本发明属于光纤通信，自由空间光通信，光信号检测和数字信号处理领域，更具体地，涉及一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统。
背景技术：
目前光通信系统主要采用强度调制和直接检测技术。基于直接检测技术的光接收机采用单个光电二极管将光信号转换为电信号，结构简单，成本低，但光电二极管输出电流与输入光信号模场的平方(即光功率)成正比，因此只能检测信号光的强度信息。由于强度调制并未充分利用光场的全部可调制维度，因此传输效率低，难以满足日益增长的高速大容量通信系统的需求。相干检测可以检测信号光的强度、频率、相位和偏振各个维度信息，具有更高的传输效率和灵敏度。由于相干检测中光场能够被线性化复原为电信号，因此是一种线性化检测技术。而数字化相干检测可以在数字域还原信号光场，进而可以通过算法实现载波同步，无需复杂的光锁相环和高性能激光器，因此目前高速大容量远距离光通信系统多采用基于数字化相干检测技术的相干光接收机。但是目前此类相干光接收机一般包括2个光混频器，4个光平衡探测器(每个光平衡探测器包含2个光电二极管，总共需要8个光电二极管)和4个模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)，其结构复杂，成本和功耗都很高，不适用数据中心，城域网和光接入网络等对成本较为敏感的场合，以及卫星、空间站等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，因而限制了高速大容量光网络的覆盖范围。最近国外研究者提出了一些新型的所谓“数字线性化”技术。该技术采用单个光电二极管检测光信号，通过数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)运算消除光电二极管平方率响应函数引入的非线性串扰，实现信号光场的线性化数字相干检测。该方案能够大大降低系统成本和功耗，是一种绿色低成本的数字化相干检测方法。
目前提出的“数字线性化”技术主要包括单级和两级线性化滤波技术、迭代线性化滤波技术、信号与信号拍频干扰消除技术以及基于最小相位信号的线性化技术这五种。前四种技术是将单个光电二极管平方率响应函数造成的非线性项作为一种失真计算出来后再从输出信号中减去。基于最小相位信号的线性化技术采用直流光与信号光合成光学最小相位信号，进而利用单个光电二极管检测其强度大小，最后在DSP中基于最小相位信号幅度和相位间存在的Hilbert变换关系重建信号光场，其频谱效率和输出信号质量较前四种技术更高。但是目前基于最小相位信号的线性化技术还存在一些缺点，例如DSP在重构光场信息时的对数运算中存在频谱展宽效应，导致ADC在常规2倍的采样倍率下不足以恢复全场信息(至少需要3倍采样倍率)，引入迭代算法来降低采样倍率至常规2倍的话会带来额外的巨大计算量，对于DSP数据处理的速率提出了极高的要求。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统，由此解决目前的基于最小相位信号的线性化技术存在的对ADC采样倍率需求高、对DSP的数据处理速率要求极高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测系统，包括：依次相连的本振激光器、耦合器、光探测器、射频放大器、电滤波器、模数转换器和数字信号处理器；
其中，所述耦合器具有2个输入端口和2个输出端口，所述光探测器包括具有1个输入端口和1个输出端口的普通光探测器PD，或者具有2个输入端口和1个输出端口的光平衡探测器BPD，所述耦合器从2个输出端口中任意选取1个端口与所述普通光探测器PD的1个输入端口连接，或者所述耦合器将2个输出端口与所述光平衡探测器BPD的2个输入端口连接；
所述本振激光器用于提供与入射光信号进行拍频的本振光信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧预设范围内；
所述耦合器，用于将所述入射光信号和所述本振光信号进行合波得到两路满足单边带条件的光信号；
所述光探测器，用于合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号；
所述射频放大器，用于放大来自于所述光探测器的所述射频电信号，以达到符合所述模数转换器采样电平的需求；
所述电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；
所述模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；
所述数字信号处理器，用于对由所述模数转换器输入的所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
其中，本振光信号可在发射端产生，与入射光信号合波后传输至接收端，也可在接收端产生，并与传输至接收端的入射光信号经耦合器合波后输入至光探测器。
优选地，若所述光探测器为普通光探测器PD，所述射频电信号为：所述数字信号为：
其中，IPD(t)表示所述射频电信号，RPD表示所述普通光探测器PD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-PD(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
优选地，所述数字信号处理器，用于由Iim-PD(nT)＝HT[Idig-PD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-PD(nT)，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-PD(nT)对应ES-PD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换，为信号Idig-PD(nT)的均值。
优选地，若所述光探测器为光平衡探测器BPD，则所述射频电信号为：所述数字信号为：
其中，IBPD(t)表示所述射频电信号，RBPD表示所述光平衡探测器BPD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-BPD(nT)表示所述数字信号，T表示所述数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
优选地，若所述光探测器为所述光平衡探测器BPD，则所述数字信号处理器，用于由Iim-BPD(nT)＝HT[Idig-BPD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-BPD(nT)，由ES-BPD(nT)＝Idig-BPD(nT)+j[Iim-BPD(nT)]在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-BPD(nT)对应ES-BPD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换。
其中，所述射频放大器的放大倍数应与所述模数转换器的额定输入电压动态范围相匹配。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法，包括：
将入射光信号和本振光信号经过合波得到两路满足单边带条件的光信号，并将合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号，其中，所述本振光信号的频率位于所述入射光信号的频谱的左侧或右侧边缘；
对所述射频电信号进行放大，以达到符合模数转换采样电平的需求，并滤除放大后的射频电信号中的噪声；
将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号，并对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
其中，本振光信号可根据实际需求灵活配置于发射端或接收端。本振光信号在发射端产生时，入射光信号与本振光信号合波后经光纤或者空间传输至接收端。本振光信号在接收端产生时并与传输至接收端的入射光信号经耦合器合波后输入至光探测器。
优选地，所述将入射光信号和本振光信号经过合波得到两路光信号，并将所述两路光信号转换为一路射频电信号，包括：
将所述入射光信号与所述本振光信号通过耦合器合波成两路入射光信号后，将所述两路入射光信号中的任意一路光信号通过普通光探测器PD转换为一路射频电信号，或者，将所述两路光信号通过光平衡探测器BPD转换为一路射频电信号。
优选地，若通过所述普通光探测器PD将所述两路入射光信号中的任意一路光信号转换为一路射频电信号，所述射频电信号为：所述数字信号为：其中，IPD(t)表示所述射频电信号，RPD表示所述普通光探测器PD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-PD(nT)表示所述数字信号，T表示进行数字信号处理时的采样间隔时间，n表示采样点序号。
优选地，所述对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测包括：
由Iim-PD(nT)＝HT[Idig-PD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-PD(nT)，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-PD(nT)对应ES-PD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换，为信号Idig-PD(nT)的均值。
优选地，若通过所述光平衡探测器BPD将所述两路入射光信号转换为一路射频电信号，则所述射频电信号为：所述数字信号为：其中，IBPD(t)表示所述射频电信号，RBPD表示所述光平衡探测器BPD的响应度，PS表示所述入射光信号的光功率，PLO表示所述本振光信号的光功率，ωIF表示所述入射光信号的角频率与所述本振光信号的角频率差，φS表示所述入射光信号携带的相位信息，Idig-BPD(nT)表示所述数字信号，T表示进行数字信号处理时的采样间隔时间，n表示采样点序号。
优选地，所述对所述数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测包括：
由Iim-BPD(nT)＝HT[Idig-BPD(nT)]对所述数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-BPD(nT)，由ES-BPD(nT)＝Idig-BPD(nT)+j[Iim-BPD(nT)]在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-BPD(nT)对应ES-BPD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的数字相干检测系统仅使用本振激光器、耦合器、光探测器(PD或BPD)，射频放大器，电滤波器，模数转换器ADC和数字信号处理器DSP各一个。相较于以往的数字相干光接收机，所需光探测器，ADC和DSP数量均大幅降低，且无需光混频器，因此系统结构简单，可靠性好，成本低，功耗小。
(2)采用普通光探测器PD所构成的线性直接探测系统相比目前基于最小相位信号的线性直接探测系统而言，本发明通过基于合成单边带信号的线性直接探测方法从而大大降低了解调算法的复杂度及运算量，使本发明可以大大降低DSP的运算速率要求，同时本发明的解调算法避免了对数运算等会导致频谱展宽的算法，降低了对ADC采样带宽的高需求，非常适合于数据中心，城域网和光接入网络等对成本较为敏感的场合，以及卫星、空间站等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，可以大幅提高高速大容量光网络的覆盖范围。
(3)采用光平衡探测器BPD所构成的线性直接探测系统相比目前基于最小相位信号的线性直接探测系统而言，除了具有(2)里所述优点之外，还大大降低了对本振光功率的需求。同时本发明通过平衡探测结构消除了信号光及本振光所带来的相对强度噪声(Relative intensity noise，RIN)，提高了输出射频电信号的信噪比，本发明还通过对合波后的两路光信号进行光电转换避免了合波光功率损失的问题，非常适合应用追求超高灵敏度及超高能效比的场合，同时也适用于卫星、空间站等对通信终端体积功耗要求严苛的场合，可以大幅提高通信距离和提高通信质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于合成单边带信号的线性直接探测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种在典型应用环境下基于本发明和目前基于最小相位信号的线性直接探测系统及传统基于光混频器的相位分集相干光接收机所输出的信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随输入信号OSNR的变化曲线；
图3为本发明实施例提供的一种在固定信号输入功率(-40dBm)的条件下，基于本发明和基于最小相位信号的线性直接探测系统及传统基于光混频器的相位分集相干光接收机输出信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随所加入的直流光与信号光功率比值(用PLO/Ps表示)的变化曲线；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-本振激光器，2-耦合器，3-光探测器，4-射频放大器，5-电滤波器，6-模数转换器ADC，7-数字信号处理器DSP。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法与系统，由此解决目前的基于最小相位信号的线性化技术存在的对ADC采样倍率需求高、对DSP的数据处理速率要求极高的技术问题。
如图1所示为本发明实施例提供的一种基于合成单边带信号的线性直接探测系统的结构示意图，在图1所示的系统中包括：依次相连的本振激光器1、耦合器2、光探测器3、射频放大器4、电滤波器5、模数转换器6、数字信号处理器7；
其中，光探测器可以使用普通光探测器(Photodetector，PD)，具有1个输入端口和1个输出端口；也可以使用光平衡探测器(Balanced Photo-detector，BPD)，具有2个输入端口和1个输出端口。
在本发明实施例中，本振光信号的频率位于入射光信号的频谱的左侧或右侧预设范围内，其中，预设范围可以根据实际使用情况进行确定。
在本发明实施例中，本振光信号可在发射端产生，与信号光合波后传输至接收端；也可在接收端产生，并与传输至接收端的入射信号光经耦合器合波后输入至光探测器。
在本发明实施例中，入射光信号和本振光信号经耦合器合波得到两路满足单边带条件的光信号后输入至光探测器的1个或2个输入口(根据PD和BPD的输入口数量差异来判定)，其中Ps、PLO分别为入射光信号和本振光信号的光功率，ωS、ωLO分别为入射光信号和本振光信号对应的角频率，φS(t)为入射光信号携带的相位信息。
光探测器，用于将1路或2路光信号(根据PD和BPD的输入口数量差异来判定)转换为1路射频电信号；
在本发明实施例中，使用普通光探测器PD时，射频电信号(不考虑合波光功率损失)为：使用光平衡探测器BPD时，射频电信号为：其中，IPD(t)或IBPD(t)表示射频电信号，RPD表示普通光探测器PD的响应度，RBPD表示光平衡探测器BPD的响应度，PS表示入射光信号的光功率，PLO表示本振光信号的光功率，ωIF表示入射光信号的角频率与本振光信号的角频率差，φS表示入射光信号携带的相位信息。
射频放大器，用于放大来自于光探测器的射频电信号，以达到符合模数转换器采样电平的需求；
其中，射频放大器的放大倍数应与模数转换器的额定输入电压动态范围相匹配。
电滤波器，用于滤除放大后的射频电信号中的噪声；
模数转换器，用于将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号；
在本发明实施例中，使用普通光探测器PD时，数字信号为：使用光平衡探测器BPD时，数字信号为：其中，Idig-PD(nT)或Idig-BPD(nT)表示数字信号，T表示数字信号处理器的采样间隔时间，n表示采样点序号。
数字信号处理器，用于对由模数转换器输入的数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
在本发明实施例中，使用普通光探测器PD时，数字信号处理器，用于由Iim-PD(nT)＝HT[Idig-PD(nT)]对数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-PD(nT)，由在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-PD(nT)对应ES-PD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换，为信号Idig-PD(nT)的均值。
在使用光平衡探测器BPD时，数字信号处理器，用于由Iim-BPD(nT)＝HT[Idig-BPD(nT)]对数字信号进行Hilbert变换得到新的数字信号Iim-BPD(nT)，由ES-BPD(nT)＝Idig-BPD(nT)+j[Iim-BPD(nT)]在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测，其中，Iim-BPD(nT)对应ES-BPD(nT)光场信息的虚部幅度大小的采样值，HT表示Hilbert变换。
本发明还提供了一种基于合成单边带信号的线性直接探测方法，包括：
将入射光信号和本振光信号经过合波得到两路满足单边带条件的光信号，并将合波后的入射光信号和本振光信号转换为一路射频电信号，其中，本振光信号的频率位于入射光信号的频谱的左侧或右侧预设范围内，其中，预设范围可以根据实际使用情况进行确定；
对射频电信号进行放大，以达到符合模数转换采样电平的需求，并滤除放大后的射频电信号中的噪声；
将滤除噪声后的射频电信号转换为数字信号，并对数字信号进行处理，以在数字域恢复信号光场，实现数字相干检测。
图2为典型应用环境下基于本发明和目前基于最小相位信号的线性直接探测系统及传统基于光混频器的相位分集相干光接收系统所输出的信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随输入光信号OSNR的变化曲线。其中，所检测的光信号为20Gbps(波特率为10GBaud/s)的正交相移键控(QPSK)信号。当EVM＝32.5％时BER＝1e-3。从图2可以看出当EVM＝32.5％即BER＝1e-3时，基于本发明的线性直接探测系统在采用普通光探测器PD时的灵敏度与目前基于最小相位信号的线性直接探测系统相当；基于本发明的线性直接探测系统在采用光平衡探测器BPD时的灵敏度相对于目前基于最小相位信号的线性直接探测系统提高了1.1dB(所需OSNR减小1.1dB)，与目前灵敏度最高的传统基于光混频器的相位分集相干光接收机相比，灵敏度保持一致。
图3所示为固定信号输入功率(-40dBm)的条件下，基于本发明和基于最小相位信号的线性直接探测系统及传统基于光混频器的相位分集相干光接收系统输出信号质量(用误差矢量幅度EVM表示)随所加入的本振光与信号光功率比值(用PLO/Ps表示)的变化曲线。从图3中可以看出在同样工作条件下当EVM＝32.5％即BER＝1e-3时本发明技术在采用普通光探测器PD时所需的直流光功率PLO＝30Ps，相比基于最小相位信号线性化技术(PLO＝8Ps)虽提高了本振光功率需求，但因采样带宽需求及算法复杂度的降低使系统总成本大大降低。在实际应用中，因入射光信号的功率较为微弱，因此在保证相当的接收性能的前提下，通过提高本振光功率来大幅降低系统成本具有极大的实用性及经济价值。同时本发明技术在采用光平衡探测器BPD时所需的直流光功率PLO＝2Ps，相比基于最小相位信号线性化技术(PLO＝8Ps)降低了4倍，此时相对于采用普通光探测器(PD)而言，虽略微提升了系统成本，但获得了接收性能的大幅度提升及本振光功率需求的大幅度降低，使本发明的综合性能与传统基于光混频器的相位分集相干光接收系统保持一致。
总之，本发明在采用普通光探测器PD时相对于基于最小相位信号的线性直接探测系统有着系统成本更低，算法复杂度更低，稳定性更好的优势；本发明在采用光平衡探测器BPD时相对于基于最小相位信号的线性直接探测系统相比具有更高的灵敏度，更低的本振光功率需求，更低的算法复杂度以及更好的系统稳定性。同时与传统基于光混频器的相位分集相干光接收系统相比，在大幅度降低了系统成本的条件下，获得了相同的接收性能及系统能效比。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。