使用谱成形和扩展信道间距的系统和方法
【专利说明】使用谱成形和扩展信道间距的系统和方法
[0001] 为了使光纤传输系统的传输容量为最大，单个光纤可用来在所谓的波分复用 (WDM)系统中携带多个光学信号。多个光学信号可被复用以形成复用信号或WDM信号，其中 多个信号的每个在独立信道上调制。各信道可集中于关联波长上，其例如根据国际电信联 盟（ITU)所建立的信道规划提供所定义信道间距与相邻信道分隔。可在系统上传送的波长 的范围称作系统带宽。系统可利用其系统带宽来携带具有预期调制格式和比特率的预期数 量的信道。
[0002] 携带WDM信号的长距离、例如越洋，光纤传输路径遭受大量减损，其影响WDM信号的 形状，从而引起在接收器处的信号的失真。赋予传输路径上的信号的减损包括线性和非线 性减损。这些减损的来源包括例如在掺铒光纤放大器(EDFA)中生成的放大自发射(ASE)噪 声、通过光纤指数（index)与传播光的强度的相关性所引起的非线性效果、色散、偏振模式 色散以及通过光纤的非线性指数所引起的信道之间的串扰。
[0003] 减损在WDM系统中由系统信道间距影响。一般来说，窄信道间距是合乎需要的，因 为它允许系统带宽的更有效使用。可惜，线性和非线性传输减损能够随着愈加窄的信道间 距而加剧。
[0004] 相对于线性减损，已知的是，通过在发射器和接收器处使用具有矩形形状的匹配 滤波器，系统的信道间距可减小到等于符号速率(每秒所传送的符号），而没有线性性能的 损失。具有等于系统符号速率的信道间距的系统称作具有尼奎斯特信道间距。
[0005] 虽然尼奎斯特信道间距在线性性能方面可以是最佳信道间距，但是它相对非线性 性能一般不是最佳信道间距。已经发现，非线性减损的影响能够通过比尼奎斯特信道间距 大的信道间距、即通过谱展宽来降低。例如，已知通过同步幅度或相位调制的谱展宽用于在 直接检测系统中降低非线性减损，如美国专利No. 5526162和No. 6556326中所描述。
[0006] 虽然已知方法在降低线性和非线性减损的影响中已经是有效的，但是期望进一步 改进长距离光学传输系统的性能。
[0007] 现在将作为示例、参照附图来描述本发明，附图中相似数字表示相似部件，包括： 图1是符合本公开的系统的一个示范实施例的框图。
[0008] 图2是符合本公开的发射器的一个示范实施例的框图。
[0009] 图3是符合本公开的接收器的一个示范实施例的框图。
[0010] 图4是图2所示的发射器的一个实施例的框图。
[0011] 图5是示出符合本公开的所传送信号的谱形状的归一化功率与频率的曲线。
[0012] 图6是示出符合本公开的所传送信号的另一个谱形状的归一化功率对频率的曲 线。
[0013] 图7是示出符合本公开的系统的性能的Q因子对信道间距的曲线。
[0014] 图8是示出符合本公开的系统的性能的Q因子对光学信噪比的曲线。
[0015] 图9是示出符合本公开的方法的一个示例的流程图。
[0016] 本发明涉及光学信号传输和检测，以及更具体来说涉及使用谱成形和扩展信道间 距的系统和方法。
[0017] 一般来说，符合本公开的系统使用所传送信号的谱成形来减轻线性和非线性减损 的影响。该系统可使用数字信号处理(DSP)对所传送信号进行成形，以便为成形谱、即非矩 形谱提供比尼奎斯特信道间距大的信道间距。谱可被成形以在接收器处建立标称零的符号 间干扰(ISI)。例如，所传送谱可提供有升余弦或阶跃函数形状，其具有比尼奎斯特信道间 距大的信道间距。接收器使用相干检测和匹配滤波来检测所传送信号。
[00?8]图1是符合本公开的WDM传输系统100的一个不范实施例的简化框图。传输系统用 来通过光信息路径102将多个光信道从发射终端104传送到一个或多个远程定位接收终端 106。示范系统100可以是远程水下系统，其配置用于将信道从发射器传送到距离为5000 km 或以上处的接收器。虽然示范实施例在光系统的上下文中描述并且结合远程WDM光系统是 有用的，但是本文所论述的广义概念可在传送和接收其他类型的信号的其他通信系统(包 括例如陆地系统和短到达系统）中实现。
[0019] 本领域的技术人员将会知道，为了便于说明，系统100已描绘为极为简化的点对点 系统。例如，发射终端104和接收终端106当然均可配置为收发器，由此每个可配置成执行传 送和接收功能。但是为了便于说明，本文中仅针对传送或接收功能来描绘和描述终端。要理 解，符合本公开的系统和方法可合并到大量网络组件和配置中。本文的所示示范实施例仅 作为说明而不是限制来提供。
[0020] 在所示示范实施例中，多个发射器TXl、ΤΧ2···ΤΧΝ的每个在关联输入端口 108-1、 108-2···108-Ν上来接收数据信号，并且在关联波长上例如以固定系统带宽和固定 总信号功率(g卩，所有信道的功率之和)来传送数据信号。符合本公开，发射器ΤΧ1、ΤΧ2···ΤΧΝ 的一个或多个可配置成使用DSP对所传送信号进行成形，以减轻线性和非线性减损的影响。 为了便于说明，发射器当然以极为简化形式示出。本领域的技术人员将会知道，每个发射器 可包括电和光组件，其配置用于在其关联波长传送具有预期幅度和调制的数据信号。
[0021] 传送波长或信道分别在多个路径110-1、110-2···110_Ν上携带。数据信道由复用器 或组合器112组合成光路径102上的聚合信号。光信息路径102可包括光纤波导、光放大器、 光滤波器、色散补偿模块以及其他有源和无源组件。
[0022] 聚合信号可在一个或多个远程接收终端106处接收。解复用器114将以波长心八2··· λΝ的所传送信道分离到与关联接收器RXl、RX2'"RXN耦合的关联路径116-1、116-2··· 116-N 上。接收器RX1、RX2"_RXN的一个或多个可配置成使用相干检测和DSP对所接收信号进行检 测和解调，并且可在关联输出路径118-1、118-2、118-3、1184上提供关联输出数据信号。 [0023]图2是符合本公开的一个示范发射器200的简化框图。所示示范实施例200包括数 字信号处理器(DSP)202、数模转换器(DAC)204和解调器206,用于调制连续波激光器208的 输出，来在载波波长λ Ν上提供调制输出。
[0024]如将更详细描述，DSP 202可配置成接收路径108-Ν上的输入数字数据，并且提供 耦合到DAC 204的成形数据输出。如已知，DSP涉及使用一个或多个专用集成电路(ASIC)和/ 或配置用于例如直接和/或在软件指令的控制下执行特定指令序列的专用处理器来处理信 号。
[0025] DAC 204可将来自DSP 204的成形数据输出转换成耦合到调制器206的模拟信号。 调制器206可响应于DAC 204的输出而使用任何已知调制方法来调制连续波激光器208的载 波波长λΝ。因此，调制器提供具有由DSP的成形数据输出所确定的功率谱密度的输出。调制 器206的成形输出可耦合到WDM系统中的复用器112(图1)。
[0026]图3是符合本公开的一个示范接收器300的简化框图。所示示范实施例300包括光 学信号检测器302、模数转换器(ADC)304和DSP 306。检测器302可包括已知相干接收器、例 如偏振分集相干接收器，其配置成接收光学载波波长λΝ上的信号，并且将光学信号转换为 表示由调制器206(图2)在光学载波波长λ Ν上所调制的数据的一个或多个关联电输出（例如 与以偏振复用调制格式的各偏振关联的输出）。相干接收器是已知的，并且使用相干检测、 例如零差或外差检测来检测调制光学信号。术语"相干"在本文中相对于接收器所使用时表 示包括用于检测所接收信号的本地振荡器(LO)的接收器。
[0027] 检测器的电输出耦合到ADC 30LADC将检测器输出转换成表示在DSP 202(图2)的 输出处所提供的成形数据的数字信号。ADC的输出耦合到DSP 306ASP 306对信号进行解 调，并且提供表示在对DSP 202(图2)的输入处所提供的数据的输出。
[0028]本领域的技术人员将会知道，符合本公开的系统中的发射器和接收器的特定配置 将取决于系统中使用的调制格式。例如，在相位调制系统、例如正交幅度调制(QAM)系统中， 发射器中的DSP 202可包括输入日期的实部和虚部的数字滤波。
[0029]图4例如是结合相位调制系统有用的发射器200(图2)的实施例200a的简化框图。 在所示实施例中，发射器200a包括DSP 202(图2)的实施例202a，其中包括上取样器 (upsampler)402、数字滤波器404以及第一和第二DAC 204。按照已知方式，上取样器402以 比数据速率要高的速率对输入数据进行取样，并且向数字滤波器404提供取样信号。数字滤 波器404对上取样器402的输出进行滤波，以便分别向关联DAC 204提供信号的实部和虚部 的成形数据。DAC 204的输出在耦合到调制器206a之前耦合到关联线性驱动器406和低通滤 波器408,作为要在激光器208的输出所调制的信号的实和虚分量。在偏振复用系统中，输入 信号的各偏振可使用如图4所示的发射器200a配置来传送。
[0030] 一般来说，发射器中的DSP 202根据函数HT(f)对所传送信号进行成形。只要待传 送数据符号相互无关，则所传送功率谱等于|H T(f) I213DSP 306实现具有形状HR(f)的匹配滤 波器。
[0031] 在符合本公开的系统中，由DSP 202赋予所传送信号的谱形状可标称地配置成提 供零符号间干扰(ISI)的条件。为了以符号速率R和WDM信道间距W满足具有匹配滤波接收器 的白高斯噪声信道的零ISI条件，在接收器处的滤波和取样信号的傅立叶变换X(f)应当标 称地满足：
这个条件允许在W>R时的多种谱形成。给定最带宽有效零ISI WDM在W=R时随标称矩形 谱形状发生，则W=R的条件可用作在增加 W时的参考点。为了简洁起见，W的值可保持为W〈2R。 通过这个限制，信号S(f)的功率谱密度已应当标称地满足零ISI的下列退化对称性条件(为 了方便起见将谱归一化成值1):
多种谱形状可由DSP 202来建立，以满足等式2的条件。图5和图6例如分别包括满足这 些条件的升余弦和阶跃函数的归一化谱功率密度对频率的曲线502、602。为了简洁起见和 易于说明，图5和图6使用W=23.5 GHz和R=16.7 GHz。本领域的技术人员将会知道，可使用W 和R的其他值。图5和图6中的虚线504