基于数字相干接收机的光通信系统及输出信号的处理方法

摘要

本发明公开了一种基于数字相干接收机的光通信系统，包括激光发射模块，其发射的激光通过光信号调制延时处理模块连接光信号滤波模块的信号输入端，滤波模块的信号输出端通过光纤链路连接光信号处理模块的信号输入端，光信号处理模块的信号输出端连接集成相干机接收模块的信号输入端，本地光信号产生模块的信号输出端连接集成相干机接收模块的本地信号输入端。本发明还提供了一种上述光通信系统的输出信号的处理方法。本发明结构简单、无需光时钟恢复，可以使用自由运行的异步脉冲本地振荡器，并且可以自动地进行偏振补偿和偏振模补偿，实现信号的高速传输，减小电子损失，同时保证采样信号的精确性。本发明适用于比特率为400Gbps的以太网系统上，采用带宽为20GHz，采样率为50GHz的光通信系统。

说明书

技术领域

本发明属于光通信领域，具体地说是一种基于数字相干接收机的光通信系统及输出信号的处理方法。

背景技术

目前，在光通信领域中，通常利用数字相干接收机作为光采集装置，借助于偏振复用和正交相移键控来恢复数字载波相位，以此用于减少电子的损失，从而实现以太网的高速传输。然而，由于科技不断发展，以太网的传输速率也在不断提高，目前的以太网传输的比特率达到了400Gdps，现有的数字相干接收机不能采用带宽20GHz，采样率为50GHz的电模拟—数字转换器（ADC）。为了解决上述的问题，研究人员提出通过增加每个输出符号的编码比特数来放宽对电模—数字转换器的要求，但是，该方法会显著降低光通信系统对放大自发辐射噪声和非线性损伤的抵制能力。

同时，在相干接收机中，接收的光时分复用信号通过使用脉冲本地振荡器来降低对ADC采样率的要求。为使得相干光多路复用与接收机上脉冲本地振荡器的接收信号精确一致，必须设置光时钟恢复，光时钟恢复的作用是接收由于色散和偏振模色散造成的信号失真，一旦这些色散过大，光时钟恢复就会失效，因此，这些损失必须在时钟恢复执行之前得到补偿。这样，数字相干接收机就无法体现能够缓解电子损失的优势。此外，现有的本地振荡器的脉冲重复率为10MHz，无法满足高速光信号的实时检测，尽管现在提出平行光的采样方法（即利用两个平行光采样的单位延时在它们的抽样瞬间来测量差分相移键控信号的差分相位图），但是，此时的本地振荡器的脉冲重复率仍然是10MHz，无法满足高速光信号的实时检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种基于数字相干接收机的光通信系统，该系统不需要光时钟恢复，且可以使用自由运行的异步本地振荡器，能够在高速长距离的光信号传输时有效减少电子损失；同时，本发明的另外一个目的，是提供一种基于该光通信系统的输出信号的处理方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

①     一种基于数字相干接收机的光通信系统

一种基于数字相干接收机的光通信系统，包括用于发出光的发射装置、用于接收发射器发出光的接收装置，所述发射装置通过光纤链路与接收装置无线连接；

所述发射装置包括激光发射模块、光信号调制延时处理模块、光信号滤波模块，其中激光发射模块发射的激光通过光信号调制延时处理模块连接光信号滤波模块的信号输入端；

所述光纤链路包括两个标准单模光纤、与标准单模光纤数量相等的掺饵光纤放大器。所述掺饵光纤放大器的信号输入端连接光信号滤波模块的信号输出端，相邻的两个掺饵光纤放大器之间连接有一个标准单模光纤。

所述接收装置包括用于对光纤链路传输来的光信号进行处理的光信号处理模块、本地光信号产生模块、以及集成相干机接收模块，所述光信号处理模块的信号输入端连接光纤链路的信号输出端，信号输出端连接集成相干机接收模块的信号输入端，本地光信号产生模块的信号输出端连接集成相干机接收模块的本地信号输入端。

作为对本发明的限定：它还包括对光信号进行显示处理的显示处理装置，所述显示处理装置的信号输入端连接集成相干机接收模块的信号输出端。

作为对本发明的另一种限定：所述激光发射模块采用外腔式激光器；

光信号调制延时处理模块包括电吸收调制器、IQ调制器以及光纤延时多路复用器，所述电吸收调制器的信号输入端接收外腔式激光器发射的光，信号输出端通过IQ调制器连接光纤延时多路复用器的信号输入端；

滤波模块采用光带通滤波器，所述光带通滤波器的信号输入端连接光纤延时多路复用器的信号输出端。

作为对本发明的进一步限定：所述光信号处理模块包括可变光衰减器、前置放大器、接收端光带通滤波器、以及接收端掺饵光纤放大器，所述可变光衰减器的信号输入端连接光纤链路的信号输出端，信号输出端依次通过前置放大器、接收端光带通滤波器连接掺饵光纤放大器的信号输入端；

本地光信号产生模块包括本地激光发射器、本地电吸收调制器、以及本地光带通滤波器，所述本地电吸收调制器的信号输入端接收本地激光发射器发出的光，信号输出端连接本地光带通滤波器的信号输入端；

集成相干机接收模块包括四个90°偏振混合装置，每个90°偏振混合装置的输出端分别通过四个探测器连接线性放大器的输入端。

作为对本发明的更进一步限定：所述显示处理装置包括数字荧光示波器、以及对信号进行脱机处理的脱机处理装置，所述数字荧光示波器的信号输入端连接线性放大器的信号输出端，信号输出端连接脱机处理装置。

② 种基于数字相干接收机的光通信系统输出信号的处理方法

本发明还提供了一种上述基于数字相干接收机的光通信系统输出信号的处理方法，包括以下步骤：

（1）对数字荧光示波器输出的信号进行光前端校正；

（2）补偿数字荧光示波器信道之间的时序偏移；

（3）   补偿数字荧光示波器获得样本的时间差。

作为对上述方法的限定：所述步骤(2)中包括以下步骤：

（21）内部色散补偿；

（22）本振时钟恢复；

（23）下采样；

（24）相位偏移补偿；

（25）交叉正交。

作为上述方法的另一种限定：所述步骤（3）中包括以下步骤：

（31）外部色散补偿；

（32）交叉正交；

（33）色散补偿；

（34）固定均衡滤波器；

（35）信号时钟恢复；

（36）频率偏移补偿；

（37）下采样；

（38）载波相位恢复；

（39）错误计数。

由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

（1）本发明通过发射装置中设置的光信号调制延时处理模块、滤波模块，以及接收装置中设置的光信号处理模块对光信号进行处理，可以克服电模拟—数字转换器对速度的限制，实现采样频率为112GHz；

（2）光纤链路中采用掺饵光纤放大器与标准单模光纤间隔设置的形式，令系统装置可以在超过610公里的标准单模光纤中，传输56GBd正交相移键控信号，且电子损失很小；

（3）传输32GBd单偏振信号和64GBd复用偏振QPSK信号，无需光色散补偿,且本系统可以自动地进行偏振补偿和偏振模补偿；

（4）本发明可以对信号进行后续处理，因此系统中无需光时钟恢复，并且可以使用自由运行的异步脉冲本地震荡器；

（5）本发明对相干接收机数据的处理采用脱机处理，可以对数据进行补偿、滤波处理，提高了系统的精度。

综上可见，本发明结构简单、无需光时钟恢复，可以使用自由运行的异步脉冲本地振荡器，并且可以自动地进行偏振补偿和偏振模补偿，实现信号的高速传输，而减小电子损失，保证采样信号的精确性。

本发明适用于比特率为400Gbps的以太网系统上，采用带宽为20GHz，采样率为50 GHz的光通信系统。

本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例中的结构示意图；

图2是本发明实施例的信号脱机处理的流程图。

图1中：1—发射装置，11—激光发射模块，12—光信号调制延时处理模块，13—滤波模块，2—光纤链路，21—掺饵光纤放大器，22—标准单模光纤，3—接收模块，31—光信号处理模块，32—本地信号产生模块，33—集成相干机接收模块， 4—显示处理装置,41—脱机处理装置。

具体实施方式

实施例  一种基于数字相干接收机的光通信系统及其输出信号的处理方法

一、一种基于数字相干接收机的光通信系统

图1所示为本实施例的基于数字相干接收机的光通信系统的结构示意图，包括：

①由激光发射模块11、光信号调制延时处理模块12、以及滤波模块13构成的发射装置1，其中激光发射模块11采用外腔式激光器ECL。

光信号调制延时处理模块包括电吸收调制器EAM、IQ调制器MOD、以及延迟多路复用器MUX，其中电吸收调制器EAM的信号输入端接收外腔式激光器ECL发出的光信号，信号输出端通过IQ调制器MOD连接光纤延迟多路复用器MUX的信号输入端。其中，IQ调制器MOD的调制信号的产生是通过两个超高频12100B 码型发生器BPG产生的长度为                                                的伪随机二进制序列实现，为了滤去不相关序列，BPG输出的反码约延迟1.4ns。

滤波模块采用接收端光带通滤波器U1。

②由七个掺饵光纤放大器21与七个标准单模光纤22构成的光纤链路2，其中，第一个掺饵光纤放大器21的输入端作为光纤链路的信号输入端连接发射装置中滤波模块13的信号输出端，输出端通过第一个标准单模光纤22连接第二个掺饵光纤放大器21的输入端，第二个掺饵光纤放大器21的输出端通过第二个标准单模光纤22连接第三个掺饵光纤放大器21的输入端，第三个掺饵光纤放大器21的输出端通过第三个标准单模光纤22连接第四个掺饵光纤放大器21的输入端，第四关掺饵光纤放大器21的输出端通过第四个标准单模光纤22连接第五个掺饵光纤放大器21的输入端，第五个掺饵光纤放大器21的输出端通过第五个标准单模光纤22连接第六个掺饵光纤放大器21的输入端，第六个掺饵光纤放大器21的输出端通过第六个标准单模光纤22连接第七个掺饵光纤放大器21的输入端，第七个掺饵光纤放大器21的输出端通过第七个标准单模光纤22输出信号。

③由光信号处理模块31、本地光信号产生模块32、集成相干机接收模块33构成的接收装置3。其中光信号处理模块31包括可变光衰减器VOA、前置放大器UA、接收端光带通滤波器U2、以及接收端掺饵光纤放大器EDFA1。其中可变光衰减器VOA的信号输入端连接光纤链路2的信号输出端，信号输出端通过前置放大器UA连接接收端光带通滤波器U2的信号输入端，接收端光带通滤波器U2的信号输出端连接接收端掺饵光纤放大器EDFA1的信号输入端。

本地光信号产生模块32包括本地激光发射器ECL1，本地电子吸收调制器EAM1、以及本地掺饵光纤放大器EDFA2，其中本地电子吸收调制器EAM1的信号输入端接收本地激光发射器ECL1发出的光，信号输出端连接本地掺饵光纤放大器的信号输入端。

集成相干机接收模块33采用集成相干机模块CPRV1010A模块，包括两个90°的偏振混合装置U3，每个90°偏振混合装置U3的输出端均通过探测器D1连接线性放大器U1A的信号输入端，线性放大器U1A的输出端作为集成相干接收机模块33的输出端。上述的集成相干接收机模块33的光采样率为60GHz，每个90°偏振混合装置U3连接有两个线性放大器U1A，且每个90°偏振混合装置与每个线性放大器U1A之间串接有两个探测器D1。

④由数字荧光示波器（DPO）DPO和脱机处理装置41构成的显示处理装置4，用于对集成相干接收机模块接收的信号进行显示，并进行脱机处理，其中数字荧光示波器（DPO）DOP的信号输入端连接集成相干接收机模块33的信号输出端，信号输出端连接脱机处理装置41的信号输入端。

作为对本实施例的扩展，可以将集成相干机接收模块33扩展为光采样率为112GHz的模块，这需要将两个CPRV1010A模块集成在一起，即包括四个90°偏振混合装置、八个线性放大器U1A、以及十六个探测器D1，其连接方式与本实施例相同，同时采用两个相应的数字荧光示波器（DPO）DPO。

具体工作时，外腔式激光器ECL发射激光，发射的激光信号首先经过接收端电吸收调制器EAM，其中外腔式激光器ECL的线宽为100KHz，可以发射1550nm的连续光波，而接收端的电吸收调制器EAM的脉冲的半最大值全宽约为10ps。光信号由接收端电吸收调制器EAM发出后进入到IQ调制器MOD进行调制，IQ调制器MOD采用FTM7960EX，由两个马赫—曾德尔调制器采用双驱推拉方式构成，采用电场的同相和正交分量独立调制，其调制信号的产生是通过两个超高频12100B码型发生器BPG产生的长度为的伪随机二进制序列实现的，为了滤去不相关序列，BPG输出的反码约延迟1.4ns。之后，光信号进入到光纤延迟多路复用器MUX内，光纤延迟多路复用器MUX可产生单偏振信号及和光信号交错的交替偏振信号。最后，光信号通过带宽为3dB、频率为70GHz的接收端光带通滤波器U1进行滤波后发射出去给光纤链路2.

光信号经过光纤链路2的传递到达接收装置3处，首先由可变光衰减器VOA接收光信号，并将光信号传递给前置放大器UA，由可变光衰减器VOA与前置放大器UA对光信号进行光信噪比的调整。调整之后的光信号由1nm接收端光带通滤波器U2进行滤波，然后经由接收端掺饵光纤放大器EDFA1进行放大后输出给集成相干机接收模块33。同时，本地光信号产生模块32中的本地激光发射器ECL1发出光，并通过本地电吸收调制器EAM1进行调制，然后经由本地掺饵光纤放大器EDFA2放大后传送给集成相干接收器模块33。集成相干接收器模块33将接收到的光信号传送给数字荧光示波器（DPO）DPO进行显示后，输送给脱机处理装置41进行信号的脱机处理。

上述过程中，集成相干接收机模块33如果采用的为64GHz的接收机模块，则传送来的光信号与本地产生的光信号会被3dB耦合器分为两支，其中，本地光信号的重复率为R_LO=32GHz，在低本地光信号中插入T_LO/2的延时，以确保时域中的等距抽样，然后再将所有分支信号传送给集成相干接收机模块33。

如果集成相干机接收模块33采用的为112GHz的接收机模块，则传送来的光信号和本地产生的光信号会被分为四个分支，其中，本地光信号的重复率为R_LO=28GHz，为了保证光信号的等距采样，在四个本地光信号的三个分支中分别加入0.5TLO,0.25TLO和0.75TLO的光延迟。由此构成四个延迟光采样器，其中每个采样率为28GHz，组合产生112GHz的采样率。这种情况下，两个数字荧光示波器（DPO）DPO用于2个集成相干接收机模块33的输出电压的电模数转换。本地掺饵光纤放大器EDFA2的输出功率调整为在90°混合光的输入端产生-7dBm的信号功率和3dBm的本地光信号功率。接收的光定好信号和本地光信号的偏振状态与手动的偏振控制器相匹配。

二、一种基于数字相干接收机的光通信系统的输出信号的处理方法

本实施例上述基于数字相干接收机的光通信系统的输出信号的处理方法如下：

图2所示的为信号脱机处理的流程图，本实施例采用TMSC3206455为核心的处理芯片实现高速数字信号的处理，同时采用FLASH存储器，来保证DSP芯片的脱机处理。该数字信号的处理方法，主要以采用频率为112GHz的集成相干接收机模块33为例，包括以下步骤：

（1）对数字荧光示波器（DPO）输出的信号进行光前端矫正：由于输入的信号包括有两个数字荧光示波器DPO获得的复杂样本I_n+jQ_n(n∈﹛1,2,3,4﹜)的四个序列，因此首先进行光前端矫正，本实施例采用格拉姆—施密特正交步骤来弥补任意90°混合光的正交失衡。

（2）补偿数字荧光示波器（DPO）信道之间的时序偏移：由于90°混合光供给光纤网络的相位不稳定，所以四个分支中光信号和本地光信号间的相对相位随时间偏移，本实施例采取一个智能相位跟踪算法和基于4个90°混合光和光电二极管的馈电网络的光子集成解决方案，并采用跟踪算法补偿单一相位偏移。同时本地光信号时钟恢复允许采样率为S_R=R_LO的缩减取样，该步骤将4路正交变换的信号I_n+jQ_n(n∈﹛1,2,3,4﹜)变换为两路输出I_DPOn+jQ_DPOn(n∈﹛1,2﹜)。具体包括以下步骤：

（21）内部色散补偿：叠加负色散数字信号，补偿内部光信号在光纤中传输导致的色散，降低数字信号传输的误码率；

（22）本振时钟恢复：采用数字锁相环技术从传输的数字信号中提取本振信号时钟，以保证数据接收端与信号输入端的信号时钟同步；

（23）下采样：采用高频率采样进行间隔几个样值取样一次，获得新序列，本地光信号时钟恢复允许采样率为S_R=R_LO，以提高输出信号的信噪比；

（24）相位偏移补偿：采用相位跟踪算法补偿信号在传输过程中产生的相位偏移，保证发送机和接收机间信号的相位同步，以提高接收精度；

（25）数据交叉正交：将4路正交的信号I_n+jQ_n(n∈﹛1,2,3,4﹜)变换为两路输出I_DPOn+jQ_DPOn(n∈﹛1,2﹜)

（3）补偿数字荧光示波器（DPO）获得样本的时间差：在弥补相位偏移后，由每个数字荧光示波器（DPO）DPO获取的样本在时域上交错，产生两个复杂样本序列：I_DPO1+jQ_DPO1（来自示波器1）和I_DPO2+jQ_DPO2（来自示波器2）。

由于示波器不能保证被足够精确地触发，也不能确保两个示波器精确地在同一时刻开始采集，因此，应采取额外的措施生成1路正交信号I+jQ并通过补偿及载波恢复技术获得最终的数据信号。

（31）外部色散补偿：叠加负色散数字信号，补偿外部光信号在光纤中传输导致的色散，降低数字信号传输的误码率；

（32）交叉正交：将2路正交信号I_DPOn+jQ_DPOn(n∈﹛1,2﹜)变换为1路正交信号I+jQ；

（33）色散补偿：对交叉存取后的数据采用色散补偿，以补偿数据交叉存取操作中的损失；

（34）固定均衡滤波器：对正交信号进行固定参数的均衡滤波，滤掉干扰信号及其他噪声信号，确保接收端有效信号；

（35）信号时钟恢复：采用数字锁相环技术从传输的数字信号中提取被传输信号的时钟，用来恢复被传输的有效信号；

（36）频率偏移补偿：采用频率锁定技术补偿信号在传输过程中产生的频差，保证发送机和接收机间信号的频率同步，以提高接收精度；；

（37）下采样：再次采用下采样技术获得新序列，光信号时钟恢复采样率为S_R=R_LO，以提高最终接收机信号的信噪比；

（38）载波相位恢复：采用检波技术恢复载波相位,确保接收端的精度；

（39）错误计数：对载波恢复过程中的错误进行计数，分析统计以保证接收端数据的有效性。

本实施例无需光时钟恢复，可以使用自由运行的异步脉冲本地震荡器，同时可以自动进行偏振补偿和偏振模补偿，并且实现信号的高速传送，而减少电子的损失。