一种应用于光通信处理领域的相干光数字通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通讯处理技术领域，具体的说，是一种应用于光通信处理领域的相干光数字通信方法。
【背景技术】
[0002]光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯、旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。但由于受到视距、大气衰减、地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。
[0003]直到1960年，美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。
[0004]光纤传输有许多突出的优点:
1.频带宽
频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。在VHF频段，载波频率为48.5MHz?300Mhz。带宽约250MHz，只能传输27套电视和几十套调频广播。可见光的频率达100000GHz，比VHF频段高出一百多万倍。尽管由于光纤对不同频率的光有不同的损耗，使频带宽度受到影响，但在最低损耗区的频带宽度也可达30000GHz。目前单个光源的带宽只占了其中很小的一部分(多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达1GHz以上)，采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频道。
[0005]2.损耗低
在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1.31um的光，每公里损耗在0.35dB以下若传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达0.2dB以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡;二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。
[0006]3.重量轻
因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um?10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用4?48根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。
[0007]4.抗干扰能力强
因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。
[0008]5.保真度高
因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比C/CTB在70dB以上，交调指标CM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。
[0009]6.工作性能可靠
我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万?75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在1万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。
[0010]7.成本不断下降
目前，有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律(Optical Law)。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加I倍，而价格降低I倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低;而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。
[0011]激光是光通讯的最理想光源。现在，可以生产多种激光器，可产生多种功率和波长的激光。
[0012]由于激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，同以自发辐射为基础的普通光源相比，具有许多鲜明的特点。
[0013]1.单色性好
我们知道，不同颜色的光具有不同的波长。所谓单色光，实际是波长范围很小的一段辐射。谱线宽度越窄(即波长范围越小)，光的单色性就越好。需要说明的是，这里的谱线宽度是未调制前激光所包含的波长范围，它与激光调制后的频带宽度是两个不同的概念。调制前的谱线宽度越窄，调制后可以有效利用的频带宽度就越宽。
[0014]因为激光是在特定能级之间实现粒子数反转后产生的受激辐射，又经过谐振腔的选频作用，使其输出光的谱线宽度很小，即具有很好的单色性。
[0015]利用激光的单色性好，谱线分辨率高，可用来研究物质的能级和光谱的精细结构，制成一年内误差不超过一微秒的标准钟。
[0016]2.方向性好
我们通常用光的发散角来描述其方向性，发散角越小，方向性越好。普通光源中最好的探照灯，其发散角为0.1rad(弧度)。如果把它照射到离地球40万公里的月球上(这实际是不可能的)，其光斑直径有几万公里。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，使输出激光的方向性很好，发散角可达10rad，把它照射到月球上，光斑直径不到2km。利用激光的方向性好，可用于测距、定位、导航等。
[0017]3.亮度高由于激光器可以做到断续发光，使其能量积累到一定程度再突发出来，因而具有很高的功率，最大可达1 W，再加上激光的方向性好，使其亮度极高，比太阳的亮度还高出上千亿倍，只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光才能与之相比。利用激光的高亮度，可以在局部范围产生10万度以上的高温，进行打孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。
[0018]4.相干性好
所谓相干性是指两束光能够发生干涉，形成稳定的明暗相间干涉图像的特性。由于受激辐射原子发出的光在频率、位相、振动方向等方面都同外来光子一样，使激光具有很好的相干性比较接近于理想的、完全相干的电磁波。一般单色光源发出光的相干长度不超过
0.1m，但激光的相干长度可达几十公里。这里的相干长度是指把一束光分成两束，让它们经过不同的路程，能够产生干涉的最大光程差。利用激光的相干性好，可以进行全息摄影，进行精密测量。
[0019]现代光纤网干线长度一般较长(几十公里以上)，且传输频道较多，从系统质量、可靠性，以及经济上各方面考虑，都应该选择调幅光纤系统。
【发明内容】
[0020]本发明的目的在于设计出一种应用于光通信处理领域的相干光数字通信方法，基于相干调制和外差检测技术而设计的相干光数字通信方法，可将待传输信号无失真、高速的进行传输，具有灵敏度高、选择性好的优点。
[0021]本发明通过下述技术方案实现:一种应用于光通信处理领域的相干光数字通信方法，包括以下步骤:
1)搭建用于进行相干光数字通信方法的通信系统；
2)系统调试，经步骤I)后，对每一个硬件的系统参数进行调试，直到最佳状态；
3)已调光信号的调制处理，利用通信系统内的发射系统生成符合要求的已调光信号；
4)已调光信号的复原处理，利用通信系统内的接收系统将已调光信号还原处理为数字信号而后输送至终端设备内，进行数字信号的信息还原处理。
[0022]进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式:所述通信系统包括发射系统及接收系统，所述发射系统包括光载波生成电路、数字信号处理电路、调制器及发射光匹配器，所述接收系统包括接收光匹配器、混频器、本振激光器、中频放大器、解调器、基带放大器及判决再生器;所述调制器分别连接光载波生成电路、数字信号处理电路及发射光匹配器，所述发射光匹配器连接接收光匹配器，所述接收光匹配器依次连接混频器、中频放大器、解调器、基带放大器及判决再生器，所述本振激光器连接混频器。
[0023]进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式:所述步骤3)中，已调光信号的调制处理包括以下具体步骤:
3-1)光载波生成电路生成频率稳定、具有确定相位的光载波；
3-2)经步骤3-1)后，频率稳定、具有确定相位的光载波在调制器中被数字信号处理电路所生成的数字信号调制成已调光；
3-3)经步骤3-2)后，已调光被传输到发射光匹配器中，在发射光匹配器内，将已调光的空间分布与光纤基模相匹配，同时将已调光的偏振状态与光纤本征偏振态相匹配，形成已调光信号； 3-4)经步骤3-3)后，经发射光匹配器处理后的已调光信号将通过光纤传输到接收系统内。
[0024]进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置方式:所述步骤4)中，已调光信号的复原处理包括以下具体步骤: