一种偏振分集的光外差相干接收方法及系统

摘要

本发明公开了一种偏振分集的光外差相干接收方法及系统。本系统的接收端包括：偏振分集外差接收机模块，用于对偏振复用信号光分束，得到X单偏振信号和Y单偏振信号；对本振光进行分束，得到两束本振光；然后将一束本振光与X单偏振信号合束并对合束后的信号进行功率检测得到X单偏振信号的电信号，将另一束本振光与Y单偏振信号合束并对合束后的信号进行功率检测得到Y单偏振信号的电信号；连接偏振分集外差接收机模块的信号‑信号拍频干扰补偿模块，连接信号‑信号拍频干扰补偿模块的下变频模块，连接下变频模块的奈奎斯特滤波模块；联合均衡模块，用于均衡两个偏振的光信号，然后输出解调信号。本发明结构简单且在误码率性能上接近平衡探测。

说明书

技术领域

本发明属于光通信领域，涉及一种基于光外差相干接收的方法及系统，尤其涉及一种基于奈奎斯特匹配滤波的接收端解调方法，以及相应的接收机结构和系统。

背景技术

相干光通信系统具有灵敏度高、传输距离长的优势，是中长距离光纤通信传输系统的重要解决方案。相干光通信系统可以分为零差检测和外差检测两种。零差检测系统将本地振荡光的频率设置为与信号光载波的频率相同，外差检测系统的本地振荡光频率与信号光载波频率有一个频率偏移。

目前光通信系统中常见的相干接收机包括光耦合器，偏振控制分束器，混频器和光探测器。零差相干接收机已经在多篇文献和专利中有所阐述。对于每一偏振信号，通常需要一个光混频器和两个平衡光探测器以实现信号的同相、正交两路接收解调。可以看到，这样的结构会使得系统器件较多，尺寸相对较大，成本相对较高。这也是正是本发明要改进和创新的地方。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种偏振分集的外差接收机方案，以及实现该方法的结构及系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于奈奎斯特滤波的偏振复用调制方式，包括以下步骤：

第一步：根据系统各器件的带宽决定调制信号的波特率；

第二步：光源出来的光通过50:50的耦合器分成两路，分别调制X和Y偏振信号，主要内容包括二进制序列到星座图符号的映射，加入帧前导序列以及奈奎斯特成型滤波，再经过偏振合束器合为一路，形成偏振复用的光调制信号(即图1输入接收机的偏振复用信号光)；

第三步：在接收端接收偏振复用信号光。将本振光调节到合适的频率(一般要求：1)稍大于信号波特率的一半，保证信号光全在本振光的一侧；2)小于接收机光电探测器带宽减去信号波特率的一半，保证信号光转化成电信号后不超出光电探测器带宽)，利用光分束器对本振光进行分束，利用偏振分束器对信号光进行分束，然后使用光耦合器(只要被耦合的两束光保持相同偏振方向进行合束就可以，可以是光合束器(如图4)，也可以是1×2MMI干涉器(如图5))实现本振光与信号光的合束，形成偏振分集的光外差接收方案。

进一步地，发射端的信号在偏振合束器前进行预处理，包括调制器非线性预补偿、色散预补偿或者光纤克尔非线性预补偿。

进一步地，对于接收端信号在数字信号处理(DSP)中利用迭代算法消除单端光电探测器(PD)平方律检测产生的信号-信号拍频损伤。

一种实现上述方法的光外差相干接收系统，包括发射端和接收端，

所述发射端包括：

发射端奈奎斯特滤波模块，用于在保证接收端没有码间串扰(ISI)的情况下压缩频谱至接近方形，提高频谱利用率；(发端和收端使用一对相同的滤波器，可以获得最大的信噪比。在此基础上奈奎斯特滤波可以保证没有ISI的情况下频谱压缩至方形)。

所述接收端包括：

光滤波器模块，用于移除不需要的带外信息；

偏振分集外差接收机模块。用于将偏振复用的信号光分离成X、Y两个单偏振的信号光，然后通过单端光电探测器分别转化成两路电信号。具体包含如下六个模块：

信号光耦合模块，连接光滤波器模块，用以实现信号光从传输光纤到接收系统的耦合；

偏振分束模块，连接信号光耦合模块，用以实现信号光的偏振分束；

本振光耦合模块，用以实现本振光从激光器到接收系统的耦合；

光分束器模块，连接本振光耦合模块，用以实现本振光均匀地分束；

光合束器模块，连接偏振分束模块以及光分束器模块，用以实现信号光和本振光的合束；

单端光探测器模块，连接光合束器模块，用以实现对合束后的光功率检测；

信号-信号拍频干扰补偿模块，连接单端光探测器模块，用于补偿信号-信号拍频干扰(SSBI)；

下变频模块，连接信号-信号拍频干扰补偿模块，用于将光电探测器(PD)接收的电信号变频为基带信号；

接收端奈奎斯特滤波模块，连接下变频模块，用于消除码间串扰(ISI)，提升信噪比。

联合均衡模块，用于同时均衡两个偏振的光信号，然后输出解调。

进一步地，还包括：

发射端调制模块，用于对原始二进制序列进行调制格式(例如正交幅度相位调制(QAM)格式)映射，并插入同步系列和训练序列作为帧结构前导序列。

发射端预处理模块，用于对发射端信号进行预处理，然后发送至通信信道。

接收端解调模块，用于对接收端匹配滤波后序列进行最佳采样点优化、X-Y偏振2×2联合信道均衡，并判决解调回二进制序列。

进一步地，所述前端数据处理模块进行的预处理包括：调制器非线性补偿、色散预补偿、光纤克尔非线性补偿。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明所述方法在外差相干检测的情形下，结合迭代消除信号-信号拍频干扰补偿算法，提出基于单端光电探测器的外差相干接收机结构与算法，实现偏振复用信号的接收。和具有平衡光探测器的传统相干光接收机比较，本发明利用单端光探测器，具有结构简单，尺寸小，成本低的特点，并且在误码率性能上可以接近于平衡探测。

附图说明

图1是本发明实施例的整体接收系统框图。

图2是本发明实施例的基于偏振分集外差相干接收的数字信号处理方法的流程图。

图3是数字信号处理方法模块中X-Y偏振联合均衡的流程细节。

图4是本发明实施例接收机部分的原理图。

图5是本发明实施例的接收机部分的一种实现方式——片上集成外差相干接收机示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。

图1是本实施例的整体接收系统框图，由接收机结构和后续的数字信号处理部分组成；具体细节详见图2、3、4、5。

下面结合本实施例的算法流程图2对技术方案的实施进行具体说明。

第一步：根据系统频率带宽确定发送的IQ信号的波特率；

第二步：在发射端进行滚降系数为α的奈奎斯特滤波，目的是将IQ信号频谱压缩成近似方形，一般α取0.01即可保证。

在发送至通信信道之前，一般要在频域上对信号进行色散预补偿：

S_pre(f)＝S(f)·exp(-β₂Lω²/2),

其中，S_pre(f)是预补偿之后频域数据，S(f)是预补偿前频域数据，β₂为群速度色散系数，L为光纤长度，ω为信号频域上各频点相对于本振光的角频率。

第三步：在接收端首先进行光滤波。滤除信号带宽外的噪声；接收到的偏振复用信号光经过偏振分束器或者二维光栅后分成两路X和Y单偏振信号；每一偏振的信号(X和Y单偏振信号)分别与本振混合，进入单端光探测器进行检测，得到X单偏振信号的电信号和Y单偏振信号的电信号；然后，在信号-信号拍频干扰补偿模块中，首先补偿单端光电探测器产生的信号-信号拍频干扰：

其中为干扰补偿后的信号，r_i(t)表示接收到的本振光和信号光拍频信号，λ是幅度因子取决于本振光和信号光功率比例，Hilbert(·)表示希尔伯特变换。这一过程可以多次迭代使性能逐步提升，一般4至6次之后基本稳定。由于该过程不涉及判决解调，因此计算复杂度很低。

然后，对得到的信号进行下变频：

然后，对下变频之后信号进行奈奎斯特匹配滤波。

最后，进行接收端解调，包括最佳采样点优化，X-Y偏振进行2×2联合信道均衡，补偿光纤信道的偏振模色散，以及收发端之间的偏振旋转，判决和解调。

图3是X-Y偏振联合信道均衡流程的示意图，X、Y两路偏振信号输入，经过2x2的多入多出(MIMO)联合均衡，得到补偿光纤信道的偏振模色散，以及收发端之间的偏振旋转后的X、Y偏振输出。其中MIMO部分主要由四个传递函数组成，分别是X到X、X到Y、Y到X、Y到Y的传递函数。

图4是接收机部分的原理示意图。信号光耦合到系统并进行偏振分束成光束一和光束二；本振光耦合到系统，经分束器分为两路，分别与信号光束一和光束二合束，进入光探测器检测，得到X单偏振信号的电信号和Y单偏振信号的电信号。

图5显示了接收机结构的一种实现方式——片上集成外差接收机的结构示意图。结构包括一个二维耦合光栅，一个一维耦合光栅，一个1×2多模干涉(MMI)分束器，两个2×2MMI干涉器，两个硅锗光探测器。偏振复用的信号光经过二维耦合光栅模块耦合到片上，同时实现相互正交的偏振方向的分离与转换，输出的两束光——X偏振信号与Y偏振信号都成为硅单模波导中的TE0模式；本振光经过一维耦合光栅耦合到片上，成为硅单模波导中的TE0模式；1×2MMI分束器模块连接一维耦合光栅，实现本振光50:50的均匀分束，分别与信号光束一、信号光束二进行合束；2×2MMI干涉器模块两个输入端口分别连接1×2MMI分束器模块和二维耦合光栅模块，实现信号光束一与本振光、信号光束二与本振光分别合束；最后，两个单端光探测器模块分别连接两束合束光，根据平方率检测输出电流信号，即X单偏振信号的电信号和Y单偏振信号的电信号，采集进入数字信号处理阶段。需要注意的是，每个2×2MMI干涉器拥有两个输出宽口，这两个端口具有等同的功能，只需要使用其中一路输出即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。