一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于合成单边带信号的光信号线性直接探测方法与系统。该系统包括本振激光器、耦合器、光探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)。本振激光器频率设置在入射光信号频谱一侧边缘，并通过耦合器与入射光信号合波后形成单边带信号输入光探测器。光探测器输出的模拟信号经放大滤波后由ADC转换为数字信号。DSP将输入数字信号作为实部，其Hilbert变换作为虚部进行相加得到代表所合成的单边带光信号光场的复数信号，进而通过频偏补偿算法恢复入射光信号光场。本发明专利技术使用单个光探测器和单个ADC即可实现入射光信号光场的数字化相干检测，具有结构简单，成本低，功耗小等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统
本专利技术属于光纤通信，自由空间光通信，光信号检测和数字信号处理领域，更具体地，涉及一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统。
技术介绍
目前光通信系统主要采用强度调制和直接检测技术。基于直接检测技术的光接收机采用单个光电二极管将光信号转换为电信号，结构简单，成本低，但光电二极管输出电流与输入光信号模场的平方(即光功率)成正比，因此只能检测信号光的强度信息。由于强度调制并未充分利用光场的全部可调制维度，因此传输效率低，难以满足日益增长的高速大容量通信系统的需求。相干检测可以检测信号光的强度、频率、相位和偏振各个维度信息，具有更高的传输效率和灵敏度。由于相干检测中光场能够被线性化复原为电信号，因此是一种线性化检测技术。而数字化相干检测可以在数字域还原信号光场，进而可以通过算法实现载波同步，无需复杂的光锁相环和高性能激光器，因此目前高速大容量远距离光通信系统多采用基于数字化相干检测技术的相干光接收机。但是目前此类相干光接收机一般包括2个光混频器，4个光平衡探测器(每个光平衡探测器包含2个光电二极管，总共需要8个光电二极管)和4个模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)，其结构复杂，成本和功耗都很高，不适用数据中心，城域网和光接入网络等对成本较为敏感的场合，以及卫星、空间站等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，因而限制了高速大容量光网络的覆盖范围。最近国外研究者提出了一些新型的所谓“数字线性化”技术。该技术采用单个光电二极管检测光信号，通过数字信号处理(DigitalSignalProcessing，DSP)运算消除光电二极管平方率响应函数引入的非线性串扰，实现信号光场的线性化数字相干检测。该方案能够大大降低系统成本和功耗，是一种绿色低成本的数字化相干检测方法。目前提出的“数字线性化”技术主要包括单级和两级线性化滤波技术、迭代线性化滤波技术、信号与信号拍频干扰消除技术以及基于最小相位信号的线性化技术这五种。前四种技术是将单个光电二极管平方率响应函数造成的非线性项作为一种失真计算出来后再从输出信号中减去。基于最小相位信号的线性化技术采用直流光与信号光合成光学最小相位信号，进而利用单个光电二极管检测其强度大小，最后在DSP中基于最小相位信号幅度和相位间存在的Hilbert变换关系重建信号光场，其频谱效率和输出信号质量较前四种技术更高。但是目前基于最小相位信号的线性化技术还存在一些缺点，例如DSP在重构光场信息时的对数运算中存在频谱展宽效应，导致ADC在常规2倍的采样倍率下不足以恢复全场信息(至少需要3倍采样倍率)，引入迭代算法来降低采样倍率至常规2倍的话会带来额外的巨大计算量，对于DSP数据处理的速率提出了极高的要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统，由此解决目前的基于最小相位信号的线性化技术存在的对ADC采样倍率需求高、对DSP的数据处理速率要求极高的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测系统，包括：依次相连的本振激光器、耦合器、光探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器和数字信号处理器；其中，所述耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，所述光探测器包括具有1个输入端口和1个输出端口的普通光探测器PD，或者具有2个输入端口和1个输出端口的光平衡探测器BPD，所述耦合器从2个输出端口中任意选取1个端口与所述普通光探测器PD的1个输入端口连接，或者所述耦合器将2个输出端口与所述光平衡探测器BPD的2个输入端口连接；所述本振激光器用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧预设范围内；所述耦合器，用于将所述入射光信号和所述本振光信号进行合波得到两路满足单边带条件的光信号；所述光探测器，用于合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号；所述射频放大器，用于放大来自于所述光探测器的所述射频电信号，以达到符合所述模数转换器采样电平的需求；所述电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；所述模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；所述数字信号处理器，用于对由所述模数转换器输入的所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。其中，本振光信号可在发射端产生，与入射光信号合波后传输至接收端，也可在接收端产生，并与传输至接收端的入射光信号经耦合器合波后输入至光探测器。优选地，若所述光探测器为普通光探测器PD，所述射频电信号为：所述数字信号为：其中，IPD(t)表示所述射频电信号，RPD表示所述普通光探测器PD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-PD(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。优选地，所述数字信号处理器，用于由Iim-PD(nT)＝HT[Idig-PD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-PD(nT)，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-PD(nT)对应ES-PD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换，为信号Idig-PD(nT)的均值。优选地，若所述光探测器为光平衡探测器BPD，则所述射频电信号为：所述数字信号为：其中，IBPD(t)表示所述射频电信号，RBPD表示所述光平衡探测器BPD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-BPD(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。优选地，若所述光探测器为所述光平衡探测器BPD，则所述数字信号处理器，用于由Iim-BPD(nT)＝HT[Idig-BPD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-BPD(nT)，由ES-BPD(nT)＝Idig-BPD(nT)+j[Iim-BPD(nT)]在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-BPD(nT)对应ES-BPD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换。其中，所述射频放大器的放大倍数应与所述模数转换器的额定输入电压动态范围相匹配。按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法，包括：将入射光信号和本振光信号经过合波得到两路满足单边带条件的光信号，并将合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧边缘；对所述射频电信号进行放大，以达到符合模数转换采样电平的需求，并滤除放大后的射频电信号中的噪声；将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号，并对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。其中，本振光信号可根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于合成单边带信号的线性直接探测系统，其特征在于，包括：依次相连的本振激光器、耦合器、光探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器和数字信号处理器；其中，所述耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，所述光探测器包括具有1个输入端口和1个输出端口的普通光探测器PD，或者具有2个输入端口和1个输出端口的光平衡探测器BPD，所述耦合器从2个输出端口中任意选取1个端口与所述普通光探测器PD的1个输入端口连接，或者所述耦合器将2个输出端口与所述光平衡探测器BPD的2个输入端口连接；所述本振激光器，用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧预设范围内；所述耦合器，用于将所述入射光信号和所述本振光信号进行合波得到两路满足单边带条件的光信号；所述光探测器，用于将合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号；所述射频放大器，用于放大来自于所述光探测器的所述射频电信号，以达到符合所述模数转换器采样电平的需求；所述电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；所述模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；所述数字信号处理器，用于对由所述模数转换器输入的所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。...

【技术特征摘要】
1.一种基于合成单边带信号的线性直接探测系统，其特征在于，包括：依次相连的本振激光器、耦合器、光探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器和数字信号处理器；其中，所述耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，所述光探测器包括具有1个输入端口和1个输出端口的普通光探测器PD，或者具有2个输入端口和1个输出端口的光平衡探测器BPD，所述耦合器从2个输出端口中任意选取1个端口与所述普通光探测器PD的1个输入端口连接，或者所述耦合器将2个输出端口与所述光平衡探测器BPD的2个输入端口连接；所述本振激光器，用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧预设范围内；所述耦合器，用于将所述入射光信号和所述本振光信号进行合波得到两路满足单边带条件的光信号；所述光探测器，用于将合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号；所述射频放大器，用于放大来自于所述光探测器的所述射频电信号，以达到符合所述模数转换器采样电平的需求；所述电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；所述模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；所述数字信号处理器，用于对由所述模数转换器输入的所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，若所述光探测器为普通光探测器PD，所述射频电信号为：所述数字信号为：其中，IPD(t)表示所述射频电信号，RPD表示所述普通光探测器PD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-PD(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理器，用于由Iim-PD(nT)＝HT[Idig-PD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-PD(nT)，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-PD(nT)对应ES-PD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换，为信号Idig-PD(nT)的均值。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，若所述光探测器为光平衡探测器BPD，则所述射频电信号为：所述数字信号为：其中，IBPD(t)表示所述射频电信号，RBPD表示所述光平衡探测器BPD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-BPD(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理器，用于由Iim-BPD(nT)＝HT[Idig-BPD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-BPD(nT)，由ES-BPD(nT)＝Idig-BPD(nT)+j[Iim-BPD(nT)]在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-BPD(nT)对应ES-BPD...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔晟，周可籍，刘德明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42