[发明专利]在数字相干光接收机中使用的频差监测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字相干光接收机，具体地，本发明涉及数字相干光接 收机中的频差监测装置和方法。

背景技术

与传统的强度调制-直接监测或相位调制-延迟干涉监测技术相比，相 干光通信技术可以容忍更低的光信噪比，可采用数字信号处理技术补偿 线性损伤，可以实现更高的频谱利用率。相干光通信技术的这些优点满 足了下一代光通信网对更高单波长速率和更高频谱效率的需求，因而引 起了人们极大的兴趣。

在相干光接收机中，信号光与本地激光器产生的本振光进行混频， 然后经光电变换便得到了可反映信号光电场包络的基带电信号。对该基 带电信号进行采样量化和数字信号处理最终可恢复出原始发送信号。在 实际应用中，无法保证发射机中激光器的频率与接收机中激光器的频率 完全一致，因而基带电信号存在非零中频，即频差。目前，商用激光器 的标称发射频率误差达到±2.5GHz，在这样情况下，实际系统中频差可能 高达±5GHz。因此，必须对相干光接收机中的频差进行监测(监测范围 至少达到±5GHz)，进而对其进行控制或补偿。另一方面，光通信系统以 很高的信号速率连续工作，从而要求频差监测方法复杂度低、精度高。

图1示出了已知的相干光接收机的结构。如图1所示，90度光混频 器103将接收到的光信号101与本振激光器104输出的连续光102混合 后输出给平衡光电探测器105与106。平衡光电探测器105和106将光信 号分别转换成了基带电信号的同相分量和正交分量。然后，这两路基带 电信号经过模数转换器107和108的采样和量化得到了离散的数字基带 复信号109(有时也可称为复信号离散序列、复信号序列或复信号采样序 列)。本振激光器104、平衡光电探测器105与106、以及模数转换器107 和108构成了数字相干光接收机的前端处理部。电均衡器110对复信号 序列109进行均衡滤波以补偿线性传输损伤，其输出的信号111中的色 散得到了近似完全的补偿。后续数字信号处理模块116对信号111进行 载波相位恢复、差分解码等处理后就能恢复出所传输的数据117。由于载 波与本振激光之间存在频差，所以将复信号109分出一路至频差监测装 置112用于监测频差。如果希望避免色散等损伤对频差监测的影响，也 可以从均衡器输出的信号111分出一路作为频差监测器的输入。频差监 测装置112对信号109(或信号111)进行相应处理得到监测信号113， 并将其用于频差控制。频差控制有两种工作方式。第一种方式是反馈控 制方式，频差监测器112将监测信号113输出至本振控制器114，本振控 制器114将频差监测信号113转换为本振频率控制信号115，从而将本振 激光器的输出频率调谐到与信号载频一致。另一种方式是前馈补偿方式， 频差监测装置112将监测信号113输出给数字信号处理模块116，数字信 号处理模块116根据频差监测信号113在数字域中对信号111中的频差进 行补偿。

图2给出了一种由Andreas Leven等提出的频差监测装置 (“Frequency Estimation in Intradyne Reception”，IEEE Photonics Technology Letters，Volume：19，No.6，March 15，page 366-368)。进入频 差监测器112的复信号109(或111)被分成两路，一路连接到寄存器201， 另一路连接至乘法器204。寄存器201和取复共轭器202对复信号109(或 111)进行延时、共轭处理得到信号203，并将其输出至乘法器204的另 一个输入端。乘法器204将复信号109(或111)与信号203相乘，将结 果输出给4次方器205。这个过程去除了信号相位噪声对频差监测的影响。 QPSK调制信号可能的相位取值为±π/4、±3π/4，那么204输出信号的调 制信息的可能取值为0、±π/2、±π、±3π/4，通过4次方器后调制信息便 被去除，不过同时频差也变为了4倍。求和器206的作用相当于平均器， 可以减小加性噪声对频差监测的影响。最后，由取1/4辐交器207对求和 器206的输出进行取1/4辐角操作并输出频差监测信号113。该监测信号 为频差在一个采样周期内引起的信号相位增量。