采用高级编码和高阶调制的光通信系统、设备和方法

专利名称：采用高级编码和高阶调制的光通信系统、设备和方法
技术领域：
本发明一般地涉及光通信系统,更具体地涉及在长距离(long-haul distance)上每单个信道上以高速传输操作的发送器和接收器。
背景技术：
对光传输的研究通常已经集中在以下四个方面增加数据速率、增加传输可及范围、增加频谱效率，以及提高接收器灵敏度。随着光网络的快速增长，上述四个方面的必要性和重要性变得更明显。近期研究组已经展示了使用波分复用(WDM)技术、经由1000km( —千公里)的标准单模光纤(SSMF)进行的超过1-Tb/s的信号传输。例如，S. L. Jansen在2008年展示了在1000km SSMF上进行的10X121. 9-Gb/s传输。A. Sano展示了在1300km的SSMF上进行的30X 100-Gb/s的全光OFDM传输。尽管WDM技术可以有效地增加光通信的线速率，但基本的提高是增加每单个信道的数据速率。在过去十年中，已经广泛研究了每单个信道具有 100-Gb/s的信号。为了跟上来自互联网业务的不断增加的带宽需求，普遍认为400-Gb/s或者1-Tb/s的传输将在下一个十年内出现。若干实验演示已经展示了超过1-Tb/s的每单个波长的线速率。Roman Dischler等人演示了在400km的SSMF上进行的每单个信道I. 2_Tb/ s的相干光OFDM传输。Yiran Ma等人展示了在600km的SSMF上进行的每单个信道1-Tb/s 的相干光OFDM传输，这是迄今为止使用SSMF链路的最长的可及范围。主要限制之一是由于 Tb/s信号的连续超宽谱导致的增强的非线性，其导致与当前的100-Gb/s传输相比可及范围减小。尽管在同一年，Xiang Liu和S. Chandrasekhar演不了在7200km上进行的I. 2Tb/ s的传输，这种工作很大程度上由Raman放大和超大面积光纤支持。然而,现有的光纤设备 (fiber plant)主要通过SSMF来构造。并且现有光纤链路中的主要放大节点正在使用掺铒光纤放大器(EDFA)。对于新兴的Tb/s传输，希望与现有的光纤设备兼容。因此，提高接收装置的灵敏度使得可以在存在线性光放大器噪声和光纤非线性时恢复光信号是很重要的。提高系统灵敏度的一个关键方法是使用高性能纠错码(ECC)。例如，可以使用 Reed-Solomon (RS)码或者BCH码来校正具有处于 I X 10_3级别上的比特错误率(BER) 的噪声信号。然而，使用这种类型的码的通常方式引入了一些开销。增加的开销(较低的速率)码进一步提高了系统性能，但是也需要更大的带宽，这对于频谱效率和系统成本具有不利影响。由此，优选地是使用强FEC码来提高系统性能而不扩展信号带宽。被命名为 Trellis编码调制(TCM)的另一编码方案使用开销以将信号映射到高阶调制上(即，对信号执行高阶调制)。通过这样做，扩大了信号星座的距离。杨奇展示了 1-Tb/s的TCM编码的相干光OFDM传输。该工作将原来的利用正交相移键控(M-PSK，M = 4)星座的传输扩展到 8-PSK(M-PSKjM = 8)。光信噪比(OSNR)实现了背靠背(Okm传输)的2. 6dB的提高。然而， 这种类型的码具有其局限性在于它对星座上的相位问题非常敏感，这意味着这种提高在长距离传输期间可能降低。Xiang Liu展示了在990km的SSMF上进行的44Gb/s Trellis编码的32-QAM CO-OFDM传输，其具有I. 2dB的提高。与在0ECC’ 2010公开的杨奇2010年进行的工作相比，背靠背的相同传输可以具有3. 4dB的提高。尽管这种方案可以用于提高系统性能，但由于其对相位噪声的超敏感，所以其对于长距离传输来说不是个好选择。为了实现好的提高，TCM的计算复杂度变得非常重。由此，优选的ECC码应具有针对各种传输情形的强编码能力、以及实用的计算复杂度，这对于1-Tb/s信号抵达达到IOOOkm的距离是必须的。在利用单载波方案或者OFDM方案的常规的相干光传输中，QPSK是最常用的调制格式，与其它调制格式相比，其具有若干优点。频谱效率可以达到超过3bit/s/Hz，这大于 BPSK、传统的二进制NRZ格式等。该调制格式具有良好的接收器灵敏度，同时具有低的计算复杂度。然而，要使用这种调制格式在超过IOOOkm的SSMF可达范围上实现超过1-Tb/s的传输，传统的用于QPSK调制的技术看起来不够。因此，希望有一种对于lTb/s或若干Tb/s长距离传输提高系统灵敏度的光通信系统、装置和方法。

发明内容
本发明提供了一种发送装置、接收装置、光通信系统和方法，其提高了系统灵敏度并且实现了在长距离(例如超过1000km)上每单个信道的高速(例如，超过1-Tb/s)传输。在本发明的一个实施例中，一种发送装置发送包含数据的光信号，所述发送装置包括光调生成器，生成至少一个光调；一个或多个编码器，每个编码器对相关联的数据信号执行高级编码以生成相关联的编码数据信号，所述相关联的编码数据信号承载数据的一部分；一个或多个映射器，每个映射器耦接到相关联的编码器，用于接收相关联的编码数据信号，每个映射器对相关联的编码数据信号执行高阶调制；以及上变频器，耦接到所述一个或多个映射器，用于通过所述至少一个光调将每个映射器中的相关联的经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。在本发明的一个实施例中，提供了一种接收装置，用于接收包含经历了高级编码和高阶调制的数据的光信号，所述接收装置包括下变频器，将光信号下变频为至少一个数据信号；至少一个解映射器，对所述至少一个数据信号执行与高阶调制对应的高阶解调； 以及至少一个解码器，对至少一个经高阶解调的数据信号执行与高级编码对应的高级解码以恢复数据。在本发明的一个实施例中，提供了一种包括上述发送装置和上述接收装置的光通信系统。在本发明的一个实施例中，提供了一种发送包含数据的光信号的方法，所述方法包括生成至少一个光调；分别对至少一个数据信号执行高级编码，所述至少一个数据信号中的每一个承载数据的一部分；对至少一个编码的数据信号执行高阶调制；以及通过至少一个光调将至少一个经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。
在本发明的一个实施例中，提供了一种接收方法，用于接收包含经历了高级编码 和高阶调制的数据的光信号，所述接收方法包括将光信号下变频为至少一个数据信号； 对所述至少一个数据信号执行与高阶调制对应的高阶解调；以及对至少一个经高阶解调的 数据信号执行与高级编码对应的高级解码以恢复数据。根据本发明的发送装置、接收装置、光通信系统以及方法对要发送的数据信号应 用诸如低密度奇偶校验编码(LDPC)或者Turbo编码之类的高级编码、以及高阶调制，由此 可以实现具有无错恢复的长距离(例如，超过1000km)上的每单个信道的高速(例如，超过 lTb/s)传输。在下面的详细描述中公开本发明的结构和方法。该概述无意限定本发明。本发明 由权利要求限定。针对以下描述、所附权利要求书和附图，本发明的这些和其它实施例、特 征、方面和优点将变得更好理解。


在考虑以下详细描述和附图时，更好地理解本发明，在附图中图1是图示根据本发明的第一实施例的高速长距离光通信系统的配置的系统图。图2A是图示根据本发明的图1所示的光调(optical tone)生成器的框图；图2B 图示通过在根据本发明的光调生成器中应用一个光调生成单元而生成的三个光调；以及图 2C图示了通过在根据本发明的光调生成器中应用两个级联的光调生成单元而生成的多个 光调。图3是图示根据本发明的图1所示的上变频器的框图。图4是图示根据本发明的图1所示的下变频器的框图。图5是根据本发明的图4所示的下变频单元的更详细的框图。图6示出表示在28. 7dB的OSNR下、经由超过1040km的SSMF传输的1. 08-Tb/s 相干光OFDM的BER-OSNR性能的表。图7是图示根据本发明的第一实施例的发送光信号的方法的流程图。图8是图示根据本发明的第一实施例的接收光信号的方法的流程图。图9示出了根据本发明的第二实施例的高速长距离光通信系统的示意性配置。图10是图示根据本发明的图8所示的光信号生成器的框图。图11是图示根据本发明的图9所示的子带信号生成单元的框图。图12是图示根据本发明的图8所示的信号处理器的框图。图13是图示根据本发明的第二实施例的发送光信号的方法的流程图。图14是根据本发明的第二实施例的接收光信号的方法的流程图。
具体实施例方式参照图1-14来提供本发明的结构实施例和方法的描述。应理解，不存在将本发明 限制于具体公开的实施例的意图，而是可以使用其它特征、元素、方法和实施例来实践本发 明。利用相同的参考标号来共同地指代各种实施例中的相同元件。现在将参照附图来更充 分地描述本发明的各种示范性实施例，在附图中，仅仅示出了一些示范性实施例。在此公开 的具体结构性和功能性细节仅仅是代表性的，用于描述示范性实施例的目的。然而，本发明可以以许多替换形式来体现并且不应被解释为限于在此提出的示范性实施例。参照图1-3来详细描述根据本发明的第一实施例的光通信系统、发送装置和接收
>J-U装直。现在参照图1，示出了根据本发明的第一实施例的高速(例如，超过1-Tb/s)长距离(例如，超过1000km)的光通信系统10的系统配置。该光通信系统10包括发送器(也被称为发送装置或发送设备)20、光传输信道30，和接收器(也被称为接收装置)40。发送器20耦接到光传输信道30。光传输信道30继而耦接到接收器40。发送器20经由光传输信道30将包含数据的光信号发送给接收器40。发送器20 包括光源21、光调生成器22、数据源23、一个或多个(Nt个)编码器24、Nt个映射器25、 以及上变频器26，其中Nt ^ I。光源21可以源自各种源，例如单个激光源，其以预定的波长生成单个连续波(CW)光载波。光调22接收光源21生成的单个光载波。光调生成器22 从该单个光载波生成Nt个光调并且将这Nt个光调发送给上变频器26。上变频器26 (参照图3详细描述)包括Nt个光调制器，其中每一个光调制器从光调生成器22接收相应的光调。所产生的光调是指不同波长的光载波。在图2中示出了光调生成器的示例。例如，最终从单个激光源生成50个光调，并且每个光调用于承载21. 6-Gb/s的信号，这总起来得到 I. 08Tb/s的最终净速率。数据源23是以数据信号形式提供要发送的数据(例如，数据比特)的源。数据源 23可以是本领域公知的任何类型的数据源。数据源23向相应的编码器24提供Nt个数据信号。具体地，要发送的数据(比特)被分为Nt个部分，使得所述数据的每个部分由一个数据信号承载，并且Nt个数据信号承载要发送的所有数据(比特)。在I. 08-Tb/s的示例中，Nt是50。Nt个编码器24分别对Nt个数据信号执行高级编码，并且然后将编码数据信号提供给对应的映射器。优选地，相比于未编码传输的BER-OSNR性能，在此使用的高级编码可以是在BER = 10_13上具有高于5dB的净编码增益的编码，并且可以具有低编码率，例如在 20% -85%之间的净编码率。编码器24可以通过使用诸如低密度奇偶校验编码方案之类的强纠错编码(ECC)方案来将数据信号编码。高级编码的另一示例是Turbo编码方案。要注意，高级编码方案不限于低密度奇偶校验编码方案和Turbo编码方案，而是还可以采用当前已知的或者将来开发的其它高级纠错编码方案作为高级编码方案。在I. 08-Tb/s示例中，所使用的ECC方案是具有50 %的编码率的LDPC编码方案，并且码尺寸是(15120， 7560)。Nt个映射器25将Nt个编码数据信号映射到高阶调制上，即，分别对Nt个编码数据信号执行高阶调制。例如，映射器25可以采用M-PSK或者M-QAM调制作为高阶调制，其中， M是等于或者大于4 (M3 4)的调制阶。通过这样做，即使编码器24处的ECC编码率低，光通信系统10的频谱效率也至少保持常规水平(例如，频谱效率可以大于2. 5bit/s/Hz)。在
I.08-Tb/s示例中，星座使用16-QAM，其中M等于16。当采用50%速率(rate)的LDPC编码率时，根据本发明的实施例的系统的最终净速率或者频谱效率与发送QPSK信号(M = 4) 相同。要注意，高阶调制方案不限于M-PSK或者M-QAM调制方案，在这里也可以采用当前已知的或者将来开发的其它高阶调制方案。上变频器26将Nt个经高阶调制的数据信号上变频为包含要发送的所有数据的光信号，使得光信号被发送到接收器40。接着，将详细描述光调生成器22。图2A是示出图I中图示的光调生成器22的框图。如图2A中所示，光调生成器22包括第一光调生成单元31以及与第一光调生成单元 31级联的第二光调生成单元33。EDFA 32被优选地布置在两个光调生成单元31、33之间以放大由第一光调生成单元31生成的光调并且然后将放大的光调馈送到第二光调生成单元 33。第一光调生成单元31从由光源21生成的连续波(CW)光载波生成多个光调。可以由第一时钟源35(其可以是射频(RF)频率合成器)来提供生成的光调的间隔，即，第一光调生成单元31的频率基准。例如，第一光调生成单元31中的一些光组件或者器件可以被微调以从单个激光源产生不同波长的多个光调。第一光调生成单元31可以是光强度调制器，并且通过对其偏置电压和该光强度调制器的输入RF功率执行某些调整，第一光调生成单元31可以生成例如具有均匀功率电平的三个光调，如图2B所示，在该情形下，光调间隔是6.71875-GHz。第二光调生成单元33从输入的光调生成更多(例如，Nt个)光调。第二光调生成单元33可以是再循环移频器(RFS)，其包括光I/Q调制器、EDFA等等，如Yiran Ma在0FC’ 2009中过期上交的成果中所公开的那样。类似于第一光调生成单元，可以由第二时钟源37来提供第二光调生成单元33的频率基准。使用公共时钟基准36来锁定这两个时钟源，以便锁定时钟源的频率稳定性。通过应用两个级联的光调生成单元，可以从单个激光源有效地生成大量光调。在I. 08-Tb/s示例中，如果仅输入一个激光源，则RFS光调生成单元33单独产生多于17个光调，并且频率间隔被驱动处于20. 15625-GHz。当输入从第一光调生成单元生成的三个光调时，RFS光调生成单元33可以产生51 ( = 3X17)个光调。 通过调谐光调生成单元中的光滤波器的带宽和中心波长，可以生成具有超过20dB的信噪比的50个光调，这在图2C中示出。要注意，尽管以上给出了在光调生成器22中的两个光调生成单元的示例，但是光调生成单元的数目不限于2个，而是可以根据对光调的不同需求和/或其它因素改变。具体地，可以在光调生成器22中使用仅仅一个光调生成单元来生成多个光调。可替换地，可以在光调生成器22中并入三个或者更多个光调生成单元来生成光调。此外，生成的光调的数目可以是I个，并且各个光调生成单元的类型不限于强度调制器或者RFS，而是可以是本领域公知的其它类型。相应地，光调生成器22的配置可以根据对光调的不同需求和不同生成方法而变化。接着，将参照图3描述上变频器16。如图3中所示，上变频器26包括Nt个RF信号调制器51和相关联的Nt个光调制器52，以及光耦合器53。Nt个RF信号调制器51接收Nt个经高阶调制的数据信号，并且分别将Nt个经高阶调制的数据信号RF调制(或者转换)为Nt个RF子带信号(在电域中)。每个RF子带信号占据所述数据的发送可占据的整个频带的一部分频带(子带)。在实施例中，RF子带信号可以是单载波信号或者正交频分复用(OFDM)信号。对Nt个经高阶调制的数据信号进行 RF调制的方式是本领域公知的，由此在此不进行详细描述。光调制器52将Nt个RF子带信号分别光调制到从光调生成器22提供的对应的光调，以便生成Nt个光子带信号(在光域中)，并且将光子带信号提供给光耦合器53。光耦合器53将Nt个光子带信号组合为占据整个频带并且包含要发送的所有数据的光信号，然后输出该光信号，以便经由光传输信道30发送它。
光传输信道30可以是由具有例如IOOOkm长度的标准单模光纤(SSMF)形成的光纤链路。当必要时，可以在光传输信道30中提供一个或多个掺铒光纤放大器(EDFA)(在图中未不出)以放大发送的光信号，从而补偿传输期间的光纤损耗。在I. 08-Tb/s不例中，利用每跨度(span)80km的光纤环路来模拟光纤链路，这是常见的实验配置；通过定时器和两个光接通/关闭开关来模拟和控制1040km ;并且在环路中放置一个EDFA来补偿每个跨度的损耗。接收器40接收从发送器20发送的光信号，并且从该光信号恢复数据。如图I中所示，接收器40包括下变频器41、至少一个(N,个)解映射器42，以及N,个解码器，其中 Nr ^ 1，并且Nr可以与Nt相同或者不同。下变频器41将光信号下变频为N,个数据信号。每个数据信号包含在发送装置处发送的数据的一部分。将在随后详细描述下变频器31。Nr个解映射器42中的每一个对N,个数据信号中相应的一个执行与在发送器20处执行的高阶调制对应的高阶解调。例如，当发送器20执行M进制相移键控和M进制正交幅度调制(M3 4)之一时，解映射器42根据调制阶M执行对应的解调。另外，解映射器42的输出确定在解码器43中使用的判决方案。具体地，如果解映射器42输出二进制数据比特， 则在解码器43中使用硬判决方案。如果输出二进制数据比特的似然性，则解码器43将使用软判决方案，与硬判决方案相比，软判决方案具有进一步的改进。在I. 08-Tb/s示例中， 当对16-QAM信号进行解映射时，将判决的似然性馈送到高级解码器。随后，Nr个解码器43中的每一个对从对应的解映射器42输出的经高阶解调的数据信号中相应的一个执行与在发送器20处执行的高级编码对应的高级解码，以便恢复其中包含的数据。具体地，解码器43使用具有与发送器中使用的编码方案的速率和类型相同的速率和类型的解码方案来将数据信号解码。例如，如果在发送器中使用LDPC编码方案， 则解码器43通过使用具有相同编码率的若干对应的LDPC解码算法，诸如对数域和积算法， 来执行解码。来自各个解码器43的输出是恢复的数据。通过将这样的数据与在发送器20 中原始发送的数据进行比较来计算BER。在I. 08-Tb/s示例中，LDPC解码器使用对数域和积算法。接着，将参照图4来描述下变频器41。如图4中所示，下变频器41包括分离器54、下变频单元55，以及队个RF信号解调器56。分离器54将占据整个频带的光信号分离为队个光子带信号(其每一个占据整个频带的一部分)，并且分别将队个光子带信号提供给下变频单元55。例如，光子带分离器 54可以使用队个带通滤波器来分离光信号，每一个带通滤波器选择并且输出一个光子带信号。下变频单元55将各个光子带信号下变频为N,个RF子带信号(这将在稍后描述)， 并且将N,个RF子带信号提供给对应的RF信号解调器56。RF信号解调器56将从下变频单元55提供的N,个RF子带信号RF解调(或者变换)为队个数据信号，并且将数据信号提供下游的解映射器42。下面,将参照图5描述下变频单元55。如图5中所示,下变频单元55包括本地频率生成器57、至少一组偏振分集光混频器58和光光电二极管59。
从分离器54输出的光子带信号被输入到相应的偏振分集光混频器58,如图5所示。本地频率生成器57生成队个频率的队个本地振荡信号(其每一个被调谐到被输入到对应的偏振分集光混频器58的光子带信号的子带的中心附近)并且将本地振荡信号提供给相应的偏振分集光混频器58。本地频率生成器57可以以各种方式生成本地振荡信号。 例如,本地频率生成器可以包含队个激光源,每一个生成队个频率中的一个频率的一个本地振荡信号。本地频率生成器57也可以使用与图2中描述的多调生成结构类似的结构以及跟随其后的用于分离光调的光调分离器。可替换地，本地频率生成器57可以使用多光调生成结构和一个或多个激光源的组合来生成本地振荡信号。如果在本地频率生成器57中使用激光源，则激光源的数目不一定是一个，而是可以不止一个。另外，尽管在图5中仅仅示出一个生成凡个本地振荡信号的本地频率生成器，但这仅仅是说明性的，也可以使用一个或多个本地频率生成器来生成队个本地振荡信号。换言之，作为一个实施例，可以使用能够生成所述多个本地振荡信号的任何单元。每个振荡信号在对应的偏振分集光混频器58中与光子带信号起拍(beat)，然后被例如四对平衡光电二极管59以相干外差方式来检测，使得每个光子带信号被变换为RF 子带信号。通过本地频率生成器、偏振分集光混频器以及光电二极管将每个光子带信号变换为RF子带信号的具体方式是本领域公知的，因此，在此为了简要而省略对其的详细描述。另外，除了图5中所示的方式，下变频单元55还可以以其它方式变换光子带信号。在以上实施例中，通过对数据信号应用高级编码和高阶调制，提高了光通信系统的灵敏度，由此可以实现高速长距离光传输。例如，已经用实验证实了可以实现通过1040km SSMF光纤进行的每单个信道I. 08-Tb/s无错误光传输。图6示出了表示在28. 7dB的OSNR 下、通过1040km的SSMF传输的I. 08-Tb/s相干光OFDM的BER性能的表。从该表可见，在解码之前，BER表现出非常高的错误水平，然而，在LDPC解码之后，所有的50个光调可以无错地完全恢复。下文中，将描述根据本发明的第一实施例的光通信方法、用于发送光信号的方法和用于接收光信号的方法。在根据本发明的第一实施例的光通信方法中，发送器20经由光传输信道发送包含数据的光信号，然后接收器40接收光信号并且恢复数据。图7示出了根据本发明的第一实施例的发送光信号的方法的流程图，其可以在发送器20中使用。如图7中所示，在步骤60，生成Nt个光调。可以由至少一个光调生成单元从单个激光源生成Nt个光调，如图2所示。在步骤61，分别对Nt个数据信号执行高级编码，这Nt数据信号中的每一个承载要发送的数据的一部分。Nt个数据信号与参照图I描述的那些数据信号相同。相比于未编码传输的BER-OSNR性能，高级编码优选地是在BER = 10_13上具有高于5dB的净编码增益的编码，并且可以具有20% -85%之间的净编码率。高级编码的示例是低密度奇偶校验编码或者Turbo编码。要注意，高级编码方案不限于低密度奇偶校验编码方案或者Turbo编码方案，而是还可以采用当前已知的或者将来开发的其它高级纠错编码方案作为高级编码方案。在步骤62，对Nt个编码数据信号执行高阶调制。在此执行的高阶调制可以是M进制相移键控和M进制正交幅度调制(M3 4)之一。还可以应用当前已知的或者将来开发的其它高阶调制方案。在步骤63，通过在步骤60生成的至少一个光调将Nt个经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。具体地，Nt个经高阶调制的数据信号被RF调制为Nt个RF子带信号，其可以是如上所述的单载波信号或者OFDM信号；然后Nt个RF子带信号分别被光调制到在步骤60生成的各个光调上，以生成Nt个光子带信号；最后，Nt个光子带信号被组合为光信号，从而输出该光信号。将参照图8来描述可在接收器40中使用的根据本发明的第一实施例的接收光信号的方法。如图8所示，在步骤65，从发送器接收的光信号被下变频为N,个数据信号。具体地，光信号被分离为队个光子带信号，然后，Nr个光子带信号分别被下变频为队个RF子带信号；最后，队个RF子带信号被RF解调为队个数据信号。如上所述，根据在发送器中使用的RF信号调制方案，RF信号解调可以使用单载波或者OFDM相干检测方案。在步骤66对N,个数据信号执行与在步骤62中执行的高阶调制对应的高阶解调。 例如，当在发送器处执行M进制相移键控和M进制正交幅度调制(M3 4)之一时，根据调制阶M在此对应地执行解调。在步骤67，对队个经高阶解调的数据信号执行与在步骤61执行的高级编码对应的高级解码，以便恢复原始发送的数据。如上所述，在此使用的解码方案可以具有与在发送器中使用的编码方案的速率和类型相同的速率和类型。在本发明的第一实施例中，每个包含要发送的数据的一部分的数据信号在被光调制到光调上之前被编码和高阶调制。在这种解决方案中，编码器可能造成错误本底(error floor)，并且还可能存在在传输中出现的突发错误的影响和其它不利影响。为了消除这些不利影响，提出本发明的第二实施例。图9示出根据本发明的第二实施例的高速(例如，超过1-Tb/s)长距离(例如，超过1000km)光通信系统的不意性配置。如图9中所示，光通信系统70包括发送器(也被称为发送装置或者发送设备)80、光传输信道30，以及接收器(也被称为接收装置)70。描述根据本发明的第二实施例的发送器80。发送器80将包含数据的光信号发送给接收器90，并且发送器80包括光源81、光调生成器82和光信号生成器83。光源81 (其可以是单个激光源)以预定的波长生成CW光载波，并且光调生成器82 从该单个光源生成Nt个光调。光信号生成器83生成光信号，并且然后经由光传输信道30 将光信号发送给接收器90。发送器80中的光源81和光调生成器82分别与上述的光源21 和光调生成器22相同，由此为了简要在此省略对其的描述。图10是示出光信号生成器83的框图。如图10所示，光信号生成器83包括光调分离器101、Nt个RF子带信号生成单元102和Nt个相关联的光调制器103、以及光耦合器 104。光调分离器101将从光调生成器82提供的Nt个光调分离到Nt个信道(Nt子带) 中，并且将每个光调提供给光调制器103中的对应的一个。例如，光调分离器101可以包括多个带通滤波器，每一个带通滤波器对Nt个光调滤波以便在每个信道中选择它们之一，并且将其提供给对应的光调制器103。Nt个RF子带信号生成单元102生成承载要发送的所有数据的Nt个RF子带信号， 每个RF子带信号承载所述数据的一部分。具体地，每个RF子带信号生成单元102生成一个可以是单载波数据信号或者OFDM数据信号的RF子带信号，并且将RF子带信号输出给相关联的光调制器103。然后，光调制器103将RF子带信号光调制到从光调分离器101提供的对应的光调上，以形成光子带信号，即，将RF子带信号从电域上变频到光域。由此，每个光子带信号占据整个信号频带的一部分。光耦合器104将从各个光调制器输出的Nt个光子带信号组合为光信号并且输出光信号。下文中，将在下面参照图11详细地描述子带信号生成单元102。如图11所示，每个子带信号生成单元102包括外编码器111、交织器112、内编码器113、映射器114、RF信号调制器115，以及数模转换器(DAC) 116。如上所述，子带信号生成单元102生成RF子带信号，其每一个包含要发送的数据的一部分。因此，数据源(未在该图中示出)将每个数据信号提供给子带信号生成单元102 中相应的一个，从而提供给其中的外编码器111。外编码器111将数据信号编码以便消除可能由下游的内编码器113造成的潜在的错误本底。作为示例，外编码器111可以使用Reed-SolomonRS(255，239)来将数据信号编码，以便以小于 2X10_3的比特错误率(BER)校正随机分布的错误。交织器112被布置在外编码器111和内编码器113之间，并且对从外编码器111 输出的外编码数据信号进行交织以便避免突发错误的影响。内编码器113对交织的数据信号执行高级编码，并且然后将编码数据信号提供给映射器114。内编码器113执行的高级编码与第一实施例中的相同，并且在此为了简要将不进行描述。映射器114将编码数据信号映射到高阶调制上，即，对编码数据信号执行高阶调制。映射器114执行的高阶调制与第一实施例中的相同，并且在此为了简要将不进行描述。RF信号调制器115实际上是单载波或者OFDM信号生成单元，并且从经高阶调制的数据信号生成RF子带信号(可以是单载波或者OFDM信号)，如参照图3所述的那样。生成的RF子带信号被输出给数模转换器(DAC)116以便被变换为模拟子带信号并且随后被输出。在下文中，将参照图9和图12来描述根据本发明的第二实施例的接收器90。接收器90接收光信号并且从中恢复数据。如图9所示，接收器90包括分离器 91，将光信号分离为N,个光子带信号；下变频单元92，分别将N,个光子带信号下变频为N, 个RF子带信号(在电域中)；以及Nr个信号处理器93 (为简单起见，只示出一个)，将Nr个 RF子带信号下变频为队个数据信号，并且分别对队个数据信号执行与在发送器处执行的高级编码对应的高级解码、以及与在发送器处执行的高阶调制对应的高阶解调，以便恢复原始发送的数据。分离器91和下变频单元92分别与分离器54和下变频单元55相同，为了简要在此省略对其的描述。
如图12中所示，每个信号处理器93包括一个或多个模数转换器(ADC) 121 (仅仅在图12中示出一个ADC)、RF信号解调器122、解映射器123、内解码器124、解交织器125以及外解码器126。ADC 121可以是一个或者多于一个的高速ADC，并且用于对从下变频单元62中的对应的偏振分集光混频器输出的高速模拟子带信号采样，以便将模拟子带信号转换为数字 RF子带信号。如上所述，在发送器80处生成的RF子带信号可以是单载波信号或者OFDM信号。 相应地，RF信号解调器122通过使用单载波或者OFDM相干检测方案将RF子带信号RF解调为数据信号。优选地，用于执行若干DSP过程(诸如频率偏移估计、信道估计、相位噪声估计等)的模块被进一步集成到RF信号解调器122中以消除信号中的噪声并且由此改善信号的质量。解映射器123对从RF信号解调器122输出的数据信号执行与在发送器处执行的高阶调制对应的高阶解调，以便从在RF信号解调器122中构建的星座检测信号。例如，当发送器80执行M进制相移键控和M进制正交幅度调制(M ^ 4)之一时，解映射器123根据调制阶M执行对应的解调。内解码器124对经高阶解调的数据信号执行与在发送器处执行的高级编码对应的高级解码，以便恢复其中包含的数据比特。由内解码器124执行的高级解码与第一实施例中描述的相同，并且由此在此不进行描述。解交织器125以与在交织器112中采用的交织方式对应的方式对解码信号进行解交织，以便重构其中包含的数据。外解码器126然后以与在外解码器111中采用的编码方案对应的解码方式来解码重构的数据。从各个信号处理器93输出的数据是与从发送器发送的数据对应的恢复数据。在本发明的第二实施例中，将诸如外编码器、交织器、外解码器、解交织器等之类的装置添加到系统中。由此，可以消除可能由下游的内编码器造成的错误本底以及其它不利影响，进一步提高发送的信号的质量，并且增加系统的灵敏度。下文中，描述根据本发明的第二实施例的光通信方法、发送光信号的方法、以及接收光信号的方法。要注意，为了简要，将简单描述或者不描述第二实施例中与第一实施例中的步骤相同的步骤。在根据本发明的第二实施例的光通信方法中，发送器80经由光传输信道发送包含数据的光信号，然后接收器90接收光信号，并且恢复数据。图13示出了根据本发明的第二实施例的发送光信号的方法的流程图，其可以在发送器80中执行。如图13中所示，在步骤130，生成Nt个光调。然后，在步骤131中，分别对Nt个数据信号执行诸如上述的Reed-Solomon编码之类的外编码，这Nt个数据信号中每一个承载要发送的数据的一部分。在步骤132中对Nt个数据信号进行交织，并且然后在步骤133中，对Nt个数据信号执行如上所述的高级编码。在步骤134中，对编码的Nt个数据信号执行高阶调制。该高阶调制与第一实施例中描述的高阶调制相同，并且由此将不进行详细描述。接着，在步骤135中从各个经高阶调制的数据信号生成Nt个RF子带信号。如上所述，生成的子带信号可以是单载波信号或者OFDM信号。然后，在经历了数模转换之后，在步骤136，Nt个RF子带信号分别被光调制到在步骤130中生成的Nt个光调上，以便生成Nt个光子带信号。最后，在步骤137中Nt个光子带信号被组合为光信号以便输出。现在，参照图14描述可以在以上步骤61中执行的根据本发明的第二实施例的接收光信号的方法。图14中所示的步骤140到144分别类似于图8中所示的步骤65到67，并且因此在此简要地描述。在步骤140，接收的光信号被分离为队个光子带信号，每个光子带信号占据所述信号的发送占据的整个频带的一个子带。在步骤141，队个光子带信号被下变频为队个RF子带信号。在步骤142，N,个RF子带信号被分别RF解调为N,个数据信号。在步骤143，对N, 个数据信号执行与步骤134执行的高阶调制对应的高阶解调。随后，在步骤144，对队个经高阶解调的数据信号执行与在步骤133执行的高级编码对应的高级解码。在步骤145，以与在步骤132中使用的交织方式对应的方式来对解码的数据信号进行解交织。然后，在步骤146，对解交织的数据信号执行与在步骤131中执行的外编码对应的外解码，以便恢复其中包含的数据。由此，可以获得原始发送的数据。通过根据本发明的发送装置、接收装置、光通信系统以及相关联的方法，可以实现具有无错恢复的长距离(例如，超过1000km)的每单个信道的高速(例如，超过lTb/s)传输。本发明的实施例可以用硬件、软件、固件或者其组合实现。例如，在本发明的第二实施例的信号处理器93中，ADC 121可以以硬件来实现，并且可以以软件来实现其它组件。尽管在这里描述了本发明的示范性实施例，但是这些实施例是作为示例示出的。 应理解，不存在将本发明的示范性实施例限制到所公开的具体形式的意图。相反，示范性实施例要涵盖落入本发明的范围内的所有的修改、等效物以及替换物。将理解，尽管在此可以使用用语“第一”、“第二”等来描述各种元素，但这些元素不应受这些用语的限制。这些用语仅仅用于将一个元素与另一个区分开。例如，第一元素可以被称为第二元素，并且类似地，第二元素可以被称为第一元素，而不脱离本发明的示范性实施例的范围。如在此使用的，用语“和/或”包括一个或多个列出的相关联的条目的任何以及所有组合。将理解，当一元素(element)被称作“连接到”或者“耦接到”另一元素时，其可以直接地连接或者耦接到其它元素，或者可以存在中间元素。相反，当一元素被称作“直接连接到”或者“直接耦接到”另一元素时，不存在中间元素。用来描述元素之间的关系的其它词语应以类似的方式来解释(例如，“在...之间”相对于“直接在...之间”、“相邻”相对于“直接相邻”等)。在此使用的术语是仅仅为了描述特定实施例的目的，并且意图不是限制本发明的示范性实施例。如在此使用的，单数形式的“一”、“该”和“所述”意图也包括复数形式，除非上下文明确地做出其他表示。如在此使用的，用语“和/或”以及“至少一个”包括一个或多个列出的相关联的条目的任何以及所有组合。还将理解，当在此使用时，用语“包括”、 “包含”、“含有”和/或“具有”表示存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，但是不排除存在或附加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其的组。还应注意，在一些可替换实现方式中，所述功能/动作可以不以图中标注的顺序来进行。例如，根据涉及的功能/动作，连续示出的两个图/功能/动作实际上可以基本同时执行或者可能有时候以相反的顺序执行。尽管已经描述了本发明的一些示范性实施例，但显然，可以以许多方式来改变本发明的示范性实施例。上文的对本发明的描述使用这些示例(包括最佳模式)以使得本领域技术人员能够实现本发明，包括制造以及使用任何装置或者系统并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。 意图将这样的其它示例涵盖在权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言相同的结构元素、或者只要它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质性差异的等效结构元素。这样的变化不应被视为脱离了本发明的精神和范围，并且意图将所有这种修改包括在如权利要求所述的本发明的范围内。
权利要求
1.一种发送包含数据的光信号的发送装置，包括光调生成器，生成至少一个光调；一个或多个编码器，每一个编码器对相关联的数据信号执行高级编码以生成相关联的编码数据信号，该相关联的数据信号承载所述数据的一部分；一个或多个映射器，每个映射器耦接到相关联的编码器，用于接收相关联的编码数据信号，每个映射器对相关联的编码数据信号执行高阶调制；以及上变频器，耦接到所述一个或多个映射器，用于通过所述至少一个光调将每个映射器中的相关联的经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。
2.根据权利要求I所述的发送装置，其中光调生成器包括至少一个光调生成单元，用于从单个激光源生成所述至少一个光调。
3.根据权利要求2所述的发送装置，其中光调生成器还包括放大器，布置在相邻的光调生成单元之间；至少一个时钟源，分别向所述至少一个光调生成单元提供时钟基准；以及公共基准，锁定所述至少一个时钟源。
4.根据权利要求I所述的发送装置，其中，所述高级编码具有20%-85%之间的净编码率，并且相比于未编码传输的BER-OSNR性能，在BER = 10_13上具有高于5dB的净编码增Mo
5.根据权利要求4所述的发送装置，其中所述高级编码包括低密度奇偶校验编码和 Turbo编码之一。
6.根据权利要求I所述的发送装置，其中所述高阶调制是M进制相移键控和M进制正交幅度调制之一，M > 4。
7.根据权利要求I所述的发送装置，其中上变频器包括至少一个RF信号调制器，将所述至少一个经高阶调制的数据信号RF调制为至少一个 RF子带信号；至少一个光调制器，将所述至少一个RF子带信号光调制到相应的光调上以生成至少一个光子带信号；以及耦合器，将所述至少一个光子带信号组合为光信号。
8.根据权利要求7所述的发送装置，其中所述至少一个RF子带信号是单载波信号或者正交频分复用信号。
9.一种接收装置，用于接收包含经历了高级编码和高阶调制的数据的光信号，所述接收装置包括下变频器，将光信号下变频为至少一个数据信号；至少一个解映射器，对所述至少一个数据信号执行与高阶调制对应的高阶解调；以及至少一个解码器，对至少一个经高阶解调的数据信号执行与高级编码对应的高级解码以恢复数据。
10.根据权利要求9所述的接收装置，其中下变频器包括分离器，将光信号分离为至少一个光子带信号；下变频单元，将所述至少一个光子带信号下变频为至少一个RF子带信号；至少一个RF信号解调器，将所述至少一个RF子带信号解调为至少一个数据信号。
11.根据权利要求10所述的接收装置，其中所述至少一个RF子带信号是单载波信号或者正交频分复用信号。
12.根据权利要求9所述的接收装置，其中，所述高级编码具有20%-85%之间的净编码率，并且相比于未编码传输的BER-OSNR性能，在BER = 10_13上具有高于5dB的净编码增益。
13.根据权利要求12所述的接收装置，其中所述高级编码包括低密度奇偶校验编码和 Turbo编码之一。
14.根据权利要求9所述的接收装置，其中所述高阶调制是M进制相移键控和M进制正交幅度调制之一，M > 4。
15.—种光通信系统,包括发送装置，包括光调生成器，生成至少一个光调；一个或多个编码器，每一个编码器对相关联的数据信号执行高级编码以生成相关联的编码数据信号，相关联的数据信号承载数据的一部分；一个或多个映射器，每个映射器耦接到相关联的编码器，用于接收相关联的编码数据信号，每个映射器对相关联的编码数据信号执行高阶调制；以及上变频器，耦接到一个或多个映射器，用于通过至少一个光调将每个映射器中的相关联的经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。接收装置，耦接到所述发送装置，包括下变频器，将所述光信号下变频为至少一个数据信号；至少一个解映射器，对所述至少一个数据信号执行与所述高阶调制对应的高阶解调；以及至少一个解码器，对至少一个经高阶解调的数据信号执行与所述高级编码对应的高级解码以恢复数据。
16.一种发送包含数据的光信号的方法，包括生成至少一个光调；分别对至少一个数据信号执行高级编码，所述至少一个数据信号中的每一个承载数据的一部分；对至少一个编码的数据信号执行高阶调制；以及通过所述至少一个光调将至少一个经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。
17.根据权利要求16所述的方法，其中由至少一个光调生成单元从单个激光源生成所述至少一个光调。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述高级编码具有20%-85%之间的净编码率，并且相比于未编码传输的BER-OSNR性能，在BER = 10_13上具有高于5dB的净编码增益。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述高级编码包括低密度奇偶校验编码和 Turbo编码之一。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述高阶调制是M进制相移键控和M进制正交幅度调制之一，M > 4。
21.根据权利要求16所述的方法，其中将至少一个经高阶调制的数据信号上变频的步骤包括将至少一个经高阶调制的数据信号RF调制为至少一个RF子带信号；将所述至少一个RF子带信号光调制到所述至少一个光调上以生成至少一个光子带信号；以及将所述至少一个光子带信号组合为光信号。
22.根据权利要求21所述的发送装置，其中所述至少一个RF子带信号是单载波信号或者正交频分复用信号。
23.一种接收包含经历了高级编码和高阶调制的数据的光信号的方法，包括将光信号下变频为至少一个数据信号；对所述至少一个数据信号执行与高阶调制对应的高阶解调；以及对至少一个经高阶解调的数据信号执行与高级编码对应的高级解码以恢复数据。
24.根据权利要求23所述的方法，其中将光信号下变频的步骤包括将光信号分离为至少一个光子带信号；将所述至少一个光子带信号下变频为至少一个RF子带信号；以及将所述至少一个RF子带信号解调为至少一个数据信号。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述至少一个RF子带信号是单载波信号或者正交频分复用信号。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述高级编码具有20%-85%之间的净编码率，并且相比于未编码传输的BER-OSNR性能，在BER = 10_13上具有高于5dB的净编码增益。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述高级编码包括低密度奇偶校验编码和 Turbo编码之一。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述高阶调制是M进制相移键控和M进制正交幅度调制之一，M > 4。
全文摘要
提供了发送装置、接收装置、光通信系统和相关联的方法。所述发送装置发送包含数据的光信号，并且包括光调生成器，生成至少一个光调；至少一个编码器，分别对至少一个数据信号执行高级编码，所述至少一个数据信号中的每一个承载数据的一部分；至少一个映射器，对至少一个编码的数据信号执行高阶调制；以及上变频器，通过至少一个光调将至少一个经高阶调制的数据信号上变频为光信号以便输出。由此，可以实现具有无错恢复的、在长距离(例如超过1000km)上每单个信道的高速(例如超过1-Tb/s)传输。
文档编号H04B10/12GK102546077SQ20111037897
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月24日 优先权日2010年12月3日
发明者伊凡·B·乔德杰维克, 余少华, 刘武, 威廉·希, 杨奇, 杨铸, 贺志学 申请人:武汉邮电科学研究院