意图；

图4是本发明实施例1中解调部分的工作原理示意图；

图5是本发明实施例1中解复用部分的工作原理示意图；

图6是本发明实施例1中数字信号处理部分的工作原理图；

图7是本发明实施例2中多载波光源生成部分的结构示意图；

图8是本发明实施例2中调制部分的工作原理示意图；

图9是本发明实施例2中解调部分的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例给出了一种基于超密集波分复用的多载波码分复用 光传输系统，包括依次相连的多载波光源生成部分、调制部分、复用部分、解 复用部分、解调部分和信号处理部分，所述多载波光源生成部分是利用单频光 源产生出用于传输的多载波光源；调制部分用于将各支路电信号调制到多载波 光源生成部分所生成的相应的光载波上；复用部分用于将调制部分调制好的各 个光载波复用到一根光纤信道中；解复用部分用于将光纤传递来的信号中的各 个光载波分开，分别进行信号恢复；解调部分用于将解复用后的各支路信号解 调，以恢复信号；信号处理部分用于通过数字信号处理技术对解调后的信号在 光纤传输中的各种线性和非线性损伤进行补偿。

本实施例中，多载波光源生成部分的结构如图2所示，包括形成一个回路 的第一保偏光耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第二保偏光耦合器、 第一移相器和掺铒光纤放大器，激光器出射的光源经过第一保偏光耦合器后依 次输入到第一相位调制器和第二相位调制器中进行调制；一路调制电信号通过 第一信号放大器加载到第一相位调制器上，另一路调制电信号通过第二移相器 和第二信号放大器后加载到第二相位调制器上，调制完成后信号经过第二保偏 光耦合器，一路输出到第一移相器，然后经过掺铒光纤放大器后输入到第一保 偏光耦合器，另一路输出到滤波器，经滤波器滤波后得到多载波信号。

本实施例中，调制部分可以采用光I/Q调制器或双电极调制器等。复用部分 使用光耦合器或阵列波导光栅等器件可以完成。传输过程中用掺铒光纤放大器 进行放大以补偿传输过程中的信号损耗。解复用部分为阵列波导光栅。相干解 调部分可由本地光载波、内差相干接收机和DSP处理器组成。

上述系统采用如下的光传输方法，包括以下步骤：

（1）利用单频光源产生密集的多载波光源；

（2）采用基于时域拓展码分复用和副载波调制的方法、或基于多载波码分 复用和副载波调制的方法对电信号进行传输前预调制；

（3）利用超密集波分复用技术将多路信号集中到一路光纤中进行传输；

（4）对于接收到的信号，用解复用技术恢复传输前预调制的电信号；

（5）根据步骤（2）所采用的调制方法，解调出副载波调制所携带的码分 复用信号，再通过解码分复用信号、滤波、相位均衡完成信源信号恢复。具体 描述如下。

本实施例采用如图3所示的基于时域拓展码分复用和副载波调制的方法对 电信号进行传输前预调制，具体步骤是：对于第i个通道，1≤i≤n，对每个用 户分配相同长度、相互正交的伪随机码作为其特征码，将每个用户发送的数据 用其分配的扩频码进行扩频调制，然后将所有用户调制后的信号叠加到一个信 道中；设每m个用户发送的信号占用一个信道，一共有r个信道，分别用频率 为f₁……f_r的基带信号对每一条信道进行调制，即将经过扩频调制的信号进行频 谱搬移，然后将经过调制后的r条信道的所有信号叠加到一条信道之中，然后将 得到的这条信道连接到电光调制器，将此信道内的复合信号调制到波长为λ_i的光 上。对于每个通道都可以传输r×m个用户发送的信息。

所述步骤（3）中，将多路信号集中到一路光纤中进行传输时，独立波长光 信号之间的波长间隔不超过25GHz。

所述步骤（4）用解复用技术恢复传输前预调制的电信号具体方法是：先经 过波分解复用器件提取出共n路波长不同的光信号，对每一路信号，用与信号 光频率相同的激光与之进行相干解调。例如，对于波长为λ_i的光信号进入解调部 分输入端，解调部分的原理如图4所示，用频率、偏振态都与该信号光相同的 相干光与入射信号光进行相干解调，输出光信号经过光电探测器即可获得传输 前经过频谱扩展和副载波调制的电信号。

所述步骤（5），图6所示，给出了在图1中数字信号处理部分内部进行的 操作，包括时钟恢复、解码、滤波、相位均衡、信号恢复等功能模块。具体是 先对光电探测器得到的电信号进行时钟恢复，然后再进行解码。其中，解码部 分原理图如图5所示，先将该电信号分成相同的n路信号，然后对每一路分别 用频率为f₁～f_r的载波与信号进行相干解调，再用每个用户对应的特征码进行解 调，即可恢复出每个用户所传输的原始数据，该解码过程中需要用到滤波器、 相位均衡等技术以降低恢复信号的误码率。上述功能均可通过数字信号处理硬 件与软件结合实现。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：本实施例基于超密集波分复用 的多载波码分复用光传输系统采用基于I/Q调制器的循环频移（RFS）产生多载 波的方法，如图7所示，多载波光源生成部分由耦合器、I/Q调制器、第一掺铒 光纤放大器、滤波器、第二掺铒光纤放大器和相位控制器闭环组成，所述耦合 器输入端分别与相位控制器和激光器连接，输出端分别与I/Q调制器和信号输出 端连接，I/Q调制器被两路幅值相同、相位相差90度的射频信号驱动。

在基于上述基于超密集波分复用的多载波码分复用光传输系统的光传输方 法中，采用基于多载波码分复用和副载波调制的方法对电信号进行传输前预调 制，如图8所示，具体步骤是：

假定每个用户传输的信号被分为r个码元，共m个用户，每个码元用一个 开关控制来进行编码，因此一共需要r×m个开关；然后每个用户的相应每一路 开关控制信号经过同步和不进位相加，得到的每一路信号分别经过频率不同的 f₁~f_r的基带信号调制，最后相加到一起组成经过副载波调制的信号。

本实施例中，数字信号处理部分内部进行的具体操作也如图6所示，即先 对光电探测器得到的电信号进行时钟恢复，然后再进行解码。其中，本实施例 中解码部分原理图如图9所示，对解调后得到的每一路传输前经过频谱扩展和 副载波调制的电信号，通过匹配滤波器后按照1相加、0相减的原则进行合并， 所得信号即为所有用户各位信号之和，当接收到所有用户的信号后，经过时钟 同步提取出每一路用户所发信号，然后通过滤波、相位均衡完成信源信号恢复， 该解码过程中需要用到滤波器、相位均衡等技术以降低恢复信号的误码率。数 字信号处理部分包括时钟恢复、解码、滤波、相位均衡、信号恢复等功能模块。 上述功能模块均可通过软件或数字信号处理硬件与软件结合实现。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。