本发明涉及光通信传输领域，涉及一种基于载波正交偏置偏振复用单边带信号的发射端调制方法，涉及基于光滤波器的接收端解调方法，以及相应的系统。
背景技术：
相比于相干检测光通信系统，直接检测光通信系统具有低成本、低复杂度和易于集成的优势，是目前中短距离光纤通信传输系统的重要解决方案。为了适应数据中心不断升级的流量需求，将偏振复用技术引入直接检测系统成为接下来的研究热点。
对于相干检测系统来说，由于本振激光器放置在接收端，所以本振光的偏振态可以被很好的控制并平均分到信号光的两个偏振态上进行混频。相比之下，在直接检测系统中，需要在发射端加入光载波来替代本振光的功能。这样一来，经历了光纤传输过程中的随机偏振旋转之后，在接收端将难以有效控制光载波的偏振态，于是某一偏振方向上会出现光载波衰落问题。
目前，在直接检测系统实现偏振复用的方法主要有两种，一种是使用斯托克斯接收机，另一种是对光载波使用偏振旋转器。两种方法都能够实现偏振复用。
1)斯托克斯接收机。这种方法要求接收端有一个偏振分束器、一个90°光混频器、4个光电探测器(pd)和4个模数转换器(adc)用于检测完整的斯托克斯矢量，可以处理任意的偏振旋转。缺点是四路电信号需要时延上对准，并且数字信号处理(dsp)中会进行4×2联合均衡，因此具有很高的硬件要求和计算复杂度。
2)对光载波使用偏振旋转器。这种方法将接收信号分为两路，其中一路通过光滤波器提取出光载波，并利用偏振旋转器将光载波旋转90°。这样一来就能获得一对偏振态正交的光载波用于两个偏振的信号检测。这种方案的缺点是一般静态的偏振旋转器无法对所有偏振态的光载波都旋转90°。
技术实现要素：
本发明提供一种基于载波正交偏置的偏振复用单边带调制方式，基于光滤波器的接收端解调方法，以及实现该方法的系统，能够以更简单的系统结构在琼斯空间中实现偏振复用信号的直接检测，接近相干检测的频谱效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于载波正交偏置的偏振复用单边带调制和解调方法，包括以下步骤：
第一步：根据系统各器件的带宽决定调制信号的波特率；并根据接收端的光滤波器斜率确定x和y偏振上的基带信号与虚载波之间的保护间隔，使得接收端光滤波器模块在接收x偏振信号时能够移除y偏振上的虚载波分量，在接收y偏振信号时能够滤除x偏振上的虚载波分量；
第二步：在数字域上产生x偏振信号和y偏振信号。主要内容包括待发送的二进制信息序列到星座图符号的映射，加入帧前导序列以及奈奎斯特成型滤波，分别产生x/y偏振基带信号，之后在x偏振基带信号的频谱左侧加入虚载波产生x偏振信号，在y偏振基带信号的频谱右侧加入虚载波产生y偏振信号；
第三步：产生载波正交偏置的偏振复用单边带光信号。将数字域上产生的x偏振信号和y偏振信号发送到模数转换器(dac)，进一步驱动双偏振iq调制器，分别产生两个偏振的光信号，并在调制器内部合成偏振复用单边带光信号；
进一步地，发射端的信号进入通信信道前进行预处理，包括调制器非线性预补偿、色散预补偿或者光纤克尔非线性预补偿。
进一步地，这种载波正交偏置的偏振复用单边带结构不限于单一激光器产生通过数字域上虚载波产生的频谱结构，也可以是多个独立激光器或者光频率梳分别作为x/y偏振上的光载波再合成的频谱结构。载波正交偏置的单边带偏振复用频谱结构，具体表现为x和y偏振的信号在频谱上重叠，但是x偏振和y偏振的虚载波位于信号的不同侧。
第四步：在接收端通过光滤波器分别滤除右边/左边虚载波分量，经过光电探测器检测后获得x偏振和y偏振电信号。
第五步：对x偏振和y偏振电信号进行联合信号-信号拍频损伤补偿，补偿后的信号线性正比于发射的x和y偏振信号。将时刻同步的x/y偏振电信号一起送入联合信号-信号拍频损伤补偿，采用迭代式负反馈提高算法，如图4所示。
第六步：对经过联合信号-信号拍频损伤补偿的x偏振和y偏振电信号进行下变频，得到x偏振和y偏振的基带信号。
一种实现上述方法的基于载波正交偏置的偏振复用单边带直接检测系统，包括发射端和接收端，
所述发射端包括：
发射端奈奎斯特滤波模块，用于对x偏振基带信号和y偏振基带信号进行频谱压缩，提高频谱利用率；
虚载波模块，连接发射端奈奎斯特滤波模块，用于在x或y偏振基带信号的频谱左侧或右侧加入数字虚载波，产生x或y偏振信号；
偏振合束模块，用于将x偏振光信号与y偏振光信号合成偏振复用单边带光信号，然后发送至通信信道；
所述接收端包括：
光滤波器模块，用于滤除偏振复用单边带光信号的x偏振虚载波分量，得到y偏振光信号；滤除偏振复用单边带光信号的y偏振虚载波分量，得到x偏振光信号，实现偏振解复用；
光电探测器模块，连接光滤波器模块，用于将x偏振光信号、y偏振光信号转换成对应的电信号，得到x偏振电信号、y偏振电信号；
联合信号-信号拍频干扰补偿模块，连接光电探测器模块，对于x偏振和y偏振电信号同时补偿偏振内和偏振间的信号-信号拍频干扰(ssbi)；
下变频模块，连接联合信号-信号拍频干扰补偿模块，用于将光电探测器(pd)接收的电信号变频为基带信号，得到x偏振的基带信号和y偏振的基带信号；
接收端奈奎斯特滤波模块，连接下变频模块，用于消除码间串扰(isi)，提升信噪比。
进一步地，还包括：
发射端调制模块，用于对待发送的二进制信息序列进行正交幅度相位调制(qam)格式映射，并插入同步系列和训练序列作为帧结构前导序列，产生x或y偏振基带信号。
发射端预处理模块，用于对发射端x或y偏振信号分别进行预补偿处理，然后发送至偏振合束模块。
接收端解调模块，用于对接收端匹配滤波后序列进行最佳采样点优化、信道均衡，并判决解调回二进制序列。
进一步地，所述前端数据处理模块进行的预补偿处理包括：调制器非线性补偿、色散预补偿、光纤克尔非线性补偿。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明所述方法在偏振复用单边带调制信号的情形下，通过在x偏振基带信号的频谱左侧加入虚载波，在y偏振基带信号的频谱右侧加入虚载波经过偏振合束后产生载波正交偏置的偏振复用单边带信号。这种方案在接收端可以利用光滤波器，滤除不需要偏振的载波分量，实现了两个偏振信号的分离，简化了系统结构。在数字信号处理中本发明设计了联合信号-信号拍频损伤补偿算法，可以实现琼斯空间中两个偏振信号的线性接收。
附图说明
图1是本发明实施例的基于载波正交偏置的偏振复用单边带信号的数字信号处理方法的流程图。
图2是本发明实施例的信号频谱结构示意图。
图3是本发明实施例的基于载波正交偏置的偏振复用单边带调制系统的结构示意图。
图4是本发明实施例的联合信号-信号拍频损伤补偿算法流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
下面结合本实施例的算法流程图1对技术方案的实施进行具体说明，图1中右边虚线框所示部分为本发明方案的主要内容。
第一步：根据系统器件带宽确定信号的波特率b。并根据光滤波器边缘斜率确定保护间隔fgap的大小，一般为了使滤波前后载波功率抑制比达到20db以上，需要设置保护间隔的典型值为5ghz。注意到这里保护间隔大小只由光滤波器决定，与信号速率无关，频谱代价为常数。
第二步：在发射端进行滚降系数为α的奈奎斯特滤波，目的是将信号频谱压缩成近似方形，一般α取0.01即可保证。
然后将x偏振的基带信号的左侧加入虚载波，y偏振的基带信号的右侧加入虚载波，假设x偏振上的基带信号为s1(t)，y偏振上的基带信号为s2(t)，波特率同为b。加入虚载波后信号分别为
其中，常数c表示虚载波的幅值大小，满足最小相位条件|c|＞max(|s1|)以及|c|＞max(|s2|)，j表示虚数单位。
在信号经过光纤链路传输之前，一般要在频域上对信号进行色散预补偿：
spre(f)＝s(f)·exp(-β2lω2/2)
其中，spre(f)是预补偿之后频域数据，s(f)是预补偿前频域数据，β2为群速度色散系数，l为光纤长度，ω为相对于载波的角频率。
第三步：在接收端通过光滤波分别接收x/y偏振信号。首先将接收光信号通过50：50耦合器分成两束，一束用光滤波器滤除右边的载波，一束用光滤波器滤除左边的载波。
然后，在数字信号处理(dsp)阶段，首先进行偏振间联合信号-信号拍频干扰补偿：
其中ri(t)分别表示x/y偏振接收信号，λ是幅度因子取决于信号的载波信号功率比(cspr)以及接收功率。这一过程可以多次迭代使性能逐步提升，一般4次之后基本稳定。由于该过程不涉及判决解调，因此计算复杂度很低。
然后，对x/y偏振信号分别进行下变频：
然后，对下变频之后信号进行奈奎斯特匹配滤波。
最后，进行接收端解调，包括最佳采样点优化，线性均衡，判决和解调。
图2显示了信号的频谱结构，包含四个组成部分，从左到右，从上到下依次为：x偏振虚载波，x偏振信号，y偏振信号，和y偏振虚载波。各边带的宽度以及间距参数选取已在上面步骤中给出。
此频谱结构不局限于由单个激光器产生，也可以由多个激光器以及光频率梳分别产生各个部分，再通过光耦合器和保偏合束器组合在一起。
图3为与上述方法对应的基于载波正交偏置的单边带偏振复用直接检测系统的组成示意图，包括发射端和接收端。
发射端包括：发射端调制模块，用于对待发送的二进制序列进行正交幅度相位调制(qam)格式映射，并插入同步系列和训练序列作为帧结构前导序列；发射端奈奎斯特滤波模块，连接发射端调制模块，用于在保证接收端没有码间串扰(isi)的情况下压缩频谱至接近方形；虚载波模块，连接发射端奈奎斯特滤波模块，用于在基带信号的频谱左侧或右侧加入数字虚载波；发射端预处理模块，连接虚载波模块，用于对发射端信号进行预处理，然后发送至通信信道。
接收端包括：光滤波器模块，用于滤除另一偏振上的载波分量；光电探测器模块，连接光滤波器模块，用于将光信号转换成电信号；联合信号-信号拍频干扰补偿模块，连接光电探测器模块，用于补偿偏振间和偏振内的信号-信号拍频干扰(ssbi)；下变频模块，连接联合信号-信号拍频干扰补偿模块，用于将光电探测器(pd)接收的电信号变频为基带信号；接收端奈奎斯特滤波模块，连接下变频模块，用于消除码间串扰(isi)，提升信噪比；接收端解调模块，连接接收端奈奎斯特滤波模块，用于对接收端匹配滤波后序列进行最佳采样点优化、信道均衡，并判决解调回二进制序列。
图4是本发明设计的联合信号-信号拍频损伤补偿算法流程图。该算法需要接收端x和y偏振电信号的同步输入，通过数字希尔伯特滤波器和取模平方操作模拟单边带信号经过光电探测器的物理过程，从而估计出x和y偏振信号中的信号-信号拍频损伤分量并将其移除。这一过程可以通过迭代来提高信号-信号拍频损伤的估计精度，一般4次之后基本稳定。该过程不涉及判决解调，因此计算复杂度很低。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。