用于数字信号的光传输的方法和设备的制作方法

专利名称：用于数字信号的光传输的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及光通信，更具体地说，涉及用于生成光信号，以便通 过呈现出高程度的总色度色散的光信道(尤其是光纤)进行长距离传输的 方法和设备。
背景技术：
在现代的通信系统中，广泛采用将信息信号调制到光载波上的光传 输。特别地，广域通信网络采用使用单模光纤来以非常高的比特速率传输 数字信息的W巨离传输链路，其中，在每个光纤上使用一个或多个光载波 或波长。数据在需要某种形式的再生之前可以在单模光纤中传输的距离受 光衰减和脉冲色散的限制。实用光放大器的出现已经基本消除了损耗限
制，特别是对于工作在可以应用渗碎光纤放大器的、波长在1550nm附近 的第三光通信窗口的系统。然而，导致脉冲展宽的、包括色度色散和偏振 模色散(PMD)的色散作用仍然是这样的系统中发生失真的重要原因， 如果不对其进行管理或补偿，可严重限制光传输距离。
随着光数据信道的比特速率的增加，由色度色散引起的问题迅速增 加。这是因为， 一方面，增加比特速率导致传输信道的光镨宽度增加，从 而由于色度色散而导致脉冲展宽的增加。另一方面，增加比特速率还导致 比特周期，即连续比特之间的时间间隔减小。特别是在波分复用数字传输 系统中，因为低的一阶色lt值由于非线性作用而与增加的失真相关联，所
展宽是不实际的。 ，
再次，由于减小的比特周期，在某种程度上还由于光谱展宽，特别是 在考虑到高阶PMD作用时，在更高的数据速率的情况下，PMD的影响 也增加。
因此，能够在光纤传输区段内补偿色散的影响的方法和设备在高容量 光传输系统中越来越重要。补偿色度色散的影响的已知方法包括发送激光器的预啁嗽、数据信 道的中距光相位共扼(mid-span optical phase conjugation )、 4吏用与光纤 传输区段具有相反的色散特性的啁啾光纤布拉格光栅(chirped-fiber Bragg grating )、以及使用高色散的色散补偿光纤。
然而，这些方法并非没有缺点。特别是，所有方法都基本上在光域内 操作，并通常使用提供固定色散补偿量的部件。因此，这些部件应该被设 计成和/或被构造成与它们所安装的特定传输区段的特性相匹配，且它们 不容易动态适应于不同的传输区段中或者呈现出变化的总色度色散的系 统中的使用。
另 一方面，设计和构造可包括软件部件且非常适应于变化的需求的电 子系统相对简单，这些电子系统包括模拟和/或数字系统。特别地，自适 应电子i更备已广泛应用于射频(RF)通信系统，包括能够动态补偿或均 衡信道特性的无线系统和有线系统。因此，近来感兴趣的是设计使得更复 杂的电子处理技术能够用于减轻光传输区段中色散的影响的方法和i殳备。 例如，可以使用电子色散补偿来升级现有的传输链路，而不替换或加强已 安装的光设备。此外，电子色散补偿器可以被设计成适应性地响应诸如可 能发生在釆用全光交换和传输^L术的系统中的总色散的动态变化。
在光传输系统内实现电子色散补偿的重要障碍是大多数高带宽光系 统在发送器处采用强度调制，同时在接收器处釆用直接检测。强度调制导 致光信号具有置于中心光载波频率附近的两个频率边带，而对这样的信号 的直接检测导致ibf目位信息丢失，其中iM目位信息需要被用来使得一般是 色^tJL特别是色度色散的影响能被补偿。因此，提出了在接收端执行电子 色散补偿的方法，其包括发送不具有由强度调制引起的传统双边带频镨的 信号。特别地，提出了使用光单边带(OSSB)或残余边带(VSB)的电 子色散补偿方法，其中，i^目位信息在光接收器处被直接转化为电相位信 息。另外，提出生成这样的信号，在该信号中，数个RF副载波在发送的 单个光边带内被复用。因为每个这样的副载波可以具有比发送光信号的全 部带宽窄很多的带宽，所以可实现增加的色散容许量。
然而，先前提出的利用OSSB传输和/或RF副载波复用的电子色散 补偿技术仍然受到许多限制。首先，包括RF滤波器、混频器等的RF部 件的质量和成本限制了可以采用的RF副载波的数目以及副载波复用的光 谱效率。此外，在RF副载波必须被解复用并被独立补偿或均衡的接收器 处，存在类似的限制和/或成本的影响。另外，迄今为止提出的系统呈现出相对较差的光功率效率。
因此，当前需要用于生成和传输光信号的改进的方法和设备，其使得 可以在电子领域中执行有效的色散补偿，同时緩解已知方法和系统的上述 缺点。

发明内容
一方面，发明提供一种通过色散光信道传送数字信息的方法，该方法
包括步骤
将数字信息编码为 一 系列块，每个块包括与所述数字信息的 一个或多 个比特对应的多个发送数据符号；
生成与所述块中的每一个块对应的发送时变信号；
将发送时变信号应用到光源，以产生发送光信号，该光信号包括光载 波，并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，其中，该边带与 发送时变信号对应；
通过光信道发送光信号；
检测光信号以产生对应的接收时变电信号；
根据所述时变电信号生成一系列接收数据块；以及
对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的接收数据符号执 行频域均衡，以减轻光信道的色度色散的影响，从而恢复发送数据符号。
因此，该方法提供了一种发送光信号，该发送光信号基本上只具有单 个光边带，从而使光相位信息被保留在对应的光检测器处生成的电信号 中，使得可以在接收器处执行电子色散补偿。此外，使用块编码以生成传 送信号，结合接收器处的频域均衡技术，不需要发送或接收端的分离的 RF部件来处理承载在单独RF副载波上的信号。因此，该方法是高度可 伸缩的，提供了高的光镨效率，改进的色散容许量，以及特别是对色度色 散影响的筒化的均衡或补偿，而位于发送或接收端的设备的成本和/或复 杂度并没有相应增加。
另 一方面，本发明提供了 一种接收通过具有色度色散特性的色散光信 道传输的数字信息的方法，其中，数字信息通过光信号承载，该光信号包 括光载波，并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，所述光边带与根据一 系列发送数据块生成的发送时变信号对应，每个发送数据块包 括与数字信息的一个或多个比特对应的多个发送数据符号，所述方法包括
步骤
检测光信号以产生对应的接收时变电信号； 根据所述时变电信号生成一系列接收数据块；以及
对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的接收数据符号执 行频域均衡，以减轻光信道的色度色散的影响，从而恢复发送数据符号。
根据优选实施例，使用频率/时间变换从每个块生成发送时变信号。 于是，可以使用对应的时间/频率(逆)变换生成一系列接收数据块。
在优选实施例中，根据正交频分复用(OFDM)方法执行编码和生成 发送时变信号的步骤。因此，生成发送时变信号的步骤优选地包括使用对 每个数据块中的数据符号的离散傅立叶逆变换(IDFT)计算频率/时间变 换。有利地，IDFT可以使用快速傅立叶变换(FFT)算法来计算。
数据符号可以是例如根据数字信息比特和符号值之间的所希望的映 射而生成的实数值或复数值。合适的映射方法可以对应于传统的信号调制 格式，且可以包括但不限于开关键控(OOK)、振幅移位键控(ASK)、 正交幅度调制(QAM)、相移键控(PSK)以及频移键控(FSK)等。
优选地，将通过频率/时间变换生成的离散数字值从并行格式转换为 串行格式，并使用数模转换以生成可以用于产生光信号的实数时变电信 号。
生成时变信号的步骤还可以包括加入保护带或循环前缀，其有利地有 助于在接收器处均衡检测到的光信号。
将时变信号应用到光源的步骤优选地包括应用与发送时变信号对应 的光调制。优选地，光源是相干光源，例如激光源如半导体激光二极管。
应用发送时变信号的步骤还可包括对经调制的光源进行光滤波以至 少基本上抑制一个光频率边带，从而产生在光频域中基本上只包括单个信 息承载光边带的光信号，其中，该边带与发送时变信号对应。
可以将滤波的光信号与光源的一部分未经调制的输出混合，以便提供 发送光信号的光载波。可替选地，可以执行滤波，以便至少保留存在于经 调制信号中的一部分光载波。
应用于光源的调制优选是强度调制或相位调制。可以理解，尽管本发明的优选实施例采用连续的调制和光滤波阶段，
也可以利用直接生成合适的OSSB光信号的替选方法，例如使用例如具有 从良送时变信号导出的合适的电驱动信号的多电极调制器的已知方法。
优选的是控制或调整光载波和/或光边带中的功率，以实现光信号中 的总能量在它们之间的期望的划分。这样的控制或调整尤其有利，因为其
高。光栽波中的能量和光边带中的能量之间的比值可以在例如0.5和2.0 之间，特别地，可以期望光载波中的能量和光边带中的能量近似相等。通 常，已经发现对于任何给定的发送信号，存在最佳载波功率，该最佳载 波功率使接收信号质量最佳化，且取决于各^t如调制格式和调制深度。 在优选实施例中，通过适当抑制从光调制器输出的载波，可以基本上提供 最佳栽波功率。
在特别优选的实施例中，时变信号被应用到光源，使得频率保护带被 设置在光载波和信息承载光边带之间。尤其优选的是，频率保护带设置有 与信息承载边带所占用的带宽相等或更大的带宽。在该方案中，实现了以 下特定的优点由于信息承载光边带的分量之间的混合而可能在光检测器 中生成的失真产物基本上落在接收信号边带之外，并基本上落在频率保护 带之内，使得接收信号的干扰和/或失真显著减小。
可以理解，技术人员可以使用各种方法，以生成具有频率保护带的信 号，包括在数字、电子(RF)和/或光域中执行的方法。
发送光信号的步骤一般包括通过单模光纤传输，且这样的传输可能跨 越长距离，例如超过1000公里。实际上，通过适当选择本发明方法的参 数，光信号传输大约1000000公里的距离是可能的。传输信道可包含光放 大器，以补偿单模光纤的损耗或衰减。
检测光信号的步骤优选包括例如使用检测器如光电二极管、雪崩光 电二极管(APD)等，执行光电转换，如果需要的话，还执行电放大。
生成一 系列接收数据块的步骤优选包括对接收的时变电信号进行采 样以产生离嘲:数字值序列。在优选实施例中，d吏用与生成发送时变信号中 使用的频率/时间变换相对应的时间/频率变换来变换离散数字值。在优选 实施例中，有利地使用FFT算法来执行采样信号的离散傅立叶变换 (DFT),以便计算一系列接收符号值。
于是，执行接收数据符号的均衡的步骤优选地包括至少执行每个接收符号值的相位调整，以便基本上均衡光信道的色度色散对发送光信号的影 响，使得接收且均衡的符号值更紧密地接^l送符号值。均衡还可以包括 执行每个接收符号值的幅度调整。
有利地，该方法可以包括根据经均衡的接收符号值恢复原始信息比特 的其它步骤。特别优选的是，使用与编码步骤中应用的映射相对应的解映 射方法来恢复原始信息比特。如前所述，合适的映射和解映射方法与传统
的信号调制格式包括OOK、 ASK、 QAM、 PSK、 FSK等相对应。
在另 一方面，本发明提供了 一种用于接收通过色散光信道传输的数字 信息的设备，其中，数字信息由光信号承栽，该光信号包括光载波，并且 在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，所述光边带与才艮据一系列 发送数据块而生成的发送时变信号相对应，每个发送数据块包括与数字信 息的 一个或多个比特相对应的多个发送数据符号，该接收设备包括
光检测器，用于检测光信号以产生对应的接收时变电信号；
用于根据所述时变电信号生成一系列接收数据块的装置；以及
均衡器，用于执行对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的 接收数据符号的频域均衡，以减轻光信道的色散的影响，从而恢复发送数 据符号。
另一方面，本发明提供一种用于传输数字信息的系统，包括
用于生成承载数字信息的光信号的发送设备，所^C送设备包括
编码器，用于将数字信息编码为一系列块，每个块包括与所述 数字信息的一个或多个比特相对应的多个数据符号；
信号发生器，用于生成与所述块中的每一个块相对应的时变信 号；和
光发送器，用于将时变信号应用到光源以产生光信号，该光信号 包括光载波，并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，其 中，该边带与时变信号相对应；
用于接M载数字信息的光信号的接收设备，该接收设备包括 光检测器，用于检测光信号，以产生对应的接收时变电信号； 用于根据所述时变电信号生成一系列接收数据块的装置；和 均衡器，用于执行对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的接收数据符号的频域均衡，从而恢复由发送设备发送的数据符
号；以及
用于M送设备到接收设备传送光信号的色散光信道。
在优选实施例中，编码器包括用于接收数字信息比特并生成对应的多 个符号值的多个映射单元。映射单元可以实现若干适当的映射方法中的任 何一个或多个映射方法，包括与传统调制格式如OOK、 ASK、 QAM、 PSK、 FSK等对应的映射。如数字信号处理领域中所公知的那样，在优 选实施例中，映射单元可以使用数字硬件和/或软件手段实现。
信号发生器可以包括频率/时间变换器，优选包括用于实现频率/时间 变换以产生数字时间域信号的数字硬件和/或软件手段。在特定优选的实 施例中，频率/时间变换器优选使用FFT算法实现IDFT。信号发生器还 可以包括至少一个并串转换器，用于才艮据变换器的输出生成数字采样的 时间序列；以及至少一个对应的数模转换器(DAC),用于生成连续时变 电信号。在优选实施例中，信号发生器还用于将保护时间和/或循环前缀 插入时变信号中，以帮助在对应的接收器处在频域中对接收信号进行均 衡。
光发送器的光源优选^1相干光源，例如激光源如半导体激光二极管。 光发送器还可以包括用于直接调制光源的电驱动电路，或优选地可以包括 外部光调制器，例如Mach-Zehnder或电吸收型强度调制器、；^目位调制 器等。
光发送器还可以包括光滤波器，用于至少基本上抑制从经调制光源输 出的调制信号的一个光频率边带。有利地，光滤波器的输出从而包括在光 频域中基本上只具有单个信息承载光边带的光信号。光发送器还可以包括 用于提取光源的一部分未经调制的输出、并用于将该部分未经调制的输出 与调制器输出混合以便提供光信号的光载波的光学部件。
在可替选实施例中，光发送器可以包括光滤波器，用于至少保留存在 于经调制信号中的光载波的一部分，使得光滤波器的输出是包括光载波， 并且基本上只包括单个信息承载光边带的光信号。
然而，本领域的技术人员可以理解，可存在可替选的光发送器装置， 包括使用例如多电极光调制器直接生成OSSB光信号的装置，其中多电极 光调制器具有适当的驱动电子器件，用于利用从时变信号导出的信号驱动 每个电极。在优选实施例中，光检测器包括用于光信号的光电转换的适当装置，
例如光电二极管、雪崩光电二极管(APD)等。光检测器还可以包括用于 调整信号电平并调节接收信号的电子装置，例如放大器、滤波器等。
用于生成接收数据块的装置优选包括模数转换器(ADC)，用于对检 测到的信号进行采样，并生成代表该信号的数字化时间序列。
生成装置还可以包括用于执行采样数据的串并转换的数字硬件和/或 软件手段。另外，在优选实施例中，生成装置包括用于计算时间/频率变 换的硬件和/或软件手段，其最优选为例如使用FFT算法实现的DFT。根 据优选实施例，所述变换的输出是设置在接收数据块中的多个接收数据符 号。
均衡器优选包括均衡器组，均衡器组包括多个滤波器，这些滤波器用 于至少调整每个接收数据符号值的相位，以使羞本上均衡光信道的色度色 散的影响。均衡器组还可以调整每个接收数据符号的幅度。优选地，接收 设备还包括用于接收经均衡的符号值并生成对应的数字信息比特的多个 解映射单元。如应当理解的那样，解映射单元可以与对应的发送器中采用 的映射单元相对应，因此可以执行任何适当的解映射方法，例如与传统调 制格式，包括OOK、 ASK、 QAM、 PSK、 FSK等相对应的解映射。如 数字信号处理领域中所公知的那样，在优选实施例中，解映射单元可以使 用数字硬件和/或软件手段实现。
光信道优选是单模光纤。
根据下面对本发明优选实施例的说明，本领域的技术人员将会了解本 发明的其它优选特征和优点，这些说明不应被认为是对上文中或所附权利 要求书中限定的本发明范围的P艮制。


参考

本发明的优选实施例，在附图中
图1示意性示出了根据本发明的实施例，通过长距离的色^L单模光纤 传送数字信息的系统；
图2示出在图1所示系统的发送器内生成的示例性发送器调制器驱动 波形；
图3示出图2的驱动波形的示例性光谱图4示出图l所示系统的光调制器的输出处的示例性光i昝；
图5示出才艮据图1所示系统的 一个具体实施例的光边带滤波器的输出 处的示例性光镨；
图6示出在图1的系统的单模光纤区段内的M大器的输出处的示例 性光镨；
图7示出在图1的系统的另一个实施例的可替选光边带滤波器的输出 处的示例性光镨；
图8示出图1所示系统的光电检测器的输出处的示例性RF语；
图9示出图l所示系统的接收器内生成的示例性未均衡输出星座图IO示出图1中所示的系统的接收器内生成的示例性的经均銜^输出 星座图11是示出针对不同调制格式和调制深度的载波衰减的最优化的模 拟结果的图。
具体实施例方式
首先参考图1，示意性示出了根据本发明实施例的用于通过长距离的 色散单模光纤传送数字信息的系统100。
示例性系统100包括设备102，设备102用于生成承栽数字信息的光 信号，以便通过经放大的单模光纤区段104传输。传输区段104—般可包 括多个单独的单模光纤段例如106,在单模光纤段之间插入损耗补偿放大 器例如108，以克服由于单模光纤链路的衰减导致的信号功率损耗。
系统100还包括接收设备110，用于接收通过光纤区段104 ^UL送设 备102发送的数字信息。
要通过光纤区段104传输的数字信息通过并行输入端口 112被输入到 发送器102。输入的数字信息在发送器102内按块处理，每个块包括与输 入端口 112的并行输入相对应的若干信息比特。可以理解，可替选地，可 以提供数字信息的其它形式的输入，例如串行输入端口。每个块中包括的 信息比特的数目通常是预先确定的，而在任何特定实施例中可以是固定数 目的比特，或可以才艮据各种因素如希望的信息比特速率和/或其它系统参 数而随时间变化。编码器114包括用于生成对应的多个数据符号的多个映射单元，例如 116,每一个数据符号一般是对输入信息比特112中的一个或多个进行编 码的复数值。根据系统100的优选实施例，映射单元116使用QAM映射 来编码输入的数据比特，以便提供所产生的编码数据符号值。每个QAM复数。然而，可以理解，用来对输入数据编码的可替选的映射方案可以包 括，但不限于OOK、 ASK、 PSK、 FSK等。发送器102还包括信号发生器118，信号发生器118生成与编码数据 符号块中的每一个相对应的时变信号。根据系统100的示例性实施例，使 用OFDM方法来生成时变信号。频率/时间变换器120生成输入到并串转 换器122的变换值块，该频率/时间变换器120优选^^用采用FFT算法的 离散傅立叶逆变换(IDFT)来实现。可以理解，如本领域已知的一样， 可以使用数字电子硬件或软件手段，或硬件和软件的结合，来容易地实现 IDFT。通常，频率/时间变换器120的并行输出是包括实部和虚部的一系列 复数值，因而并串转换器122的并行输出也是包括实部和虚部的一系列复 数值。根据系统100的示例性实施例，实部和虚部被分为两个分开的输出 流，每个输出流由数模转换器(DAC) 124、 126转换为相应的连续时变 电信号。使用混频器128、 130将所产生的时变信号上变换到具有频率fRF 的RF频率载波。与并串转换器输出的实部相对应的时变信号被进行上变 换，以在混频器128中产生同相信号，而与虚部相对应的时变信号被进行 上变换，以在混频器130中产生正交信号。同相分量和正交分量在求和元 件132中混合，以产生包含输入数据112的4^信息内容的总输出时变电 信号。在系统100的示例性实施例中，附加的恒定偏移以偏压输入134的形 式净皮应用到时变信号，以产生适于调制光载波的时变信号。在示例性系统IOO中，光发送器136用于将从信号发生器118输出的 时变信号应用到光源138。光发送器136包括光源138，光源138优选是 相干光源，例如激光源如半导体激光二极管。在示例性实施例100中，由 信号发生器118生成的时变信号用于驱动光发送器136的外调制器140。 外调制器140可以是Mach-Zehnder或电吸收型强度调制器、光相位调制 器等。然而，可以理解，在可替选实施例中，可以釆用其它手段来调制光 源，例如，集成激光调制器，或合适的激光或其它源的直接调制。后面会参考图ll说明使用不同类型的调制器、不同的调制格式、以及调制深度 范围的传输的性能特性。光发送器136也包括光滤波器142，光滤波器142用于至少基本上抑 制从光调制器140输出的强度调制信号的一个光频率边带。因此，光滤波 器142的输出在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，与从信号发 生器118输出的时变信号相对应，且用来驱动光调制器140。光滤波器142 可以只选择单个光边带，或者可以选择单个光边带连同全部或部分光载波 功率。在示例性系统100中，光滤波器142基本上只允许单个光边带通过，从而抑制光滤波器142的输出中的光载波。因此，设置了附加光路144，光源138的一部分未经调制的输出沿着附加光路144发送，并在光滤波器142的输出处与滤波的光边带重新混合，以生成包括光载波并且基本上只 包括单个信息承栽光边带的光信号。有利地，在本发明的实施例中，可以选择或调整光载波功率，以达到 总信号能量在光载波和边带之间的任何希望的划分。这使得从义送器136 输出的光信号被优化，以便提高光功率效率和/或接收信号质量。例如， 通过适当选择分离和/或混合部件，或通it^t并行光路144内包括合适的 衰减器，可以实现希望的光载波水平。在另一个可替选实施例中，除了提供并行光路144之外，至少一部分 光载波可以由光滤波器142通过。因此，当未经调制的载波在与光滤波器 138的输出处的信号重新混合时，光载波水平可以取决于相混合的载波之 间的相位关系而,皮增加或降低。因此，这样的方案可以用于控制或调整发 送光信号的光载波功率。本领域的技术人员会理解用于实现总信号能量在光载波和信息承载 边带之间的希望的划分的其它手段和方法。光信号通过光纤区段104发送,光纤区段104包括一 系列光放大器(例 如108 )以及光纤传输段(例如106 )。在光纤区段104内不包含对光纤段 106的色散的补偿，因此，色散的影响沿着整个长度的区段而积累。所产生的受到色散影响的信号由接收设备110接收，接收设备110包 括光检测器146、用于才艮据从检测器146输出的时变电信号生成一系列 接收数据块的信号处理部件166、以及用于减轻积累色散的影响的均衡器 168。接收设备110还包括用于恢复原始发送的数字信息的解映射单元172。在示例性实施例100中，ib险测器146包括光电二极管148和相关电 路150，相关电路150包括放大器、滤波器等，用于生成接收时变电信号， 该接收时变电信号具有合适的特性，以便部件166进一步处理。功率分配器152将接收到的时变信号分到两个分开的处理路径，在这 两个处理路径中，分别使用RF混频器154、 156来恢复和下变换发送信 号中的同相分量和正交分量。所得到的信号分别与频率/时间变换器120 的复数值输出的实部和虚部相对应。使用模数转换器(ADC) 158、 160 对这两个信号进行采样，并转换为对应的数字值序列。串行数字化的采样 在串并转换器162中被转换为并行形式，重新组成复数的对应实值和虚值 输入到时间/频率变换器164。根据示例性实施例100，时间/频率变换器164是优选使用FFT算法 实现的离散傅立叶变换器(DFT)，其为与频率/时间变换器120实现的 IDFT相对应的逆变换。所产生的频域值从DFT 164按块输出。每个块包括与输入到频率/时 间变换器120的、受光纤区段104内的色散作用影响的发送数据符号相对 应的一组接收数据符号。包括例如170的均衡滤波器组的均衡器168用于 减轻色散对接收的数据符号的影响，以便恢复发送的数据符号。在最简单 的情况下，实际上在示例性方案100中，每个滤波器170是至少调整从 DFT 164输出的对应接收符号值的相位的复数乘法器，以便基本上均衡色 度色散对发送信号的影响。可以理解，这样的均衡可以附加地补偿发送设 备和接收设备102、 110的各种电子和光电部件的非理想频率相关特性。 取决于这样的特性以及光纤传输区段104的其它特性，可另外期望每个滤 波器170调整对应的接收符号值的幅度及相位。可以采用适应性均衡，以 便减轻光纤区段104和其它传输部件的时变特性的影响，包括PMD和一 些非线性作用。所产生的均衡符号值被输入到解映射器172，解映射器172包括单独 的解映射单元174,且与传输设备102中包括的符号映射器114相对应。 解映射单元174接收均衡符号值并生成对应的数字信息比特。在并行输出 176处提供所产生的解码信息。如果系统100内的噪声和/或失真的水平没 有过高，则输出的数字信息一般与输入112处提供的原始数字信息比特匹 配。当然，本领域的技术人员可以理解，在任何通信系统中，由于噪声和 /或失真可能产生差错，因此可能不能实现发送信息比特的0差错率。然而，还应当理解，可以采用附加措施，包括插入在数字信息内的检错和纠 错码，以便检测和/或校正这样的比特差错。已通过使用计算机模拟来!HiE示例性系统100的操作，其结果在图2 至图10中示例性示出。在模拟中使用10Gb/s数据速率，块长为1024比 特。在映射和解映射块114、 172中使用4-QAM符号映射，映射和解映 射块114、 172提##秒5千兆符号的总符号速率。使用fRF = 7.5 GHz的 RF载波频率，提供了占用光载波的5GHz和lOGHz之间的频带的OFDM 信息信号，该光载波被设置在193.1 THz。平均发送功率是l亳瓦，且使 用4000km长的损耗补偿光纤传输区段104，具有64ns/nm的总色散。可 以理解，在使用传统基带强度调制方法、工作在10Gb/s的系统中，该色 散水平会导致这样的接收信号在接收器进行检测之前没有在光域中使用 合适的色散补偿方法的情况下，根据该接收信号无法恢复发送的数字信 息。图2示出在信号发生器118的输出处产生的示例性发送器调制器驱动 波形200。由于偏压134的原因，驱动波形200具有正平均信号电平202， 使得很少或不发生的波形的削峰，例如204。图3示出驱动波形200的对 应的电频语300。可以看出，根据在信号发生器118中采用的OFDM调 制方法，频镨300包括占用与要发送的信息信号相对应的5GHz和lOGHz 之间的范围的清楚限定的频带302。图4示出在光调制器140的输出处产生的对应的光语400。光语400 包括与激光源138的窄线宽输出相对应的光载波信号402。该载波的强度 调制导致产生下边带404和上边带406,与调制器驱动频谦300相对应。 如图4中所示，载波电平408比信息承载下边带404、信息承载上边带406 具有大很多的功率，与用来保证发送信号波形200的最小削峰的相对高偏 压电平相对应。将会理解，该高载波电平与低发送光功率效率相对应。然 而，根据本发明的优选形式，且如同将参考图6和图11更加详细^兌明的 那样，发送载波电平可以减小，以便最优化或至少改进系统IOO的发送光 功率效率和/或接收信号质量。图5示出光滤波器142的输出处的光镨500。显然，光滤波器142基 本上抑制了下边带404和光载波402，产生仅仅包括单个信息承载边带506 的频镨。图6示出传输区段104中M大器(例如108)的输出处的示例性光 镨。由激光器138生成并沿光发送器136内的并行路径144行进的一部分光载波与滤波器142的输出混合，因此，光镨600包括具有光载波602并 且基本上只具有单个信息承载光边带606的光信号。设置重新混合的光载 波602的电平608,使得载波中的总功率与信息承载边带606内的总功率 通常为相似的。已经发现适当调整载波电平608可以导致最优化或至少 显著提高光功率效率，并从而提高整个系统的性能。在示例性系统模拟中， 通过在滤波器142的输出处与调制的信号重新混合之前将载波衰减25dB, 获得最优的系统性能。通过使光载波602和信息承载边带606中的功率的 比例近似相等，可实现性能的最大改进，而且，例如，如果载波能量和边 带能量之间的比值在0,5和2.0之间，则可实现适当的性能。然而，如后 面参考图11所述，载波衰减的最佳水平可取决于信号特性如光调制格式。图7是示出可替选光滤波器142的输出的示例性光i普700，该光滤波 器142在选择期望的光边带706时没有这样完全抑制光载波702。因此， 在该光滤波器的输出中存在残余载波电平708。利用对边带特性的适当调 整，这种类型的滤波器可以用作例如残余边带(VSB)滤波器，用于通过 单个边带和足够的光载波功率，可以不需要重新混合一部分原光源输出。 即，通过适当选择滤波器142的特性，可以生成包括成适当比例的载波功 率和信号功率的发送光信号。图8示出光检测器146的输出处的示例性RF频镨800。频i普800的 特征包括混合噪声(intermixing noise) 810、信息承载OFDM信号带806 和系统底噪812。通过利用由发送设备102内的信号发生器118生成的 RF频镨300来比较，由于光和电噪声源的原因，积累噪声的水平作为接 收OFDM信号806的镨功率的波动808是明显的。然而，显然，与平均 信号水平比较，噪声波动相对是小的。混合噪声810由光电检测器148处的OFDM信号分量的混合产生。 在光电检测器148中产生这样的混合噪声是优选将OFDM信号上变换到 合适的RF载波频率的主要原因。特别地，将信息承载信号上变换以(在 RF域中)在DC和信号带之间或等效地(在光域中)在光载波和信息承 载光边带之间设置频率保护带，使得混合噪声810的影响充分减轻或完全 避免。特别地，如果频率保护带宽等于或大于信息承载信号占用的带宽， 则在光检测器146，由于信号分量之间产生的差频而产生的混合噪声分量 落入保护带内，从而充分减小它们对接收信号的质量的影响。由此，在示 例性模拟中，OFDM信号占用5GHz和10GHz之间的RF频带，提供OGHz 和5GHz之间的低频保护带，在光检测器146，在该保护带内生成混合噪声分量810。通过频率保护带提供的又一优点是在示例性系统100中，光滤波器 142的技术规格可以 m宽松。因为要抑制的边带与期望的边带分开两倍 的保护带宽，所以可以采用具有比不存在保护带的情况下可以接收的过渡 带更宽的过渡带的滤波器。注意在图1中所示的示例性系统100中，在频率/时间变换器120 设置了若干未使用的输入178，且在时间/频率变换器164设置了对应数目 的未使用的输出180。优选地，在未使用的输入178处提供零符号。可以 理解，这些未使用的输入和输出的作用是在数字信号处理中提供过采样。 这样的过采样不是必须的，但可以用于各种目的，以便在数字域内执行各 种操作。特别地，过釆样系统可以使不期望的混合噪声产物810和/或812 在时间频率变换器164的未使用的输出180被"倾倒掉"。因此，在数字 域中，过釆样有效地用于提供对这些噪声产物的滤波，从而放宽对电域和 /或光域中设置的滤波器的需要。实际上，可以理解， 一般而言，在信号 发生器118和接收器信号处理部件166中描述的很多操作可以在模拟域或 数字域中执行，这取决于处理、部件质量、成本和其它需要。因此，可以 理解，在系统100中说明的数字域和模拟域之间的处理任务的特定划分只 是示例性的，且技术人员会理解，在该方面可有^f艮多变化。图9示出在缺少均衡的情况下，在DFT 164的输出处出现的接收数 据符号的示例性星座图900。该星座的点卯2绕圃周均匀分布，清楚地示 出光纤链路104的色度色散对发送数据符号的相位的影响。由系统100 中的光部件和电部件引起的幅度噪声的影响在星座图卯0中也很明显。由 于因色度色散引起的相移的原因，很清楚不可能从构成星座图900的接收 数据符号恢复发送数据符号。模拟的系统使用单块已知数据来训练。基于训练数据，均衡器组168 被设置成将恢复原始发送符号值所需的适当的相移应用到每个接收符号。 一旦以该方式设置了均衡器组168，则附加的数据块通过系统100发送， 并在接收设备110内应用相同的均衡。图IO示出获得的星座图1000，其 中四个不同的星座点1002、 1004、 1006、 1008是可清楚辨别的，表明现 在可以恢复发送数据符号。因此，可以理解，通过使用合适的信号处理， 以及发送包括光载波并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带 的光信号，示例性系统100能够基本上减轻整个电域内非常大水平的色度 色散的影响。同样值得注意的是，经均衡的星座图IOOO看来代表具有相对高信噪 比(SNR)的信号，并且，因此在示例性系统中采用更高阶QAM映射如 16-QAM以便实现更高的传输容量应该是实际的。如前所述，可以使用不同的光调制格式来把信号发生器118输出的时 变信号应用到光源138。例如，可应用的调制格式包括强度调制和相位调 制。此外，对应于任何选定的调制格式，可以使用不同类型的外调制器 140。例如，可以使用Mach-Zehnder或电吸收型调制器来应用强度调制， 且应用或不应用本领域公知的线性化技术以改进调制的线性。此外，调制 深度是在将信号发生器118输出的时变信号应用到光源138时可以改变的 附加M。除了其它M以外，选择调制格式和调制深度可能影响传输功 率效率和/或接收信号质量。图11示出模拟结果的图1100，其说明光能量在光栽波和信息承载光 边带之间的选择的划分影响信号质量的方式。特别地，在进行的模拟中， 使用三种不同类型的调制器和五个不同的调制深度等级，在每种情况下对 光载波应用可变的衰减以控制光栽波和信息承载光边带之间的能量划分。 因此，图1100中每个曲线上的每个点与使用所选类型的调制器以所选调 制深度以及所选的载波衰减水平而进行的单个模拟相对应。在每个情况 下，计算信号的Q值。在各模拟中，使用QAM映射，并以传统方式将Q 定义为釆样值到适当决策阈值的平均距离的平方除以QAM信号的对应 分量的方差。由图1100表示的模拟利用强度调制和相位调制。在相位调制的情况 下，相位调制器驱动被抑制，使得量值超过90度的相移被削去。模拟了 两种类型的Mach-Zehnder强度调制器，这两种类型为线性化 Mach-Zehnder调制器和无线性化的Mach-Zehnder调制器。在所有这两 种情况下，对Mach-Zehnder调制器的驱动4皮抑制在0 %和100 %传输之 间。因此，在全部情况下，应用到调制器的时变OFDM信号的正峰和负 峰以高调制深度被削去。在各模拟运行中，4吏用5%、 10°/。、 20%、 30% 和40。/。的调制深度。对图1100中的每个曲线进行标注以指出釆用的调制类型，用PM表 示相位调制，MZI表示无线性化的强度调制，且LMZI表示具有线性化 的强度调制。曲线上的符号表示对应的调制深度，与插入的图例一致。X 轴表示栽波衰减，单位是分贝，而Y轴是Q值，也以分贝为单位来表示。从图1100中的曲线可以清楚地看出，对于调制格式和调制深度的每个结合，可以通过选择适当的载波衰减水平以便提供发送光信号的光载波 和信息承载边带之间光能量的对应的最佳划分，获得最高的信号质量。载波衰减的最佳水平与每个曲线的局部最大值相对应。值得注意由于模拟 的所有调制器的固有非线性特性，特别是在高幅度输入情况下由每个所应 用的削减，通常在较低的调制深度实现较好的信号质量。还值得注意在 模拟中受到由传输路径的放大噪声产生的光信噪比(OSNR)限制的、大 约15dB的最大Q值可以使用所有的模拟调制格式来实现。线性化MZI 调制器能够在直到大约30 %的调制深度保持该最大Q值，从而针对最佳 结果能够釆用较低的载波衰减水平，由此可以更高效J^M吏用来自光源的光 功率输出。通过比较，由于它们更高程度的非线性，在大约10%之上的 所有调制深度使用(非线性化)MZI调制器或相位调制器，可以得到较 低的最大Q。注意，在这方面，非线性化MZI和相位调制器两者的性能 非常相似。然而，应该理解，Mach-Zehnder强度调制器固有地导致光源 功率衰减至少3dB,而在原理上存在基本无损耗的相位调制。在缺少光放 大的情况下，发送器处的经调制的光功率增加3dB导致接收电信号增加 6dB。此外，与MZI结构相比，相位调制器可以更简单地集成在激光发 送器中。从上面的说明可以看出，在本发明的不同实施例中可以采用各种调制 器、调制格式和调制深度。已经用模拟试验过的示例性调制方案中的每一 个方案提供特定的优点和缺点，并且基于特定应用的需要可以适当选， 制器。重要的是，无论选择哪个调制格式，通过适当控制或调整光载波和 /或信息承载光边带中的能量以便实现总能力在二者之间的最优划分，都 可以最优化发送光功率效率和/或接收信号质量。根据上面的说明，本领域的技术人员可以理解，存在本发明的很多改 变，并且本发明不局限于这里说明的特定实施例。更确切地，本发明的范 围由这里所附的权利要求书限定。
权利要求
1.一种通过色散光信道传送数字信息的方法，所述方法包括步骤将数字信息编码为一系列块，每个块包括与所述数字信息的一个或多个比特相对应的多个发送数据符号；生成与所述块中的每一个块相对应的发送时变信号；将所述发送时变信号应用于光源以产生发送光信号，所述发送光信号包括光载波，并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，所述边带与所述发送时变信号相对应；通过光信道发送所述光信号；检测所述光信号以产生对应的接收时变电信号；根据所述时变电信号生成一系列接收数据块；和对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的接收数据符号执行频域均衡，以减轻光信道的色散的影响，从而恢复发送数据符号。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成发送时变信号的步 骤包括使用频率/时间变换来生成与所述块中的每一个块相对应的信号， 且所述生成一 系列接收数据块的步骤包括使用对应的时间/频率变换来根 据所述接收时变电信号生成各数据块。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述编码步骤包括通 过根据预定调制格式将数据信息比特映射到对应的符号值来生成所述多 个发送数据符号。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定调制格式选自由开 关键控(OOK)、振幅移位键控(ASK)、正交幅度调制(QAM)、相移 键控(PSK)以及频移鍵控(FSK)构成的组。
5. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，根据正交频分复用 (OFDM)方法来执行所述编码和生成发送时变信号的步骤。
6. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述生成发送时变信 号的步骤包括插入保护时间和/或循环前缀。
7. 根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述将时变信号应用 于光源的步骤包括应用与发送时变信号相对应的光调制，并对经调制的 光源进行光滤波，以产生至少 一个光频率边带祐羞本上抑制的滤波光信号。
8. 根据权利要求7所述的方法，还包括将所述滤波光信号与光源的 一部分未经调制的输出混合的步骤。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，执行所述光滤波，以至少保 留存在于经调制光信号中的一部分光载波。
10. 根据权利要求7至9中的任一个所述的方法，其中，所述光调制 是强度调制或相位调制。
11. 根据任一前述权利要求所述的方法，还包括步骤控制或调整所述光载波和/或所述光边带中的功率，以实现所述光信号中的总能量在它 们二者之间的预定划分。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述光载波中的能量和所 述光边带中的能量之间的比值在大约0.5和大约2.0之间。
13. 根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述光载波中的能量 和所述光边带中的能量近似相等。
14. 根据任一前a利要求所述的方法，其中，生成所述时变信号并 将其应用到光源，使得在所述光载波和所述信息承载光边带之间设置频率 保护带。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中，所述频率保护带的带宽等 于或大于由信息承载边带占用的带宽。
16. —种接收通过具有色散特性的光信iijt送的数字信息的方法，其 中，所述数字信息由光信号承载，所述光信号包括光载波，并且在光频域 中基本上只包括单个信息承载光边带，所述光边带与根据一系列发送数据 块生成的发送时变信号相对应，每个发送数据块包括与所述数字信息的一 个或多个比特相对应的多个发送数据符号，所述方法包括步骤检测所述光信号以产生对应的接收时变电信号；根据所述时变电信号生成一系列接收数据块；和对包括在所述接收数据块的每一个中的接收数据符号执行频域均衡， 以减轻光信道的色散的影响，从而恢复发送数据符号。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述生成步骤包括使用频 率/时间变换来根据所述时变电信号生成所述一 系列接收数据块。
18. 根据权利要求16或17所述的方法，其中，所述执行频域均衡的 步骤包括执行每个接收数据符号值的振幅和/或相位调整，以便基本上均 衡光信道的色M发送光信号的影响，以提供更紧密地接近所i^送符号 值的经均衡的符号值。
19. 根据权利要求16至18中的任一个所述的方法，还包括解码所述 经均衡的接收数据符号，以根据所述经均衡的符号值恢复发送数据信息比 特的步骤。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中，所述解码步骤包括根据预 定调制格式将解映射方法应用到所述经均衡的符号值。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中，所述预定调制格式选自由 OOK、 ASK、 QAM、 PSK以及FSK构成的组。
22. —种用于发送数字信息的系统，包括用于生成承载数字信息的光信号的发送设备，所*送设备包括编码器，用于将数字信息编码为一系列块，每个块包括与所迷数 字信息的一个或多个比特相对应的多个数据符号；信号发生器，生成与所述块中的每一个块相对应的时变信号；和光发送器，用于将所迷时变信号应用于光源以产生光信号，所述 光信号包括光载波，并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边 带，所述边带与所述时变信号相对应；用于接收承载数字信息的光信号的接收设备，所述接收设备包括光检测器，用于检测所述光信号，以产生对应的接收时变电信号；用于根据所述时变电信号生成一系列接收数据块的装置；和均衡器，用于对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的 接收数据符号执行频域均衡，从而恢复由所述发送设备发送的数据符 号；以及用于将所述光信号从所述发送设备传送到所述接收设备的色散光信道。
23. 根据权利要求22所述的系统，其中，所^JL送i殳备的编码器包 括映射器，所述映射器具有用于接收信息比特并生成对应的多个数据符号值的多个映射单元。
24. 根据权利要求23所述的系统，其中，所述映射单元用于根据预 定调制格式执行映射。
25. 根据权利要求23或24所述的系统，其中，所U送i更备的信号 发生器包括频率/时间变换器，所述频率/时间变换器用于在输入处接收所 述数据符号值，并输出对应的数字时域信号。
26. 根据权利要求25所述的系统，其中，所^iC送设备的信号发生 器还包括并串转换器，用于根据所述频率/时间变换器的输出生成数字 采样的时间序列；以及数模转换器，用于生成连续时变信号。
27. 根据权利要求26所述的系统，其中，所U送设备的信号发生 器还用于在所述数字采样的时间序列内插入保护时间和/或循环前缀。
28. 根据权利要求22至27中的任一个所述的系统，其中，所述发送 设备的光源是直接调制半导体激光二极管。
29. 根据权利要求22至27中的任一个所述的系统，其中，所述发送 设备的光源包括与单独的或集成的外调制器相结合的连续波光源。
30. 根据权利要求29所述的系统，其中，所述调制器是光强度调制 器或光相位调制器。
31. 根据权利要求22至29中的任一个所述的系统，其中，所述发送 设备的光发送器还包括光滤波器，所述光滤波器用于至少基本上抑制从所 述光源输出的调制信号的一个光频率边带。
32. 根据权利要求31所述的系统，其中，所iiiL送设备的光发送器 还包括光部件，所述光部件用于提取光源的一部分未经调制的输出，并用 于将所述未经调制的输出与所述光调制器的输出混合，以便提供所述光信 号的光载波。
33. 根据权利要求31所述的系统，其中，所述光滤波器用于至少保 留存在于经调制的光信号中的一部分光载波。
34. 根据权利要求22至33中的任一个所述的系统，其中，所述发送 设备的光发送器用于控制或调整所述光载波和/或所述光边带中的功率， 以在它们之间实现所述光信号中的总能量的预定划分。
35. 根据权利要求34所述的系统，其中，所述光载波中的能量和所 述光边带中的能量之间的比值在大约0.5和大约2.0之间。
36. 根据权利要求34或35所述的系统，其中，所述光载波中的能量 和所述光边带中的能量近似相等。
37. 根据权利要求22至36中的任一个所述的系统，其中，所述光发 送器被设置成将所述时变信号应用到光源，4吏得在所述光载波和所述信息 承载光边带之间设置频率保护带。
38. 根据权利要求37所述的系统，其中，所述频率保护带的带宽等 于或大于由信息承载边带占用的带宽。
39. —种用于接收通过色散光信道发送的数字信息的设备，其中，所 述数字信息由光信号承栽，所述光信号包括光载波，并且在光频域中基本 上只包括单个信息承载光边带，所述光边带与根据一系列发送it据块生成 的发送时变信号相对应，每个发送数据块包括与所述数字信息的一个或多 个比特相对应的多个发送数据符号，所述接收设备包括光检测器，用于检测所述光信号，以产生对应的接收时变电信号；用于使用时间/频率变换来根据所述时变电信号生成一系列接收数据 块的装置；和均衡器，用于对包括在所述接收数据块的每一个接收数据块中的接收 数据符号执行频域均衡以减轻光信道的色散的影响，从而恢复发送数据符 号。
40. 根据权利要求39所述的设备，其中，所述用于生成一系列数据 块的装置包括m转换器，用于采样从所述光检测器输出的电信号，并生成代表所 述信号的数字化的时间序列；串并转换器，用于将所述数字化的时间序列从串行格式转换到并行格 式；和时间/频率变换器，用于将所述并行格式数字化时间序列变换为频域 中对应的接收符号值序列。
41. 根据权利要求40所述的设备，其中，所述均衡器包括均衡器组， 所述均衡器组具有用于调整每个接收符号值的幅度和/或相位以便基本上 均衡所述色散光信道对发送信号的影响的多个滤波器。
42. —种生成承载数字信息的光信号的方法，所述方法包括步骤将数字信息编码为一系列块，每个块包括与所述数字信息的一个或多个比特相对应的多个翁:据符号；生成与所述块中的每一个块相对应的时变信号；将所述时变信号应用于光源以产生光信号，所述光信号包括光载波， 并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，所述边带与所述时变 信号相对应，其中，控制或调整所述光载波和/或所述光边带中的功率， 以在它们之间实现所述光信号中的总能量的预定划分。
43. 根据权利要求42所述的方法，其中，所述光载波中的能量和所 述光边带中的能量之间的比值在大约0.5和大约2.0之间。
44. 根据权利要求42或43所述的方法，其中，所述光载波中的能量 和所述光边带中的能量近似相等。
45. —种生成承载数字信息的光信号的方法，所述方法包括步骤将所述数字信息编码为一系列块，每个块包括与所述数字信息的一个 或多个比特相对应的多个数据符号；生成与所述块中的每一个块相对应的时变信号；并将所述时变信号应用于光源以产生光信号，所述光信号包括光载波， 并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，所述边带与所述时变 信号相对应，其中，在所述光载波和所述信息承载光边带之间设置频率保 护带。
46. 根据权利要求45所述的方法，其中，所述频率保护带的带宽等 于或大于由所述信息承载边带占用的带宽。
全文摘要
用于发送数字信息的系统(100)，包括用于生成承载数字信息的光信号的发送设备(102)，色散光信道(104)，以及用于接收光信号的接收设备(110)。色散光信道(104)被设置来将光信号从发送设备(102)传送到接收设备(110)。发送设备包括编码器(114)，用于将数字信息编码为一系列块，每个块包括与数字信息的一个或多个比特相对应的多个数据符号。信号发生器(118)生成与所述块中的每一个块相对应的时变信号。光发送器(136)用来将所述时变信号应用于光源(138)以产生光信号，该光信号包括光载波，并且在光频域中基本上只包括单个信息承载光边带，所述边带与所述时变信号相对应。接收设备(110)包括光检测器(146)，用于检测光信号以产生对应的接收时变电信号。接收器还包括用于根据时变电信号生成一系列接收数据块的装置(166)。均衡器(168)对包括在每个数据块中的接收数据符号执行均衡，以减轻光信道的色散的影响，从而使发送的数据符号能够被恢复。
文档编号H04B10/00GK101310458SQ200680042222
公开日2008年11月19日 申请日期2006年10月12日 优先权日2005年10月12日
发明者吉恩·阿姆斯特朗, 阿瑟·洛厄里 申请人:莫纳什大学