CN113507325B - 一种基于非线性差分编码和二次vnle的imdd光通信*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，包括依次相连的信号生成模块、信号调制模块、信号编码模块、直接调制激光器、光纤链路、数字信号处理模块、信号解调模块、信号解码模块和信号接收模块，与现有技术相比，本发明具有信道传输性能好、可靠性高、传输距离远等优点。

Description

一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其是涉及一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***。
背景技术
在当今信息化社会中，数据中心流量的快速增长需要更高容量的以太网链路、更高波特率的信号。光接入网容量、速率的需求使得高速、低成本接入技术成为光接入网的主要研究课题。基于强度调制和直接调制(IM/DD)的高性能光传输技术能够低成本实现短程高速光传输。
文献1“100Gb/s Intensity Modulation and Direct Detection”中提出，强度调制和直接调制(IM/DD)技术在短程通信中更加实用，因此目前现有技术针对IMDD通信技术的研究也在不断推进，但是现有技术中的IMDD通信***光纤信道中由于受到衰减、色度色散等线性损伤，以及由瞬时啁啾和绝热啁啾等原因引起的非线性损伤，致使信道编码的效果不佳、误码率底限较高，并且传输距离受限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种信道传输性能好、可靠性高、传输距离远的基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，所述的IMDD光通信***包括依次相连的信号生成模块、信号调制模块、信号编码模块、直接调制激光器、光纤链路、数字信号处理模块、信号解调模块、信号解码模块和信号接收模块；
信号生成模块，用于生成通信信号；
信号调制模块，用于对信号进行调制；
信号编码模块，采用非线性差分编码NLDCP对调制后的信号进行编码；
直接调制激光器，将进行调制后的通信信号进行激光调制后发送到光纤链路；
光纤链路，用于传输经过激光调制的通信信号；
数字信号处理模块，通过对光纤链路传输的通信信号进行采样，接收通信信号；
信号解调模块，采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE对数字信号处理模块接收的信号进行信号解调；
信号解码模块，用于对解调后的信号进行解码；
信号接收模块，用于接收经过解码的通信信号。
优选地，所述的信号调制模块采用强度调制对信号进行调制。
更加优选地，所述的强度调制具体为四进制脉冲幅度调制PAM-4。
更加优选地，所述的信号编码模块将PAM-4调制信号转化为不均匀的PAM-6信号和PAM-8信号。
优选地，所述的直接调制激光器通过消光比计算出每种符号对应的功率，将调制信号加载到光载波上，经过发射端滤波后送入光纤链路进行传输。
优选地，所述的数字信号处理模块包括低通滤波器和模数转换器；所述的低通滤波器与模数转换器相连；所述的低通滤波器的输入端与光纤链路相连；所述的模数转换器的输出端与信号解调模块相连。
优选地，所述的信号解调模块具体为：
根据二阶Volterra模型的解析式和均衡器系数，与接收信号的线性部分和非线性部分做变换可以同时补偿光纤中的线性和非线性失真，实现信号解调。
更加优选地，所述的均衡器系数的计算方法为：
采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE，通过最小二乘法、最小均方算法训练序列可得均衡器系数。
优选地，所述的信号解码模块设有误码分析单元。
更加优选地，所述的信号解码模块具体为：
首先对信号进行硬判决，之后进行解码、解调制，最终得到接收信号，并进行误码分析。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中的IMDD光通信***基于非线性差分编码对PAM信号进行频谱整形，将信号转变为分布不均匀的PAM-6或者PAM-8信号，通过使用二次Volterra级数非线性均衡器补偿光纤信道中光纤线性和非线性损伤，二者共同应用到强度调制/直接检测的高速光通信***中，在改善光纤信道传输性能的同时，实现更窄的信号频谱并增强对带宽限制的容忍度，提高光通信***的可靠性、延长光纤***的传输距离，从而有效提高***性能。
附图说明
图1为本发明中IMDD光通信***的结构示意图；
图2为本发明实施例中信号处理流程示意图；
图3为本发明实施例中不同波特率下非线性差分编码对误码率影响比较；
图4为本发明实施例中不同LS滤波器抽头系数下非线性差分编码对误码率的影响比较示意图。
图中标号所示：
1、信号生成模块，2、信号调制模块，3、信号编码模块，4、直接调制激光器，5、光纤链路，6、数字信号处理模块，7、信号解调模块，8、信号解码模块，信号接收模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其结构如图1所示，包括依次相连的信号生成模块1、信号调制模块2、信号编码模块3、直接调制激光器4、光纤链路5、数字信号处理模块6、信号解调模块7、信号解码模块8和信号接收模块9；
信号生成模块1，用于生成通信信号；
信号调制模块2，用于对信号进行调制；
信号编码模块3，采用非线性差分编码NLDCP对调制后的信号进行编码；
直接调制激光器4，将进行调制后的通信信号进行激光调制后发送到光纤链路；
光纤链路5，用于传输经过激光调制的通信信号；
数字信号处理模块6，通过对光纤链路5传输的通信信号进行采样，接收通信信号；
信号解调模块7，采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE对数字信号处理模块6接收的信号进行信号解调；
信号解码模块8，用于对解调后的信号进行解码；
信号接收模块9，用于接收经过解码的通信信号。
下面对各个主要模块分别进行描述：
一、信号调制模块2
采用强度调制对信号进行调制，具体选用脉冲幅度调制(PAM，Pulse AmplitudeModulation)。
二、信号编码模块3
采用非线性差分编码NLDCP用于PAM信号进行编码，以下以四进制的脉冲幅度调制PAM-4为例；对PAM-4信号进行编码，将信号转变为分布不均匀的PAM-6或者PAM-8信号。
本实施例中所采用的信号编码模块3的具体原理如文献《NonlinearDifferential Coding for Spectral Shaping of PAM Signal in High-BaudrateShort-Reach Optical Transmission》所述。
三、直接调制激光器4
通过消光比计算出每种符号对应的功率，将调制信号加载到光载波上，经过发射端滤波后送入光纤链路5进行传输。
四、数字信号处理模块6
包括低通滤波器和模数转换器，低通滤波器与模数转换器相连，低通滤波器的输入端与光纤链路5相连，模数转换器的输出端与信号解调模块7相连。
五、信号解调模块7
采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE，通过最小二乘法、最小均方算法训练序列可得均衡器系数，根据二阶Volterra模型的解析式和均衡器系数，与接收信号的线性部分和非线性部分做变换可以同时补偿光纤中的线性和非线性失真，实现信号解调。
六、信号解码模块8
设有误码分析单元，首先对信号进行硬判决，之后进行解码、解调制，最终得到接收信号，并进行误码分析。
以PAM-4信号为例，信号处理过程如图2所示，包括：
(1)采用x、y两路独立信号，对信号进行四进制的脉冲幅度调制；
(2)进行非线性差分编码，将PAM-4信号转化为不均匀的PAM-6或者PAM-8信号；
(3)通过消光比计算出每种符号对应的功率，通过直接调制激光器将调制信号加载到光载波上，经过发射端滤波后送入光纤信道进行传输；
(4)经过光纤传输后，对信号进行接收端滤波、采样后，检测接收到信号的功率，然后送入信号恢复模块；
(5)信号恢复模块采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE，通过最小二乘滤波器训练得到均衡器系数，利用该系数根据二阶Volterra模型解析式，与接收信号的线性部分和非线性部分做变换进行信号补偿。
(6)信号恢复模块之后，对信号进行硬判决，之后进行解码、解调制，最终得到接收信号，进行误码分析。
本实施例通过序列误码率的计算来对***的性能改善进行验证，以PAM-4为例。对于基于DML的IM-DD***，采用x和y两路独立信号，对信号进行PAM-4调制。完成调制后对信号进行非线性差分编码，将PAM-4信号转化为不均匀的PAM-6或PAM-8，并通过消光比计算出每种符号对应的功率。而后，利用直接调制激光器将调制信号分别加载到O波段和C波段的光载波上，并送入光纤信道进行传输，传输链路由长度为10km的色散信道。经过光纤传输后，进行接收端滤波、采样后，检测接收到信号的功率，送入信号恢复模块。信号恢复模块使用二次VNLE对接收到的信号进行补偿，该均衡器分为线性与非线性两部分，均衡器系数通过LS滤波器训练得到。最后进行解调制解码，最终得到接收信号序列。将得到的信号与原始数据进行对比，计算出BER，与未进行非线性差分编码和二次VNLE恢复的***性能对比。
本实施例分别做两次比较，第一次为在使用二次VNLE算法情况下使用非线性差分编码和未使用LDPC码的BER，第二次为在使用非线性差分编码和二次VNLE技术情况下，LS滤波器抽头数对BER曲线的影响，仿真结果分别如图3、图4所示。
图3比较了不同波特率下，使用非线性差分编码和不使用非线性差分编码对信号传输的误码率的影响。从图中可以看出，非线性差分编码能够有效降低***的误码率。在波特率较高时，非线性差分编码对于IM-DD***性能的改善效果非常明显，这一结果有利于应对当前对更高波特率信号的需求。图4比较了不同LS滤波器抽头数下的非线性差分编码的误码性能。显然，当抽头数越大时，***的BER越低，从图中可以看出，非线性差分编码的使用明显降低了***的误码率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其特征在于，所述的IMDD光通信***包括依次相连的信号生成模块(1)、信号调制模块(2)、信号编码模块(3)、直接调制激光器(4)、光纤链路(5)、数字信号处理模块(6)、信号解调模块(7)、信号解码模块(8)和信号接收模块(9)；
信号生成模块(1)，用于生成通信信号；
信号调制模块(2)，用于对信号进行调制；
所述的信号调制模块(2)采用强度调制对信号进行调制，具体为：四进制脉冲幅度调制PAM-4；
信号编码模块(3)，采用非线性差分编码NLDCP对调制后的信号进行编码；
所述的信号编码模块(3)将PAM-4调制信号转化为不均匀的PAM-6信号和PAM-8信号；
直接调制激光器(4)，将进行调制后的通信信号进行激光调制后发送到光纤链路；
所述的直接调制激光器(4)通过消光比计算出每种符号对应的功率，将调制信号加载到光载波上，经过发射端滤波后送入光纤链路(5)进行传输；
光纤链路(5)，用于传输经过激光调制的通信信号；
数字信号处理模块(6)，通过对光纤链路(5)传输的通信信号进行采样，接收通信信号；
信号解调模块(7)，采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE对数字信号处理模块(6)接收的信号进行信号解调；
信号解码模块(8)，用于对解调后的信号进行解码；
信号接收模块(9)，用于接收经过解码的通信信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其特征在于，所述的数字信号处理模块(6)包括低通滤波器和模数转换器；所述的低通滤波器与模数转换器相连；所述的低通滤波器的输入端与光纤链路(5)相连；所述的模数转换器的输出端与信号解调模块(7)相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其特征在于，所述的信号解调模块(7)具体为：
根据二阶Volterra模型的解析式和均衡器系数，与接收信号的线性部分和非线性部分做变换可以同时补偿光纤中的线性和非线性失真，实现信号解调。
4.根据权利要求3所述的一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其特征在于，所述的均衡器系数的计算方法为：
采用二次Volterra级数非线性均衡器VNLE，通过最小二乘法、最小均方算法训练序列可得均衡器系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其特征在于，所述的信号解码模块(8)设有误码分析单元。
6.根据权利要求5所述的一种基于非线性差分编码和二次VNLE的IMDD光通信***，其特征在于，所述的信号解码模块(8)具体为：
首先对信号进行硬判决，之后进行解码、解调制，最终得到接收信号，并进行误码分析。
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