一种非对称孪生单边带调制、解调方法和系统与流程

本发明属于光通信传输领域，涉及一种基于非对称孪生单边带调制的发射端调制方法，涉及基于奈奎斯特匹配滤波的接收端解调方法，以及相应的系统。

背景技术：

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，是中短距离光纤通信传输系统的重要解决方案。随着传输距离的增加，双边带信号的两个边带会经历不同的色散，在接收端光电检测器(PD)转化成电信号之后两个边带互相重叠会出现功率衰落的现象。而单边带调制通过在发射端移除一个边带，可以避免功率衰落现象。进一步地，为了充分利用发射端的带宽，一种可行方案是在被移除的边带上调制另一个独立的单边带信号成为孪生单边带。但是接收端光滤波后残余的边带会对另一个边带产生严重的信道间干扰(ICI)。

目前，消除孪生单边带系统两个边带之间互相串扰的方法主要有两种，一种是接收端数字信号处理(DSP)中进行联合均衡，另一种是设置对称的保护间隔。两种方法都能够有效的消除串扰。

1)接收端数字信号处理(DSP)中进行联合均衡。这种方法要求接收端有一对相同的光滤波器、光电探测器(PD)和模数转换器(ADC)用于分别接收两个边带的信息，并且两路的时延也要求相同。而且进行2×2联合均衡相比于两路独立均衡会有至少两倍的计算量。所以这种方法增加了对于硬件的要求和系统的计算复杂度。

2)设置对称的保护间隔。这种方法在载波和信号之间对称的设置与信号带宽一样的保护间隔，使得光滤波器能够彻底地滤除非目标边带。并且，光电探测器(PD)平方律检测造成的信号-信号拍频干扰会落在保护间隔内。这种方案的缺点是会牺牲一半的频谱效率。

技术实现要素：

本发明提供一种非对称孪生单边带调制、解调方法，以及实现该方法的系统，能够在不进行联合均衡的前提下，以较小地保护间隔消除孪生边带之间的串扰。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于奈奎斯特滤波的非对称孪生单边带调制方式，包括以下步骤：

第一步：根据光滤波器边缘斜率确定保护间隔的大小。所需光滤波器为一般的可调光滤波器，中心波长和通带带宽可变；

第二步：根据发射端器件带宽确定两个边带的波特率。之后对两个边带分别进行奈奎斯特滤波并向左或向右上变频(事实上向左向右是等效的，为了说明方便以下假设高波特率的边带向左上变频，低波特率的边带向右上变频)，上变频之后分别进行希尔伯特滤波获得单边带信号；左、右边带相加后得到非对称孪生单边带信号。

第三步：在接收端分别独立接收左右边带。对于左边带：通过光滤波完全滤除右边带；对于右边带：通过光滤波基本滤除左边带，保证残余的左边带宽度小于保护间隔。之后在数字信号处理中进行下变频和奈奎斯特匹配滤波，彻底滤除左边带。光滤波可以通过调节光滤波器的中心波长和通带带宽实现。

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，对于接收端信号在数字信号处理(DSP)中利用迭代算法消除光电探测器(PD)平方律检测产生的信号-信号拍频损伤。

进一步地，这种非对称孪生单边带结构不限于单一激光器产生通过电域上变频产生的频谱结构，也可以是多个独立激光器分别调制左右边带和光载波再合成的频谱结构。

更进一步地，左边带的波特率小于等于发射端器件带宽，右边带的波特率小于等于发射端器件带宽减去保护间隔(当奈奎斯特滤波滚降系数为0时都取等号)。保证左边带在发射端奈奎斯特滤波器的频谱不超出发射端器件带宽，右边带在滤波后不超过发射端器件带宽减去保护间隔。

一种实现上述方法的基于奈奎斯特滤波的孪生单边带调制直接检测系统，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，提高频谱利用率；

上变频模块，连接发射端奈奎斯特滤波模块，用于将基带信号移到高频，防止正负频率分量的交叠。

希尔伯特滤波模块，连接上变频模块，用于将双边带信号滤成单边带信号，之后将信号发送至通信信道；

所述接收端包括：

光滤波器模块，用于移除不需要的边带信息；

信号-信号拍频干扰补偿模块，连接光滤波器模块，用于补偿信号-信号拍频干扰(SSBI)；

下变频模块，连接信号-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，去除光滤波之后残余的另一边带串扰。

进一步地，还包括：

发射端调制模块，用于对原始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。

发射端预处理模块，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：

本发明所述方法在孪生单边带调制信号的情形下，结合了左右边带只需要一边留出保护间隔和奈奎斯特匹配滤波可以去除带外干扰的特点，设计成非对称孪生单边带方案。这种方案不需要进行联合均衡，可以实现左右边带的独立接收，增加了系统的灵活度。在理论上左右边带间串扰可以被完全消除，可以达到与留有对称保护间隔的孪生单边带信号相同的误码率性能。

附图说明

图1是本发明实施例的基于奈奎斯特滤波的非对称孪生单边带调制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奈奎斯特滤波的非对称孪生单边带调制系统的结构示意图。

图4是本发明实施例的400Gb/s信号80km传输实验结果示意图。

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中实线框所示部分为本发明方案的主要内容。

第一步：根据光滤波器边缘斜率确定保护间隔的大小，假设可以忽略的串扰阈值为A dB，光滤波器的边缘斜率为γdB/nm，那么所需要的保护间隔大小为：

F_gap＝A/γGHz,

其中，A的典型值为20，γ的典型值为500，所以一般保护间隔大约为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。

然后将基带信号分别左右上变频，假设左边带基带信号为s₁(t)，波特率为B₁，右边带基带信号为s₂(t)，波特率为B₂。上变频后信号分别为和则数字域中上变频可以表示为：

其中，Re{·}表示取实部操作，Im{·}表示取虚部操作。k₁表示左边带上变频系数，满足k₁>0.5+α/2，一般可取0.51。k₂表示右边带上变频倍数，满足k₂>F_gap/B₂+0.5+α/2。

然后分别进行希尔伯特滤波：

其中conj{·}表示共轭操作，Hilbert{·}表示希尔伯特滤波器。

然后将两边带信号相加，并通过调节调制器偏置点加入直流载波分量。在发送至通信信道之前，一般要在频域上对信号进行色散预补偿：

S_pre(f)＝S(f)·exp(-β₂Lω²/2),

其中，S_pre(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：在接收端分别独立接收左右边带。首先进行光滤波。对于左边带：通过光滤波完全滤除右边带消除串扰；对于右边带：通过光滤波基本滤除左边带，保证残余的左边带宽度小于保护间隔。

然后，在数字信号处理(DSP)阶段，首先补偿信号-信号拍频干扰：

其中r_i(t)分别表示左右边带接收信号，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至6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，对左右边带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。对于右边带的接收来说，残余的左边带串扰完全在奈奎斯特频谱之外，所以可以被彻底滤除。

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，包含三个组成部分，从左到右依次为：左边带，光载波，右边带。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分别产生三个部分，再通过光耦合器组合在一起。

图3为与上述方法对应的基于频域信道估计的均衡系统的组成示意图，包括发射端和接收端。

发射端包括：发射端调制模块，用于对原始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；上变频模块，连接发射端奈奎斯特滤波模块，用于将基带信号移到高频，防止正负频率分量的交叠；希尔伯特滤波模块，连接上变频模块，用于将双边带信号滤成单边带信号；发射端预处理模块，连接希尔伯特滤波模块，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，用于移除不需要的边带信息；循环前缀/后缀移除模块，用于移除训练序列中的循环前缀/后缀；信号-信号拍频干扰补偿模块，连接光滤波器模块，用于补偿信号-信号拍频干扰(SSBI)；下变频模块，连接信号-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，去除光滤波之后残余的另一边带串扰；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为400Gb/s单通道传输实验结果，传输距离为80公里，横轴为信号的入纤功率。两个边带具有基本相同的最优入纤功率和类似的误码率性能，说明两个不同符号速率的边带在非对称孪生单边带系统中是互相兼容的。

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。