[发明专利]一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法

说明书

本发明提出一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法。系统包括光发射机、本振激光器、光耦合器、光探测器、模数转换器与数字信号处理系统。光发射机在数据帧头位置插入同步导引序列；本振激光器谱线位于信号光谱一侧，通过光耦合器与入射信号光合波形成伪单边带信号，再由光探测器与模数转换器转换为数字信号；数字信号处理系统对数字信号进行分块快速傅里叶变换，乘以频域传函H，再根据一帧内所有数据块频谱中最高谱线的频率进行频偏估计和补偿，同时记录最高谱线所在数据块编号，之后进行逆FFT恢复入射信号光场，最后在所记录的数据块附近搜索帧头实现帧同步。本发明降低了光场重建与时频同步系统的成本、体积、重量和功耗，系统复杂度低。

技术领域

本发明涉及空间光通信，相干检测和数字信号处理技术领域，更具体地，涉及一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法。

背景技术

随着通信对速度和容量要求的提高，相干探测技术成为下一代光通信系统中的关键技术，得到了广泛的应用。基于相干探测的数字相干光接收机重建信号光场需要采用相位分集装置，每个相位分集装置包含1个光混频器、4个光探测器和2个ADC。其结构复杂，成本高，功耗大。此外，相干光接收机实现信号的解调和数据恢复必须首先完成时频同步。时频同步指的是帧同步和载波频率同步。传统数字相干光接收机为实现时频同步需要采用专用的单一功能的频偏估计算法计算本振与信号光载波频偏大小，再通过时域复指数乘法运算进行频偏补偿。最后再通过专用的单一功能的帧同步算法在整个帧内搜索帧头位置实现帧同步。帧同步算法一般基于自相关或互相关算法，需要大量的复数乘法运算，并且总计算量与搜索区域成正比关系。

由于传统数字相干光接收机中光场重建光场依赖复杂的相位分集装置，而时频同步依赖专用的单一功能算法，运算量较大，因此需要配置高性能的DSP系统。这导致其无法满足中短距离光通信应用，例如光接入网、城域网和数据中心互联等对低成本的诉求，也无法满足自由空间光通信系统对相干光接收机体积、重量和功耗的苛刻要求。

发明内容

针对现有基于数字相干光接收机的光场重建与时频同步系统和方法的缺点，本发明提供了一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统与方法。该系统由于只用单探测器接收光信号，具有较低的成本。所采用的时频同步算法与光场重建算法融为一体，大幅降低了时频同步的计算复杂度，十分便于DSP的实时化处理，降低光场重建与时频同步系统的成本、体积、重量和功耗，在短距高速通信以及自由空间光通信中具有重要的应用价值。

为解决上述技术问题，按照本发明的一个方面，提出了一种采用单探测器的光场重建与时频同步系统，该系统包括光发射机(Tx)、本振激光器(LO)、光耦合器(OC)、光探测器(PD)、模数转换器(ADC)与数字信号处理(DSP)系统；

所述光发射机用于在数据帧头插入同步导引序列。所述本振光由光发射机中激光器产生并伴随信号传输，或由光接收机中激光器产生。本振光功率大于信号光功率10倍以上，而能够有效抑制光探测器中信号与自身拍频产生的非线性干扰。本振光谱线位于信号光谱一侧的边缘，与信号光谱中心频率的距离大于等于有效信号带宽的一半。

所述光耦合器将信号光与本振光进行合波形成伪单边带信号；

所述光探测器，用于将合波形成的伪单边带信号转换为电信号；

所述模数转换器(ADC)，用于将所述光探测器输出电信号转换为数字信号，以便于DSP系统进行处理；

所述DSP系统，用于对输入数字信号进行处理，实现光场重建和时频同步，时频同步包括频偏估计、补偿以及帧同步。