一种避免偏振衰落的单偏振相干检测系统及方法

1.本发明涉及光通信与信号处理的技术领域，更具体地，涉及一种避免偏振衰落的单偏振相干检测系统及方法。


背景技术：

2.在光纤通信系统中，相比于成本敏感、结构简单的强度调制—直接检测系统，相干调制—相干检测以其高传输速率、高传输容量、高频谱利用率的优点而被广泛应用。相干检测是一种信号的解调机制，利用本地振荡器发出的连续光和接收到的信号光混频，然后通过接收机端解调得到调制信号的检测方式，相干检测可以提高频谱效率和接收灵敏度，但需要本地激光器和被探测信号的频率/波长同步、相位同步和偏振对齐，以上前提条件均通过接收机端的数字信号处理算法来实现。
3.在常规单偏振相干检测系统中，若无专用器件处理偏振，当接收的信号光与本振光的偏振态不一致时，相干检测到的信号幅度将会产生衰落，即偏振衰落现象，尤其当两束光的偏振态正交时，检测到的信号幅度将衰落至零。总体而言，信号光的偏振态需要与本振光的偏振态保持匹配才能保证相干检测系统较好地解调出信号，瞬时的偏振态失配也将导致信号的损伤甚至丢失，造成系统短时崩溃。而且，众所周知，相对于传统的直接检测，相干检测系统复杂，成本更高，一些应用领域对通信系统设备的价格敏感，因此，如何避免偏振衰落，且降低偏振相关硬件的复杂度，成为亟待缓解与克服的问题。


技术实现要素：

4.为减少与避免偏振衰落造成的系统性能劣化，并且实现解决方案复杂度的降低，本发明提出一种避免偏振衰落的单偏振相干检测系统及方法，通过低成本扰偏器避免过长的偏振衰落持续时间、时序交织随机化因偏振衰落造成的连续突发误码以提升前项纠错性能、前向纠错技术在接收端纠正与恢复误码，实现对单偏振相干系统中的偏振衰落现象的抵抗和容忍，其结构简单且与传统方案兼容、成本高效。
5.为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
6.一种避免偏振衰落的单偏振相干检测系统，包括光发射机、光纤链路、包含低成本扰偏器的光接收机，光发射机包括发射机dsp、电放大器、单偏振矢量调制器、激光器，其中，发射机dsp包含前向纠错编码与时序交织，光接收机包括光滤波器、低成本扰偏器、本地振荡器、相干接收机及接收机dsp，其中，接收机dsp包含时序解交织和前向纠错译码；在光发射机端的发射机dsp中，信源通过串/并转换、含前项纠错编码与时序交织的信道编码操作后，经数/模转换得到基带电信号，经电放大器后输出至单偏振矢量调制器，加载至由激光器产生的连续光载波上，产生单偏振光信号后，送入光纤链路进行传输；
7.完成光纤链路传输、经光滤波器滤除带外噪声的单偏振光信号，经低成本扰偏器加速偏振的随机变化，然后与本地振荡器发射的本振光一起输入相干接收机，在相干接收机中进行混频探测，产生相干检测光；
8.设相干检测光的偏振衰落幅度阈值为a
th
，当相干检测光的幅值低于a
th
时，因偏振衰落造成对应时刻连续突发误码，低于a
th
的时间为偏振衰落时间δt
th
，低成本扰偏器的引入与应用，加速单偏振光信号的偏振变化，减少偏振衰落时间δt
th
；δt
th
内单偏振光信号产生连续误码，在发射机dsp中时序交织将由偏振衰落引起的连续突发误码转变为随机误码，以提高前项纠错能力，前向纠错编码用于接收端纠正误码；
9.相干检测光信号送入光接收机的接收机dsp，通过模/数转换、含时序解交织和前向纠错译码的信道译码、并/串转换操作，得到信宿；
10.在本技术方案中，基于传统单偏振相干检测系统中发射机端及接收机端对光传输信号的处理，以容忍单偏振相干检测系统中的偏振衰落为目标，引入低成本扰偏器与前向纠错编码、时序交织配合，利用低成本扰偏器加速单偏振光信号的偏振变化，获得高度随机的偏振态，从而避免偏振衰落时间持续过长，减少连续误码数，降低对时序交织时间长度的要求，最后通过前向纠错纠正误码，保证了实际应用的可行性。
11.优选地，所述光纤链路包含光纤与光放大器，用于传输单偏振光信号。优选地，所述低成本扰偏器为挤压光纤。
12.优选地，所述低成本扰偏器为偏转光纤线圈，结构简单。
13.在此，考虑用于偏振追踪或者保持偏振的光学器件较昂贵，与此相比，基于挤压光纤等简单形式实现偏振随机变化的扰偏器，成本低廉。
14.优选地，设时序交织时间为t
in
，时序交织比特数为n，每个比特在传输时的持续时间为tb，则满足：
15.t
in
＝n*tb；
16.时序交织时间t
in
与偏振衰落时间δt
th
的关系应满足：
[0017][0018]
即时序交织时间t
in
覆盖偏振衰落时间δt
th
是在时间维度上通过时序交织把因偏振衰落造成的连续误码转变为随机误码的最低要求；在时，以时序交织时间为代价，将突发连续误码错误随机化，配合前向纠错编码技术，提高纠正误码能力以实现对偏振衰落的容忍与抵抗。
[0019]
在此，时序交织时间t
in
的设置与偏振衰落时间δt
th
紧密相关，当时序交织在时间维度上不足以覆盖偏振衰落时间δt
th
时，即时，因前向纠错技术纠正连续误码的能力有限，此时无论时序交织与否均不能有效纠正误码，反之，时序交织在更大的时间维度内将偏振衰落导致的连续误码随机分布，有利于前向纠错技术性能的提高，实现误码纠正。优选地，设低成本扰偏器的扰偏时间间隔为t
scram
，低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
与偏振衰落时间δt
th
的关系应满足：
[0020][0021]
即低成本扰偏器的引入意在把偏振衰落时间δt
th
以扰偏时间间隔t
scram
为基准，在时间维度上进行更细的划分，并且在每个扰偏时间间隔t
scram
内，通过扰偏造就的随机偏
振态，达到令相干检测光幅值不小于偏振衰落幅度阈值为a
th
，减少偏振衰落时间δt
th
，从而减少甚至避免由其造成的误码。
[0022]
优选地，低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
越小，偏振衰落时间δt
th
也随即减少，从而令时序交织时间t
in
也减小。当时，时序交织时间t
in
更能被有效优化，节省更多寄存器资源。
[0023]
在此，低成本扰偏器的应用有效改善对时序交织长度的要求，因此，低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
是在满足合理小于偏振衰落时间δt
th
的前提下，实现对时序交织长度(时序交织时间t
in
)的合理优化。
[0024]
优选地，时时序交织将连续误码转变为随机误码时，在时间维度上表现为随机排布前向纠错编码后的码字，从而提高前向纠错性能。
[0025]
优选地，发射机dsp中的信道编码包括前向纠错编码与时序交织，接收机dsp中的信道译码包括时序解交织与前向纠错译码，用于配合时序交织与前向纠错操作，两者与低成本扰偏器具有内在逻辑关联，应综合考虑，联合应用。
[0026]
本发明还提出一种避免偏振衰落的单偏振相干检测方法，所述方法包括：
[0027]
s1.在光发射机的发射机dsp中，信源通过串/并转换、信道编码等操作后，经数/模转换得到基带电信号，经电放大器后输出至单偏振矢量调制器；其中，信道编码过程包含前向纠错编码与时序交织；
[0028]
s2.放大后的基带电信号通过单偏振矢量调制器加载至由激光器产生的连续光载波上，产生单偏振光信号后，送入光纤链路进行传输；其中，光纤链路包含光纤与光放大器；
[0029]
s3.在光接收机端，完成光纤链路传输并且经光滤波器滤除带外噪声的单偏振光信号，经低成本扰偏器加速偏振的随机变化，然后与本地振荡器发射的本振光一起输入相干接收机，在相干接收机中进行混频探测，产生相干检测光；
[0030]
s4.设相干检测光的偏振衰落幅度阈值a
th
，当相干检测光的幅值低于阈值a
th
时，会因偏振衰落造成对应时刻连续突发误码，低于阈值的时间为偏振衰落时间δt
th
；低成本扰偏器的引入与应用，加速单偏振光信号的偏振变化，减少偏振衰落时间δt
th
；
[0031]
s5.在偏振衰落时间δt
th
内，单偏振光信号产生连续误码，信道编码包括前向纠错编码与时序交织，其中，时序交织将由偏振衰落引起的连续突发误码转变为随机误码，以提高前项纠错能力，前向纠错编码用于接收端纠正误码；
[0032]
s6.相干检测光信号送入接收机dsp中，通过模/数转换、信道译码、并/串转换等操作，得到信宿；其中，信道译码包括时序解交织与前向纠错译码。
[0033]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0034]
本发明提出一种避免偏振衰落的单偏振相干检测系统及方法，基于传统单偏振相干检测系统中发射机端及接收机端对光传输信号的处理，以容忍和抵抗单偏振相干检测系统中的偏振衰落为目标，引入低成本扰偏器与前向纠错编码、时序交织配合，利用低成本扰偏器加速单偏振光信号的偏振变化，获得高度随机的偏振态，从而避免过长的偏振衰落持续时间，有效降低对时序交织时间长度的要求，保证了实际应用的可行性；时序交织随机化因偏振衰落造成的连续突发误码以提升前项纠错性能；最终前向纠错技术在接收端纠正与恢复误码，实现对单偏振相干系统中的偏振衰落现象的抵抗和容忍，该方案结构简单且与
传统方案结构兼容、成本高效，低成本扰偏器更有利于基于当前主流系统结构的集成化。
附图说明
[0035]
图1表示本发明实施例1中提出的避免偏振衰落的单偏振相干检测系统的结构示意图；
[0036]
图2表示本发明实施例2中提出的未应用低成本扰偏器时光信号传输码流示意图；
[0037]
图3表示本发明实施例2中提出的应用低成本扰偏器时光信号传输码流示意图；
[0038]
图4表示本发明实施例2中提出的无时序交织，产生偏振衰落现象时的二进制码流示意图；
[0039]
图5表示本发明实施例2中提出的时序交织时，产生偏振衰落现象时的二进制码流示意图；
[0040]
图6表示本发明实施例3中提出的避免偏振衰落的单偏振相干检测方法的流程示意图。
具体实施方式
[0041]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0042]
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
[0043]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
[0044]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0045]
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0046]
实施例1
[0047]
在本实施例中，如图1所示，提出一种避免偏振衰落的单偏振相干检测系统，该系统包括光发射机、光纤链路、包含低成本扰偏器的光接收机，光发射机包括发射机dsp、电放大器、单偏振矢量调制器、激光器，其中，发射机dsp包含前向纠错编码与时序交织，光接收机包括光滤波器、低成本扰偏器、本地振荡器、相干接收机及接收机dsp，其中，接收机dsp包含时序解交织和前向纠错译码；在光发射机端的发射机dsp中，信源通过串/并转换、含前项纠错编码与时序交织的信道编码操作后，经数/模转换得到基带电信号，经电放大器后输出至单偏振矢量调制器，加载至由激光器产生的连续光载波上，产生单偏振光信号后，送入光纤链路进行传输；
[0048]
完成光纤链路传输、经光滤波器滤除带外噪声的单偏振光信号，经低成本扰偏器加速偏振的随机变化，然后与本地振荡器发射的本振光一起输入相干接收机，在相干接收机中进行混频探测，产生相干检测光；
[0049]
设相干检测光的偏振衰落幅度阈值为a
th
，当相干检测光的幅值低于a
th
时，因偏振衰落造成对应时刻连续突发误码，低于a
th
的时间为偏振衰落时间δt
th
，低成本扰偏器的引入与应用，加速单偏振光信号的偏振变化，减少偏振衰落时间δt
th
；δt
th
内单偏振光信号产生连续误码，在发射机dsp中时序交织将由偏振衰落引起的连续突发误码转变为随机误码，以提高前项纠错能力，前向纠错编码用于接收端纠正误码；
[0050]
相干检测光信号送入光接收机的接收机dsp，通过模/数转换、含时序解交织和前
向纠错译码的信道译码、并/串转换操作，得到信宿；
[0051]
在本实施例中，整个系统是基于传统单偏振相干检测系统中发射机端及接收机端对光传输信号的处理，以容忍单偏振相干检测系统中的偏振衰落为目标，引入了低成本扰偏器与前向纠错编码、时序交织配合，利用低成本扰偏器加速单偏振光信号的偏振变化，从而获得高度随机的偏振态，以避免偏振衰落时间持续过长，减少降低连续误码数，降低对时序交织时间长度的要求，保证实际应用的可行性。
[0052]
在本实施例中，参见图1，所述光纤链路包含光纤与光放大器，用于传输单偏振光信号。在本实施例中，使用的低成本扰偏器可以为简单的挤压光纤或者偏转光纤线圈方式，成本低，也可能采用其它的扰偏器，产生随机而非确定性的偏振变化，但相对于复杂、昂贵的偏振控制器等器件，能够以低复杂度、低成本实现单偏振相干检测系统中的偏振衰落抵抗。
[0053]
参见图1，发射机dsp中的信道编码包括前向纠错编码与时序交织，接收机dsp中的信道译码包括时序解交织与前向纠错译码，用于配合时序交织与前向纠错操作，两者与低成本扰偏器具有内在逻辑关联，应联合应用。
[0054]
实施例2
[0055]
本实施例对实现单偏振相干检测系统中的偏振衰落抵抗作出具体说明，相对于高速光调制码流(》10gb/s)，光的偏振态变化可视为慢变过程(通常在毫秒量级，特殊环境下偶尔出现微秒量级变化)，设相干检测光的偏振衰落幅度阈值为a
th
，参见图2，横坐标表示时间，纵坐标表示偏振光衰落，当相干检测光幅值低于偏振衰落幅度阈值时，对应时刻(持续时间随机变化，为简化起见，可以用其平均值δt
th
来讨论)的光传输信号将因偏振衰落产生连续误码，如图2中的“斜线”码流分块所示，此时图2表示的是未应用低成本扰偏器时的码流示意图，引入低成本扰偏器后，码流示意图参见图3，由图3与图2对比可知，低成本扰偏器的应用，有效减少了扰偏信号偏振低于偏振衰落阈值a
th
的持续时间，由此有效减少因偏振衰落造成的连续误码数，然而，为确保实用可行性，低成本扰偏器联合时序交织技术时应保证低成本扰偏器扰偏速率合理，最后通过前向纠错技术以纠正误码。
[0056]
通常，为将连续误码转变为随机误码，引入时序交织使二进制码流序列中的比特位置重新排列，以改善前向纠错性能，换言之，将原本构成码元的连续比特经时序交织后离散分布于更广阔的时间维度上，以图4为例，设前向纠错编码为(7,4)汉明码，已知1个(7,4)汉明码字最多可以纠正码字内的1个比特错误，若编码后的二进制码流在某时刻因偏振衰落导致2个连续比特错误，如图4中的箭头所指。无时序交织的情况下，2个连续错误对应于同一汉明码字n，此时前向纠错编码因无法纠正错误比特而失效，如图5所示，采用时序交织对对2个连续汉明码字中的比特重新排序。时序交织辅助前向纠错编码将连续误码转变为随机误码时，在时间维度上随机排布前向纠错编码后的码字比特位，其中，若交织后的2个连续错误比特在交织前的原始位置如图所示5所示，则时序交织操作将图4中1个汉明码字出现2个连续错误比特转变为图5中的箭头所指2个汉明码字各传错1个比特，从而令(7,4)汉明码能够纠正2个分组中各自的错误比特，避免了因偏振衰落造成的误码，在固定前向纠错编码的前提下，结合低成本扰偏器优化时序交织时间，设时序交织时间为t
in
，时序交织比特数为n，每个比特在传输时的持续时间为tb，则满足：
[0057]
t
in
＝n*tb；
[0058]
通常，时序交织时间t
in
与偏振衰落时间δt
th
的关系应基本满足：
[0059][0060]
即交织的时间t
in
覆盖偏振衰落时间δt
th
是在时间维度上通过时序交织把因偏振衰落造成的连续误码转变为随机误码的最低要求。
[0061]
在此，时序交织时间t
in
的设置与偏振衰落时间δt
th
紧密相关，当时序交织在时间维度上不足以覆盖偏振衰落时间δt
th
时，即时，因前向纠错技术纠正连续误码的能力有限，此时无论时序交织与否均不能有效纠正误码，反之，如图5所示，时序交织有利于前向纠错编码纠正因偏振衰落引起的连续误码。当时，前向纠错编码的纠错能力趋于理想。然而，过长的比特序列进行时序交织将极大占用存储与算力资源，令前向纠错编码配合时序交织技术在克服慢速的偏振衰落时面临严峻挑战，缺乏实用价值。
[0062]
因此，低成本扰偏器的引入以一定规律加速了信号光偏振态的变化速度，获得高度随机的偏振态，从而避免偏振衰落持续时间过长，即有效减少了相干检测光幅值低于阈值a
th
的时间δt
th
，低成本扰偏器的应用有效改善对时序交织长度的要求，减少t
in
。
[0063]
为此，在实际实施时，设低成本扰偏器的扰偏时间间隔为t
scram
，低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
与偏振衰落时间δt
th
的关系应满足：
[0064][0065]
即低成本扰偏器的引入意在把偏振衰落时间δt
th
以扰偏时间间隔t
scram
为基准，在时间维度上进行更细的划分，并且在每个扰偏时间间隔t
scram
内，通过扰偏造就的随机偏振态，达到令相干检测光幅值不小于偏振衰落幅度阈值为a
th
，减少偏振衰落时间δt
th
，从而减少甚至避免由其造成的误码。
[0066]
低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
越小，偏振衰落时间δt
th
也随即减少，从而令时序交织时间t
in
也减小。当时，时序交织时间t
in
更能被有效优化，节省更多寄存器资源。低成本扰偏器而低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
越小，即低成本扰偏器的速率要求越高。实际实施时，低成本扰偏器的扰偏时间间隔t
scram
应在满足合理小于偏振衰落时间δt
th
的前提下，实现对时序交织长度(时序交织时间t
in
)的合理优化。
[0067]
低成本扰偏器区别于现行方案中用于处理相干探测系统中偏振复用信号的偏振模色散，本发明中的低成本扰偏器立足于协同处理单偏振相干探测系统中的偏振衰落问题。
[0068]
实施例3
[0069]
参见图6，本发明还提出一种避免偏振衰落的单偏振相干检测方法，所述方法的流程图如图6所示，包括以下步骤：
[0070]
s1.在光发射机的发射机dsp中，信源通过串/并转换、信道编码等操作后，经数/模转换得到基带电信号，经电放大器后输出至单偏振矢量调制器；其中，信道编码过程包含前
向纠错编码与时序交织；
[0071]
s2.放大后的基带电信号通过单偏振矢量调制器加载至由激光器产生的连续光载波上，产生单偏振光信号后，送入光纤链路进行传输；其中，光纤链路包含光纤与光放大器；
[0072]
s3.在光接收机端，完成光纤链路传输并且经光滤波器滤除带外噪声的单偏振光信号，经低成本扰偏器加速偏振的随机变化，然后与本地振荡器发射的本振光一起输入相干接收机，在相干接收机中进行混频探测，产生相干检测光；
[0073]
s4.设相干检测光的偏振衰落幅度阈值a
th
，当相干检测光的幅值低于阈值a
th
时，会因偏振衰落造成对应时刻连续突发误码，低于阈值的时间为偏振衰落时间δt
th
；低成本扰偏器的引入与应用，加速单偏振光信号的偏振变化，减少偏振衰落时间δt
th
；
[0074]
s5.在偏振衰落时间δt
th
内，单偏振光信号产生连续误码，信道编码包括前向纠错编码与时序交织，其中，时序交织将由偏振衰落引起的连续突发误码转变为随机误码，以提高前项纠错能力，前向纠错编码用于接收端纠正误码；
[0075]
s6.相干检测光信号送入接收机dsp中，通过模/数转换、信道译码、并/串转换等操作，得到信宿；其中，信道译码包括时序解交织与前向纠错译码。
[0076]
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。