数字信号的光传输的方法和设备的制作方法

专利名称：数字信号的光传输的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及光通信，更具体地涉及用于调制和传输数字信号 的方法和设备，其在包括色散的光路径的通信系统中特别有优势。
背景技术：
信息信号被调制到光载波(叩ticalcarrier)上的光传输广泛应用于现 代通信系统中。例如，长距离传输网络在每个光纤上使用一个或多个光载 波或波长，采用单模光纤以非常高的比特率传输数字信息。而且，已知在 更短的距离和以更低的比特率的光传输，例如在用户接入网或局域数据网 中的光传输，其采用单模或多模光纤。此外，自由空间光传输路径可用于 船巨通信(line-of-sight communication )和/或用于提供装置的无线互连的 简单方式，所述装置例如为计算机和外围设备、个人数字助理(PDA)以 及其它一般使用红外光源和检测器的^更携式装置。
因此，现在的兴趣是提^H吏得该通信能够在更长的传输距离上和/或以 更高的可靠性、效率和/或容量进行的光通信方法和设备。
然而不管是通过单模还是多模光纤还是通过自由空间的光传输路径 都可在所传输的光信号中引入失真。而且，用于发送和接收光信号的装置 是另外的可能的信号失真源。失真的常见形式是响应于通信通道的频率相 关的变化，这可导致在特定频率范围上和/或在具体频率处信号幅度受到抑 制(或衰减)，以及接收信号作为频率函数的延迟或相位的变化。该失真
可源自在传输系统中使用的各种电子和光学装置的频率特性，以及光传输 路径本身的特性。
具体而言，各种光3^—般呈现出色散的形式，由光^^圣上传输的光 信号或其分量经历的延迟的变化表征。自由空间光路径可呈现多路径效 应，在多路径效应中从光源发送的信号通过许多不同的空间路径到a程 光接收机，所述空间路径可包括直接(船巨)路径以及包括周围环境中各 个表面反射的一个或多个路径。因此，所接收的光信号的不同分量经历不 同的传输延迟，导致在所接收的光信号中的时间展宽(time spread),而这是一种形式的色散。
在多模光纤中，耦合到光纤中的信号引起由光纤支持的许多橫向光模
式(transverse optical mode),每个横向光模式由不同的群速度(group velocity)表征。因此，耦合到不同横向模式的传输信号的分量沿着多模光 纤经历不同的传输延迟，这又导致接收信号的色散。
在自由空间光传输系统中的多路径传播以及多模光纤内的模态色散 (modal dispersion)所导致的色散可以是相对静态的或时变的，且可导致 所接收信号中的相对应的静态或时变的频率衰减。
在单模光纤中不存在多路径或模态色散，然而通常通过单模光纤传输 的信号经历包括色度色散和偏振模色散(polarisation mode dispersion, PMD)的各种形式的劣化，根据所述色度色散，信号的不同频率分量以不 同的速度传播，根据所述偏M色散，耦合到不同偏振状态的信号的分量 以不同4A传播。这两个色散机制以及其他包括各种非线性过程的机制， 可导致所传输的脉冲的展宽(spreading),
此外，所有光传输通道将呈现用于发送和接收的电子和光电组件的特 性所导致的其它形式的频率相关的失真。
已知用于减轻或补偿通信通道中的频率相关的失真的方法，且已被广 泛应用在射频(RF)通信系统中，包括无线和有线线路系统。用于减轻 RF通信通道的有害影响的特别有效的方法包括将用于传输的信息编码成 离散的数据块，然后该数据块通过通信通道被传输。在接收机处，每一个 数据块被恢复，且优选地在频域执行均衡功能(equalisation function),以 减少或消除在通道中引入的频率相关的影响。许多这样的方法4吏用某种形 式的多载波调制，其中串行数据流被转换成包括一些并行数据流的块，然 后该块在单独的频率的副载波上传输。在接收端，接收每个并行数据流， 根据通道频率响应对其进行均衡，并解码该并行数据流以恢复^L提供以进 行传输的原始串行数据流。
更普遍的形式的多载波调制方法是正交频分复用(OFDM )。在OFDM 系统中，每个副载波是正弦曲线，且选择副载波的特定集使得在每个传输 的符号周期所有副载波相互正交。在特别便利的实现中，所需的正交性通 过分别在发送机和接收机中使用正交变换来实现，且在OFDM的特定情 况下使用离散傅立叶变换。
前述类型的调制方法，包括例如OFDM的多栽波调制方案，与4吏用在高调制速率下调制的单个栽波的传输相比提供了一些优点。这些优点包
括在具有复杂时间展宽(complex time spreading)的色散通道上^Mt的能
力、相位对频率和幅度对频率特性。因此，在例如自由空间通道、多模光 纤和单模光纤的色散光通信通道上使用这种调制方法看起来是合乎期望的。
然而，这种调制方案在光通道上的使用到目前已祐:证明是有问题的。 前面提到的在RF通信系统中已被证明非常有效的调制方法都包括生成和 传输双极信号，该双极信号是具有幅度的正负偏移(excursion)的信号。 双极信号在RF系统中容易生成和传输，在RT系统中载波是作为时变电 压和电流生成和检测的电磁场，其可根据期望的信号幅度采取任意的正或 负值。
然而，最简单且最容易实现的形式的光调制是强度调制(Intensity Modulation, IM)，其中所传输的信号的幅度由瞬时光功率表示。这本质上 是个单极调制系统，因为功率或强度的负值在物理上没有意义，且不能生成。
在过去为克服单极强度调制所固有的限制所进行的努力已被证明大 部分没有效果或不切实际。 一个解决方案是在发送机处应用相对高的偏置
附近的变化来表示.但是，这在其利用可用的光传输功率时非常低效，在 多载波调制方案的情况下尤其低效，多载波调制方案可生成具有4艮大《*值 平均功率比的信号，使得峰值偏移比信号平均值大很多。光功率低效在所 有类型的光传输系统中可能都是一个问题，而在自由空间系统中的另外的 问题是所需要的光输出功率可能超过眼睛安全水平(eye-safe level )。
将双极信号编码到光通道上的其它方法包括使用更复杂的光调制方 案，如具有差分调制(differential modulation)的多个光载波，或使用频 率、相位或偏振调制(polarisation modulation)方法。然而所有这些方法 都导致额外的成本和复杂性，而一些还需务使用相干光通道，因此这些方 法对于许多相关应用来说一般太贵或者不切实际。因此期望提供一种方法 和设备，该方法和设备采用合适的调制和均衡方案来4M尝光通道特性，且 特别地是在光通道中出现的各种类型的色散的影响，同时减轻已知的光调 制方法在应用到双极信号时的上述缺点，而这也是本发明的目的。

发明内容
在一个方面，本发明提供了一种操作it^送机以通过色散的光通iiiL
送数字信息的方法，所述方法包括如下步骤
将数字信息编码成多个数据块，各块包括许多信息位；
生成与所述数据块的每个相对应的时变电信号；以及
将时变电信号应用于光发送机，以生成包M调制到光载波上的不对 称限幅(amplitude-limited)的传输信号的光信号，
从而通过色散的光通道传输所传输的信息之后可通过使用包括接收信 号的频域均衡的方法来恢复所传输的信息。
因此，本发明的方法包括传输光信号，该光信号可能是不对称限幅且 更特别地可能是在零光输出功率水平被削波的强度调制的信号。从而该方 法仅通过对于通过光通道传输允许所传输的信号的正或负幅度偏移被限 制，而使得^l信号能够在单极光通道上传输。这减少或消除了在发送机 处应用高的光偏置的需要，从而提高了光功率效率并使得输出功率水平能 够保持在适用的安全水平之下。
在另一方面中，本发明提供了一种接收通过色散的光通道传输的数字 信息的方法，其中数字信息被编码成多个数据块，各数据块包括许多信息 位，且其中与数据块相对应的时变信号^L调制到光载波上，以生成包括不 对称限幅的传输信号的光信号，所述接收方法包括
对所接收的电信号进行频域均衡，以减轻光通道的色散对所传输的光 信号的影响；以及
解码均衡的信号以恢复编码的数据块和相对应的所传输的数字信息。
在另一方面中，本发明提供了一种通过色散的光通道传送数字信息的 方法，该方法包括如下步骤
将数字信息编码成多个数据块，各数据块包括许多信息位；
生成与所述数据块的每一个相对应的时变电信号；
将时变电信号应用于光发送机，以生成包括^L调制到光载波上的不对 称限幅的传输信号的光信号；^通过色散的光通道传输光信号;
对所接收的电信号进行频域均衡，以减轻光通道的色散对所传输的光 信号的影响；以及
解码均衡的信号以恢复编码的数据块和相对应的所传输的数字信息。
编码的步骤优选地包括生成与信息位相对应的多个符号值。每个所述 符号值可编码一个或多个信息位，因此符号值的数量可能等于或小于在每 个数据块内被编码的信息位的数量。
符号值可以是例如根据信息位和符号值之间的所期望的映射而生成 的实数或复数值。适当的映射方法可与传统的信号调制格式相对应，且可 包括但不限于开关键控(On-Off keying, OOK )、幅移键控(Amplitude Shift Keying, ASK)、正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM )、相移键控(Phase Shift Keying, PSK )、频移键控(Frequency Shift Keying, FSK)等。
在本发明的一个优选实施例中，编码和生成步骤根据频域中的多栽波 方法进行，且在一个有利的实现中根据OFDM方法进行。
因此，生成时变电信号的步骤可包括计算每个数据块的数字符号值的 离散傅立叶逆变换(IDFT)。有利地，可使用快速傅立叶变换(FFT)算 法来计算IDFT。本领域的技术人员将理解，在其它实施例中可使用基于 例如正免基函数和相对应的变换的可替代集的到时域的可替代变换。
优选地，将从逆变换生成的离散数字值从并行转换成串行格式，且使 用数模转换来生成实数的时变电信号。
生成步骤还可包括在数模转换之前添加防护频带或循环前缀，这有利 地有助于接收机处的均衡处理。
可使用许多不同的方法来实现不对称限幅的传输的光信号的生成。例 如，在一个布置中，使用导致在零光输出功率水平所传输的信号的削波 (cli卯ing)的减小的偏置水平直接调制发光二极管(LED )或半导体激光 器二极管。适当的偏置水平可小于电信号的峰-峰幅度的50%，且在一些 实施例中甚至有可能应用有效的负偏置，使得除了完全抑制负偏移之外， 信号的正偏移也在某种程度上得到抑制。生成限幅的传输的光信号的可替代方法包括在调制之前在数字或模 拟(电学)域中进行P艮制、偏置和/或其它幅度调节，以消除或减少对M
送机的固有限制(limiting)的依赖。例如，除了提供偏置调节之外，电信 号可在调制到光载波上之前M大、衰减和/或逆变(invert),且应注意逆 变的应用可导致所传输的信号的正偏移，而不是负偏移的幅度的有效限
制。在数模转换之前在数字域中进行该^Mt特别地有益，以最有效地使用 转换硬件的转换范围和分辨率。
本发明的发明人已经确定应用零偏置水平特别有利，这会导致信号的 负偏移基本上完全被抑制，且特别地发明人已示出该布置与更高的偏置水 平相比能够提供改进的光功率分配(optical power budget )。特别地，与幅 度限制基本上被避免的传统布置相比，有可能实现在功率分配上的显著改 进。此外，至少在一些情况下，与如采用非归零(NRZ)或归零(RZ)波 形的OOKIM信号的普通串行传输格式相比，可实现光功率分配的改进。
调制具有不对称限幅的传输信号的光载波的其它方法可包括结合如 Mach-Zehnder或电吸收型调制器的单独或集成的外部调制器使用如激光 器或LED的连续波(continuous wave, CW)光源。本领域技术人员将理 解大量适当的光载波调制方法是可用的。
传输光信号的步骤可包括通过自由空间、通过多模光纤或通过单模光 纤或可替换地通过任何其它适当的导向性(guided )或非导向性(unguided) 光介质进行传输。
检测光信号的步骤优选地包括例如使用如光电二极管、雪崩光电二极 管(APD)等的检测器-如需要与电放大器一起-进行光电转换。
进行电信号的频域均衡的步骤优选地包括采样信号以产生离散数字 值的序列。然后可进行与在生成时变电信号时进行的逆变换相对应的从时 域的变换以生成相对应的多个所接收的符号值。在一个优选的实施例中， 有利地使用FFT算法进行所采样的信号的离散傅立叶变换(DFT)，以计 算所接收的符号值。均衡然后优选地包括进行每个所接收的符号值的幅度 和/或相位调节，以基本上均衡光通道的色散对所传输的光信号的影响，使 得所接收的被均衡的符号值更近似地接近所传输的符号值。
解码均衡的信号的步骤优选地包括从均衡的所接收符号值恢复原始 信息位。特别优选的是使用与在编码步骤中应用的映射相对应的解映射方 法来恢复原始信息位。如上所述，适当的映射和解映射方法对应于传统的信号调制格式，包括OOK、 ASK、 QAM、 PSK、 FSK等。
在另一方面，本发明提供了一种用于通过色散的光通道传输数字信息 的i殳备，所i^i更备包括
编码器，用于将数字信息编码成多个数据块，M据块包括许多信息
位；
信号发生器，用于生成与所述数据块的每个相对应的时变电信号；以
及
M送机，包括用于以时变电信号调制光载波，以生成包括被调制到 光载波上的不对称限幅的传输信号的光信号的装置，
从而所传输的信息可在通过色散的光通道传输之后通i^目对应的接收 机被恢复，所述接收机包括用于进行所接收信号的频域均衡的装置。
在优选实施例中，编码器包括用于接收信息位和生成相对应的多个符 号值的多个映射单元。映射单元可实现许多适当的映射方法中的任何一个 或多个，所述映射方法包括与如OOK、 ASK、 QAM、 PSK、 FSK等的传 统调制格式相对应的映射。在优选实施例中，如在数字信号处理领域众所 周知的那样，映射单元可使用数字硬件和/或软件装置来实现。
信号发生器可包括用于实施逆变换以生成数字时域信号的数字硬件 和/或软件装置。在特别优选的实施例中，信号发生器包括用于优选地使用 FFT算法计算IDFT的装置。信号发生器还可包括用于才艮据变叛良生器 (transformgenerator)的输出生成数字样本的时间序列的并-串转换器， 以及用于生成连续时变电信号的数模转换器(DAC)。在优选实施例中， 信号发生器被配置成将防护时间和/或循环前缀插入到时变信号中，以帮助 在相对应的接收机处在频域中对所接收信号的均衡。
itiL送机优选地包括如LED、半导体激光器或其它光辐射源的光源。 ifeJL送机还可包括用于直接调制光源的电驱动电路，且可替代地或另外地 可包括外部光调制器，如Mach-Zehnder或电吸收型调制器等。
在又一方面中，本发明提供了一种用于接收通过色散的光通道传输的 数字信息的设备，其中数字信息被编码成多个数据块，各数据块包括许多 信息位，且其中与lt据块相对应的时变信号^L调制到光载波上以生成包括 不对称限幅的传输信号的光信号，所述接收设备包括
光检测器，用于检测光信号以产生与不对称限幅的传输信号相对应的所接收的电信号;
光信号的影响的装置；以及
解码器，用于解码均衡的信号以恢复被编码的lt据位和相对应的所传 输的数字信息。
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的器 件，如光电二极管、雪崩光电二统管(APD)等。光检测器还可包括用于 调节信号水平和调整接收信号的电子器件，如放大器、滤波器等。
频域均衡装置优选地包括用于采样被检测的信号并生成表示该信号 的数字化时间序列的 转换器(ADC)。
频域均衡装置优选地还包括用于进行采样的数据的串 一并转换的数 字硬件和/或软件装置。另外，在优选实施例中，频域均衡装置包括用于计 算数字化信号到频域的变换的硬件和/或软件装置，更优选的是用于例如使 用FFT算法进行DFT的装置。根据优选实施例，所述变换的输出是多个 接收的符号值。
频域均衡装置优选地还包括均衡器库，该均衡器库包括用于调节每个
信号的影响的多个滤波器。
根据本发明的优选实施例，解码器包括用于接收均衡的符号值并生成 相对应的数字信息位的多个解映射单元。如将了解的，解映射单元可与在 相对应的发送机中采用的映射单元相对应，且因此可实现任何合适的解映 射方法，如与包括OOK、 ASK、 QAM、 PSK、 FSK等传统调制格式相对 应的解映射。在优选实施例中，如在数字信号处理领域中众所周知的那样， 解映射单元可使用数字硬件和/或软件装置来实现。
在另一方面中，还提供了包括通过一个或多个色散的光通道与才艮据本 发明的一个或多个接收设备通信的根据本发明的一个或多个发送设备的 系统。
通过以下对本发明的优选实施例的说明，本发明的其它优选特征和优 点对于本领域的技术人员将更明显，所述优选实施例不应该被认为是对在 前述说明或在所附权利要求中限定的本发明的范围的限制。


参照

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实施例在光通道上传送数字信息的系
统；
图2示出了在图l所示的系统的发送机内生成的双极OFDM波形；
图3示出了在图1的光通道上传输的单极OFDM波形；
图4A是示出根据本发明实施例作为光偏置水平的函数的传输性能的
图4B和4C示出了与在图4A中所示的两个不同的光偏置水平相对应 的示例星座图5是示出根据本发明实施例作为M愤耗的函数的接收信号质量的
图6示意性示出了根据本发明实施例用于在仅使用奇数编号的OFDM 通道的光通道上传送数字信息的可替换系统；以及
图7示出了根据本发明的可替换实施例通过将所传输的信号映射到副 载波对上所生成的波形。
具体实施例方式
首先看图1，图1示意性示出了一种根据本发明优选实施例在光通道 上传送数字信息的系统。虽然本发明在此以在编码和调制信号以在光通道 上传输时采用正交频分复用(OFDM)的系统100为例，应理解本发明不 限于该特定实施例。更准确地说，在本发明的实施例中， 一般地以块编码 数字信息，在发送机处可选地添加防护时间或循环前缀以及通过光通道传 输接收信号之后在频域均衡接收信号来表征。虽然OFDM提供了用于实 现这些功能的一种有利的方式，但是通过参照OFDM实现对优选实施例 的说明将被理解为仅是示例性的，并不限制在前述发明内容和所附权利要 求中更广泛限定的本发明。
示例性系统100包括发送设备102和接收设备104，为方便在此分别 更一般地将其称作"发送机"和"接收机"。
发送机102通过色散的光通道106与接收机104通信。虽然在图1中将光通道106示意性地表示为團状光纤(coiled optical fibre )，例如多模光 纤，应理解光通道106可包括单模或多模光纤、自由空间M或任何其它 适当的导向或非导向光介质。
发送机102包括映射单元110、信号发生器114和M送机122，以下 将详细说明其细节和操作。接收机104包括光检测器124、包括信号解码 组件128、 130、 132和均衡器库136的频域均衡器、以及解映射单元140。 同样以下提供对接收机104的细节及其^Mt的说明。
用于在光通道106上传输的数字信息通过并行输入端口 108被输入到 发送机102。输入的数字信息以块接收，每个块包括与输入端口 108中的 并行输入的数量相对应的许多信息位。应理解可替换地可提供数字信息的 其它形式的输入，如串行输入端口。包括在每个块中的信息位的数量一般 被预定，且在任何特定实施例中可以是固定数量的位，或者可随时间改变。 例如，每块的位的数量可祁^据如测量的通道质量、所期望的信息比特率和 /或其它系统^lt的各种因素而被动态预定。
包括多个输入的位的每个块被编码以生成多个符号值，其在示例性发 送机102中沿着并行信号路径112传送。根据系统100的优选实施例，映
值。每个QAM信号值^1表示要应用于所传输的信号的相对应的频率载波 的幅度和相位调制的复数。然而应理解可4吏用可替代的映射方案来编码输 入的数据，包括但不限于OOK、 ASK、 PSK、 FSK等。
发送机102中的信号发生器114将在并行信号线112上提供的每个数 据块的符号值转换成相对应的连续时变电信号。才艮据系统100的示例性实 施例，Jbtll据OFDM方法，信号发生器114包括频率-时间变换116、并 —串转换器118和数模转换器(DAC )120。使用离散傅立叶逆变换(IDFT) 实现频率-时间变换116,其可如本领域众所周知的那样使用数字电子硬 件或软件装置或者硬件和软件的组合而容易地提供。
在示例性实施例100中，IDFT 116产生并行数据输出，其被并-串转 换器118转换成所需的时变电信号波形的数字化样本序列。然后使用DAC 120来生成连续时变的电信号。
通过电光(E/O)转换器122将时变电信号转换成光形式。E/O转换 器122是iUL送机，用于生成包M调制到光载波上的不对称限幅的传输 信号的光信号。特别地，从光发送机122输出的光信号是光发送机122对从DAC 120输出的时变电信号适当调制后产生的强度调制的信号。
应理解IDFT 116的输出一般是复数值，而需要实数值的波形来调制 M送机122。在本领域中已知各种用于提供所需的实数值信号的方法， 且在示例性实施例100中使用向上转换(upconversion)方法，其中复数 值的实部和虚部在电学域中被正交调制到RT副载波上。所需^Nt可例如 或者数字地(即在DAC 120之前)进行，或者使用两个DAC 120来对实 部和虚部分别进行，1^是适当的模拟电子装置。由于所需的组件和操作 对于本领域技术人员来说是明显的，所以在图1的示意图中将其省略。
通过图2和3所示的波形示出了将时变电信号应用到a送机122以 生成包括被调制到光载波上的不对称限幅的传输信号的光信号。图2示出 在DAC 120的输出处生成的示例性OFDM波形200。显然OFDM波形200 是双极波形，包括正幅度偏移(例如202 )和负幅度偏移(例如204 )。之 前一般认为如波形200的双极信号对使用具有直接检测的强度调制 (intensity modulation with direct detection, IM/DD )的光传输系统提出 了特定的困难。特别地，由于ife^送机的输出功率或强度必须总是为零或 为正，所以不可能在IM/DD光通道上直接传输具有零平均值的双极波形， 如波形200。因此常见的方法是对M送机应用偏置水平以偏移平均输出 功率，从而容纳负信号偏移，例如204。然而该方法浪费光功率分配，且 可能需要相对高的光输出功率水平，从而产生潜在的安全问题，尤其是在 自由空间光銜咯上。
因此，根据本发明，在U送机122内应用非常低或甚至为零的偏置 水平，以产生光输出信号，该光输出信号由于在零输出功率水平的负偏移 (例如204)的削波(clipping)而不对称限幅。图3示出了根据本发明生 成的示例性光输出功率波形300，其中在发送机122中不应用光偏置。波 形300包括正功率偏移(例如302 )，然而负偏移基本上被抑制在零输出功 率水平304。
在itil送机122内可采用多种不同的布置;M^如由OFDM波形200 表示的双极时变电信号生成输出光波形300。例如，LED或半导体激光器 可直接在零偏置水平调制或者使用小于电信号200的峰—峰幅度的50%的 减小的偏置水平来调制。实际上，在一些实施例中，甚至可应用有效的负 偏置。对传输信号的所需的偏置和/或P艮制可通过光源和相关联的驱动电路 进行，或可在如LED或半导体激光器的光源的调制之前在数字或模拟(电 学)域中应用。例如如果由于波形中大的负偏移(例如204)，双极波形(例如200)直接应用到光源可导致毁坏和/或如开启延迟的不期望的效果，那 么该数字或模拟限制是合适的。实际上，为了避免在直接调制的光源中所 谓的"存储效应"，例如打开延迟，结合足以避免光源的关闭和/或饱和的 正偏置来提供负信号偏移的预调制限制是合乎期望的，也落在本发明的范 围内。
可能特别有利的是，在数模转换之前在数字域进行一些或所有这样的 信号处理，以最有效地使用DAC 120的转换范围和分辨率。
输出光波形300可替换地可通过结合例如使用Mach-Zehnder或电吸 收型调制器的光源的外部调制，使用合适的数字和/或模拟限制、偏置或其 它幅度调节来生成。对于本领域技术人员来说显然应理解用于生成光输出 波形300的所有这种方法都落在本发明的范围内。
现在返回图1，不对称限幅的光信号通过光通道106传输，并使用光 电(叩tical to electrical, O/E)转换器124在接收机104处被接收。O/E 转换器124是一般包括适当的光电二极管或等同器件、以及如放大器、滤 波器等的相关联的电子电路的光检测器，且用于生成具有适当特性的所接 收的电信号以在接收机104内进一步处理。
根据接收机104的示例性实施例，使用 转换器(ADC ) 128将与 不对称限幅的传输的光信号相对应的、得到的接收的电信号转换成相对应 的数字化样本的序列。数字化样本的串行序列在串—并转换器130中被转 换成并行形式，且样本的并行块通过离散傅立叶变换器(DFT) 132被转 换成沿着并行信号路径134输出的相对应的频域值集。应注意在系统100 的示例性实施例中，优选地使用FFT算法实现的DFT 132是与在发送机 102内进行的IFFT 116相对应的逆变换。
从DFT 132输出的频域值包括与输入到发送机102中的IFFT 116的 传输的符号值相对应的一组调制后的符号值。然而所接收的符号值已被通 过色散的光通道106的传输所影响，因而在恢复原始的传输的数字信息中 可出现误差。为了补偿光通道106对调制后的符号值的影响，使用均衡器 库136应用均衡。在接收机104的示例性实施例中，均衡器库包括多个滤 波器。在最简单的情况中，每个滤波器是复数乘法器(complex multiplier )， 该复数乘法器调节从DFT 132输出的相对应的所接收的符号值的幅度和/ 或相位以基本上均衡色散的光通道106对所传输的信号的影响。应理解该 均衡可另外地补偿发送机102和接g 104的各种电子和光电组件的频率 相关的非理想特性。得到的均衡的符号值沿着并行信号线138输出到与映射单元110相对 应的解映射单元140。解映射单元140接收均衡的符号值，并生成相对应 的数字信息位。得到的解码的信息沿着并行信号线142输出，且如果系统 100内的噪声和/或失真的水平不是过高，那么信号线142上的输出的数字 信息位一般与在信号线108输入的原始数字信息位匹配。当然本领域的技 术人员应理解，由于通信系统中的噪声和/或失真可能会引入误差，因此所 传输的信息位中的零误差率可能无法实现。但是，还应理解可采用另外的 装置，包括插入在数字信息内的误差检测和误差校正码，以检测和/或校正 该位误差。
从上面的讨"^应理解，ADC 128、串-并转换器130、 DFT 132和均 衡器库136组合在一起提供用于进行接收信号的频域均衡以减轻光通道 106的色散对于所传输的光信号的影响的装置。而且，解映射单元140的
数字信息。虽然采用OFDM技术，包括使用离散傅立叶变换来提供本发 明示例性实施例100内的这些功能，但是应理解在可替换的实施例中可提 供用于提供频域均衡和用于解码均衡的信号的其它方式。
图4A示出图400，图400示出了作为在;^送机122中应用的光偏置 水平的函数的系统传输性能的量度(measure)。在图4中示出的性能的特 定量度是平均信号水平的平方与信号变化的比(即识别出具体的所传输的 信号值的容易度的量度)除以平均光功率。根据传统方法，将应用范围402 内的相对高的光偏置水平，以M所传输的信号的负偏移的削波或限制。 由于该传统方法需要更高水平的光功率的传输而没有任何信息传输上相 对应的增加，所以根据图400中所示的量度其对应于相对低的性能。作为 对比，当在发送机122中应用零偏置404时，平均的传输光功率被显著减 小，从而尽管不对称幅度限制对传输信号有影响，也提供了在根据该量度 的性能上的总的提高。
等同地，对于给定的发送光功率和总的光M损耗，与偏置水平404 相对应的接收信号质量优于与在范围402中的传统偏置水平相对应的信号 质量。这在图4B和4C中得以示出，图4B和4C示出了在具有30dB的损 耗的光銜洛上使用相同的平均源功率传输之后根据4-QAM方案映射的所 接收的符号的示例性星座图。星座406对应于零偏置水平404，而星座408 对应于范围402内的偏置水平。显然，由于接收机噪声对星座408所表示 的所接收符号的相对大的影响，由星座406表示的所接收符号的质量优于由星座408表示的所接收符号的质量。
图5示出了相对应的曲线图500,曲线图500示出了作为光通道106 的总损耗的函数的接收信号的质量。在曲线图500中示出两个迹线，第一 迹线502对应于应用范围402内的光偏置水平的传统系统，而第二迹线504 对应于根据本发明的在;5tiC送机122中应用零偏置水平404的系统。根据 曲线图500，显然对于低M3^耗值，幅度限制对所传输的信号的影响是 一种形式的失真，该失真对本发明的系统比对等同的传统系统导致更低的 接收信号质量。然而，在更高的链i^员耗值，例如比示例性曲线图500中 的20dB大的^^员耗值，包括在与图4B和4C中所示的星座图406、 408 相对应的点508、 510的30dB损耗，实现了更有效地使用可用的itil送机 功率的益处。因此，在高水平的链路损耗，使用本发明可实现在功率分配 上7dB的改进506。因此，本发明的实施例使得能够实现提供如在自由空 间系统中可经历的更大的传输范围和/或更高的可靠性以及对链路损耗的 变化的容限的光传输系统。
如前所述，在本发明的范围内有可能作出许多变形，因此在图6中示 出了一种可能的可替代布置600。可替代的传输系统600以与示例性系统 100相似的方式采用OFDM技术，然而仅使用奇数编号的OFDM通道来 传输信息。在这点上，应注意与此处说明和描述的具体实施例相关地采用 的规定将通道号零分配给最低频率的OFDM通道，从而奇数编号的通道 包括相对应的相邻的更高频率通道(即通道1 )，及之后的每个间隔的更高 频率通道(即通道3、 5、 7等)。为了避免与一般情^U目关的疑惑，该规定 可以如下以更精确的数学术语来表示。N点逆DFT将N个( 一般为复数 的)频域样本(X(O)...X(N-l))变换成N个(一般为复数的)时域样本 (x(0)…x(N-l)),其中，第k个时域样本的值由下式给出
根据该公式，奇数编号的通道是逆DFT的输入X(m)，其中m是奇数。
为了简化这里的讨论，在图6中仅示出了两个并行信息输入608，分 别对应于奇数编号的通道1和3,然而应理解如之前参照图1所述，在每 个数据块中可包括更多的信息位。
在实施例600中，通过映射单元610根据QAM方案对输入信息位进 行编码，以产生相对应的符号值612a、 612b。这些符号的复共辄值由共轭器613生成，这确保了 IFFT616被提供适当的输入以生成实数值的时变输 出信号。符号值612a、 612b及其相对应的复共辄被提供给IFFT616的奇 数编号的输入，而对该例中的偶数编号的输入以及其它未使用的输入提供 零值650。输入的符号由组件614以与之前关于图1中的组件114所i^目 同的方式处理。得到的时变信号被应用于iUL送机622, W目对应的不对 称限幅的信号通过光通道106被传输到光险测器624。
接收信号以与之前参照图1所^t目同的方式由频域均衡器组件626处 理。与所传输的符号值612a、 612b相对应的值634a、 634b被输入到均衡 器库636，以产生均衡的符号值638a、 638b。然后由解调器库640对均衡 的值进行解码，以恢复所传输的信息位642。
在实施例600中，丢弃与到IFFT 616的零输入值相对应的FFT 632 的输出值，例如652。然而在可替代的实施例中有可能使用与零输入值相 对应的所接收的符号值，例如作为用于监控和/或优化失真水平或改进接收 信号的解调和解码的可靠性的^Jt机制。
可替换实施例600与实施例100相比具有减小的带宽效率，因为仅利 用多载波OFDM信号的每隔一个的副载波。然而可看到作为所传输的光 信号的幅度限制的结果而生成的失真产物仅在与偶数编号的副载波相对 应的频率处产生干扰分量。因此，可替换实施例600能够提供比实施例100 产生的信号具有更高质量的接收信号。
还可以看到可通过利用不使用可用的带宽的低频部分的OFDM传输 来实现由于不对称幅度限制所导致的失真产物的影响的相似减小。例如， 通过将电学OFDM信号调制到具有适当选择的频率的RF载波上，可提供 与OFDM信号的RF带宽相对应的低频"防护频带"，使得例如一阶差频 失真产物(first-order difference-frequency distortion product)基本上在 接收信号带宽外生成。基于失真的容许水平，可接受更窄的防护频带，例 如具有OFDM信号的RF带宽的50%，同时仍较大地减少了失真产物对 所传输的符号的影响。该布置又提供了可替代的实施例，其中接收信号的 质量可以以减小的带宽效率为代价而得到改善。使用低频防护频带的另一 个优势-尤其是在采用自由空间光传输时-是来自如包括白炽灯和荧光 灯的周围照明的低频光源的干扰在接收机中可基本上被抑制。
图7示出了两个波形702和704，这两个波形702和704示出了用于 生成用在本发明实施例中的不对称时变电信号的又一可能的技术。波形 702、 704通过组合频率副载波对而生成，以产生可以以合适的偏置水平应用于ife^送机的相对应的不对称波形。通过构造如图7所示的不对称波形， 有可能提供本发明的如下实施例在光发送机中可应用低偏置水平，以生 成包括不对称限幅的传输信号的光信号，而不产生信号的相对应的削波和 相关联的失真。同样由于需JH吏用多个副载波以生成波形，例如702、 704， 所以以带宽效率为代价实现了接收信号质量的改进。
在本发明的一些实施例中，代替OFDM，还有可能利用如脉冲位置调 制(pulse-position modulation, PPM)的可替换的调制技术。
本领域的技术人员还应理解，实施例100和600示例了本领域中爿i^P 的用于将复数值的符号映射到由强度调制的光源提供的连续的实数值的 通道上的两个一般的方法。 一个该方法包括在电学域将复数值的实部和虚 部正交调制到RF副载波上，然后以得到的实数值信号调制光源。第二个 方法包括对发送机的IDFT例如616提供适当的共轭对称输入，或者可替 代地实现等同的实数值变换，以生成可用来调制光源的实数值基带信号。 应理解这些方法及其等同方法都落在本发明的范围内。
此外，尽管说明了提供单个M送机和单个光接收机的本发明的实施 例，但是应理解本发明适于应用在采用多个发送机和/或接收机的系统中， 如MIMO (多输入多输出)光无线系统。实际上，本发明可在该系统中提 供特别的优势，因为传统的强度调制的光学系统不能从已知在RF无线系 统中可实现的多个源和/或接收机的使用获得益处。
例如，在一个可能的布置中多个源(例如多个激光器或LED)可用来 发^目同的信号。得到的多个光信号然后可在一个或多个光检测器处被接 收、均衡和重组合以在从任何单个源接收的信号的强JLA可变的或由于遮 蔽(shadowing)而受损的环境中提供改进的可靠性。类似地，当在任何 一个检测器处接收的信号的强JLA可变的或者受损时，使用多个检测器以 及一个或多个源使得能够提高可靠性。
在又一 MIMO布置中，多个光源可用来将不同的信息流发送到包括 多个光检测器的接收机。已经研发了多种方法来在这种系统中进行空间复 用，包括BLAST编码、Alamouti编码等。该方案一般在富散射(rich scattering)环境中最有效，且无线光系统在这点上特别有优势，因为不像 典型的无线电系统，自由空间光路可包括典型的建筑内应用中的大量反 射。
包括多个发送机和接收机的进一步的布置包括如下布置其中多个器件通过共享光介质，如自由空间环境，使用本领域已知的许多适当的多址 方法中的任何一个来进行通信。例如，不同的通信器件对可通过共同的光
介质，使用根据本发明的方法和设备，结合如频分多址(FDMA)、时分多 址(TDMA)、正交频分多址(OFDMA)、码分多址(CDMA)、多载波 CDMA (MC-CDMA)等的多址方法^M目互通信。
本发明范围内的其它有利的变形包括使得能够实现在传输距离、可靠 性、效率和/或容量上的进一步改进的变形。例如，本发明的一些实施例可 被配置成避免在经受或导致增加的干扰、噪声或其它形式的劣化的频率的 传输。在本领域已知用于实现如下通道的改进的利用的技术，所述通道呈 现频率相关的干扰、噪声、衰减或衰退，特别是与OFDM —起使用。例 如，可完全避免经受高水平干扰或减小的信噪比的副载波，或者^^用该副 载波来传输具有减小的信息内容(即更少的信息位数量)的符号。
在本发明范围内使得能够实现传输性能的改进的又一种技术是以高 功率、高数据速率脉冲传输数据块，而不是在较低的功率和数据速率的连 续传输。该技术可导致在光检测器处信噪比的整体改善，这可用来实现容 量和/或传输多巨离的B提高。
因此，对于本领域的技术人员将很明显有可能作出本发明的许多变 形，且本发明不限于在此所述的特定实施例。本发明的范围由所附权利要 求限定。
权利要求
1.一种方法，用于操作光发送机以通过色散的光通道传输数字信息，所述方法包括如下步骤将数字信息编码成多个数据块，各数据块包括许多信息位；生成与所述数据块的每个相对应的时变电信号；以及将所述时变电信号应用到光发送机，以生成包括被调制到光载波上的不对称限幅的传输信号的光信号，从而所传输的信息可在通过色散的光通道传输之后通过使用包括接收信号的频域均衡的方法被恢复。
2. 权利要求l的方法，其中所述编码的步骤包括生成与所述信息位 相对应的多个符号值。
3. 权利要求2的方法，其中生成多个符号值包括根据预定的调制格 式将所述信息位映射到相对应的符号值。
4. 权利要求3的方法，其中预定的调制格式选自包括以下的组开 关鍵控(OOK)、幅移键控(ASK)、正交幅度调制(QAM)、相移键控(PSK)和频移键控(FSK )。
5. 前述权利要求中任何一个的方法，其中在频域中根据多载波方法 进行编码和生成的步骤。
6. 权利要求5的方法，其中所述多栽波方法是正交频分复用 (OFDM)方法。
7. 前a利要求的任何一个的方法，其中生成时变电信号的步骤包 括插入防护时间和/或循环前缀。
8. 前a利要求的任何一个的方法，其中应用所述时变电信号的步 骤包括使用选择的偏置水平调制光源以导致所传输的信号在零光输出功 率水平的削波。
9. 权利要求8的方法，其中所述偏置水平小于所述时变电信号的峰 -峰幅度的50%。
10. 权利要求8或9的方法，其中所述偏置水平基本上是零偏置水平。2
11. 权利要求8-10中任一项的方法，其中所述光源是选自包括发 光二极管(LED)和半导体激光器二极管的组的直接调制的光源。
12. 权利要求8-10中任一项的方法，其中所述光源包括结合单独 或集成的外部调制器的连续波光源。
13. —种方法，用于接收通过色散的光通道传输的数字信息，其中 所述数字信息被编码成多个数据块，各数据块包括许多信息位，且其中与的传输信号的光信号，所述接收方法包括检测所述光信号，以产生与不对称限幅的传输信号相对应的电信号；进行所述电信号的频域均衡，以减轻所述光通道的所述色散对所传输 的光信号的影响；以及解码均衡的信号，以恢复被编码的数据块和相对应的所传输的数字信
14. 权利要求13的方法，其中进行频域均衡的步骤包括应用从时域 到频域的变换以生成与所述电信号相对应的多个所接收的符号值。
15. 权利要求14的方法，其中进行频域均衡的步骤还包括对每个接 收的符号值进行幅度和/或相位调节，以基本上均衡所述光通道的所述色 散对所传输的光信号的影响，使得均衡的符号值更接近所传输的符号值。
16. 权利要求15的方法，其中解码均衡的信号的步骤包括从均衡的 符号值恢复所述原始信息位。
17. 权利要求16的方法，其中恢复所述原始信息位包括根据预定的 调制格式对均衡的符号值应用解映射方法。
18. 权利要求17的方法，其中预定的调制格式选自包括OOK、ASK、 QAM、 PSK和FSK的组。
19. 一种方法，用于通过色散的光通道传送数字信息，该方法包括 如下步骤将所述数字信息编码成多个数据块，各数据块包括许多信息位；产生与所述数据块的每个相对应的时变电信号；将所述时变电信号应用到M送机，以生成包^L调制到光载波上的 不对称限幅的传输信号的光信号；通过所述色散的光通道传输所述光信号；检测所述光信号，以产生与不对称限幅的传输信号相对应的电信号；进行所述电信号的频域均衡，以减轻所述光通道的色散对所传输的光 信号的影响；以及解码均衡的信号，以恢复被编码的数据块和相对应的所传输的数字信息。
20. 权利要求19的方法，其中传输所述光信号的步骤包括通过自由 空间、多模光纤和单模光纤中的一个或多个传输所述光信号。
21. —种设备，用于通过色散的光通道传输数字信息的装置，所述 设备包括编码器，用于将所述数字信息编码成多个数据块，各数据块包括许多 信息位；信号发生器，用于生成与所述数据块的每个相对应的时变电信号；以及光发送机，包括用于以所述时变电信号调制光载波，以生成包M调 制到所述光载波上的不对称限幅的传输信号的光信号的装置，由此所传输的信息可在通过色散的光通道传输之后通it^目对应的接 收机故恢复，所W目对应的接收机包括用于进行接收信号的频域均衡的装 置。
22. 权利要求21的设备，其中所述编码器包括具有用于接收信息位 并生成相对应的多个符号值的多个映射单元的映射器。
23. 权利要求22的设备，其中所述映射单元被配置成根据预定的调 制格式进行映射。
24. 权利要求22或权利要求23的设备，其中所述信号发生器包括 被配置成接收所述符号值作为输入以及输出相对应的数字时域信号的频 率/时间变换器。
25. 权利要求24的设备，其中所述信号发生器还包括被配置成根据 频率/时间变换器的输出生成数字样本的时间序列的并-串转换器，以及用 于生成连续时变的电信号的数模转换器。
26. 权利要求25的装置，其中所述信号发生器还被配置成在所述数字样本的时间序列内插入防护时间和/或循环前缀。
27. 权利要求21 - 26中任一项的设备，其中所述M送机包括被配 置成接收所述时变信号作为输入的光源，所述时变信号使用所选的偏置水 平^L调制，以导致所传输的信号在零光输出功率水平的削波。
28. 权利要求27的设备，其中所述光源是选自包括发光二极管 (LED)和半导体激光器二极管的组的直接调制的光源。
29. 权利要求27的设备，其中所述光源包括结合单独的或集成的外 部调制器的连续波光源。
30. —种设备，用于接收通过色散的光通道传输的数字信息，其中 所述数字信息被编码成多个数据块，各数据块包括许多信息位，且其中与的传输信号的光信号，所述接收设备包括光检测器，用于检测所述信号以生成与不对称限幅的传输信号相对应 的电信号；用于进行电信号的频域均衡以减轻所述光通道的色散对所传输的光 信号的影响的装置；以及解码器，用于解码均衡的信号，恢复被编码的数据块和相对应的所传 输的数字信息。
31. 权利要求30的设备，其中所述频域均衡装置包括 转换器，被配置成采样从所述光检测器输出的所述电信号并生成 表示所述信号的数字化时间序列；串 - 并转换器，被布置成将所述数字化时间序列从串行格式转换成并 行格式；以及时间/频率变换器，被配置成将并行格式的数字化时间序列变换成所 接收的符号值在频域中的相对应的序列。
32. 权利要求31的设备，其中所述频域均衡装置还包括均衡器库， 该均衡器库具有用于调节每个接收的符号值的幅度和/或相位以基本上均 衡所述色散的光通道对所传输的信号的影响的多个滤波器。
全文摘要
一种通过色散的光通道传送数字信息的方法，该方法包括将数字信息编码成多个数据块，各数据块包括多个信息位。生成与所述数据块的每个相对应的时变电信号。时变电信号被应用于光发送机(122)，以生成包括被调制到光载波上的不对称限幅的传输信号的光信号。然后通过色散的光通道(106)传输光信号。在接收设备(104)处，检测光信号以产生与不对称限幅的传输信号相对应的电信号。电信号的频域均衡减轻了光通道(106)的色散对所传输的光信号的影响，且均衡的信号被解码以恢复编码的数据块和相对应的所传输的数字信息。该方法使得双极信号能够通过色散的单极光通道传输，并减少或消除了在发送机处应用高光偏置水平的需要，从而提高了光功率效率并使得输出功率水平能够被保持在可应用的安全水平之下，同时使得能够基本上减轻通道色散的影响。
文档编号H04B10/06GK101300758SQ200680036640
公开日2008年11月5日 申请日期2006年9月1日 优先权日2005年9月2日
发明者吉恩·阿姆斯特朗, 阿瑟·洛厄里 申请人:莫纳什大学