一种光纤通信链路的载波调制方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202411535503.9 申请日 2024-10-31
公开(公告)号 CN119276375A 公开(公告)日 2025-01-07
申请人 无锡方大环保科技有限公司; 申请人类型 企业
发明人 魏斌; 马娟; 第一发明人 魏斌
权利人 无锡方大环保科技有限公司 权利人类型 企业
当前权利人 无锡方大环保科技有限公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:江苏省 城市 当前专利权人所在城市:江苏省无锡市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:江苏省无锡市惠山经济开发区阳山配套区恒通西路9号 邮编 当前专利权人邮编:214000
主IPC国际分类 H04B10/61 所有IPC国际分类 H04B10/61H04B10/58H04B10/2525
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 9 专利文献类型 A
专利代理机构 无锡华建知识产权代理事务所 专利代理人 孙建;
摘要 本 发明 提出了一种光纤通信链路的载波调制方法,涉及光纤通信技术领域。在发送端将待传输的高速数据流分割成多个低速数据流,并将多个低速数据流分别调制到多个相互独立的 子载波 上,对每个子载波待传输的 信号 添加前置信号后进行传输;在接收端用耦合 正交 调制的方式对接收到的多个子载波传输的信号进行调制并合成,对合成后的总载波信号进行色散补偿和非线性补偿。本发明对提高光纤通信系统的性能、延长传输距离、增加系统容量以及降低成本都具有重要意义。
权利要求

1.一种光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,包括如下步骤:
在发送端将待传输的高速数据流分割成多个低速数据流,并将多个低速数据流分别调制到多个相互独立的子载波上,对每个子载波待传输的信号添加前置信号后进行传输;
在接收端用耦合正交调制的方式对接收到的多个子载波传输的信号进行调制并合成,对合成后的总载波信号进行色散补偿和非线性补偿。
2.根据权利要求1中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,所述前置信号是在各自子载波待传输的信号的开始处添加一段信号的副本,所述副本是各自子载波待传输的信号的第t个时段至末尾时段的信号,子载波待传输的信号的第t个时段为前置信号的起始时段。
3.根据权利要求2中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,前置信号的起始时段的确认方式包括:
(1)F(k)代表子载波待传输的信号第k个时段的信号序列,k为自然数,k=1,2,3…T;T代表子载波待传输的信号共有T个时段;
计算第k个时段的信号序列与第(k+Δk)个时段的信号序列的相位差值P(k)。
(2)计算第k个时段的信号序列与第(k+Δk)个时段的信号序列的幅值比M(k);
(3)通过M(k)和P(k)判定第k个采样点是否属于前置信号的起始时段,如果M(k)小于幅值比阈值T1且P(k)小于相位差阈值T2,则当前时段k即为前置信号的起始时段。
4.根据权利要求1中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,所述耦合正交调制的方式是通过耦合调制端调制信号,具体包括:
在第I个时段上接收到的子载波信号S(I)包括同向支路光信号相位 与正交支路光信号相位
同向支路Z的光信号 与正交支路J的光信号 分别表示为:
其中, 分别为Z、J两支路的输入调制信号电压; 分别为Z、J两
支路的直流偏置信号电压;VZ、VQ分别为Z、J两支路调制器的半波电压。
5.根据权利要求4中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,耦合调制端输出每个子载波调制信号表示为:
第I个时段,N个子载波调制信号最终合成的信号H(I)表示为:
其中,Fn(I)是第I个时段第n个子载波调制信号,N为子载波个数,ωn为第n个子载波调制信号的频率
6.根据权利要求5中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,N个子载波调制信号最终合成的信号交替经过多个非线性补偿模和多个色散补偿模块进行补偿,校正信号在传输过程中由于非线性效应产生的变化和由于光纤色散导致信号畸变。
7.根据权利要求6中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,将合成后的总P
载波信号H(I)的非线性效应在时域中的传递函数进行阶数为P的分数阶傅里叶变换FRFT ,得到合成后的总载波信号H(I)的非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数其中:hNL(I)为非线性效应的时域传递函数,i为虚数单位,α为光纤的损耗系数,γ为光纤的非线性系数,|H(I)|为信号功率幅值,h为补偿算法的步长。
8.根据权利要求7中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,经过非线性补偿后的总载波信号的色散在频域中的传递函数进行阶数为1‑p的分数阶傅里叶变换,得到非线性补偿后的总载波信号的色散在分数阶傅里叶域中的传递函数:
其中:HCD(ω)为色散在频域的传递函数,i为虚数单位,β为光纤的群速度色散,ω为总载波信号的频率,h为补偿算法的步长; 为色散在P阶分数阶傅里叶域中的传递函数,
1‑P
FRFT 表示阶数为1‑P的分数阶傅里叶变换。
9.根据权利要求8中所述的光纤通信链路的载波调制方法,其特征在于,将色散在P阶分数阶傅里叶域中的传递函数与非线性效应在P阶分数傅里叶域中的传递函数进行卷积运算得到补偿后的总信号X(I,ω),卷积过程可以通过以下公式实现:
(m)
设经过m次色散补偿和m次非线性补偿后的信号表示为X (I,ω)。

说明书全文

一种光纤通信链路的载波调制方法

技术领域

[0001] 本发明提出了一种光纤通信链路的载波调制方法,涉及光纤通信技术领域。

背景技术

[0002] 随着国际互联网业务和通信业的飞速发展,信息化给世界生产和人类社会的发展带来了极大的推动。光纤通信系统是以光为载波,利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介,通过光电变换,用光来传输信息的通信系统。
[0003] 如图1所示,光纤通信系统包括发射、传输、接收等基本功能模。信息源将用户信息(话音、图象、数据等)转化为原始电信号,这种信号称为基带信号。电发射机把基带信号转换为适合信道传输的电信号
[0004] 输入到光发射机带有信息的电信号,光发射机通过调制转换为光信号,光载波经光纤传输到远方的光接收机,再经过电发射机的解调从载波中取出用户需要的信息源。
[0005] 随着互联网流量的持续增长,光纤通信技术将继续追求更高的传输速率、更大的系统容量以及更长的传输距离,涉及到更先进的调制技术、更大的频谱利用率以及新型光纤的开发;同时,在高功率和长距离传输中,光纤的非线性效应将更加显著,需要新的技术和方法来管理和抑制;随着网络变得更加复杂和动态,管理和安全问题也变得更加突出。
[0006] 例如现有技术中,相干光通信技术通过使用相干检测和数字信号处理(DSP)技术,可以有效地补偿光纤中的色散和非线性效应,从而提高传输速率和距离。
[0007] 再例如现有技术中,随着传输速率的提高,光纤中的非线性效应变得更加显著,正在开发新的非线性补偿技术,如数字后处理算法,可以提高传输性能并延长传输距离。
[0008] 然而现有技术光纤通信链路的载波调制方法仍存在以下技术问题,随着通信容量需求的增长,如何进一步提高频谱利用率,是光纤通信领域持续研究的重点;成本和能效方面:随着系统复杂度的增加,如何在保证性能的同时控制成本和提高能效,也是光纤通信技术发展中需要考虑的问题。
[0009] 另外,在长距离传输中,光纤的非线性效应会对信号造成损伤;但在不同的传输距离和条件下,如何实现有效的色散补偿仍然是一个挑战。

发明内容

[0010] 为了解决上述技术问题,本发明提出了一种光纤通信链路的载波调制方法,包括如下步骤:
[0011] 在发送端将待传输的高速数据流分割成多个低速数据流,并将多个低速数据流分别调制到多个相互独立的子载波上,对每个子载波待传输的信号添加前置信号后进行传输;
[0012] 在接收端用耦合正交调制的方式对接收到的多个子载波传输的信号进行调制并合成,对合成后的总载波信号进行色散补偿和非线性补偿。
[0013] 进一步地,所述前置信号是在各自子载波待传输的信号的开始处添加一段信号的副本,所述副本是各自子载波待传输的信号的第t个时段至末尾时段的信号,子载波待传输的信号的第t个时段为前置信号的起始时段。
[0014] 进一步地,前置信号的起始时段的确认方式包括:
[0015] (1)F(k)代表子载波待传输的信号第k个时段的信号序列,k为自然数,k=1,2,3…T;T代表子载波待传输的信号共有T个时段;
[0016] 计算第k个时段的信号序列与第(k+Δk)个时段的信号序列的相位差值P(k)。
[0017] (2)计算第k个时段的信号序列与第(k+Δk)个时段的信号序列的幅值比M(k);
[0018] (3)通过M(k)和P(k)判定第k个采样点是否属于前置信号的起始时段,如果M(k)小于幅值比阈值T1且P(k)小于相位差阈值T2,则当前时段k即为前置信号的起始时段。
[0019] 进一步地,所述耦合正交调制的方式是通过耦合调制端调制信号,具体包括:
[0020] 在第I个时段上接收到的子载波信号S(I)包括同向支路光信号相位 与正交支路光信号相位
[0021] 同向支路Z的光信号 与正交支路J的光信号 分别表示为:
[0022]
[0023] 其中, 分别为Z、J两支路的输入调制信号电压; 分别为Z、J两支路的直流偏置信号电压;VZ、VQ分别为Z、J两支路调制器的半波电压。
[0024] 进一步地,耦合调制端输出每个子载波调制信号表示为:
[0025]
[0026] 第I个时段,N个子载波调制信号最终合成的信号H(I)表示为:
[0027]
[0028] 其中,Fn(I)是第I个时段第n个子载波调制信号,N为子载波个数,ωn为第n个子载波调制信号的频率
[0029] 进一步地,N个子载波调制信号最终合成的信号交替经过多个非线性补偿模块和多个色散补偿模块进行补偿,校正信号在传输过程中由于非线性效应产生的变化和由于光纤色散导致信号畸变。
[0030] 进一步地,将合成后的总载波信号H(I)的非线性效应在时域中的传递函数进行阶P数为P的分数阶傅里叶变换FRFT ,得到合成后的总载波信号H(I)的非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数
[0031]
[0032] 其中:hNL(I)为非线性效应的时域传递函数,i为虚数单位,α为光纤的损耗系数,γ为光纤的非线性系数,|H(I)|为信号功率幅值,h为补偿算法的步长。
[0033] 进一步地,经过非线性补偿后的总载波信号的色散在频域中的传递函数进行阶数为1‑p的分数阶傅里叶变换,得到非线性补偿后的总载波信号的色散在分数阶傅里叶域中的传递函数:
[0034]
[0035] 其中:HCD(ω)为色散在频域的传递函数,i为虚数单位,β为光纤的群速度色散,ω为总载波信号的频率,h为补偿算法的步长; 为色散在P阶分数阶傅里叶域中的传递1‑P
函数,FRFT 表示阶数为1‑P的分数阶傅里叶变换。
[0036] 进一步地,将色散在P阶分数阶傅里叶域中的传递函数与非线性效应在P阶分数傅里叶域中的传递函数进行卷积运算得到补偿后的总信号X(I,ω),卷积过程可以通过以下公式实现:
[0037]
[0038] 设经过m次色散补偿和m次非线性补偿后的信号表示为X(m)(I,ω)。
[0039] 相比于现有技术,本发明具有如下有益技术效果:
[0040] (1)、本发明的光纤通信链路的载波调制方法在发送端将待传输的高速数据流分割成多个低速数据流,并将多个低速数据流分别调制到多个相互独立的子载波上。通过子载波复用技术,可以在有限的频谱资源中传输更多的数据,因为每个子载波可以独立调制,从而提高了频谱的利用效率。
[0041] (2)、本发明的光纤通信链路的载波调制方法对每个子载波待传输的信号添加前置信号后进行传输;每个子载波可以独立地进行调制和解调,这样即使某个子载波受到干扰,也不会影响到其他子载波,从而提高了整个系统的可靠性。
[0042] (3)、本发明的光纤通信链路的载波调制方法在接收端用耦合正交调制的方式对接收到的多个子载波传输的信号进行调制并合成。可以有效减少或消除符号间干扰,适用于高速数据传输,如100Gbit/s高速光接入等场景。
[0043] (4)、本发明的光纤通信链路的载波调制方法对合成后的总载波信号进行色散补偿和非线性补偿。可以有效抑制由于光纤非线性效应(如自相位调制、交叉相位调制和四波混频等)引起的信号损伤,从而提高光纤传输网络的最大容量。提高系统的Q值和误码率(BER)性能,使得系统能够在更高的入纤功率下仍保持较高的性能。附图说明
[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045] 图1为现有技术中的光纤通信系统结构示意图;
[0046] 图2为本发明的光纤通信链路的载波调制方法的流程示意图;
[0047] 图3为相位相差90度的正弦波和余弦波示意图;
[0048] 图4为不同入射光功率对应的不同色散补偿性能示意图。

具体实施方式

[0049] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将耦合本申请实施例中的附图,对本申请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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
[0050] 在本发明的具体实施例附图中,为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理,表现所述装置中各部分的连接关系,只是明显区分了各元件之间的相对位置关系,并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、大小、形状的限定。
[0051] 如图2所示,为本发明的光纤通信链路的载波调制方法的流程示意图,该载波调制方法包括如下步骤:
[0052] 首先,在发送端将待传输的高速数据流分割成多个低速数据流,并将多个低速数据流分别调制到多个相互独立的子载波上。
[0053] 子载波是基本传输单元,每个子载波携带一部分信息并通过调制技术进行传输。对于每个子载波来说,每个子载波上的信号都是独立调制的,所以它们可以充分利用各自的带宽资源,也可以分别选择最适合自己传输特性的调制方式(如QPSK、16‑QAM等)来达到最高的波特率。
[0054] 具体调制过程中,需要确认以下参数:
[0055] 波特率:波特率也称为调制速率或符号速率,表示单位时间内通过子载波信道传输的码元(或符号)个数。每个子载波都可以视为一个独立的传输通道,每个通道上的信号都以一定的波特率进行传输。
[0056] 子载波间隔:子载波间隔决定了子载波的密度和数量,较小的子载波间隔意味着在相同带宽内可以容纳更多的子载波信道,但也可能导致载波间干
[0057] 扰增加。
[0058] 子载波长度:子载波长度决定了在一个符号周期内可以传输多少个码元。较长的符号长度可以提供更好的抗多径干扰能力,但也会降低数据传输速率。因此,在设计时,需要在符号长度和数据传输速率之间进行权衡。
[0059] 调制方式:不同的调制方式会影响每个符号所携带的比特数。
[0060] 例如,QPSK(四相相移键控)每个符号携带2比特信息,而16‑QAM(16进制正交幅度调制)每个符号则携带4比特信息。因此,在相同的波特率下,使用高阶调制方式可以提高数据传输速率。
[0061] 其次,对每个子载波待传输的信号添加前置信号后进行传输。
[0062] 前置信号是在子载波待传输的信号的开始处添加一段信号的副本,这段信号的副本选自各自子载波待传输的信号的第t个时段至末尾时段的信号。因此,需要确定子载波待传输的信号的第t个时段,即前置信号起始的时段。
[0063] 本实施例结合幅值比和相位差值的变化识别前置信号的起始时段,具体包括如下步骤:
[0064] (1)F(k)代表子载波待传输的信号第k个时段的信号序列,k为自然数,k=1,2,3…T;T代表子载波待传输的信号共有T个时段;
[0065] 计算第k个时段的信号序列与第(k+Δk)个时段的信号序列的相位差值P(k)。
[0066] (2)计算第k个时段的信号序列与第(k+Δk)个时段的信号序列的幅值比M(k);
[0067] (3)通过M(k)和P(k)判定第k个采样点是否属于前置信号的起始时段,如果M(k)小于幅值比阈值T1且P(k)小于相位差阈值T2,则当前时段k即为前置信号的起始时段。
[0068] 优选地,根据实际信号特性和光纤通信链路的要求调整相位差阈值T2和幅值比阈值T1。
[0069] 各子载波信道将添加了前置信号后的待传输的信号分别进行传输,在接收端用耦合正交调制的方式对接收到的多个子载波传输的信号进行调制并合成,这里设接收到的子载波信号的个数为N。
[0070] 需要解释的是,耦合正交调制的方式是通过改变两个正交波的幅度来传输数据。如图3所示,这两个正交波是相位相差90度的正弦波和余弦波。在耦合正交调制映射中,数据信号被映射到一个复平面上,形成复数调制符号,然后将该复数调制符号的实部虚部分别调制到这两个正交波上。
[0071] 耦合正交调制的方式能够同时利用信号波的幅度和相位来传递信息比特,并通过改变脉冲的幅度来表示传输的信息,因此在相同的频带宽度下,耦合正交调制的方式可以实现比AM和PM更高的数据传输速率。耦合正交调制的方式的信道数越多,每个符号能传输的信息量就越大,但同时对信噪比的要求也越高,因此更易受到噪声的影响。耦合正交调制可以在相同的频带宽度内传输更多的数据,从而提高数据传输速率。
[0072] 在优选的实施例中,耦合正交调制的方式是通过耦合调制端实现,耦合调制端凭借其高频谱效率性能更好地服务于光纤数据传输系统,从而大大提高了频谱利用率,有效地对抗频率选择性衰落和窄带干扰,以及提高数据传输速率和信号抗码间串扰能力,在现行光纤通信系统中得到了广泛应用。
[0073] 具体地,在第I个时段上接收到的子载波信号S(I)包括同向支路光信号相位与正交支路光信号相位 如图3所示,为。
[0074] 同向支路Z的光信号 与正交支路J的光信号 分别表示为:
[0075]
[0076] 其中, 分别为Z、J两支路的输入调制信号电压; 分别为Z、J两支路的直流偏置信号电压;VZ、VQ分别为Z、J两支路调制器的半波电压。
[0077] 耦合调制端输出每个子载波调制信号F(I)表示为:
[0078]
[0079] 第I个时段,N个子载波调制信号最终合成的信号H(I)表示如下:
[0080]
[0081] 由于每个子载波待传输的信号添加了前置信号,前置信号的时段区间为[t,T],所以I的取值为[0,2T‑t]。
[0082] 其中,Fn(I)是第I个时段第n个子载波调制信号,N为子载波个数,ωn为第n个子载波调制信号的频率。
[0083] 最后,对合成后的总载波信号进行色散补偿和非线性补偿。
[0084] 为了提高信号传输过程中的安全性,进一步地需要在接收端对合成后的总载波信号进行补偿。
[0085] 子载波信道内交叉相位调制和信道内四波混频是两种主要的非线性扰动项,它们会对信号传输质量产生显著影响。
[0086] 在优选实施例中,接收端具有多个非线性补偿模块和多个色散补偿模块,合成后的总载波信号交替经过非线性补偿模块和色散补偿模块。
[0087] 非线性补偿模块的作用是校正信号在传输过程中由于非线性效应产生的变化。色散补偿模块则是用来校正由于光纤色散导致信号畸变的问题。这些补偿模块可以是物理设备,也可以是数字信号处理算法。
[0088] 具体地,非线性补偿模块具有非线性补偿算法,进行一次非线性补偿的过程包括以下步骤:
[0089] 将合成后的总载波信号H(I)的非线性效应在时域中的传递函数进行阶数为P的分P数阶傅里叶变换FRFT ,得到合成后的总载波信号H(I)的非线性效应在分数阶傅里叶域中的传递函数
[0090]
[0091] 其中:hNL(I)为非线性效应的时域传递函数,i为虚数单位,α为光纤的损耗系数,γ为光纤的非线性系数,|H(I)|为信号功率幅值,h为补偿算法的步长。
[0092] 经过非线性补偿后的总载波信号进入色散补偿模块上,进行色散补偿算法。
[0093] 具体地,经过一次色散补偿过程包括以下步骤:
[0094] 经过非线性补偿后的总载波信号的色散在频域中的传递函数进行阶数为1‑p的分数阶傅里叶变换,得到非线性补偿后的总载波信号的色散在分数阶傅里叶域中的传递函数:
[0095]
[0096] 其中:HCD(ω)为色散在频域的传递函数,i为虚数单位,β为光纤的群速度色散,ω为总载波信号的角频率,h为补偿算法的步长;1‑P
[0097] 为色散在P阶分数阶傅里叶域中的传递函数,FRFT 表示阶数为1‑P的分数阶傅里叶变换。
[0098] 将色散在P阶分数阶傅里叶域中的传递函数与非线性效应在P阶分数傅里叶域中的传递函数进行卷积运算得到补偿后的总信号X(I,ω),卷积过程可以通过以下公式实现:
[0099]
[0100] 设经过m次色散补偿和m次非线性补偿后的信号表示为X(m)(I,ω)。
[0101] 在优选实施例中,色散补偿模块也可以根据需要在发射端进行预补偿。色散补偿模块能够对多个波长的信号进行补偿,具有低插入损耗、低偏振模色散和低偏振相关损耗的特点。如图4所示,展示了不同入射光功率对应的不同色散补偿性能,设置光功率在‑10~10dBm范围内扫描,在10Gbit/s传输速率的情况下三种不同的色散补偿次数下,Q值随着入纤光功率的变化而变化。
[0102] 非线性补偿和色散补偿的结合使用可以显著提高信号的传输质量,尤其是在高速光纤通信系统中。通过这些补偿,可以减少码间干扰,提高信号的完整性和可靠性。
[0103] 应当理解的是,以上仅为举例说明,对本发明的技术方案并不构成任何限定,在具体应用中,本领域的技术人员可以根据需要进行设置,本发明对此不做限制。
[0104] 应该理解的是,虽然本申请实施例中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示,但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明,这些步骤的执行并没有严格的顺序限制,其可以以其他的顺序执行。而且,图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段,这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成,而是可以在不同的时刻执行,其执行顺序也不必然是依次进行,而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0105] 需要说明的是,以上所描述的工作流程仅仅是示意性的,并不对本发明的保护范围构成限定,在实际应用中,本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的,此处不做限制。
[0106] 此外,需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0107] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0108] 以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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