基于光带阻滤波器的复数双边带信号直接检测方法及系统

本发明涉及短距离光纤通信，尤其涉及一种基于光带阻滤波器的复数双边带信号直接检测方法及系统。

背景技术：

1、在视频点播、云计算、嵌入式安全、机器学习、虚拟现实等应用的推动下，对于数据中心互连和城域网来说，如何在低成本和低功耗下实现高速传输越来越受到关注和重视。相干检测因其优异的光场恢复能力而受到研究人员的广泛关注。与传统的强度调制和直接检测方案相比，借助光场恢复可以实现更高的频谱效率和灵敏度。此外，利用信号场信息，通过数字信号处理(digital signal processing，dsp)可以缓解信号传输过程中的各种类型的损伤。然而，对于成本敏感的短距光传输，直接检测具有显著的成本优势。因此，具有光场恢复能力的直接检测技术受到了广泛的研究关注。

2、自相干方案作为一种能够在低复杂度下实现信号光场恢复的直接检测方案引起了广泛的研究关注。它主要通过在发射端将强载波和信息承载信号一起馈送到光纤中，在接收端进行光电探测器(photodiode，pd)检测后获得所需的信号。与相干检测相比，它去掉了昂贵的本振激光器。此外，由于载波和信号来自同一激光器，因此可以简化dsp中的载波/相位恢复阶段。根据载波相对于信息承载信号的位置，自相干方案可分为单边带自相干和双边带自相干。其中，双边带自相干方案因其能够充分利用频带资源而受到越来越多的研究关注。

3、近十年来，研究人员提出了多种双边带自相干检测方案，包括载波辅助差分检测，无载波相位重构、非对称自相干检测、深度学习直接检测方案和载波辅助相位重构。与单边带自相干检测相比，它们的电频谱效率有了显著提升，但也面临着新的问题，例如：载波辅助差分检测接收机的硬件结构复杂，而且对载波与信号功率比(carrier-to-signalpowerratio，cspr)的要求较高。对于无载波相位重构方案，无载波检测导致需要数千次迭代和使用导频符号来重构相位。对于非对称自相干检测，需要更高的cspr来实现信号与信号拍频干扰(signal-signal beat interference，ssbi)重建和消除。深度学习直接检测方案需要使用机器学习来实现相位重构，这对于成本敏感的短距离光传输来说是不可取的。对于载波辅助相位重构方案，尽管所需的cspr有所降低，但仍大于0db。较低的cspr意味着较高的信号功率比例，从而带来良好的噪声容忍性，并提高传输系统的光信噪比(optical signal-to-noise ratio，osnr)灵敏度。因此，非常需要一种能够在低cspr和低成本下实现信号光场恢复的双边带自相干检测方案。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光带阻滤波器的复数双边带信号直接检测方法及系统，通过在接收机中放置一个光带阻滤波器来帮助实现复数双边带信号的光场恢复，其中光带阻滤波器的主要作用是从自相干信号(由载波与复数双边带信号组成)中得到复数双边带信号，然后使用一个光电探测器进行平方律检测来估计ssbi，最后从重建的复数信号中减去估计的ssbi。通过这种接收机可以有效的抑制直接检测引起的ssbi，从而实现低cspr下的光场恢复。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，提供了一种基于光带阻滤波器的复数双边带信号直接检测方法，包括以下步骤：

4、在发射端，通过发射端数字信号处理模块输出由载波和复数双边带电信号组成的自相干电信号；采用iq调制将所述自相干电信号调制成自相干光信号，并送入单模光纤；

5、在接收端，使用设置有光带阻滤波器的接收机接收所述单模光纤传输的光信号，进行处理后得到构建的复数信号；通过接收端数字信号处理模块对所述复数信号进行解调，得到最终的比特序列；

6、其中，所述接收机根据结构分为两类，一类是基于光带阻滤波器和90度混频器的接收机，一类是基于光带阻滤波器和2×2耦合器的接收机。

7、优选地，所述通过发射端数字信号处理模块输出由载波和复数双边带电信号组成的自相干电信号，具体包括：

8、将两路独立的伪随机二进制序列prbs分别映射为两路16-qam符号序列；

9、对两路符号序列进行上采样，每个符号序列被上采样为八个样本，通过滚降因子为0.01的升余弦根rrc滤波器进行脉冲整形，得到整形后的两路独立信号；

10、对整形后的两路独立信号分别进行上变频，然后合并成一路双单边带ssb信号，其中通过上变频在信号频谱中间预留一个保护带；

11、添加虚载波后，输出由载波和复数双边带电信号组成的自相干电信号。

12、优选地，所述基于光带阻滤波器和90度混频器的接收机包括：第一耦合器、第二耦合器、第一光带阻滤波器、90度混频器、第一光电探测器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器；

13、其中，所述第一耦合器将接收的光信号分成功率相等的两路，第一路中使用所述第一光带阻滤波器得到信号c/β+s；其中c表示载波，s表示复数双边带信号，β表示经过所述第一光带阻滤波器之前和之后被滤除的载波功率的相对量；当信号与载波之间的保护带足够大时，β→∞，信号c/β+s等于s；复数双边带信号s进一步被所述第二耦合器分成上下两个支路，上支路信号经过所述第一光电探测器得到第一光电流i0，表达式为：

14、

15、所述第二耦合器输出的下支路信号和所述第一耦合器输出的第二路信号经过所述90度混频器进行相位分集后送入所述第一平衡光电探测器和所述第二平衡光电探测器分别得到第二光电流i1和第三光电流i2，表达式如下所示：

16、

17、

18、其中re{·}和im{·}分别表示实部和虚部，*表示共轭；

19、随后使用第一光电流i0、第二光电流i1和第三光电流i2构建第一复数信号r1：

20、

21、优选地，所述基于光带阻滤波器和2×2耦合器的接收机包括：第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第二光带阻滤波器、90度混频器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器；

22、其中，所述第三耦合器将接收的光信号分成功率相等的两路，第一路中使用所述第二光带阻滤波器得到信号c/β+s；其中c表示载波，s表示复数双边带信号，β表示经过所述第一光带阻滤波器之前和之后被滤除的载波功率的相对量；当信号与载波之间的保护带足够大时，β→∞，信号c/β+s等于s；复数双边带信号s进一步被所述第四耦合器分成上下两个支路，上支路信号经过所述第二光电探测器得到第四光电流i3，表达式为：

23、

24、所述第四耦合器的下支路信号和所述第三耦合器的第二路信号经过所述第五耦合器，即2×2耦合器后送入所述第三光电探测器和所述第四光电探测器分别得到第五光电流i4和第六光电流i5，表达式如下所示：

25、

26、

27、其中j表示虚数单位，*表示共轭，2×2耦合器的传输矩阵为

28、随后使用第四光电流i3、第五光电流i4和第六光电流i5构建第二复数信号r2：

29、

30、优选地，所述通过接收端数字信号处理模块对所述复数信号进行解调，具体包括：

31、补偿光纤链路中的色散损伤；

32、将补偿后的复数信号分别进行下变频和匹配滤波器处理，得到两路独立的信号序列；

33、对两路独立的信号序列进行符号判决处理，得到最终的二进制比特序列。

34、另一方面，提供了一种基于光带阻滤波器的复数双边带信号直接检测系统，包括：

35、发射端数字信号处理模块，用于输出由载波和复数双边带电信号组成的自相干电信号；

36、调制模块，用于采用iq调制将所述自相干电信号调制成自相干光信号，并送入单模光纤；

37、设置有光带阻滤波器的接收机，用于接收所述单模光纤传输的光信号，进行处理后得到构建的复数信号；

38、接收端数字信号处理模块，用于对所述复数信号进行解调，得到最终的比特序列；

39、其中，所述接收机根据结构分为两类，一类是基于光带阻滤波器和90度混频器的接收机，一类是基于光带阻滤波器和2×2耦合器的接收机。

40、优选地，所述发射端数字信号处理模块具体用于：

41、将两路独立的伪随机二进制序列prbs分别映射为两路16-qam符号序列；

42、对两路符号序列进行上采样，每个符号序列被上采样为八个样本，通过滚降因子为0.01的升余弦根rrc滤波器进行脉冲整形，得到整形后的两路独立信号；

43、对整形后的两路独立信号分别进行上变频，然后合并成一路双单边带ssb信号，其中通过上变频在信号频谱中间预留一个保护带；

44、添加虚载波后，输出由载波和复数双边带电信号组成的自相干电信号。

45、优选地，所述基于光带阻滤波器和90度混频器的接收机包括：第一耦合器、第二耦合器、第一光带阻滤波器、90度混频器、第一光电探测器、第一平衡光电探测器、第二平衡光电探测器；

46、其中，所述第一耦合器将接收的光信号分成功率相等的两路，第一路中使用所述第一光带阻滤波器得到信号c/β+s；其中c表示载波，s表示复数双边带信号，β表示经过所述第一光带阻滤波器之前和之后被滤除的载波功率的相对量；当信号与载波之间的保护带足够大时，β→∞，信号c/β+s等于s；复数双边带信号s进一步被所述第二耦合器分成上下两个支路，上支路信号经过所述第一光电探测器得到第一光电流i0，表达式为：

47、

48、所述第二耦合器输出的下支路信号和所述第一耦合器输出的第二路信号经过所述90度混频器进行相位分集后送入所述第一平衡光电探测器和所述第二平衡光电探测器分别得到第二光电流i1和第三光电流i2，表达式如下所示：

49、

50、

51、其中re{·}和im{·}分别表示实部和虚部，*表示共轭；

52、随后使用第一光电流i0、第二光电流i1和第三光电流i2构建第一复数信号r1：

53、

54、优选地，所述基于光带阻滤波器和2×2耦合器的接收机包括：第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第二光带阻滤波器、90度混频器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器；

55、其中，所述第三耦合器将接收的光信号分成功率相等的两路，第一路中使用所述第二光带阻滤波器得到信号c/β+s；其中c表示载波，s表示复数双边带信号，β表示经过所述第一光带阻滤波器之前和之后被滤除的载波功率的相对量；当信号与载波之间的保护带足够大时，β→∞，信号c/β+s等于s；复数双边带信号s进一步被所述第四耦合器分成上下两个支路，上支路信号经过所述第二光电探测器得到第四光电流i3，表达式为：

56、

57、所述第四耦合器的下支路信号和所述第三耦合器的第二路信号经过所述第五耦合器，即2×2耦合器后送入所述第三光电探测器和第四光电探测器分别得到第五光电流i4和第六光电流i5，表达式如下所示：

58、

59、

60、其中j表示虚数单位，*表示共轭，2×2耦合器的传输矩阵为

61、随后使用第四光电流i3、第五光电流i4和第六光电流i5构建第二复数信号r2：

62、

63、优选地，所述接收端数字信号处理模块具体用于：

64、补偿光纤链路中的色散损伤；

65、将补偿后的复数信号分别进行下变频和匹配滤波器处理，得到两路独立的信号序列；

66、对两路独立的信号序列进行符号判决处理，得到最终的二进制比特序列。

67、与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

68、本发明提供的基于光带阻滤波器的复数双边带信号直接检测方法及系统，通过在接收机中使用光带阻滤波器来估计ssbi，从而抑制由直接检测引起的ssbi。相比现有的双边带自相干方法，本发明显著降低了所需的cspr，且系统的osnr灵敏度也得到显著提升。此外，基于光带阻滤波器和2×2耦合器接收机的提出显著降低了本发明的成本。