CN105553529B - 一种少模光纤传输***及其数字信号恢复方法 - Google Patents

一种少模光纤传输***及其数字信号恢复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种少模光纤传输***及其数字信号恢复方法，涉及少模光纤正交频分复用***的信道均衡领域。该***发送端的每个偏振复用IQ调制器各配置有2个OFDM发生器；发送激光器通过分光器分别与每个偏振复用IQ调制器相连，每个偏振复用IQ调制器均与模式耦合器相连；接收端的接收激光器、模式分束器均分别与每个偏振相干接收机相连；每个偏振相干接收机的ADC组件均与数字信号处理芯片连接。本发明能够降低***发送端的复杂程度，提高***的频谱效率，不仅能够在不损失信号性能的情况下显著提高***的频谱效率；而且能够用较少的训练序列实现少模光纤传输中OFDM信号的恢复，训练序列不需要进行特殊的设计。

Description

一种少模光纤传输***及其数字信号恢复方法
技术领域
本发明涉及少模光纤正交频分复用***的信道均衡领域，具体涉及一种少模光纤传输***及其数字信号恢复方法。
背景技术
目前的少模光纤通信***一般基于单载波的调制格式，少模光纤通信***中很长的训练序列会被用来做信道估计；而且信道在时域被模拟成有限脉冲响应滤波器，滤波器的抽头数较多。相比于单载波调制格式，OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用)调制格式的信道均衡方式比较简单，只需要使用很少抽头数的滤波器；传统的少模光纤OFDM***中，信道恢复所需要的抽头数是N，其中N等于光纤通信***中独立传输的模式；恢复出来的OFDM信号通过传统的方式去进行相位补偿和误码率统计。
有鉴于此，OFDM调制格式的信道均衡方式仍旧需要很长的训练序列来进行信道估计，训练序列需要专门的设计来满足信道恢复的要求，参见图1所示，传统的训练序列的设计是相互关联的，并且有很多的0序列，这都极大降低了频谱的利用率；而且过多的0序列也会对信道估计的精度造成很大的影响。
因此，传统的少模光纤OFDM***不仅增加了少模光纤通信***的复杂程度，而且频谱效率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：降低***发送端的复杂程度，提高***的频谱效率。本发明不仅能够在不损失信号性能的情况下显著提高***的频谱效率；而且能够用较少的训练序列实现少模光纤传输中OFDM信号的恢复，训练序列不需要进行特殊的设计。
为达到以上目的，本发明提供的少模光纤传输***，包括发送端和接收端，发送端和接收端通过少模光纤相连，发送端包括发送激光器、分光器、模式耦合器、和至少2个偏振复用IQ调制器，每个偏振复用IQ调制器各配置有2个OFDM发生器；发送激光器通过分光器分别与每个偏振复用IQ调制器相连，每个偏振复用IQ调制器均与模式耦合器相连；
接收端包括接收激光器、模式分束器、数字信号处理芯片、以及与发送端的偏振复用IQ调制器数量相同的偏振相干接收机，接收激光器、模式分束器均分别与每个偏振相干接收机相连；每个偏振相干接收机各配置有1个ADC组件，所有ADC组件均与数字信号处理芯片连接；模式分束器通过少模光纤与模式耦合器相连。
在上述技术方案的基础上，所述发送端采用3个光纤传输模式，每个光纤传输模式有2个偏振态；所述偏振复用IQ调制器的数量为3个，每个偏振复用IQ调制器对应1个光纤传输模式，每个偏振复用IQ调制器的2个OFDM发生器对应1个光纤传输模式的2个偏振态；所述分光器采用1分3光分束器；所述接收端中偏振相干接收机的数量为3个。
在上述技术方案的基础上，每个所述ADC组件内均设置有4个ADC。
本发明提供的用于上述的少模光纤传输***的数字信号恢复方法，包括以下步骤：
S1：发送端的发送激光器通过分光器分光至每个偏振复用IQ调制器上，每个偏振复用IQ调制器经2个OFDM发生器调制为2个偏振态的OFDM信号，所有偏振复用IQ调制器的OFDM信号通过模式耦合器耦合，形成具有多个模式的模式复用信号；模式耦合器将模式复用信号通过少模光纤形成少模光纤OFDM信号后传输至模式分束器，转到S2；
S2：模式分束器将少模光纤OFDM信号分束至每个偏振相干接收机上，接收激光器的光路发送至每个偏振相干接收机上；偏振相干接收机将接收的信号和光路进行拍频后，经ADC组件进行模数转换形成数字信号，ADC组件将数字信号发送至数字信号处理芯片，转到S3；
S3：数字信号处理芯片对数字信号进行串并转换和离散傅里叶解调，对解调后的信号通过独立组成成分分析的算法进行模式解复用；数字信号处理芯片通过OFDM信道估计和均衡算法，对模式解复用后的信号进行恢复；数字信号处理芯片对恢复后的信号进行相位补偿和误码率统计。
在上述技术方案的基础上，所述少模光纤传输***的发送端具有3个偏振复用IQ调制器，3个偏振复用IQ调制器总共会调整形成6个偏振态的OFDM信号，即S1中的模式复用信号具有6个模式，S2中的少模光纤OFDM信号、以及S3中的数字信号均具有6个模式；
在此基础上，S3中所述对解调后的信号通过独立组成成分分析的算法进行模式解复用，具体包括以下流程：将具有6个模式的数字信号经离散傅里叶信号解调后定义为：X1，Y1，X2，Y2，X3，Y3，定义接收的少模光纤OFDM信号的6个模式的第N个OFDM符号的第k个OFDM子载波为X1k(N)，Y1k(N)，X2k(N)，Y2k(N)，X3k(N)，Y3k(N)；定义发送的模式复用信号的6个模式的第N个OFDM符号的第k个OFDM子载波为x1k(N)，y1k(N)，x2k(N)，y2k(N)，x3k(N)，y3k(N)；将少模光纤OFDM信号的模型表述为：
式(1)中即为子载波的信道模型；采用独立组成成分分析的方法对信道模型进行估计，对估计出来的信道模型进行模式解复用。
在上述技术方案的基础上，所述采用独立组成成分分析的方法对信道模型进行估计的方法包括以下步骤：
S301：定义矩阵
对矩阵A作白化处理，即A→(A·AH)-0.5A；定义W为一个6×6的矩阵、并初始化为6×6单位矩阵I，转到S302；
S302：定义并计算变量temp＝W·A，转到S303；
S303：定义并计算变量func＝tanh(temp)，其中tanh是双曲函数，转到S304；
S304：W→W+μ·(I-func·tempH)·W，转到S305；
S305：W→(W·WH)-0.5W，转到S306；
S306：判断W的变化量是否小于自定义的阈值，若是，采用独立组成成分分析的方法对信道模型进行估计完成，否则重新执行步骤S302。
在上述技术方案的基础上，S306中所述W的变化量表示为|W(t+1)-W(t)|，其中t代表重新执行S302的次数。
在上述技术方案的基础上，S306中所述阈值定义为0.01。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
与现有技术中需要N个抽头的少模光纤OFDM***相比，本发明的少模光纤传输***中的数字信号处理芯片对模式解复用后的信号通过现有的OFDM信道估计和均衡算法进行恢复时，只需使用1个抽头。与此同时，与现有技术中需要很长的训练序列来进行信道估计相比，本发明发送端的结构使得发送端的训练序列不需要进行特殊的设计就能够满足信道恢复的要求，只需将训练序列设计为独立的形式即可。
有鉴于此，本发明能够在不损失信号性能的情况下，显著提高***的频谱效率；而且能够用较少的训练序列实现少模光纤传输中OFDM信号的恢复，在显著降低***发送端复杂程度的同时，提高***的频谱效率。
附图说明
图1为现有的训练序列的设计图；
图2为本发明实施例中少模光纤传输***中发送端的连接框图；
图3为本发明实施例中少模光纤传输***中接收端的连接框图；
图4为本发明实施例中发送端训练序列的设计图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中的少模光纤传输***，发送端和接收端通过少模光纤相连，包括发送端和接收端。发送端采用OFDM调制方式，在每个模式上发送独立的OFDM信号；接收端采用相干检测的方式，对每个独立的模式都要使用相干接收机。
参见图2所示，发送端采用IQ调制器将电OFDM信号调制到光上，具体包括发送激光器、分光器、模式耦合器、和至少2个偏振复用IQ调制器，每个偏振复用IQ调制器各配置有2个OFDM发生器。发送激光器通过分光器分别与每个偏振复用IQ调制器相连，每个偏振复用IQ调制器均与模式耦合器相连。
参见图3所示，接收端包括接收激光器、模式分束器、数字信号处理芯片、以及与发送端的偏振复用IQ调制器数量相同的偏振相干接收机，接收激光器、模式分束器均分别与每个偏振相干接收机相连。每个偏振相干接收机各配置有1个ADC组件(Analog-DigitalConverter，模数转换器)，每个ADC组件内设置有4个ADC，所有ADC组件均与数字信号处理芯片连接；模式分束器通过少模光纤与模式耦合器相连。
参见图4所示，本发明的发送端的结构使得训练序列无需经过特殊的设计就能够满足信道恢复的要求，训练序列只需设计为独立的形式即可。
参见图2所示，偏振复用IQ调制器的数量根据光线传输***所需的模式确定，本实施例中发送端采用6个模式(3个光纤传输模式，每个光纤传输模式有2个偏振态)，因此发送端中偏振复用IQ调制器的数量为3个：偏振复用IQ调制器1、偏振复用IQ调制器2、偏振复用IQ调制器3。对应的，分光器采用1分3光分束器，OFDM发生器的数量为6个：OFDM发生器1a、OFDM发生器1b、OFDM发生器2a、OFDM发生器2b、OFDM发生器3a、OFDM发生器3b，每个偏振复用IQ调制器对应1个光纤传输模式，每个偏振复用IQ调制器的2个OFDM发生器对应1个光纤传输模式的2个偏振态。
在实际应用中，发送端至少需采用4个模式(2个光纤传输模式，每个光纤传输模式有2个偏振态)，此时偏振复用IQ调制器的数量为2个。
参见图3所示，接收端中偏振相干接收机的数量为3个：偏振相干接收机1、偏振相干接收机2、偏振相干接收机3；对应的，ADC组件的数量也为3个：ADC组件1、ADC组件2、ADC组件3。
本发明实施例中的用于上述少模光纤传输***的数字信号恢复方法，包括以下步骤：
S1：发送端的发送激光器通过分光器分光至每个偏振复用IQ调制器上，每个偏振复用IQ调制器经2个OFDM发生器调制为2个偏振态的OFDM信号，所有偏振复用IQ调制器的OFDM信号通过模式耦合器耦合，形成具有多个模式的模式复用信号；模式耦合器将模式复用信号通过少模光纤形成少模光纤OFDM信号后传输至模式分束器，转到S2。
S2：模式分束器将少模光纤传输的少模光纤OFDM信号分束至每个偏振相干接收机上，与此同时接收激光器的光路发送至每个偏振相干接收机上；偏振相干接收机将接收的信号和光路进行拍频后，经ADC组件进行模数转换形成数字信号，ADC组件将数字信号发送至数字信号处理芯片，转到S3。
S3：数字信号处理芯片采用现有的方法对数字信号进行串并转换和离散傅里叶解调，对解调后的信号通过独立组成成分分析的算法进行模式解复用。数字信号处理芯片通过现有的OFDM信道估计和均衡算法，对模式解复用后的信号进行恢复，恢复时所使用的抽头数量为1个；数字信号处理芯片通过现有的方式对恢复后的信号进行相位补偿和误码率统计。
由于本实施例中的***具有3个偏振复用IQ调制器，3个偏振复用IQ调制器总共会调整形成6个偏振态的OFDM信号，因此，S1中的模式复用信号具有6个模式，对应的S2中的模式复用信号、以及S3中的数字信号均具有6个模式。
在此基础上，S3中的对解调后的信号通过独立组成成分分析的算法进行模式解复用，具体包括以下流程：将具有6个模式的数字信号经离散傅里叶信号解调后定义为：X1，Y1，X2，Y2，X3，Y3，定义接收的少模光纤OFDM信号的6个模式的第N个OFDM符号的第k个OFDM子载波为X1k(N)，Y1k(N)，X2k(N)，Y2k(N)，X3k(N)，Y3k(N)；定义发送的模式复用信号的6个模式的第N个OFDM符号的第k个OFDM子载波为x1k(N)，y1k(N)，x2k(N)，y2k(N)，x3k(N)，y3k(N)。在忽略相位噪声的情况下，将少模光纤OFDM信号的模型表述为：
式(1)中即为子载波的信道模型。
采用独立组成成分分析的方法对上述信道模型进行估计，在存在相位噪声的情况下，估计出来的信道模型只能用来进行模式解复用。
采用独立组成成分分析的方法对上述信道模型进行估计的方法有很多，例如：
S301：
定义矩阵
对矩阵A作白化处理，即A→(A·AH)-0.5A；定义W为一个6×6的矩阵、并初始化为6×6单位矩阵I，转到S302。
S302：定义并计算变量temp＝W·A，转到S303。
S303：定义并计算变量func＝tanh(temp)，其中tanh是双曲函数。
S304：W→W+μ·(I-func·tempH)·W，转到S305。
S305：W→(W·WH)-0.5W，转到S306。
S306：判断W的变化量是否小于自定义的阈值(本实施例中阈值定义为0.01)，若是，采用独立组成成分分析的方法对上述信道模型进行估计完成，否则重新执行步骤S302。
S306中W的变化量可以表示为|W(t+1)-W(t)|，其中t代表循环的次数。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种少模光纤传输***，包括发送端和接收端，发送端和接收端通过少模光纤相连，其特征在于：发送端包括发送激光器、分光器、模式耦合器和至少2个偏振复用IQ调制器，每个偏振复用IQ调制器各配置有2个OFDM发生器；发送激光器通过分光器分别与每个偏振复用IQ调制器相连，每个偏振复用IQ调制器均与模式耦合器相连；
接收端包括接收激光器、模式分束器、数字信号处理芯片以及与发送端的偏振复用IQ调制器数量相同的偏振相干接收机，接收激光器、模式分束器均分别与每个偏振相干接收机相连；每个偏振相干接收机各配置有1个ADC组件，所有ADC组件均与数字信号处理芯片连接；模式分束器通过少模光纤与模式耦合器相连。
2.如权利要求1所述的少模光纤传输***，其特征在于：所述发送端采用3个光纤传输模式，每个光纤传输模式有2个偏振态；所述偏振复用IQ调制器的数量为3个，每个偏振复用IQ调制器对应1个光纤传输模式，每个偏振复用IQ调制器的2个OFDM发生器对应1个光纤传输模式的2个偏振态；所述分光器采用1分3光分束器；所述接收端中偏振相干接收机的数量为3个。
3.如权利要求1或2所述的少模光纤传输***，其特征在于：每个所述ADC组件内均设置有4个ADC。
4.一种用于权利要求1至3任一项所述的少模光纤传输***的数字信号恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：发送端的发送激光器通过分光器分光至每个偏振复用IQ调制器上，经2个OFDM发生器调制为2个偏振态的OFDM信号，所有偏振复用IQ调制器的OFDM信号通过模式耦合器耦合，形成具有多个模式的模式复用信号；模式耦合器将模式复用信号通过少模光纤形成少模光纤OFDM信号后传输至模式分束器，转到S2；
S2：模式分束器将少模光纤OFDM信号分束至每个偏振相干接收机上，接收激光器的光路发送至每个偏振相干接收机上；偏振相干接收机将接收的信号和光路进行拍频后，经ADC组件进行模数转换形成数字信号，ADC组件将数字信号发送至数字信号处理芯片，转到S3；
S3：数字信号处理芯片对数字信号进行串并转换和离散傅里叶解调，对解调后的信号通过独立组成成分分析的算法进行模式解复用；数字信号处理芯片通过OFDM信道估计和均衡算法，对模式解复用后的信号进行恢复；数字信号处理芯片对恢复后的信号进行相位补偿和误码率统计。
5.如权利要求4所述的少模光纤传输***的数字信号恢复方法，其特征在于：所述少模光纤传输***的发送端具有3个偏振复用IQ调制器，3个偏振复用IQ调制器总共会调整形成6个偏振态的OFDM信号，即S1中的模式复用信号具有6个模式，S2中的少模光纤OFDM信号以及S3中的数字信号均具有6个模式；
在此基础上，S3中所述对解调后的信号通过独立组成成分分析的算法进行模式解复用，具体包括以下流程：将具有6个模式的数字信号经离散傅里叶信号解调后定义为：X1,Y1,X2,Y2,X3,Y3，定义接收的6个模式的少模光纤OFDM信号的第N个OFDM符号的第k个OFDM子载波为定义发送的6个模式的模式复用信号的第N个OFDM符号的第k个OFDM子载波为将少模光纤OFDM信号的模型表述为：
式(1)中即为子载波的信道模型；采用独立组成成分分析的方法对信道模型进行估计，对估计出来的信道模型进行模式解复用。
6.如权利要求5所述的少模光纤传输***的数字信号恢复方法，其特征在于：所述采用独立组成成分分析的方法对信道模型进行估计的方法包括以下步骤：
S301：定义矩阵
对矩阵A作白化处理，即A→(A·AH)-0.5A；定义W为一个6×6的矩阵，并初始化为6×6单位矩阵I，转到S302；
S302：定义并计算变量temp＝W·A，转到S303；
S303：定义并计算变量func＝tanh(temp)，其中tanh是双曲函数，转到S304；
S304：W→W+μ·(I-func·tempH)·W，转到S305；
S305：W→(W·WH)-0.5W，转到S306；
S306：判断W的变化量是否小于自定义的阈值，若是，采用独立组成成分分析的方法对信道模型进行估计完成，否则重新执行步骤S302。
7.如权利要求6所述的少模光纤传输***的数字信号恢复方法，其特征在于：S306中所述W的变化量表示为|W(t+1)-W(t)|，其中t代表重新执行S302的次数。
8.如权利要求6所述的少模光纤传输***的数字信号恢复方法，其特征在于：S306中所述阈值定义为0.01。
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