光相干接收系統及其方法

2023-09-10 22:06:50 1

專利名稱：光相干接收系統及其方法
技術領域：
本發明涉及光通信領域，更具體地說，涉及一種光相干接收系統及其方法。
背景技術：
隨著對光通信系統的容量要求的迅速提升，對光纖通信系統的相干檢測也提出了 新的要求。在檢測過程中，相干光傳輸可以保留光場中的全部信息，從而使得光的多電平調 製成為可能。為了獲得高於2比特/s/Hz的光譜效率，已經對正交相移鍵控(QPSK)、8PSK 和正交振幅調製(QAM)進行多項研究。光效越高意味著對於相同的比特率符號率越低，這 將帶來許多優點，諸如更高的抗色散(CD)和抗偏振模色散(PMD)性能，更低的帶寬需求和 更高的模數轉換(ADC)和數位訊號處理(DSP)。然而，另一方面，具有較高光譜效率通常意 味著其靈敏度較低。由於對於光纖通信系統來說，接收的光信號功率最終是由光纖的非線 性特性決定的，因此不能簡單地通過增加接收信號功率來延長其鏈路到達。因此，採用其他 方法以提高其靈敏度是非常重要的。對於BPSK、QPSK或M-PSK光學接收系統，可由接收信號的相位決定符號值，因此接 收信號和本地振蕩的乘積足以做出該決定。然而，對於8或更高相位的PSK，由於其比特誤 差率過高而難以用於實際應用。隨著光譜效率的進一步增加，相干QAM將變得更具有吸引 力。與M-PSK系統中的恆定振幅不同的是，在QAM接收系統中，不僅星座點的相位不同，其 振幅也不同。在這種情況下，振幅信息和相位信息同樣有用。圖1示出了現有技術的光相干接收系統，其為相位分集接收器。如圖1所示，接收 光信號Es和本地振蕩光生成裝置生成的本地振蕩光信號ELO共同連接到光混合電路。所 述光混合電路接收所述接收光信號Es和本地振蕩光信號ELO以生成第一光信號E1，第二 光信號E2，第三光信號E3和第四光信號E4。其中第一光信號El為所述接收光信號Es和 本地振蕩光信號之和，所述第二光信號Ε2為所述接收光信號Es和本地振蕩光信號 之差。所述第三光信號Ε3為所述接收光信號Es和本地振蕩光信號的π/2相移信號之 和。所述第四光信號Ε4為所述接收光信號Es和本地振蕩光信號的π/2相移信號之 差。所述第一-第四光電轉換器分別接收所述第一-第四光信號Ε1-Ε4以分別生成同相信 號IiKt)禾口 Ii2(t)，以及lH交才目移 言號Iqi(t)禾口 IQ2(t)， 其中所述同相信號I Ii ω 禾口 I κ ω， 以及正 交相移信號Iqiw和IQ2(t)可以由公式⑴表示成In (0 = ^iPs+Pl+ 2COS(代(0 + θη m + H1
D_I12(0 = -{Ps+PL-COS坎(t) + θηm + η2/β1(0 = |(^ +PL+2yj^PLsm(0s(t) + enm+ri3⑴IQ2(0 = ^(PS+Pl-Ι^ΡΛ sin⑷(0 + θη_ + η4其中，R是光電探測器的響應率。假定本地振蕩光信號的功率為單位信號。Ps為接收光信號的功率。θs(t)是接收信號的相位。θn(t)是相移，假定其已知。為了簡化， 可以將噪聲Iii假定為高斯分布N(0，O 2)，且如果i Φ k，則IIi與nk無關。對於在大多數當前相干檢測系統中採用的均衡檢測方式，接收同相信號估計一般 僅基於如下示出的接收信號和本地振蕩信號的乘積formula see original document page 6formula see original document page 6類似地，接收正交相位信號估計是formula see original document page 6
formula see original document page 6通過量化公式⑵和⑶中的信號，可以獲得接收複數符號如上所述，現有技術的光相干接收系統的缺陷在於，當前光QAM相干檢測過程仍 然僅使用接收信號和本地振蕩的乘積，而忽略了從光檢測器中輸出的功率信息，信噪比還 有可提升的空間。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術的光相干接收系統在光QAM相干檢 測過程中只使用部分光檢測信息因而信噪比不高的缺陷，提供一種儘可能地利用所有已知 信息從而提高信噪比的光相干接收系統和方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是構造一種光相干接收系統，包括本地振蕩光生成裝置，用於產生本地振蕩光信號，其中所述本地振蕩光信號具有 彼此正交的第一本地振蕩光信號分量和第二本地振蕩光信號分量；光混合電路，用於接收所述第一本地振蕩光信號分量、第二本地振蕩光信號分量 和接收光信號，以生成第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號；光電轉換器，用於將所述第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號分別 轉換成第一同相電信號、第二同相電信號、第一正交相移電信號和第二正交相移電信號；所述光相干接收系統進一步包括分路裝置，用於接收所述第一同相電信號和第二同相電信號以生成第一同相電信 號第一路分量、第一同相電信號第二路分量和第二同相電信號第一路分量、第二同相電信 號第二路分量；第一差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第一路分量和第二同 相電信號第一路分量以生成同相信號估計；多路混合器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第二路分量和第二同相電 信號第二路分量以生成功率輸出信號；第二差分轉換器，用於接收第一正交相移電信號和第二正交相移電信號以生成接 收正交相位信號估計。在本發明所述的光相干接收系統中，所述第一光信號為所述接收光信號和第一本 地振蕩光信號分量之和；所述第二光信號為所述接收光信號和第一本地振蕩光信號分量之 差；所述第三光信號為所述接收光信號和第二本地振蕩光信號分量之和；所述第四光信號為所述接收光信號和第二本地振蕩光信號分量之差。在本發明所述的光相干接收系統中，所述分路裝置是1/2分路器。在本發明所述的光相干接收系統中，所述光電轉換器是光電探測器。在本發明所述的光相干接收系統中，所述光相干接收系統進一步包括A/D轉換模塊，用於接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相位信號估計。在本發明所述的光相干接收系統中，所述光相干接收系統進一步包括處理模塊，用於接收所述數位化的功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交 相位信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和 正交相位估計部分。本發明解決其技術問題採用的另一技術方案是，構造一種光相干接收系統，包 括本地振蕩光生成裝置，用於產生本地振蕩光信號，其中所述本地振蕩光信號具有 彼此正交的第一本地振蕩光信號分量和第二本地振蕩光信號分量；光混合電路，用於接收所述第一本地振蕩光信號分量、第二本地振蕩光信號分量 和接收光信號，以生成第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號；光電轉換器，用於將所述第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號分別 轉換成第一同相電信號、第二同相電信號、第一正交相移電信號和第二正交相移電信號；所述光相干接收系統進一步包括分路裝置，用於接收所述第一正交相移電信號和第二正交相移電信號以生成第一 正交相移電信號第一路分量、第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相移電信號第一 路分量、第二正交相移電信號第二路分量；第二差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一正交相移電信號第一路分量和第 二正交相移電信號第一路分量以生成正交相移估計；多路混合器，用於從所述分路裝置接收第一正交相移電信號第二路分量和第二正 交相移電信號第二路分量以生成功率輸出信號；第一差分轉換器，用於接收第一同相電信號和第二同相電信號以生成接收同相信 號估計。在本發明所述的光相干接收系統中，所述第一光信號為所述接收光信號和第一本 地振蕩光信號分量之和；所述第二光信號為所述接收光信號和第一本地振蕩光信號分量之 差；所述第三光信號為所述接收光信號和第二本地振蕩光信號分量之和；所述第四光信號 為所述接收光信號和第二本地振蕩光信號分量之差。在本發明所述的光相干接收系統中，所述分路裝置是1/2分路器。在本發明所述的光相干接收系統中，所述光電轉換器是光電探測器。在本發明所述的光相干接收系統，所述光相干接收系統進一步包括A/D轉換模塊，用於接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正 交相位信號估計；和處理模塊，用於接收所述數位化的功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交 相位信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和正交相位估計部分。
本發明解決其技術問題採用的另一技術方案是，構造一種光相干接收系統，包 括本地振蕩光生成裝置，用於產生本地振蕩光信號，其中所述本地振蕩光信號具有 彼此正交的第一本地振蕩光信號分量和第二本地振蕩光信號分量；光混合電路，用於接收所述第一本地振蕩光信號分量、第二本地振蕩光信號分量 和接收光信號，以生成第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號；光電轉換器，用於將所述第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號分別 轉換成第一同相電信號、第二同相電信號、第一正交相移電信號和第二正交相移電信號；所述光相干接收系統進一步包括分路裝置，用於接收所述第一同相電信號和第二同相電信號以生成第一同相電信 號第一路分量、第一同相電信號第二路分量和第二同相電信號第一路分量、第二同相電信 號第二路分量；和接收所述第一正交相移電信號和第二正交相移電信號以生成第一正交 相移電信號第一路分量、第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相移電信號第一路分 量、第二正交相移電信號第二路分量；第一差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第一路分量和第二同 相電信號第一路分量以生成同相信號估計；第二差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一正交相移電信號第一路分量和第 二正交相移電信號第一路分量以生成正交相移估計；多路混合器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第二路分量、第二同相電 信號第二路分量、第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相移電信號第二路分量以生 成功率輸出信號。在本發明所述的光相干接收系統中，所述分路裝置是1/2分路器。在本發明所述的光相干接收系統中，所述光電轉換器是光電探測器。在本發明所述的光相干接收系統中，所述光相干接收系統進一步包括A/D轉換模塊，用於接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正 交相位信號估計；和處理模塊，用於接收所述數位化的功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交 相位信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和 正交相位估計部分。本發明解決其技術問題採用的再一技術方案是，構造一種光相干接收方法，包 括Si、產生本地振蕩光信號；S2、將所述本地振蕩光信號和接收光信號混合以生成多個光信號；S3、將所述多個光信號轉換成一組同相電信號和一組正交相移電信號；S4、分路所述一組同相電信號和一組正交相移電信號中的至少一者；S5、基於步驟S4中獲得的信號分別生成同相信號估計、正交相位信號估計和功率 輸出信號。實施本發明的光相干接收方法和系統，儘可能地利用所有已知信息從而提高信噪比。


下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是現有技術的光相干接收系統的原理框圖，圖2是本發明的光相干接收系統的第一實施例的原理框圖；圖3是本發明的光相干接收系統的第二實施例的原理框圖；圖4是本發明的光相干接收系統的第三實施例的原理框圖；圖5是採用不同技術方案的16-QAM SER性能比較示意圖；圖6是採用不同技術方案的64-QAM SER性能比較示意圖；圖7是本發明的光相干接收方法的一實施例的流程圖。
具體實施例方式圖2是本發明的光相干接收系統的第一實施例的原理框圖。如圖2所示，本發明 的光相干接收系統包括本地振蕩光生成裝置100，光混合電路200，光電轉換器300、分路裝 置400、第一差分轉換器500、第二差分轉換器600和多路混合器700。下面結合該光相干接收系統的各個組成部分對本發明進行進一步的介紹。所述本 地振蕩光生成裝置100生成本地振蕩光信號，其中該本地振蕩光信號具有光頻彼此 不同、相互正交的偏正分量Eun和Εω2。在本發明的一個優選實施例中，所述本地振蕩光生成 裝置100也可分成兩個部分，第一部分僅用於生成第一本地振蕩光信號Euh，第二部分用於 將部分所述第一本地振蕩光信號分量Euh進行90度頻移以生成與所述本地振蕩光信號Euh 彼此光頻不同、相互正交的第二本地振蕩光信號分量Εω2。接著，所述光混合電路200接收 所述第一本地振蕩光信號分量Eun、第二本地振蕩光信號分量Euk和接收光信號Es，並基於 上述信號生成第一光信號El，第二光信號Ε2，第三光信號Ε3和第四光信號Ε4。其中，第一 光信號El為所述接收光信號Es和第一本地振蕩光信號分量Euh之和，所述第二光信號Ε2 為所述接收光信號Es和第一本地振蕩光信號分量Euh之差。所述第三光信號Ε3為所述接 收光信號Es和第二本地振蕩光信號分量Euk之和。所述第四光信號Ε4為所述接收光信號 Es和第二本地振蕩光信號分量Eue之差。在本發明的另一個優選實施例中，所述本地震蕩光生成裝置100生成本地振蕩光 信號Εω，接著，所述光混合電路200接收所述本地振蕩光信號和接收光信號Es。光混合 電路200可以對第一本地振蕩光信號進行分路產生第一本地振蕩光信號分量Euh和相 移90°的第二本地振蕩光信號分量Εω2，並基於上述信號生成第一光信號Ε1，第二光信號 Ε2，第三光信號Ε3和第四光信號Ε4。其中，第一光信號El為所述接收光信號Es和第一本 地振蕩光信號分量Euh之和，所述第二光信號Ε2為所述接收光信號Es和第一本地振蕩光 信號分量Euh之差。所述第三光信號Ε3為所述接收光信號Es和與第二本地振蕩光信號分 量Eue之和。所述第四光信號Ε4為所述接收光信號Es和第二本地振蕩光信號分量Eue之 差。光電轉換器300接收所述第一光信號El，第二光信號Ε2，第三光信號Ε3和第四光信號Ε4，並分別將其轉換成第一同相電信號Ιηω和第二同相電信號II2(t)，以及第一正交相移電信號iQ1(t)和第二正交相移電信號IQ2(t)。在本發明的一個優選實施例中，所述光電轉換 器300可以包括第一-第四光電探測器。所述第一光電探測器用於將第一光信號El轉換 成第一同相電信號II1(t)。所述第二光電探測器用於將第二光信號E2轉換成第二同相電信 號II2(t)。所述第三光電探測器用於將第三光信號E3轉換成第一正交相移電信號IQ1(t)。所 述第四光電探測器用於將第四光信號E4轉換成第二正交相移電信號IQ2(t)。在本發明的其 他實施例中，也可採用其他光電轉換器，比如光電二極體、光電倍增管等、光導探測器等等。 根據本發明的教導，本領域技術人員可以根據實際需要任意選擇所需的光電轉換器。
光電轉換器300輸出第一同相電信號Ιιιω和第二同相電信號ΙΙ2ω到分路裝置 400，同時輸出第一正交相移電信號Iqiw和第二正交相移電信號IQ2(t)到第二差分轉換器 600。此時，分路裝置400將第一同相電信號Inw分成兩路，分別為第一同相電信號第一路 分量Ιηω』和第一同相電信號第二路分量Inw」。同時所述分路裝置400還將第二同相電 信號II2(t)分成兩路，分別為第二同相電信號第一路分量II2(t)』和第二同相電信號第二路分 量II2(t)」。在本發明的一個優選實施例中，所述分路裝置400分別包括兩個1/2分路器，分 別用於將所述第一同相電信號Ιηω和第二同相電信號II2(t)分別等分，也就是使得第一同 相電信號第一路分量Ιηω 』 =第一同相電信號第二路分量II1(t) 」，且第二同相電信號第一路 分量II2(t)』=第二同相電信號第二路分量II2(t)」。在本發明的其他優選實施例中，該分路裝 置400也可以包括至少一個非等分分路器，也就是第一同相電信號第一路分量Inw 』興第 一同相電信號第二路分量Ιηω」和/或第二同相電信號第一路分量ΙΙ2ω 』興第二同相電信 號第二路分量II2(t) 」。在這樣的實施例中，後續的計算將會較為複雜，但是，本領域技術人員 可以根據本發明的教導，調整後續計算中的各個參數，也能實現本發明的目的。為了便於說 明，本發明主要是以1/2分路器進行介紹。第一差分轉換器500從分路裝置400分別接收第一同相電信號第一路分量I11 ω 』 和第二同相電信號第一路分量I12(t)』，進而生成接收同相信號估計I1(t)。第二差分轉換器 600接收第一正交相移電信號Iqiw和第二正交相移電信號IQ2(t)以生成接收正交相位信號 估計Iqw。多路混合器700從分路裝置400接收第一同相電信號第二路分量I11 ω 」和第二 同相電信號第二路分量ΙΙ2ω 」，並求和以生成反映接收到的光功率的輸出信號Pa(t)。隨後， 可將輸出信號Pa(t)用於光相干接收系統的信號估計，從而充分地利用從光電轉換器中獲 得的全部信息，進而提高整個系統的信噪比。至於輸出信號Pa(t)是怎麼用於光相干接收 系統的信號估計，將參照後續的實施例進行詳細介紹。圖3是本發明的光相干接收系統的第二實施例的原理框圖。其基本原理和結構與 圖2大致相同，其區別在於，在光電轉換器300生成第一同相電信號Ιηω、第二同相電信號 II2(t)、第一正交相移電信號IQ1(t)和第二正交相移電信號IQ2(t)以後，其將第一同相電信號 I11 ω和第二同相電信號I12W輸出到第一差分500，同時將第一正交相移電信號Iqiw和第 二正交相移電信號IQ2(t)輸出到分路裝置400。此時，分路裝置400將第一正交相移電信號 I01 (t分成兩路，分別為第一正交相移電信號第一路分量IQ1(t)』和第一正交相移電信號第二 路分量IQ1(t)」。同時所述分路裝置400還將第二正交相移電信號IQ2(t)分成兩路，分別為第 二正交相移電信號第一路分量IQ2(t)』和第二正交相移電信號第二路分量IQ2(t)」。在該實施 例中，所述分路裝置的構造可參見圖2的描述。在本實施例中，第二差分轉換器600從分路裝置400分別接收第一正交相移電信號第一路分量IQ1(t)』和第二正交相移電信號第一路分量IQ2(t)』進而生成接收正交相位信號 估計IQ(t)。所述第一差分轉換器500接收第一同相電信號Ιηω、第二同相電信號ΙΙ2ω以生 成接收同相信號估計。多路混合器700接收第一正交相移電信號第二路分量IQ1(t) 」和第二 正交相移電信號第二路分量IQ2(t) 」並求和以生成反映接收到的光功率的輸出信號PA(t)。隨 後，可將輸出信號Pa(t)用於光相干接收系統的信號估計，從而充分地利用從光電轉換器中 獲得的全部信息，進而提高整個系統的信噪比。至於輸出信號Pa(t)是怎麼用於光相干接 收系統的信號估計，將參照後續的實施例進行詳細介紹。圖4是本發明的光相干接收系統的第三實施例的原 理框圖。下面將結合圖4對本 發明及其工作原理作詳細介紹。如圖4所示，本發明的光相干接收系統包括本地振蕩光生 成裝置100，光混合電路200，光電轉換器301-304、分路器401-404、第一差分轉換器500、第 二差分轉換器600、多路混合器700、處理模塊800和A/D轉換模塊900。其中所述本地振蕩光生成裝置100生成本地振蕩光信號Εω，其中該本地振蕩光信 號具有光頻彼此不同、相互正交的偏正分量Eun和Εω2。在本發明的一個優選實施例中， 所述本地振蕩光生成裝置100也可分成兩個部分，第一部分僅用於生成第一本地振蕩光信 號Euh，第二部分用於將部分所述第一本地振蕩光信號分量Euh進行90度頻移以生成與所 述本地振蕩光信號Euh彼此光頻不同、相互正交的第二本地振蕩光信號分量Εω2。接著，所述光混合電路200接收所述第一本地振蕩光信號分量Εωι、第二本地振蕩 光信號分量Euk和接收光信號Es，並基於上述信號生成第一光信號El，第二光信號Ε2，第三 光信號Ε3和第四光信號Ε4。其中，第一光信號El為所述接收光信號Es和第一本地振蕩光 信號分量Eun之和，所述第二光信號Ε2為所述接收光信號Es和第一本地振蕩光信號分量 Eloi之差。所述第三光信號Ε3為所述接收光信號Es和第二本地振蕩光信號分量Eue之和。 所述第四光信號Ε4為所述接收光信號Es和第二本地振蕩光信號分量Euk之差。光電探測器301接收所述第一光信號El並將其轉換成第一同相電信號Ιηω。光 電探測器302接收所述第二光信號Ε2並將其轉換成第二同相電信號ΙΙ2ω。光電探測器303 接收所述第三光信號Ε3並將其轉換成第一正交相移電信號Iqiω。光電探測器304接收所 述第四光信號Ε4並將其轉換成第二正交相移電信號IQ2(t)。隨後，1/2分路器401接收第一 同相電信號Ιηω並將其等分成第一同相電信號第一路分量Ιηω 』和第一同相電信號第二 路分量II1(t)」。1/2分路器402接收第二同相電信號ΙΙ2ω並將其等分成第二同相電信號第 一路分量ΙΙ2ω』和第二同相電信號第二路分量II2(t)」。1/2分路器403接收第一正交相移 電信號Iqiw並將其等分成為第一正交相移電信號第一路分量IQ1(t)』和第一正交相移電信 號第二路分量IQ1(t) 」。1/2分路器404接收第二正交相移電信號IQ2(t)並將其等分成為第二 正交相移電信號第一路分量IQ2(t)』和第二正交相移電信號第二路分量IQ2(t)」。第一差分轉換器500從1/2分路器401和1/2分路器402分別接收第一同相電信 號第一路分量In(t)』和第二同相電信號第一路分量I12(t)』進而生成接收同相信號估計I1(t)。 第二差分轉換器600從1/2分路器403和1/2分路器404分別接收第一正交相移電信號第 一路分量Iqiw』和第二正交相移電信號第一路分量IQ2(t)』進而生成接收正交相位信號估計 Iqw。多路混合器700分別從1/2分路器401-404接收第一同相電信號第二路分量Ιηω 」、 第二同相電信號第二路分量ΙΙ2ω 」、第一正交相移電信號第二路分量IQ1(t)」和第二正交相移 電信號第二路分量IQ2(t)」並求和以生成反映接收到的光功率的輸出信號Pa(t)。
A/D轉換模塊900接收所述輸出信號Pa(t)、接收同相信號估計Ιιω和接收正交相 位信號估計IQ(t)，並將所述輸出信號Pa(t)、接收同相信號估計Iiw和接收正交相位信號估 計Iqw轉換成數位訊號以提供給處理模塊800進行處理。處理模塊800從所述A/D轉換模 塊900接收數位化的接收輸出信號Pa (t)、接收同相信號估計Ιιω和接收正交相位信號估計 Iqw，並將這些信號用於光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和正交 相位估計部分。隨後，可量化所述同相估計部分和正交相位估計部分以獲得硬決策。這樣， 可以充分地利用從光電轉換器中獲得的全部信息，進而提高整個系統的信噪比。下面介紹處理模塊800如何依據現有技術將獲得的信號用於光相干接收系統的 信號估計。由於多路混合器700將來自各個1/2多路器的信號求和以生成反映接收到的光功 率的輸出信號Pa(t)，因此除了公式(2)示出的接收同相信號估計Ιιω夕卜，還可以獲得如下 接收信號功率估計
Y1 = (I11 (t) +I12 (t)) /R-I = Ps+ (ni+n2) /R (4)由於(In，I12)到(yi，I1)的線性轉換是可逆的，Y1和I1包括與I11和112，相同的 關於目標信號A^sw的信息，也就是，在(In，Ii2)到(^li)的線性轉換之間沒有信息丟
失。基於同樣的原理，我們可以從正交相位信號獲得如下另一接收信號功率估計y2 = Ps+ (n3+n4) /R(5)現在，我們可以獲得四個變量I1, Iqj7i和y2，包含來自光探測器的全部信息。隨後 這四個變量可以用來估計目標信號的同相和正交相位分量。首先估計目標信號的振幅。通 過採用相等的增益組合和y2，可以獲得振幅估計jc, = JO丨 +y2)H = yjPJR-2
Γπ,--、0 夕=λ/4+( 1+ 2+ 3+ 4)/(2Λ)我們還可以從I1和Iq的振幅估計。首先，相位可以估計成Os= AngleiI1+JIq)(7)函數AngleO給出了角度的複數值。接著我們可以將信號振幅估計成X2= (l,/ cos(0s ) +Iq/ sm(9s)) / 2(8)在本發明的另一實施例中，也可將振幅X2估計成+Iq2。一般而言，公式(6)和(8)中的噪聲是獨立的，因此我們可以將這兩個估計進行組 合以獲得更好的信號振幅估計，即= (αχ,+βχ2)/(α + β)(9)在此，α和β是組合係數，本領域技術人員可以根據實際需要設置該組合係數。 例如，α和β分別可以選擇任何整數。最後，可以量化所述同相部分#和正交相位部以獲得應硬 決策。下面採用仿真模擬證明採用本發明的光相干接收系統可以改善信噪比，同時找出 信噪比最小時的α和β取值。
為了簡便，將R設定為2。對於16-QAM，信號功率己等於4Eb，而對於64-QAM，信號 功率Ps等於8Eb，在此Eb的單位是能量每比特。在該仿真模擬中，首先隨機生成源信號並採 用16-QAM或64-QAM進行調製。接著我們可以獲得接收符號功率，接收符號和本地符號的 乘積，以及本地符號的功率(參見公式(1))。通過加入隨機生成的高斯噪聲，可以獲得接收 格式符號。此後，分別依據傳統方案(公式(2)和(3))和本發明的方案(公式(9))解調 所述接收到的符號。最後可以計算出誤碼率。
圖5是採用不同技術方案的16-QAM SER性能比較示意圖。圖5繪製了 16-QAM的 誤碼率(SER)。當α = 0且β = 1時，僅使用X2來估計振幅，採用本發明的技術方案獲得 的SER與現有技術的技術方案基本一致，這是因為，兩種處理方法都只使用從差分轉換器 500獲得的信息I1和Iq。當α = 1且β = 0時，僅使用X1來估計振幅，採用本發明的技 術方案獲得的SER(約1E-2)比現有技術要好約ldB，這意味著X1的振幅估計失真比X2要 小的多。當通過離線仿真，選擇α = 16且β = 1時，獲得的SER性能稍好於選擇α = 1 且β =0時的SER性能。一方面，這意味著X1和X2中的噪聲分量是實際上是獨立的。另 一方面，也說明X1的振幅失真要顯著小於X2，並且其效果好到已經足以忽略X2中的振幅信 肩、ο圖6是採用相同技術方案的64-QAM SER性能比較示意圖。圖6繪製了 64-QAM的 誤碼率(SER)。當α = 0且β = 1時，僅使用X2來估計振幅，採用本發明的技術方案獲得 的SER與現有技術的技術方案基本一致，這是因為，兩種處理方法都只使用從差分轉換器 500獲得的信息I1和Iq。當α = 1且β = 0時，僅使用X1作為振幅估計，採用本發明的 技術方案獲得的SER(約1E-2)比現有技術要好約1. 5dB，這意味著X1的振幅失真比X2要 小的多。當通過離線仿真，選擇α = 16且β = 1時，獲得的SER性能稍好於選擇α = 1 且β =0時的SER性能。一方面，這意味著X1和X2中的噪聲分量是實際上獨立的。另一 方面，也說明X1的振幅失真要顯著小於^，並且其效果好到已經足以忽略X2中的振幅信息。 由於在64-QAM中的振幅調製級別更多，因此SER性能的改進更為重要。本領域技術人員知悉，在本實施例中混合器700是分別從1/2分路器401-404接 收第一同相電信號第二路分量In(t)」、第二同相電信號第二路分量I12(t)」、第一正交相移電 信號第二路分量Iqiw 」和第二正交相移電信號第二路分量IQ2(t) 」並求和以生成反映接收到 的光功率的輸出信號Pa(t)。並將該輸出信號Pa(t)用於後續處理。但是本領域技術人員 知悉，在圖2和圖3示出的實施例中，輸出信號Pa(t)的後續處理也與圖4中示出的實施例 相同，因此，如圖2和3所示的實施例也可包括如圖4中所示的處理模塊和數模轉換模塊。或者，在圖2和圖3示出的實施例中，信號的處理並不在光相干接收系統內部進 行，而是通過外接的處理裝置進行處理。在本發明的其他優選實施例中，外接處理裝置可以 通過通信接口直接與光相干接收系統連接，也可以通過傳輸網絡傳送到遠端處理設備，由 該遠端處理設備進行處理。圖7是本發明的光相干接收方法的第一實施例的流程圖。如圖7所示，在步驟Sl 中，產生本地振蕩光信號。在本發明的一個實施例中，可採用圖2-4中任一實施例所述的本 地振蕩光生成裝置100生成本地振蕩光信號，其中該本地振蕩光信號具有光頻彼此 不同、相互正交的偏正分量Euh和Εω2。具體的操作步驟可參照對圖2-4的描述。在步驟S2中，將所述本地振蕩光信號和接收光信號混合以生成多個光信號。在本發明的一個優選實施例中，可採用光混合電路200接收所述第一本地振蕩光信號分量Εωι、 第二本地振蕩光信號分量Eue和接收光信號Es，並基於上述信號生成第一光信號Ε1，第二 光信號Ε2，第三光信號Ε3和第四光信號Ε4。其中，第一光信號El為所述接收光信號Es和 第一本地振蕩光信號分量Eun之和，所述第二光信號Ε2為所述接收光信號Es和第一本地振 蕩光信號分量Euh之差。所述第三光信號Ε3為所述接收光信號Es和第二本地振蕩光信號 分量Euk之和。所述第四光信號Ε4為所述接收光信號Es和第二本地振蕩光信號分量Euk 之差。
在步驟S3中，可將所述多個光信號轉換成一組同相電信號和一組正交相移電信 號。在本發明的一個實施例中，可採用光電轉換器300接收所述第一光信號Ε1，第二光信 號Ε2，第三光信號Ε3和第四光信號Ε4，並分別將其轉換成第一同相電信號Inw和第二同 相電信號II2(t)，以及第一正交相移電信號IQ1(t)和第二正交相移電信號IQ2(t)。在本發明的 一個優選實施例中，所述光電轉換器300可以包括第一-第四光電探測器。所述第一光電 探測器用於將第一光信號El轉換成第一同相電信號Ιηω。所述第二光電探測器用於將第 二光信號Ε2轉換成第二同相電信號ΙΙ2ω。所述第三光電探測器用於將第三光信號Ε3轉換 成第一正交相移電信號Iqiw。所述第四光電探測器用於將第四光信號Ε4轉換成第二正交 相移電信號IQ2(t)。在本發明的其他實施例中，也可採用其他光電轉換器，比如光電二極體、 光電倍增管等、光導探測器等等。根據本發明的教導，本領域技術人員可以根據實際需要任 意選擇所需的光電轉換器。在步驟S4中，可採用分路裝置分路所述一組同相電信號和一組正交相移電信號 中的至少一者。在此，當採用分路裝置分組一組同相電信號，即分路第一同相電信號Ιηω和 第二同相電信號ΙΙ2ω時，可參照圖2中示出的實施例來實現。當採用分路裝置分組第一正 交相移電信號IQ1(t)和第二正交相移電信號IQ2(t)時，可以參照圖3中示出的實施例來實現。 當採用分路裝置同時分組所述第一同相電信號Ιηω、第二同相電信號II2(t)、第一正交相移 電信號Iqiw和第二正交相移電信號IQ2(t)時，可以參照圖4中示出的實施例來實現。在此 就不再累述了。在步驟S5中，基於步驟S4中獲得的信號分別生成同相信號估計、正交相位信號估 計和輸出信號。在此，可採用第一差分轉換器和第二差分轉換器分別生成同相信號估計和 正交相位信號估計，並採用多路混合器生成反映接收到的光功率的輸出信號。圖2-4分別 示出了不同情況下同相信號估計、正交相位信號估計和輸出信號的生成，在此就不再累述 了。在本發明的其他優選實施例中，所述光相干接收方法可進一步包括A/D轉換步驟 和處理步驟。所述A/D轉換步驟是指接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計 和接收正交相位信號估計，也就是將模擬的所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收 正交相位信號估計轉換成數位訊號。所述處理步驟包括接收所述數位化的輸出信號、接收 同相信號估計和接收正交相位信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目 標信號的同相估計部分和正交相位估計部分。所述處理步驟採用上述處理模塊來實現。所 述處理模塊的操作過程已經在前面進行詳細的描述了。所述A/D轉換步驟可採用A/D轉換 器來實現。根據本發明的系統部分上述教導，本領域技術人員顯然能夠實現本發明的方法。雖然本發明是通過具體實施例進行說明的，本領域技術人員應當明白，在不脫離本發明範圍的情況下，還可以對本發明進行各種變換及等同替代。因此，本發明不局限於所公開的具體實施例，而應當包括落入本發明權利要求範圍內的全部實施方式。
權利要求
一種光相干接收系統，包括本地振蕩光生成裝置，用於產生本地振蕩光信號，其中所述本地振蕩光信號具有彼此正交的第一本地振蕩光信號分量和第二本地振蕩光信號分量；光混合電路，用於接收所述第一本地振蕩光信號分量、第二本地振蕩光信號分量和接收光信號，以生成第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號；光電轉換器，用於將所述第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號分別轉換成第一同相電信號、第二同相電信號、第一正交相移電信號和第二正交相移電信號；其特徵在於，所述光相干接收系統進一步包括分路裝置，用於接收所述第一同相電信號和第二同相電信號以生成第一同相電信號第一路分量、第一同相電信號第二路分量和第二同相電信號第一路分量、第二同相電信號第二路分量；第一差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第一路分量和第二同相電信號第一路分量以生成同相信號估計；多路混合器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第二路分量和第二同相電信號第二路分量以生成功率輸出信號；第二差分轉換器，用於接收第一正交相移電信號和第二正交相移電信號以生成接收正交相位信號估計。
2.根據權利要求1所述的光相干接收系統，其特徵在於，所述第一光信號為所述接收 光信號和第一本地振蕩光信號分量之和；所述第二光信號為所述接收光信號和第一本地振 蕩光信號分量之差；所述第三光信號為所述接收光信號和第二本地振蕩光信號分量之和； 所述第四光信號為所述接收光信號和第二本地振蕩光信號分量之差。
3.根據權利要求1所述的光相干接收系統，其特徵在於，所述分路裝置是1/2分路器， 和/或所述光電轉換器是光電探測器。
4.根據權利要求1所述的光相干接收系統，其特徵在於，所述光相干接收系統進一步 包括A/D轉換模塊，用於接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相 位信號估計。
5.根據權利要求4所述的光相干接收系統，其特徵在於，所述光相干接收系統進一步 包括處理模塊，用於接收所述數位化的功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相位 信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和正交 相位估計部分。
6.一種光相干接收系統，包括本地振蕩光生成裝置，用於產生本地振蕩光信號，其中所述本地振蕩光信號具有彼此 正交的第一本地振蕩光信號分量和第二本地振蕩光信號分量；光混合電路，用於接收所述第一本地振蕩光信號分量、第二本地振蕩光信號分量和接 收光信號，以生成第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號；光電轉換器，用於將所述第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號分別轉換 成第一同相電信號、第二同相電信號、第一正交相移電信號和第二正交相移電信號；其特徵在於，所述光相干接收系統進一步包括分路裝置，用於接收所述第一正交相移電信號和第二正交相移電信號以生成第一正交 相移電信號第一路分量、第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相移電信號第一路分 量、第二正交相移電信號第二路分量；第二差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一正交相移電信號第一路分量和第二正 交相移電信號第一路分量以生成正交相移估計；多路混合器，用於從所述分路裝置接收第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相 移電信號第二路分量以生成功率輸出信號；第一差分轉換器，用於接收第一同相電信號和第二同相電信號以生成接收同相信號估計。
7.根據權利要求6所述的光相干接收系統，其特徵在於，所述光相干接收系統進一步 包括A/D轉換模塊，用於接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相 位信號估計；和處理模塊，用於接收所述數位化的功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相位 信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和正交 相位估計部分。
8.一種光相干接收系統，包括本地振蕩光生成裝置，用於產生本地振蕩光信號，其中所述本地振蕩光信號具有彼此 正交的第一本地振蕩光信號分量和第二本地振蕩光信號分量；光混合電路，用於接收所述第一本地振蕩光信號分量、第二本地振蕩光信號分量和接 收光信號，以生成第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號；光電轉換器，用於將所述第一光信號，第二光信號，第三光信號和第四光信號分別轉換 成第一同相電信號、第二同相電信號、第一正交相移電信號和第二正交相移電信號； 其特徵在於，所述光相干接收系統進一步包括分路裝置，用於接收所述第一同相電信號和第二同相電信號以生成第一同相電信號第 一路分量、第一同相電信號第二路分量和第二同相電信號第一路分量、第二同相電信號第 二路分量；和接收所述第一正交相移電信號和第二正交相移電信號以生成第一正交相移電 信號第一路分量、第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相移電信號第一路分量、第 二正交相移電信號第二路分量；第一差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第一路分量和第二同相電 信號第一路分量以生成同相信號估計；第二差分轉換器，用於從所述分路裝置接收第一正交相移電信號第一路分量和第二正 交相移電信號第一路分量以生成正交相移估計；多路混合器，用於從所述分路裝置接收第一同相電信號第二路分量、第二同相電信號 第二路分量、第一正交相移電信號第二路分量和第二正交相移電信號第二路分量以生成功 率輸出信號。
9.根據權利要求8所述的光相干接收系統，其特徵在於，所述光相干接收系統進一步 包括A/D轉換模塊，用於接收並數位化所述功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相 位信號估計；和處理模塊，用於接收所述數位化的功率輸出信號、接收同相信號估計和接收正交相位 信號估計，以用於生成光相干接收系統的信號估計，輸出目標信號的同相估計部分和正交 相位估計部分。
10. 一種光相干接收方法，其特徵在於，包括 ，51、產生本地振蕩光信號； ，52、將所述本地振蕩光信號和接收光信號混合以生成多個光信號； ，53、將所述多個光信號轉換成一組同相電信號和一組正交相移電信號； ，54、分路所述一組同相電信號和一組正交相移電信號中的至少一者； ，55、基於步驟S4中獲得的信號分別生成同相信號估計、正交相位信號估計和功率輸出信號。
全文摘要
本發明涉及一種光相干接收系統及其方法。所述方法包括S1、產生本地振蕩光信號；S2、將所述本地振蕩光信號和接收光信號混合以生成多個光信號；S3、將所述多個光信號轉換成一組同相電信號和一組正交相移電信號；S4、分路所述一組同相電信號和一組正交相移電信號中的至少一者；S5、基於步驟S4中獲得的信號分別生成同相信號估計、正交相位信號估計和功率輸出信號。實施本發明的光相干接收方法和系統，儘可能地利用所有已知信息從而提高信噪比。
文檔編號H04B10/148GK101800604SQ20101004274
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月11日 優先權日2010年1月11日
發明者張勝利, 王暉, 陳彬 申請人:張勝利;陳彬;王暉;深圳大學