专利名称：光的ofdm系统中单边带光信号的调制方法和发射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光的正交频分复用系统中一种新型的通过光的I、 Q调制来 实现单边带光信号的调制方法和光单边带发射装置，属于光纤通信系统的范 畴。
背景技术：
自卯年代中期开始，Internet商业化的巨大成功促使数据通信业务量一直保 持以两位数甚至三位数的速度高速增长，并且随着网络中一些新的数据业务的 不断发展和成熟(例如IPTV业务，视频点播VOD业务等)，可以预期这种 增长速度还将继续持续下去。不断发展的数据通信业务带来的是对传输容量和 传输带宽需求的不断增加。目前对于单信道光传输系统的速率要求已从10Gbit/s 提高至40Gbit/s甚至100Gbit/s。众所周知，将传统的10Gbit/s传输系统提高到 40Gbit/s或100Gbit/s，将会面临很多挑战1 )在传统10Gbit/s传输系统中,主 要采用的是强度调制-直接检测方案(IM-DD),当采用此方案来传输40/100Gbit/s 的数据时，其频谱宽度变大，色度色散容忍度变为原来的1/16(1/100), PMD容 忍度变为原来的1/4(1/10)，系统非线性容忍度也急剧恶化；2)由于速率变高， 电子器件的设计开发难度加大，光器件的要求也会提高，这都将使得系统的成 本变大；3)由于频谱变宽，原有的DWDM系统不能和此单信道兼容。为了解 决这些问题，近年来研究者们逐渐开始研究是否可将无线中存在的技术引入到 光通信领域，以解决这些问题，光的正交频分复用(O-OFDM)技术正是基于 此目的而提出来的。
OFDM技术是一种多载波调制(MCM)技术，是在无线通讯中被 IEEE 802.11G等通讯标准广泛采用的高速传输技术，是目前已知的频谱利用率 最高的一种调制技术。它基本原理是将高速的串行数据流分解成若干并行的 低速的子数据流同时传输；且在频域上可描述为在频域内将给定信道分成许 多正交的且相互重叠的子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各 子信道载波互相正交，并行传输。
如果将OFDM技术？ 1入到40/100Gbit/s系统中，由于其基本原理和本质特 性，将会给高速传输系统带来很多的优点1)较强的抗色度色散和抗偏振模色散的能力；2)较高的频谱利用率。这两点刚好克服了在传统的10Gbit/s系统中 传输1 OOGbit/s高速数据时所产生的上述主要限制条件，所以光的OFDM技术可 望在下一代光通信系统中占据重要地位。
目前基于OFDM的高速光传输系统主要包括两种实现方案相干光的 OFDM技术(CO-OFDM)和非相干光的OFDM技术(IO-OFDM)。 CO-OFDM 是指系统的接收端采用的是相干解调，IO-OFDM是指系统的接收端采用的是传 统的直接检测。单就抑制色散的效果来看，使用CO-OFDM和IO-OFDM是相似 的，但如采用IO-OFDM,在有效抑制色散、偏振模色散的同时，系统的性价比 较高，所以是目前一个主要的研究热点。这里主要分析的是IO-OFDM系统。
正如前所述，在高速光传输系统中色散是一个主要的限制因素，这是由色 散的本质所引起的，而且当传输信号的频谱越宽、传输距离越长时，色散对其 的影响就越大。所以针对IO-OFDM系统，当传输40bit/s或1 OOGbit/s时，为了 更进一步提高系统抗色散的能力， 一般应将双边带的信号转换为单边带的光 OFDM信号。在IO-OFDM系统中目前存在的产生单边带的方法主要包括两种
1) 将基带的OFDM信号首先调制到射频域，然后通过使用光滤波器滤掉一 个边带来实现。
2) 将基带的OFDM信号首先进行一系列的信号处理，然后用处理后的信号 调制 一 个马赫增德尔调制器来实现。
在对现有技术的研究和实践过程中，本发明的发明人发现这两种实现方法 存在以下缺点
方法1):该技术主要包括两个缺点 一是光滤波器的实现较难，且成本较 高；二是如果将基带信号先调到射频域后再调到光域，就会增加对系统带宽的 需求，这样的话系统通过采用单边带降低带宽从而来实现较强的抗色散的目的 就会相对减弱了 。
方法2):该技术虽然避免了使用光滤波器产生单边带，且可以传输基带的 OFDM信号降低带宽需求，但是系统需要对原有信号进行较复杂的信号处理，才 能得到适合产生单边带光信号的输入电调制信号，尤其在模拟光传输(特别是 副载波光传输)情况时原有信号处理更加复杂。这样的话就增加了系统的复杂 度，信号处理的难度加大了。
为了克服上述缺点，本发明提出了一种在光的正交频分复用系统中通过光 的I、 Q调制来实现单边带光信号的调制方法。 发明内容鉴于现有技术的上述缺点，本发明提供一种在光的正交频分复用系统中通 过光的I、 Q调制来实现单边带光信号的调制方法和光单边带发射装置，不仅 可以降低成本，降低系统信号处理的复杂度，而且可以与现在商用的光I、 Q调 制系统兼容。
首先简单介绍下光的I、 Q调制光的I、 Q调制是一种光的相干调制方法， 是通过驱动两个并联的光外调制器(比如马赫曾德尔调制器)来将I路和Q路 上的电信号调制到光载波上去的，普遍适用于QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying,四相移相键控)，DQPSK ( Difference Quadrature Phase-Shift Keying,差分 四相移相4建控)，M-ary QAM ( M-ary Quadrature Amplitude Modulation, M进制正 交幅度调制)等调制类型的相干解调系统，且目前已有商用的集成模块，使用 比较简单。本发明中的光外调制器主要采用的是双臂驱动的马赫增德尔调制器 (MZ调制器)。
根据本发明的一个方面，提供了一种新型的通过光的I、 Q调制来实现单 边带光信号的调制方法和发射装置，其特征在于，l)所述调制方法和发射装 置仅需要一个光的l、 Q调制器；2)对于输入到光I、 Q调制器的I路和Q路 上的电调制信号必须满足Q路上的信号g(f)是I路信号g(O的希尔伯特变换， g(r)为任意实信号，反之也成立；3)针对I、 Q路的输入电调制信号，I、 Q路 MZ调制器相对应的偏置电压需要满足I路(传输g(O ) MZ调制器上下臂的偏 置电压设为-^/4, Q路(传输^(r) )MZ调制器上下臂的偏置电压设为-F,/2;
4)光的I、 Q调制器的输出结果满足与AXp(2;r/_,J)x[l + gW + /xg(0](厶_为
光载波)的单边带光信号的形式。
根据本发明的另一个方面，提供了一种新型的通过光的I、 Q调制来实现 单边带光信号的调制方法和发射装置，可适用于光的正交频分复用(OFDM) 系统中，其特征在于，不仅适用于基带的OFDM系统，还适用于射频调制的 OFDM系统。
本发明通过光的I、 Q调制器来实现单边带光信号具有如下显著优点 l)本发明可以避免使用光的滤波器，降低成本；
信号产生单边带光信号，从而降低了信号处理的难度；
3) 本发明采用的光的I、 Q调制器正好可以与目前存在许多调制系统兼容；
4) 本发明在接收端可采用简单的直接检测或者自差检测。
6为了更清楚地说明本发明所提出的技术，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，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。
图l是本发明产生单边带光信号的发射装置结构图2是本发明实施例一的发射机端的系统流程示意图3是本发明中电域正交频分复用信号产生的基本示意图4是本发明实施例一的产生单边带光信号调制示意图5 图7分别是本发明实施例一中电域基带信号频谱示意图、光域信号双
边带频谱示意图和单边带示意图8是本发明实施例二的发射机端的系统流程示意图9是本发明实施例二的产生单边带光信号调制示意图10 图13分别是本发明实施例二中电域基带信号、射频信号频谱示意图、
光域信号双边带频谱示意图和单边带示意具体实施例方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明光单边带发射装置和基于OFDM系统的两个实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图l示出了本发明产生单边带光信号的发射装置结构图。
此装置主要利用的是光的I、 Q调制器102,它主要包括两个并行的光外调制器107、 108, —个激光器109和一个耦合器119。光外调制器107、 108这里采用的是双臂驱动的马赫曾德尔调制器(MZ调制器)；激光器109用于产生光载波；耦合器119用于将两个MZ调制器输出的光信号耦合到一起。下面具体介绍一下如何通过102产生一个单边带的光的OFDM信号。
根据John G.Proakis编著的《Digital Communications》中关于单边带信号的基本理论，我们知道对于任意一个实的信号g(/)来说，通过求其希尔伯特变换(k0信号)，就可得到其对应的单边带信号g(0 + /xg(0。根据这一基本理论Leonard R.Kahn 1961年在Proceedings of the IRE上才是出了 "Compatible SingleSideband"理论，其中指出;0)=孖(gO)) =+ g0))，即1 + g(f)+)x ;(,)仍然是一个单边带的信号。所以本发明就是通过光的I、 Q调制使输入的信号g(,)和
g(0转换成上述单边带的形式」exp(^y;。證,)x[l + g(0 + J'x^)](厶。證为光载波)，从而产生单边带的光信号。具体原理如下
根据I路和Q路上的双臂驱动MZ调制器的基本调制公式是
F , +F『
五,
h——^ x exp2
DC
(1)
这里&和五一 分別是MZ调制器的输入光和输出光的场强；^是MZ调制器的半波电压；^,。和^^分别是MZ调制器的上下臂上的输入电调制信号；&c肪和^c w分别是MZ调制器的上下臂上的偏置电压。令
(2)
(3)
将(2) (3)代入(1)中得:
五 ，=
五， 五.■— x exp [乂;r x A ] h——^ x exp [-_/;r x -2 ]
2
2
xexp _/;rx
x cos(;r x
2
V
j7 — 「 + j/— )/
'叩—m '/。w」w r Z)C —up r 。C」。w
(4)
x C0SO x —'"十。d,。"
激光器109是用于产生光载波￡, "鄉(_/2冗乙,力，J为光载波振幅，X。^为载波频率。110是分路器，将109产生的光载波分为两路111和112，且都等于￡, 。
偏置电压产生器113和116分别产生调制I路和Q路MZ调制器时所需要的偏置电压。这里113产生-^;/4的电压，并将其分为114、 115两路，作为I路MZ调制器的上下臂驱动电压；同理，116产生-f;/2的电压，且分为117、 118两路作为Q路MZ调制器的上下臂驱动电压。
根据上面的叙述，可以得到I路MZ调制器的各个分量的不同值为
Kp—w」=^—,"」=^;g(0 (5)<formula>formula see original document page 9</formula>
x为小于l的实数，这里乘以x是为了使这两个输入电调制信号足够小，从而减
小调制信号失真。
将(5)和(6) 、 (7)和(8)分别代入(4)中可以得到F r , 《洲—&/4、
<formula>formula see original document page 9</formula>
这里因为 ；rxxg(/) l ， 所以 cos(;rxxg(0) l , sin(;rx;cg(/))《；rxxg(X)，sin(;rxx,;(0;rxx^4w。得到￡。u,,和￡。,,,_。后输入到耦合器119。
耦合器119的作用是将I、 Q路输出的光信号耦合到一起完成光的I、 Q调制。其基本调制公式如下，我们取耦合器的输出端1即^ w120:
<formula>formula see original document page 9</formula>
将(9)和(10)代入到(11)得:<formula>formula see original document page 10</formula>
120符合上面的叙述单边带形式^exp(2;r厶w,)x[l + g(/) + j'x^)]。所以通过本发明光的I、 Q调制方法产生一个单边带光信号^m,,120。
本发明实施例一适用于基带数字OFDM信号的光单边带调制方式；本发明实施例二适用于射频调制的OFDM信号的光单边带调制方式。
实施例 一 、参见图2详细说明，图2为本实施例的发射机端的系统流程示意图。
步骤201:系统开始，首先输入需要在光传输系统传输的数字序列(aj。步骤202:根据OFDM的基本原理，对输入的(aj进行处理，得到基带的
OFDM信号—0和其希尔伯特变换信号；(O,
参见图3,图3为OFDM信号产生的基本示意图。具体介绍了如何产生m(o
和附(/)信号。
针对步骤201产生的(aj,串/并变换器301首先对其进行串并变换，将原有的串行比特数据流变换成并行比特数据流，然后进入到信号映射模块302。
信号映射模块302的目的是根据实际系统各个子载波所采用的调制方式，对并行数据流完成相应的调制映射，形成调制信息序列输入到反傅立叶变换器303。
反傅立叶变换器303得到数字域的OFDM已调信号的时域抽样序列，然后经过并/串换器304。
并/串换器304将并行输入的OFDM已调信号变为串行输出信号(mn }。
然后将(mn)分为两路， 一路输入到数/冲莫变换器(D/A) 305中的， 一路进入希尔伯特变换器307中。
数/模变换器305是将数字信号{ mn }变换成模拟信号306一) ， 306一)作为后面步骤203的一个输入信号用来驱动光I、 Q调制器的I路MZ调制器。
希尔伯特变换器307包括一个数字的希尔伯特变换器307和一个数/模变换器308。相对于模拟信号，对数字信号进行希尔伯特变换要简单容易的多，用现有的数字信号处理芯片就能完成，所以这里在OFDM信号还是数字信号时，就对其进行希尔伯特变换，然后再对其进行D/A，变换成模拟信号309"r)(= )。 309;(0也作为后面步骤203的一个输入信号用来驱动光I、 Q
10调制器的Q路MZ调制器。
步骤203:由步骤202产生的m(/)和；W信号分别驱动光的I、 Q调制器的I路和Q路，从而产生一个单边带光的基带OFDM信号。参见图4，图4为产生单边带光的基带OFDM信号调制示意图。
由于w(/)和；(0都是实信号，所以它们可以分别相当于图l单边带光信号发射装置中的两个输入信号100g(,)和lOlg(,),所以通过调制光的I、 Q调制器即可实现图4中的单边带调制方法。
光的I、 Q调制器401中的激光器404、 I路和Q路上的MZ调制器402和403、 I路和Q路上MZ调制器的偏置电压模块405和406以及光耦合器407分别相当于图1中的激光器109、 I路和Q路上的MZ调制器107和108、 I路和Q路上MZ调制器的偏置电压模块113和116以及光耦合器119,且这些相对应模块的初始值设定的都是相同的。唯一不同的就是I、 Q路上的输入电调制信号，但306、 309和100、 101的意义是相同的。所以具体的原理这里不再赘述，耦合器输出端408同图1中的120—样，是一个单边带光的基带OFDM信号。
图5、图6和图7分别描述了此实施例中电域基带信号频谱示意图、光域信号双边带频谱示意图和单边带示意图。从这三个图中可以直观的看出当电信号是基带时，光单边信号相对于双边带信号的频谱分布来。
步骤204:将产生的单边带光的OFDM信号^，,输入到光纤中。
本发明实施例通过光的I、 Q调制方法，产生单边带的光的基带OFDM信号，此种单边带光信号调制方法简单，系统抗色散能力强，且增加了系统的传输距离。
实际应用中，还存在一种将射频域的OFDM信号调制到光载波上进行单边带传输，以下实施例二则详细说明实际应用流程。
实施例二、参见图8详细说明，图8为本实施例的发射机端的系统流程示意图。
步骤801:系统开始，首先输入需要在光传输系统传输的数字序列^)。步骤802:根据正交频分复用(OFDM)的基本原理，对输入的(aj进行处
理，得到基带的OFDM信号w(0和其希尔伯特变换信号wW。
参见图2,图2为OFDM信号产生的基本示意图。具体的产生步骤和方法
同实施例一中步骤202相同，这里不再赘述。经过步骤802仍然产生m(/)信号
306和)")信号309。
步骤803:将基带的0FDM信号调制到射频域。将基带信号调制成射频信号，传统的方法就是对原有的信号乘以一个射频 载波^cos(2;r/^)即可(^为载波的振幅，厶,.为射频频率)。这里为了以后较容易 产生单边带的光信号，将w(0信号306和；(O信号309并行输入到图9的模块901 中进行射频调制，具体方法参考图9。
图9中主要包括两大部分，第一个部分901是完成将基带的OFDM信号调制 到射频域，第二个部分902就是进行光的I、 Q调制，产生单边带光信号。
这里介绍第一部分卯l,对m(/)信号306通过乘法器905与射频载波产生器 903相乘得到w(,)xcos(2;rU)成为射频信号908;对二(0信号309通过乘法器 906与射频载波产生器904相乘得到m(,)xsin(2丌/^)成为射频信号810。且将 908和910分别输入到第二部分902完成步骤804的任务。
步骤804:将调制后的射频OFDM信号输入到光的I、 Q调制器中产生单边 带光信号。具体的方法主要参考图9中的902模块。
首先输入到902的是步骤803产生的一Oxcos(2/r/;^)信号908和 w(,)xsin(2;r/,0信号910。根据《通信原理》，我们知道
//[w(/) x cos(2;r= w(0 x sin(2;r(13)
即卯8的希尔伯特变换是910。这样908和910就相当于图1单边带光信号 发射装置中的100和101信号，所以通过调制光的1、Q调制器即可实现模块902 中的单边带调制方法。
模块902中的激光器904、 I路和Q路上的MZ调制器912和913、 I路和Q 路上MZ调制器的偏置电压模块914和915以及光耦合器918分别相当于图1 中的激光器109、 I路和Q路上的MZ调制器107和108、 I路和Q路上MZ调 制器的偏置电压模块113和116以及光耦合器119,且这些相对应模块的初始值 设定的都是相同的。唯一不同的就是I、 Q路上的输入电调制信号，但908、 910 和100、 101的意义是相同的。所以具体的原理过程这里不再赘述，耦合器输出 端920同图1中的120 —样，是一个单边带光的射频域OFDM信号。
图10、图11、图12和图13分别描述了此实施例中电域基带信号频谱示意 图、射频信号频谱示意图、光域信号双边带频谱示意图和单边带示意图。从这 三个图中可以直观的看出当电信号是频带时，光单边信号相对于双边带信号的 频谱分布来。
步骤805:将产生的单边带光的OFDM信号输入到光纤中。 以上对本发明所述的通过光的T、 Q调制来产生单边带光信号的方法和发射 装置进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体
实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为 对本发明的限制，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对 它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种新型的通过光的I、Q调制来实现单边带光信号的调制方法和发射装置，其特征在于仅需要一个光的I、Q调制器即可。光的I、Q调制器即是通过驱动两个并联的光外调制器(这里用到的是双臂驱动的MZ调制器)，从而将I路和Q路上的电信号调制到光载波上去的。
2、 根据权利要求1所述的一种新型的通过光的I、 Q调制来实现单边带 光信号的调制方法和发射装置，其特征在于针对输入的任意实信号g(O和其希尔伯特变换;")，将其分别作为光I、 Q 调制器的I路和Q路上的输入电调制信号，通过调制光载波可转化为类似于^xp(h厶一力x[l十g(,) + j'xg(0]的单边带光信号形式(/舗w为光载波)，从而产生光单边带调制。
3、 根据权利要求l、 2所述的一种新型的通过光的I、 Q调制来实现单边 带光信号的调制方法和发射装置，针对I、 Q路的输入电调制信号，I、 Q路 MZ调制器相对应的偏置电压，其特征在于I路MZ调制器上下臂的偏置电压设为-^/4 Q路MZ调制器上下臂的偏置电压设为-^/2 。
4、 根据权利要求1-3所述的一种新型的通过光的I、 Q调制来实现单边带 光信号的调制方法和发射装置，可适用于光的正交频分复用(OFDM)系统 中，其特征在于不仅适用于基带的OFDM系统，还适用于射频调制的OFDM系统； 在产生数字OFDM信号后，就对其进行希尔伯特变换。
5、 根据权利要求4所述的通过光的I、 Q调制来实现单边带光的OFDM 信号的调制方法，其特征在于，所述在产生数字OFDM信号后，就对其进行 希尔伯特变换具体步骤为步骤1:将产生的数字基带0FDM信号{mn}分为两路； 步骤2: 一路进行lt/模变换(D/A)得到基带OFDM信号"切； 步骤3:另一路先进行数字域的希尔伯特变换，再进行数/模变换得到；(r) (= ;(O )。
6、 根据权利要求2、 4、 5所述的通过光的I、 Q调制来实现单边带光的 OFDM信号的调制方法，所述基带OFDM系统输入到光1、 Q调制器中的电调制信号，其特征在于输入到光I、 Q调制器中的I路和Q路输入电调制信号分别是xm(f)，(JC为小于1的实数)。这里乘以x是为了使这两个输入电调制信号足够小，从而减小调制信号失真。
7、 根据权利要求2-5所述的通过光的I、 Q调制来实现单边带光的OFDM 信号的调制方法，所述射频调制的OFDM系统输入到光I、 Q调制器中的电 调制信号，其特征在于首先将得到的基带OFDM信号m(O及其希尔伯特变换；(O分别乘以射频载波，调制到射频域，然后再分别作为光的I、 Q调制器的输入电调制信号即，I路；cw(0xcos(2;r厶力；Q ^各x^;(0xsin(2;r/^) (x为小于1的实数)。这里乘以x是为了使这两个输入电调制信号足够小，从而减小调制信号失真。
8、 根据权利要求1-7所述的通过光的I、 Q调制来实现单边带光的OFDM 信号的调制方法，^f"对I、 Q路的输入OFDM电调制^f言号，I、 Q路MZ调制器 相对应的偏置电压，其特征在于I路MZ调制器上下臂的偏置电压设为-^/4 Q路MZ调制器上下臂的偏置电压设为-F,/2 。
全文摘要
本发明公开了一种在光的正交频分复用系统中通过光的I、Q调制来实现单边带光信号的调制方法和光单边带发射装置。此单边带调制方法和发射装置，在只需满足如下条件——输入到光I、Q调制器Q路上的电调制信号g(t)是I路输入电调制信号g(t)的希尔伯特变换(g(t)为任意实信号)的情况下，仅通过控制一个光的I、Q调制器就能实现光的单边带调制；同时此单边带光信号的调制方法和发射装置，可适用于光的正交频分复用(OFDM)系统中，其特征在于，不仅适用于基带的OFDM系统，还适用于射频调制的OFDM系统。本发明具有结构简单、成本低、信号处理要求低且与现有系统兼容等优点。
文档编号H04B10/00GK101465692SQ200910076418
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月7日 优先权日2009年1月7日
发明者乔耀军, 刘学君, 婧 宁, 晓 杜, 纪越峰 申请人:北京邮电大学