[发明专利]数字相位估计器、数字锁相环以及光相干接收机

说明书

技术领域

本发明总体上涉及光通信系统，更具体地说，本发明涉及一种适用于各种调制技术的数字相位估计器、数字锁相环以及采用该数字相位估计器或数字锁相环的光相干接收机。

背景技术

随着对光通信系统的容量要求和灵活性要求的逐步提高，相干光通信技术变得越来越重要。与非相干技术(例如，“开-关”键控(on-off key)，OOK)或自相干技术(例如，差分四相相移键控DQPSK)相比，相干技术具有如下优点：具有3dB的光信噪比(OSNR)增益；可以方便地采用均衡技术；可以采用更高效的调制技术(例如，正交幅度调制QAM)

与电相干技术一样，光相干接收机也需要一个装置来恢复载波相位。这可以使用模拟锁相环来实现，Leonid G.Kazovsky在“Decision-DrivenPhase-Locked Loop for Optical Homodyne Receivers”，IEEE/OSA Journal ofLightwave Technology，Vol.LT-3，No.6，Dec.1985，P1238-1247中说明了模拟锁相环的技术。如图1所示，模拟锁相环包括相位估计器101、环路滤波器102和压控振荡器(VCO)，又称为本振激光器103。由于模拟锁相环本身固有的环路时延，使得模拟锁相环的速度较慢。这种模拟锁相环的缺点在于：由于其较长的环路延迟，使得其控制速度低；对于载波和压控振荡器的相位噪声的要求高，并且容易因为相位噪声而导致大的相位差，等等。

近年来，随着电子器件技术的发展，在光通信中采用了越来越多的数字技术。Dany-Sebastien Ly-Gagnon等在OFC2005 OTuL4介绍了使用数字信号处理技术的光相干接收机。他们使用前向相位估计来取代反馈锁相环。图2示出了这种方法，如图2所示，该光相干接收机包括：本振激光器，用于提供本振光信号；光90度混频器，用于对接收光信号与本振光信号进行混合；第一和第二平衡光电检测器，用于将光90度混频器的输出光信号转换成基带电信号；模数转换器(ADC)201；取辐角器202；解码器203；以及相位估计器204。

光90度混频器的第一输入端连接到光输入，第二输入端连接到本振激光器的输出，而第一输出端和第二输出端分别连接到第一和第二平衡光电检测器的输入端；第一和第二平衡光电检测器的输出端分别连接到模数转换器201第一和第二输入端，模数转换器201的第一和第二输出端分别连接到相位估计器204的第一和第二输入端以及取辐角器202的第一和第二输入端，取辐角器202的输出端连接到解码器203的第一输入端，相位估计器204的输出端连接到解码器203的第二输入端。

模数转换器201将模拟的同相信号(I)和正交信号(Q)转换成数字信号I+jQ，该数字信号是复信号。取辐角器202获取上述复信号的辐角，即相位。相位估计器204获得接收光信号的载波信号和本振光信号之间的相位差。解码器203从取辐角器202的输出中减去由相位估计器204估计出来的相位差，以恢复所传输的数据。

如图2所示，相位估计器204包括四次方运算器205、平均器207、取辐角器206以及除4运算器208。四次方运算器205的第一和第二输入端分别连接到模数转换器201的第一和第二输出端，四次方运算器205的输出端连接到平均器207的输入端，平均器207的输出端连接到取辐角器206的输入端，取辐角器206的输出端连接到除4运算器208的输入端，除4运算器208的输出端连接到解码器203的第二输入端。

可以看出，以上所有的运算都是在数字域完成的。这里，使用数字前向相位估计器取代了以往的光相干系统中的模拟锁相环，以避免前面提到的模拟锁相环的缺点。但是，该方法只适用于相移键控(PSK)调制方式，因为该方法的基本思想是两个相位的减法。该方法不能在更高效的调制技术(例如，QAM)中使用，而锁相环方案不存在这样的缺点。另一方面，四次方运算器205以及取辐角器202和206都进行非线性运算。通过硬件或者数字信号处理技术来实现这些非线性运算是很复杂的。

基于以上情况，目前迫切需要一种新的相位控制技术，以便结合锁相环和数字信号处理技术的优点。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题而提出了本发明，本发明的目的在于提供一种能够同时具有锁相环方案和数字信号处理技术的优点的数字锁相环，以及使用该数字锁相环的光相干接收机。