正交双偏振差分四相相移键控发射与接收的方法及其系统

摘要

本发明涉及一种正交双偏振差分四相相移键控发射与接收的方法及其系统，系统包括发射装置和接收装置，其中，发射装置包括：连续激光器，所述的连续激光器连接有偏振分束器，所述的偏振分束器连接有DQPSK调制器，所述的DQPSK调制器连接有预编码器，输出端连接有可调谐光衰减器或偏振控制器；偏振控制器连接有偏振合束器。接收装置包括：DQPSK解调器，所述的DQPSK解调器连接有平衡探测器，所述的平衡探测器连接有判决电路。本发明的方法可以复用4路电信号，而接收端只需用一个解调器和两个平衡探测器就可以将两个正交偏振的DQPSK信号同时解调出来，与D8PSK及x-QAM系统相比，复杂度大大降低，并且元器件稳定性显著增强。

说明书

技术领域

本发明涉及数字通信领域，具体地说是一种正交双偏振差分四相相移键控发射与接收的方法及其系统。

背景技术

数字通信系统中用到多种调制方法，其中多相键移调制以其良好的频谱利用率和误码率性能受到重视，多相键移是将信息存储在发射信号相位中的调制格式，随着信息社会对于大容量通信迅速增长的需求，目前光纤通信界运营商都在将单信道10Gbit/s的系统升级到40Gbit/s系统，同时也在为升级到100Gbit/s甚至160Gbit/s系统积累技术。

目前达到100Gbit/s光传输系统的方法主要有波分复用技术、时分复用技术、偏分复用技术、符号复用技术等。其中单波长做到40Gbit/s直至100Gbit/s系统则普遍采用符号复用技术。常见的符号复用技术有：差分四相相移键控(DQPSK)、差分8相相移键控(D8PSK)、多级正交幅度调制(x-QAM)等。现有技术具有以下缺点：差分8相相移键控(D8PSK)、多级正交幅度调制(x-QAM)码型虽然能进行3路以上的电信号复用，但是发射和接收部分结构都超级复杂，而且某些特殊的元器件稳定性还不佳，如D8PSK解调器中用的π/8相移器很难做到精确稳定；复用器中用到的几个马赫-曾德尔调制器(MZM)也很难做到完全对称；再者D8PSK的解调系统用到4路马赫-曾德尔干涉仪光路、4个平衡探测器以及一个异或门电路，非常复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种正交双偏振差分四相相移键控发射与接收的方法及其系统，其不仅大大降低复杂度，并且能使元器件稳定性显著增强。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种正交双偏振差分四相相移键控发射与接收系统，包括发射装置和接收装置，其特征在于，所述的发射装置包括：用于输出连续光作为光载波的连续激光器；所述的连续激光器连接有用于将入射的连续光分成偏振态相互垂直的两束线偏振光的偏振分束器；所述的偏振分束器连接有第一DQPSK调制器、第二DQPSK调制器；所述的第一DQPSK调制器、第二DQPSK调制器的输入端连接预编码器；所述的第一DQPSK调制器的输出端连接第一偏振控制器；所述的第二DQPSK调制器的输出端连接可调谐光衰减器，所述的可调谐光衰减器的输出端连接第二偏振控制器；所述的第一偏振控制器、第二偏振控制器的输出端连接有偏振合束器。

所述的接收装置包括：DQPSK解调器，其与发射装置的输出端连接；平衡探测器，其与DQPSK解调器的输出端连接；判决电路，其与平衡探测器的输出端连接。

所述发射装置的第一DQPSK调制器包括：用以分别接收调制信号I_1k、Q_1k的两个马赫-曾德尔调制器，其连接有第一π/2相移器。

所述发射装置的第二DQPSK调制器包括：用以分别接收调制信号I_2k、Q_2k的两个马赫-曾德尔调制器，其连接有第二π/2相移器。

所述发射装置的偏振合束器的输出端还连接有马赫-曾德尔调制器。

所述接收装置的DQPSK解调器包括：耦合器，所述的耦合器连接第一马赫-曾德尔延迟干涉仪、第二马赫-曾德尔延迟干涉仪。

所述的第一马赫-曾德尔延迟干涉仪的上臂对应1个比特周期延迟，下臂对应π/4的相移；所述的第二马赫-曾德尔延迟干涉仪的上臂对应1个比特周期延迟，下臂对应-π/4的相移。

所述接收装置的平衡探测器包括：第一平衡探测器，其与第一马赫-曾德尔延迟干涉仪的输出端连接；第二平衡探测器，其与第二马赫-曾德尔延迟干涉仪的输出端连接。

所述的第一平衡探测器包括：两个光电探测器，用于分别接收来自第一马赫-曾德尔延迟干涉仪“加口”和“减口”的光信号，光电探测器的输出端连接一个减法器；所述的第二平衡探测器包括：两个光电探测器，用于分别接收来自第二马赫-曾德尔延迟干涉仪“加口”和“减口”的光信号，光电探测器的输出端连接一个减法器。

一种正交双偏振差分四相相移键控发射与接收方法，其特征在于，所述的发射步骤包括：连续激光器输出连续光作为光载波；经偏振分束器输入到上下两个DQPSK调制器上；预编码器输入端接收从信号发生器输出端输出的四路电压信号u_1k、v_1k、u_2k、v_2k，将其编码成为调制信号I_1k、Q_1k、I_2k、Q_2k；调制信号I_1k、Q_1k加载到第一DQPSK调制器，并由光输出端口输出到第一偏振控制器；调制信号I_2k、Q_2k加载到第二DQPSK调制器，并由光输出端口输出到可调谐光衰减器进行光功率调整，使第一支路和第二支路的DQPSK信号的功率之比满足2∶1，然后再输出到第二偏振控制器；从第一偏振控制器和第二偏振控制器输出的两束正交的偏振信号光经过偏振合束器进行耦合，得到正交双偏振非归零DQPSK信号；再经过一个马赫-曾德尔调制器调制得到正交双偏振归零(RZ)DQPSK信号。

所述的接收步骤包括：接收后的信号光经耦合器进入第一马赫-曾德尔延迟干涉仪和第二马赫-曾德尔延迟干涉仪进行DQPSK信号的解调；第一平衡探测器的两个输入端口分别接收来自第一马赫-曾德尔延迟干涉仪“加口”和“减口”的光信号，光电探测器将光信号转变为电流，两电流相减后输出电信号u；第二平衡探测器的两个输入端口分别接收米自第二马赫-曾德尔延迟干涉仪“加口”和“减口”的光信号，光电探测器将光信号转变为电流，两电流相减后输出电信号v；输出的电信号进入判决电路进行判决，最后得到传输后的数据。

所述的发射步骤根据预编码公式获取I_1k、Q_1k、I_2k、Q_2k调制信号：

$>I_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}$>

$>Q_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}\overline{I_{1,k-1}}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}}{I}_{1,k-1}+u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}$>

$>I_{2,k}=\overline{v_{1,k}{v}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\overline{u_{1,k}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+\overline{v_{1,k}}{v}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}+v_{1,k}\overline{v_{2,k}}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}$>

$>+v_{1,k}{v}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+u_{1,k}\overline{u_{2,k}}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+u_{1,k}{u}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}$>

$>Q_{2,k}=\overline{u_{1,k}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\overline{v_{1,k}{v}_{2,k}}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+\overline{v_{1,k}}{v}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+v_{1,k}\overline{v_{2,k}{I}_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}$>

$>+v_{1,k}{v}_{2,k}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}+u_{1,k}\overline{u_{2,k}}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}{+u}_{1,k}{u}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}$>或

$>I_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}$>

$>Q_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}\overline{I_{1,k-1}}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}}{I}_{1,k-1}+u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}$>

$>I_{2,k}=\left(\begin{array}{ccc}{v}_{1,k}& e& v_{2,k}\end{array}\right)\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+(u_{1,k}\oplus u_{2,k})I_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}$>

$>+\left(\begin{array}{ccc}{u}_{1,k}& e& u_{2,k}\end{array}\right)\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+(v_{1,k}\oplus v_{2,k})I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}$>

$>Q_{2,k}=\left(\begin{array}{ccc}{u}_{1,k}& e& u_{2,k}\end{array}\right)\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\left(\begin{array}{ccc}{v}_{1,k}& e& v_{2,k}\end{array}\right)I_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}$>

$>+(v_{1,k}\oplus v_{2,k})\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+(u_{1,k}\oplus u_{2,k})I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}.$>

所述的接收步骤中判决电路进行的判决方法为，从公式：

$>V_{\mathrm{DPol}-\mathrm{QPSK},\frac{\pi }{4}}\propto \left|I_{\mathrm{Desstructive}.\frac{\pi }{4}}\right|-\left|I_{\mathrm{Constructive}.\frac{\pi }{4}}\right|$>

$>=R\frac{2P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u1}\right)-\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u1}\right)]+R\frac{P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u2}\right)-\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u2}\right)]$>

$>V_{\mathrm{DPol}-\mathrm{QPSK},-\frac{\pi }{4}}\propto \left|I_{\mathrm{Desstructive}.-\frac{\pi }{4}}\right|-\left|I_{\mathrm{Constructive}.-\frac{\pi }{4}}\right|$>

$>=R\frac{2P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v1}\right)+\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v1}\right)]+R\frac{P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v2}\right)+\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v2}\right)]$>

其中R为光电二极管的响应度，P为入射信号总的光功率

得到四个不同幅度的相对电平-1，-1/3，1/3，1，不同的相对电平值对应不同的(u₁，u₂)及(v₁，v₂)的组合码，其中相对电平-1对应00，相对电平-1/3对应01，相对电平1/3对应11，相对电平1对应10。实现三个相对判决电平-2/3，0，2/3，当输出电平的相对值小于-2/3的相对电平时，判决输出为00；当输出电平的相对值大于-2/3而小于0时，判决输出为01；当输出电平的相对值大于0而小于2/3时，判决输出为11；当输出电平的相对值大于2/3，则判决输出为10，从而解调出四路电信号u₁、v₁、u₂、v₂。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

可以复用4路电信号，而接收端只需用一个解调器和两个平衡探测器就可以将两个正交偏振的DQPSK信号同时解调出来，与D8PSK及x-QAM系统相比，复杂度大大降低，并且能使元器件稳定性显著增强。

附图说明

图1为本发明的发射装置结构图；

图2为本发明的接收装置结构图；

图3为正交双偏振DQPSK信号星座图；

图4为正交双偏振DQPSK信号的频谱图；

图5为接收端正交双偏振DQPSK眼图

具体实施方式

如图1所示，本发明的发射装置的连续激光器输出的连续光作为光载波，经偏振分束器输入到上下两个DQPSK调制器上被调制；偏振分束器的作用是将入射的连续光分成偏振态相互垂直的两束线偏振光；每个DQPSK调制器由上下两个马赫-曾德尔调制器以及一个π/2相移器组成，其微波信号输入端接收预编码器输出的数据流，实现光域非归零DQPSK信号调制并由光输出端口输出到偏振控制器或可调谐光衰减器；可调谐光衰减器入光口接收来自下支路DQPSK调制器输出的调制后的光信号，调整输入信号的光功率，使上下支路的DQPSK信号的功率之比满足2∶1；偏振控制器用来控制入射到偏振合束器上的信号光的偏振态，保证入射到偏振合束器上的信号光的偏振态正交；偏振合束器的作用是把从上下支路两个偏振控制器输出的两束正交的偏振信号光耦合在一起，得到正交双偏振非归零(NRZ)DQPSK信号；若要得到正交双偏振归零(RZ)DQPSK信号，还要经过一个马赫-曾德尔调制器调制，给马赫-曾德尔调制器加不同的偏置电压及时钟信号，就可以得到不同占空比的正交双偏振RZ-DQPSK信号；预编码器输入端接收从信号发生器输出端输出的四路电压信号，并将四路电压信号u_1k、v_1k、u_2k、v_2k编码成为I_1k、Q_1k、I_2k、Q_2k调制信号，该预编码器的调制信号输出端分别连接上下两个DQPSK调制器的调制端，用作加载到上下两个DQPSK调制器的微波数据源；4路电信号u_1k、v_1k、u_2k、v_2k，经过预编码公式(1)或(2)变成为I_1k、Q_1k、I_2k、Q_2k调制信号，预编码公式为：

(1)预编码公式表示成与或非的形式：

$>I_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}$>

$>Q_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}\overline{I_{1,k-1}}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}}{I}_{1,k-1}+u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}$>

$>I_{2,k}=\overline{v_{1,k}{v}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\overline{u_{1,k}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+\overline{v_{1,k}}{v}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}+v_{1,k}\overline{v_{2,k}}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}$>(1)

$>+v_{1,k}{v}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+u_{1,k}\overline{u_{2,k}}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+u_{1,k}{u}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}$>

$>Q_{2,k}=\overline{u_{1,k}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\overline{v_{1,k}{v}_{2,k}}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+\overline{v_{1,k}}{v}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+v_{1,k}\overline{v_{2,k}{I}_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}$>

$>+v_{1,k}{v}_{2,k}{I}_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{u}_{2,k}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}+u_{1,k}\overline{u_{2,k}}{I}_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}{+u}_{1,k}{u}_{2,k}\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}$>

(2)预编码公式表示成同或和异或的形式：

$>I_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+u_{1,k}{v}_{1,k}{I}_{1,k-1}$>

$>Q_{1,k}=\overline{u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}}+\overline{u_{1,k}}{v}_{1,k}\overline{I_{1,k-1}}+u_{1,k}\overline{v_{1,k}}{I}_{1,k-1}+u_{1,k}{v}_{1,k}{Q}_{1,k-1}$>

$>I_{2,k}=\left(\begin{array}{ccc}{v}_{1,k}& e& v_{2,k}\end{array}\right)\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+(u_{1,k}\oplus u_{2,k})I_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}$>(2)

$>+\left(\begin{array}{ccc}{u}_{1,k}& e& u_{2,k}\end{array}\right)\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+(v_{1,k}\oplus v_{2,k})I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}$>

$>Q_{2,k}=\left(\begin{array}{ccc}{u}_{1,k}& e& u_{2,k}\end{array}\right)\overline{I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}}+\left(\begin{array}{ccc}{v}_{1,k}& e& v_{2,k}\end{array}\right)I_{2,k-1}\overline{Q_{2,k-1}}$>

$>+(v_{1,k}\oplus v_{2,k})\overline{I_{2,k-1}}{Q}_{2,k-1}+(u_{1,k}\oplus u_{2,k})I_{2,k-1}{Q}_{2,k-1}$>

如图2所示，本发明的接收装置由一个DQPSK解调器、两个平衡探测器及判决电路组成。传输后的信号光经耦合器进入两个马赫-曾德尔延迟干涉仪；马赫-曾德尔延迟干涉仪的上臂为1个比特周期延迟，下臂分别对应π/4和-π/4的相移，它用来实现DQPSK信号的解调；每个马赫-曾德尔延迟干涉仪的输出端与一个平衡探测器相连；平衡探测器由两个光电探测器和一个减法器组成，它的两个输入端口分别接收来自马赫-曾德尔延迟干涉仪“加口”和“减口”的光信号，光电探测器将光信号转变为电流，两电流相减后输出电信号；输出的电信号进入判决电路进行判决，最后得到传输后的数据。

参照图3至图5，本发明的DQPSK解调器实现两路正交DQPSK信号解调的原理在于：两路光信号偏振态正交，彼此之间不干涉，平衡探测器输出的电流是两正交偏振态电流的简单相加。由平衡探测器输入到判决电路①和②处的电平可以表示为：

$>V_{\mathrm{DPol}-\mathrm{QPSK},\frac{\pi }{4}}\propto \left|I_{\mathrm{Desstructive}.\frac{\pi }{4}}\right|-\left|I_{\mathrm{Constructive}.\frac{\pi }{4}}\right|$>

$>=R\frac{2P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u1}\right)-\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u1}\right)]+R\frac{P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u2}\right)-\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{u2}\right)]$>(3)

$>V_{\mathrm{DPol}-\mathrm{QPSK},-\frac{\pi }{4}}\propto \left|I_{\mathrm{Desstructive}.-\frac{\pi }{4}}\right|-\left|I_{\mathrm{Constructive}.-\frac{\pi }{4}}\right|$>

$>=R\frac{2P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v1}\right)+\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v1}\right)]+R\frac{P}{3}[\cos \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v2}\right)+\sin \left({\mathrm{\Delta \phi }}_{v2}\right)]$>

其中R为光电二极管的响应度，P为入射信号总的光功率。从公式(3)可以得到四个不同幅度的相对电平-1，-1/3，1/3，1，不同的相对电平值对应不同的(u₁，u₂)及(v₁，v₂)的组合码，其中相对电平-1对应00，相对电平-1/3对应01，相对电平1/3对应11，相对电平1对应10；而且这样的对应关系还符合格雷码的逻辑顺序，即相邻电平所对应的相邻码组之间只有一位不同；输出的相对电平与信号码流的对应关系如表1所示。由于输出是四个不同幅度的相对电平，要设计自适应的有三个判决电平的判决电路，从而解调出四路电信号u₁、v₁、u₂、v₂。此判决电路要有三个相对判决电平-2/3，0，2/3，当输出电平的相对值小于-2/3的相对电平时，判决输出为00；当输出电平的相对值大于-2/3而小于0时，判决输出为01；当输出电平的相对值大于0而小于2/3时，判决输出为11；当输出电平的相对值大于2/3，则判决输出为10。

表14个输出电平对应的信号码

u₁，u₂组合码或v₁，v₂组合码  输出电平  00  -1  01  -1/3  11  1/3  10  1

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。