РЕКОНСТРУКЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЛЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА Российский патент 2011 года по МПК H04B10/158 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к реконструкции и восстановлению поля оптического сигнала.

Предпосылки создания изобретения

Линейные и нелинейные эффекты приводят к искажению оптических сигналов, передаваемых по оптическим волокнам. Такие эффекты включают хроматическую дисперсию (ХД) и фазовую автомодуляцию (ФАМ). Для ослабления искажения сигнала, возникающего в результате ХД, обычно применяют компенсацию оптической дисперсии.

Недавно появился метод компенсации электронной дисперсии (КЭД), позволяющий экономически эффективным способом гибко ослаблять искажения, вносимые ХД. Как поясняется в докладе М. S. O′Sullivan, К. Roberts и С.Bontu "Electronic dispersion compensation techniques for optical communication systems", Европейская конференция по оптической связи 2005 г., документ Tu 3.2.1, 2005 г., КЭД может осуществляться в передатчике. В настоящем описании это называется предкомпенсацией электронной дисперсии (пред-КЭД). В качестве альтернативы, как описано в статье S. Tsukamoto, К. Katoh и К. Kikuchi "Unrepeated Transmission of 20-Gb/s Optical Quadrature Phase-Shift-Keying Signal Over 200-km Standard Single-Mode Fiber Based on Digital Processing of Homodyne-Detected Signal for Group-Velocity Dispersion Compensation", документы IEEE no фотонике, том 18, выпуск 9, 1 мая 2006 г., стр.1016-1018, КЭД может осуществляться в приемнике, что в настоящем описании называется посткомпенсацией электронной дисперсии (пост-КЭД).

Преимущество пост-КЭД перед пред-КЭД состоит в том, что для пост-КЭД не требуется, чтобы приемник был связан с передатчиком характеристической обратной связью. К сожалению, прямое детектирование интенсивности, также известное как квадратичное детектирование, являющееся распространенным методом оптического детектирования в современных системах волоконно-оптической связи, например оптико-электронное преобразование, осуществляемое фотодиодами, лишь восстанавливает амплитуду оптического сигнала и не способно восстановить данные фазы оптического сигнала, что делает эффективность пост-КЭД значительно меньшей, чем эффективность пред-КЭД.

С целью преодоления этого недостатка и, следовательно, повышения эффективности пост-КЭД, в статье Tsukamoto и др. предложено применять когерентное детектирование, чтобы полностью восстанавливать комплексное поле оптического сигнала, т.е. как амплитуду, так и фазу. Вместе с тем, когерентное детектирование является значительно более сложным и, следовательно, более дорогостоящим и трудновыполнимым по сравнению с прямым детектированием интенсивности. Кроме того, для когерентного детектирования необходимо использование генератора местных оптических колебаний (ГМОК), а также слежение за фазой и поляризацией ГМОК и несущей.

Краткое изложение сущности изобретения

В соответствии с принципами изобретения путем применения прямого дифференциального детектирования в сочетании с цифровой обработкой сигнала разработана цифровая версия комплексного оптического поля принимаемого приемником оптического сигнала, т.е. как амплитуда, так и фаза, например, относительно опорной точки.

Более точно, как это хорошо известно, комплексное оптическое поле любого сигнала может быть восстановлено, если известны профили распределения его интенсивности и фаз. Профиль распределения интенсивности может быть получен путем обычного прямого детектирования интенсивности. Что касается определения фазы согласно одной из особенностей изобретения с помощью пары оптических интерферометров с задержкой, имеющих ортогональные сдвиги фаз, т.е. разность между сдвигами фаз, равную π/2, за которыми следуют два балансных детектора интенсивности, сначала получают электронное аналоговое представление сигнала сложной формы (комбинированная волна), которое содержит информацию о разности фаз между соседними, разделенными заданной разностью времени ΔТ положениями принимаемого сигнала. Выходной сигнал первого интерферометра после балансного детектирования интенсивности представляет собой действительную часть сигнала сложной формы, а выходной сигнал второго интерферометра после балансного детектирования интенсивности представляет собой мнимую часть сигнала сложной формы. Выходной сигнал каждого из балансных детекторов интенсивности и профиль распределения интенсивности, если он получен путем прямого детектирования интенсивности, преобразуют в цифровое представление путем аналого-цифрового преобразования. Поскольку период дискретизации при аналого-цифровом преобразовании может быть меньшим, чем ΔТ, на протяжении периода ΔТ может существовать множество выборок. Исходя из цифрового представления сигнала сложной формы можно получить разность фаз между соседними положениями, разделенными ΔТ. Затем исходя из полученных разностей фаз и необязательно по результатам поиска исходного сдвига фаз у множества выборок на протяжении периода ΔТ определяют соотношение фаз для всех выборок. Тем самым определяют абсолютный профиль распределения фаз у принимаемого сигнала, при этом его единственная неоднозначная составляющая - это постоянный фазовый сдвиг, который является несущественным.

Для упрощения необходимого аппаратного обеспечения профиль распределения интенсивности может быть необязательно получен методом аппроксимации исходя из абсолютного значения сигнала сложной формы, а не путем прямого детектирования интенсивности. Кроме того, после восстановления профиля распределения интенсивности и профиля распределения фаз принимаемого сигнала может быть необязательно применена цифровая обработка сигнала с целью компенсации искажений принимаемого сигнала, например искажений сигнала вследствие хроматической дисперсии и ФАМ, в результате чего можно электронным путем реконструировать точное представление формы первоначально переданного сигнала.

Предложенные в настоящем изобретении методы применимы при относительной фазовой манипуляции (ОФМн) различных типов с оптическими сигналами, такой как двухпозиционная относительная фазовая манипуляция (DBPSK, от английского differential binary phase-shift keying) и квадратурная относительная фазовая манипуляция (DQPSK, от английского differential quadrature phase-shift keying). Они также применимы при амплитудной манипуляции (АМн), комбинированной ОФМн/АМн и квадратурной амплитудной модуляции (QAM, от английского quadrature amplitude modulation).

Краткое описание чертежей:

на фиг.1 показан пример устройства для реконструкции и восстановления поля оптического сигнала согласно принципам изобретения и

на фиг.2 - один из вариантов осуществления изобретения, сходный с показанным на фиг.1, но в котором профиль распределения интенсивности получают методом аппроксимации, а не прямого восстановления.

Подробное описание

Далее лишь проиллюстрированы принципы изобретения. При этом следует учесть, что специалисты в данной области техники смогут предложить различные устройства, которые, хотя они в прямой форме и не описаны или не проиллюстрированы в описании, воплощают принципы изобретения и входят в пределы его существа и объема. Кроме того, в основном подразумевается, что все примеры и условные обозначения, используемые в описании, служат лишь целям наглядности для облегчения понимания принципов изобретения и его идей и должны толковаться как не ограничивающие изобретение конкретно приведенными примерами и условиями. Помимо этого, подразумевается, что описание всех принципов, особенностей и вариантов осуществления изобретения, а также его конкретных примеров распространяется на их как структурные, так и функциональные эквиваленты. Кроме того, подразумевается, что в такие эквиваленты входят как известные в настоящее время эквиваленты, так и эквиваленты, которые появятся в будущем, т.е. любые созданные элементы, выполняющие такую же функцию независимо от конструкции.

Так, например, специалисты в данной области техники поймут, что любые приведенные в описании блок-схемы являются концептуальным представлением наглядных схем, воплощающих принципы изобретения. Также следует учесть, что любые технологические схемы, блок-схемы, диаграммы перехода состояний, псевдокод и т.п. представляют различные процессы, которые могут быть преимущественно представлены на машиночитаемом носителе и соответственно выполняться компьютером или процессором независимо от того, показан ли в прямой форме компьютер или процессор.

Функции различных элементов, показанных на чертежах, включая любые функциональные блоки, обозначенные как "процессоры", могут быть реализованы с помощью специализированного аппаратного обеспечения, а также аппаратного обеспечения, способного выполнять программы во взаимодействии с соответствующим программным обеспечением. Если функции обеспечиваются процессором, их может обеспечивать один специализированный процессор, один совместно используемый процессор или множество отдельных процессоров, часть из которых могут быть совместно используемыми. Кроме того, используемый в прямой форме термин "процессор" или "контроллер" не должен толковаться как относящийся исключительно к аппаратному обеспечению, способному выполнять программы, и может без ограничения подразумевать цифровой процессор сигналов (ЦПС), сетевой процессор, специализированную интегральную схему (ASIC, от английского - application-specific integrated circuits), программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA, от английского Field Programmable Gate Array), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и энергонезависимое запоминающее устройство. Также может подразумеваться другое аппаратное обеспечение, обычное и(или) заказное. Аналогичным образом любые переключатели, показанные на чертежах, являются лишь концептуальными. Их функция может осуществляться посредством использования программных логических схем, специализированных логических схем, взаимодействия программных логических схем управления и специализированных логических схем или даже вручную, при этом конкретный метод выбирается разработчиком, как это более определенно следует из контекста.

Подразумевается, что любой элемент из формулы изобретения, выраженный в виде средства осуществления заданной функции, охватывает любой способ осуществления такой функции. В их число может входить, например, сочетание электрических или механических элементов для выполнения такой функции или программное обеспечение в любой форме, включая в силу вышесказанного аппаратно-программное обеспечение, набор микрокоманд и т.п. в сочетании с соответствующими схемами для выполнения таких программ и осуществления функции, а также механические элементы, связанные с программно-управляемыми схемами, если они имеются. В основу изобретения, охарактеризованного в формуле изобретения, положен тот факт, что функциональные возможности, обеспечиваемые различными перечисленными средствами, сочетаются и объединены тем способом, который заявлен в формуле изобретения. Таким образом, любое средство, способное обеспечить эти функциональные возможности, может быть эквивалентно описанным в изобретении.

Модули программного обеспечения или просто модули, которые, как подразумевается, являются программным обеспечением, могут быть представлены в описании в виде любого сочетания элементов блок-схемы или других элементов, отображающих осуществление стадий процесса и(или) текстовое описание. Такие модули могут выполняться аппаратным обеспечением, которое показано в прямой или подразумеваемой форме.

Чертежи, если только в прямой форме не указано иное, выполнены не в масштабе.

Одинаковыми позициями на различных фигурах обозначены одинаковые элементы.

На фиг.1 показан пример устройства, выполненного в виде приемника согласно принципам изобретения, для развертывания полного комплексного оптического поля принимаемого сигнала путем применения прямого дифференциального детектирования в сочетании с цифровой обработкой сигнала и для компенсации различных искажений, воздействию которых подвергся оптический сигнал на пути от источника. На фиг.1 показан оптический разветвитель 1×3 1001, оптические интерферометры с задержкой (ОИЗ) 1002 и 1003, балансные детекторы 1011 и 1013 интенсивности, фотодиод 1015, усилители 1021, 1022 и 1023, оптические контроллеры 1031, 1032, 1033 с автоматической регулировкой усиления (КАРУ), аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) 1041, 1042 и 1043 и блок 1050 цифровой обработки сигнала.

Более точно, оптический разветвитель 1×3 1001 размножает входящий оптический сигнал с целью получения трех копий. Оптическая мощность исходного входящего оптического сигнала, которая приходится на каждую из трех копий, устанавливается по усмотрению разработчика. В одном из вариантов осуществления изобретения мощность делят таким образом, что в каждый из ОИЗ 1002 и 1003 в виде выходной мощности поступает от около 40 до 45% входной мощности, а остальная мощность, например от 10 до 20%, поступает в фотодиод 1015.

Как без труда поймут специалисты в данной области техники, оптические интерферометры 1002 и 1003 с задержкой (ОИЗ) могут представлять собой интерферометр любого типа с требуемыми характеристиками. Например, ОИЗ 1002 и 1003 могут представлять собой хорошо известный так называемый интерферометр Маха-Цендера. В качестве альтернативы ОИЗ 1002 и 1003 могут представлять собой хорошо известный так называемый интерферометр Майкельсона.

ОИЗ 1002 имеет задержку, равную около ΔТ, на оптическом пути между его двумя соответствующими плечами и разность фаз, т.е. сдвиг, равный ϕ₀, при этом

T_S означает период символа сигнала, sps означает число выборок на символ, которые берут аналогово-цифровые преобразователи 1041, 1042 и 1043, m означает целое число от 1 до sps, а ϕ0 означает произвольно выбранное число. В этом случае между областью дисперсии (FSR), т.е. 1/ΔТ ОИЗ 1002 и 1003 и скоростью передачи символов сигнала (SR) существует следующая зависимость:

Следует отметить, что по результатам численного моделирования было установлено, что предпочтительно, чтобы величина sps составляла 4, а величина m может составлять 1, 2, 3 или 4. Это объясняется тем, что sps менее 4 обычно недостаточно для достаточно точного представления формы сигнала с учетом описанных далее процедур, а sps более 4 обеспечивает лишь пренебрежимо малое улучшение.

В одном из вариантов осуществления изобретения может быть достигнута разность задержек путем регулирования одного плеча интерферометра таким образом, чтобы суммарная разность длин составляла ΔТ*С/n, при этом С означает скорость света в вакууме, а n означает коэффициент преломления среды плеча, после чего затем дополнительно регулируют длину, чтобы получить фазовый сдвиг ϕ0. Следует отметить, что на практике, поскольку фазовый сдвиг ϕ0 соответствует очень небольшой разности длин, доля фазового сдвига может в действительности быть несколько больше или меньше, в результате чего общая длина равна ϕ0 плюс или минус кратная 2π величина. Таким образом, хотя длина и не составляет точно ϕ0, изменение фазы действительно равно ϕ0.

Общее изменение длины, используемое с целью достижения действительного изменения длины ϕ0, может составлять несколько процентов от длины ΔТ·С/n. Хотя допустима даже величина вплоть до 25 процентов, она составляет менее 10 процентов, и, разумеется, чем точнее может быть выбрана длина, соответствующая желаемой действительной длине, тем лучше будут характеристики. В других вариантах осуществления изобретения необходимая задержка может быть поделена между плечами при условии, что достигнута требуемая задержка и разность фаз. Специалисты в данной области техники легко поймут, как создать соответствующее приспособление для реализации ОИЗ 1002.

Хотя в качестве сдвига фаз ϕ0 может использоваться любая величина, для обеспечения совместимости с обычными приемниками, как это пояснено далее, могут преимущественно применяться некоторые величины ϕ0. Например, оптимальной величиной ϕ₀ для DQPSK является π/4 и 0 для DBPSK.

ОИЗ 1003 сходен с ОИЗ 1002 в том, что имеет задержку около ΔТ между его двумя соответствующими плечами, но сдвиг фаз между его плечами составляет ϕ0 - π/2. Таким образом, разность между сдвигами фаз ОИЗ 1002 и 1003 составляет π/2 и считается, что ОИЗ 1002 и 1003 имеют ортогональные сдвиги фаз.

Балансные детекторы 1011 и 1013 интенсивности представляют собой обычные детекторы интенсивности. Обычно каждый из балансных детекторов 1011 и 1013 интенсивности состоит из пары согласованных фотодиодов. Балансные детекторы 1011 и 1013 интенсивности преобразуют выходной сигнал каждого из плеч ОИЗ 1002 и 1003 в электрическое представление. Таким образом, балансные детекторы 1011 и 1013 интенсивности обеспечивают электрическую версию действительной и мнимой частей сигнала сложной формы, которая содержит информацию о разности фаз между двумя положениями, разделенными ΔТ, принимаемого оптического сигнала.

Фотодиод 1015 осуществляет обычное прямое детектирование интенсивности и тем самым обеспечивает профиль распределения интенсивности принимаемого оптического сигнала в электрической форме.

Усилители 1021, 1022 и 1023 усиливают выходные сигналы, поступающие из балансного детектора 1011 интенсивности, балансного детектора 1013 интенсивности и фотодиода 1015 соответственно. Обычно усилители 1021, 1022, и 1023 преобразуют выходной ток различных фотодиодов балансного детектора 1011 интенсивности, балансного детектора 1013 интенсивности и фотодиода 1015 соответственно в соответствующие напряжения. С этой целью в качестве усилителей 1021, 1022 и 1023 могут использоваться управляемые током усилители напряжения. Кроме того, усилители 1021 и 1022 могут представлять собой дифференциальные усилители. После усиления каждый из выходных сигналов обычно является несимметричным. С целью нормализации формы электрического сигнала до оцифровывания могут использоваться оптические контроллеры 1031, 1032, 1033 с автоматической регулировкой усиления (КАРУ).

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) 1041, 1042 и 1043 осуществляют "дискретизацию" усиленных сигналов с целью получения цифрового представления усиленных сигналов. Обычно АЦП 1041, 1042 и 1043 имеют одинаковое разрешение, например 8 битов.

Согласно одной из особенностей изобретения блок 1050 цифровой обработки сигнала принимает цифровое представление усиленных сигналов и формирует цифровое представление профилей распределения амплитуды и фаз принимаемого оптического сигнала. Такое формирование осуществляет, в частности, блок 1051 реконструкции. Кроме того, согласно другой особенности изобретения блок 1050 цифровой обработки сигнала может формировать цифровое представление оптического сигнала в исходной форме, в которой он был передан до того, как его качество подверглось искажениям при прохождении по каналу, путем цифровой компенсации различных искажений передачи оптического сигнала, например хроматической дисперсии и(или) фазовой автомодуляции. Такое восстановления осуществляет блок 1052 восстановления. Наконец, блок 1053 демодуляции и восстановления данных осуществляет демодуляцию и преобразование в фактические биты.

Далее рассмотрен пример способа восстановления полного комплексного поля оптического сигнала путем сочетания прямого дифференциального детектирования с цифровой обработкой сигнала согласно принципам изобретения с использованием показанного на фиг.1 устройства. Сначала получают профиль распределения интенсивности поля принимаемого оптического сигнала путем прямого детектирования интенсивности с помощью фотодиода 1015. Профиль распределения интенсивности, обозначенный как I(t), вычисляют согласно следующему уравнению:

в котором y(t) означает комплексное поле принимаемого оптического сигнала при поступлении в разветвитель 1001, а * означает комплексно сопряженное число.

Выходные сигналы балансных детекторов 1011 и 1013 представляют собой аналоговые представления соответственно действительной u_real(t) мнимой u_imag(t) частей следующего сигнала сложной формы, который содержит информацию о разности фаз между двумя положениями по времени, разделенными ΔТ

с использованием следующих определений:

После усиления аналоговых представлений действительной и мнимой частей сигнала u(t) сложной формы их преобразуют в цифровые представления путем дискретизации, например, с помощью АЦП 1041 и 1042. Аналогичным образом усиливают профиль распределения интенсивности, также преобразуют его в цифровое представление путем дискретизации, например, с помощью АЦП 1043. АЦП 1041 и 1042 можно рассматривать как блок АЦП, который также может включать АЦП 1043. Дискретизацию сигнала сложной формы и профиля распределения интенсивности осуществляют в следующих положениях по времени (t_s):

при этом t₁ означает начальное произвольное положение по времени, а n означает произвольно выбранное число, используемое, чтобы показать, как обобщается уравнение применительно к любой позиции бита.

Например, при sps=4 положения дискретизации по времени являются следующими:

После получения цифровых представлений действительной и мнимой частей u_real(t_S) и u_imag(t_S) сигнала сложной формы их направляют в блок 1050 цифровой обработки сигнала. Аналогичным образом после получения цифрового представления интенсивности сигнала I(t_S) его также направляют в блок 1050 цифровой обработки сигнала.

Для реконструкции профилей распределения амплитуды и фаз принимаемого оптического сигнала в блоке 1051 реконструкции сначала используют цифровые выборки. Эта стадия реконструкции может включать следующие процедуры.

Во-первых, из группы выборок каждого дискретизированного сигнала I(t_S), u_real(t_S) и u_imag(t_S) формируют "кадр" для их совместной обработки. Размер кадра, т.е. число символов, выборка которых осуществляется, выбирают большим, чем максимальное число символов оптического сигнала, которые влияют друг на друга вследствие хроматической дисперсии или других эффектов во время передачи оптического сигнала. Следует отметить, что под взаимным влиянием подразумевается, что импульсы, которые образуют символы, перекрывают друг друга в результате расширения импульсов вследствие дисперсионной способности волокна. Например, в случае передаваемого в режиме DQPSK со скоростью 20 Гбит/с сигнала, подверженного хроматической дисперсии 17 000 пс/нм, что соответствует дисперсии, которую создавало бы стандартное одномодовое волокно длиной 1 000 км, максимальное число взаимно влияющих символов оптического сигнала составляет около 30. Для такой иллюстративной ситуации соответствующий размер кадра может составлять 64 символа или 64·sps выборок.

Во-вторых, может потребоваться компенсировать эффект фильтрации вследствие ограничений по полосе пропускания фотодетекторов 1011, 1013 и 1015 и АЦП 1041 1042 и 1043 путем обратной фильтрации цифровых сигналов. Иными словами, в отношении цифрового сигнала в цифровой форме осуществляют функцию, обратную передаточной функции фильтра вследствие наложения характеристик фотодетекторов и характеристик.

В-третьих, фазовая постоянная, которая соответствует разностям фаз между выборками оптического сигнала, разделенными интервалом ΔТ по времени Δφ(t_s)=φ(t_s)-φ(t_s-ΔT) в соответствии с уравнением 3, может быть определена согласно следующему уравнению:

Отмечаем, что, хотя и необходимо знать значение ϕ₀, в результате решения уравнения 5 эффективно устраняется влияние ϕ₀ при определении фазовой постоянной, так что ϕ₀ может иметь любое произвольное значение. Значение ϕ₀ можно определить путем практического поиска, например автоматического поиска, при котором значение ϕ₀ меняется, пока не будет найдено оптимальное предполагаемое значение. Предполагаемое значение, при котором частота появления ошибочных битов является минимальной, выбирают в качестве оптимального предполагаемого значения. Альтернативно в качестве оптимального предполагаемого значения может быть выбрано предполагаемое значение, которое обеспечивает наилучший восстановленный спектр оптического сигнала, как это описано далее. Другая возможность состоит в том, что вместо осуществления поиска могут быть вычислены все результаты с использованием различных значений ϕ₀ в интервале от 0 до 2π, и предполагаемое значение ϕ₀, обеспечивающее наилучший результат, может быть выбрано в качестве оптимального предполагаемого значения. В этом случае можно непосредственно и, следовательно, по возможности быстрее приблизиться к значению ϕ₀. Например, вычисление может осуществляться для 40 возможных применимых значений ϕ₀ с интервалами между каждым применимым значением, равным 0,05 π.

В-четвертых, теоретически профиль распределения фаз сигнала в каждой соответствующей "подгруппе" выборок внутри кадра, состоящей из тех выборок кадра, интервал между которыми составляет ΔТ или кратное ему целое число, можно получить исходя из разностей оптических фаз соседних выборок оптического сигнала внутри подгруппы согласно следующему уравнению:

в котором n означает положение конкретной выборки внутри подгруппы, а при n=0 сумму не вычисляют.

На практике вместо прямого определения фазы достаточно просто определить фазовые постоянные согласно следующему уравнению:

в котором n означает положение конкретной выборки внутри подгруппы, а при n=0 сумму не вычисляют. Фазовые постоянные обеспечивают фазовую корреляцию выборок внутри каждой подгруппы. Вместе с тем, еще не известно соотношение фаз в подгруппах. Таким образом, необходимо определить разности фаз m-1. После того как определено соотношение фаз у разделенных одинаковыми интервалами выборок в подгруппах, например первых выборок, т.е. выборок, у которых n=0, можно целиком определить соотношение фаз у всех выборок. Например, при n=0 следует определить разности между каждой соседней парой членов уравнения 6 до суммирования, например,

Соотношение фаз у разделенных одинаковыми интервалами выборок в этих подгруппах может быть рассчитано следующим способом. В качестве применимой разности фаз для применимой пары, состоящей из любых двух этих выборок, выбирают начальную разность фаз, которая может иметь любое значение от 0 до 2π из всех возможных сдвигов фаз, чтобы получить "пробное соотношение фаз" у всех выборок в кадре. Начальная разность фаз может составлять от 0 до 2π, поскольку - это интервал действительной разности фаз. Было установлено, что приемлемой начальной применимой разностью фаз является 0,1π. Кроме того, поскольку методом поиска будут испытываться различные применимые сдвиги фаз с целью определения наилучшего из них, необходимо выбрать разрешение, для которого будут выбраны применимые сдвиги фаз. Установлено, что оптимальным значением разрешения является 0,1π. После этого реконструируют поле оптического сигнала, чтобы получить пробный реконструированный оптический сигнал исходя из выбранной разности фаз и известного профиля распределения интенсивности I(t_s). Это может быть достигнуто путем решения следующего уравнения:

в котором E_r(t_s) означает реконструированный сигнал для текущего набора значений, который является текущим расчетом принимаемого оптического сигнала.

Затем определяют спектр оптической мощности пробного реконструированного сигнала путем преобразования Фурье, которое осуществляют в отношении пробного реконструированного сигнала. Определяют мощность той части пробного реконструированного сигнала, которая находится в интервале частот [-SR, +SR] вокруг средней частоты сигнала. Эту операцию повторяют, выбирая новый применимый сдвиг фаз, например увеличивая предыдущий применимый сдвиг фаз. В качестве наилучшего расчета у разделенных одинаковыми интервалами выборок в этих подгруппах выбирают набор "пробных" сдвигов фаз, который обеспечивает максимальную спектральную плотность мощности в интервале [-SR, +SR] вокруг средней частоты сигнала. Затем исходя из наилучшего расчета может быть выбрано соотношение фаз у всех выборок в кадре.

Альтернативно, в качестве наилучшего расчета у разделенных одинаковыми интервалами выборок в этих подгруппах выбирают набор пробных сдвигов фаз, который обеспечивает минимальную спектральную плотность мощности вне интервала [-SR, +SR] вокруг средней частоты сигнала. Затем исходя из наилучшего расчета может быть выбрано соотношение фаз у всех выборок в кадре.

В одном из вариантов осуществления изобретения может быть желательно, чтобы ΔT=T_s/sps. В этом случае задержка ДТ равна частоте выборки m=1, и следовательно, кадр состоит только из одной подгруппы, поэтому все выборки имеют определенное соотношение фаз с непосредственно примыкающими к ним выборками. В таком варианте осуществления изобретения фазы всех выборок в кадре теоретически можно определить непосредственно путем решения следующего уравнения:

которое является частным случаем уравнения 6, т.е. вычисления осуществляют только для первой подгруппы, которая является единственной подгруппой.

На практике вместо непосредственного определения фаз достаточно лишь определить фазовые постоянные для каждой из выборок с помощью следующего уравнения:

которое является частным случаем уравнения 7, т.е. вычисления осуществляют только для первой подгруппы, которая является единственной подгруппой.

Наконец, исходя из полученной фазовой постоянной и профиля распределения интенсивности I(t_s), можно получить цифровое представление поля принимаемого оптического сигнала E_R(t_s) с помощью следующего уравнения:

В одном из вариантов осуществления изобретения, показанном на фиг.2, когда величина ΔT достаточно мала по сравнению с периодом T_s символа, профиль распределения интенсивности можно аппроксимировать на , в результате чего

или предпочтительно

Отмечаем, что величину ΔT можно считать достаточно малой, если она по меньшей мере в два раза меньше периода символа, т.е. ΔT≤T_S/2. При sps=4 предпочтительно ΔT=T_S/4.

Использование этой аппроксимации означает, что фотодиод 1015, усилитель 1023, необязательный контроллер 1033 с автоматической регулировкой усиления и аналогово-цифровой преобразователь 1043 не требуются и, следовательно, не показаны на фиг.2. Оптический разветвитель 1×3 1001 также заменен более простым оптическим разветвителем 1×2 2001, поскольку нет нужды в ветви для определения интенсивности и, следовательно, требуются лишь две копии.

После того как блоком 1051 реконструкции сформировано поле оптического сигнала в цифровом представлении, блок 1052 восстановления может вывести цифровое представление E_T(t_s) поля оптического сигнала в первоначальном состоянии после передачи передатчиком. Для этого блок 1052 восстановления электронным способом компенсирует различные искажения, такие как искажение вследствие хроматической дисперсии, и согласно одной из особенностей изобретения фазовой автомодуляции (ФАМ) и сочетаний хроматической дисперсии и ФАМ, которым подвергается передаваемый сигнал на пути до приемника.

Когда искажение сигнала вызвано в основном хроматической дисперсией, блок 1052 восстановления может восстановить исходное поле оптического сигнала путем решения следующего уравнения:

в котором F(x) и соответственно означают преобразование Фурье и обратное преобразование Фурье сигналов x и y, ƒ(D_total) означает частотно-зависимое видоизменение оптической фазы сигнала вследствие дисперсионного эффекта в результате дисперсии, величина которой равна D, а знак "-" означает устранение дисперсионного эффекта. Проще говоря, может быть осуществлена аппроксимация обычными способами с использованием фильтром с конечной импульсной характеристикой (КИХ).

Когда искажение сигнала происходит преимущественно только вследствие ФАМ, оно может быть компенсировано в одном из вариантов осуществления, в котором блок 1052 восстановления решает следующее уравнение:

в котором F(x) и соответственно, как и ранее, означают преобразование Фурье и обратное преобразование Фурье сигналов x и y, ΔΦ_NL означает общую нелинейность фазовой характеристики вследствие ФАМ, а знак минус означает устранение дисперсионного эффекта.

Когда искажение сигнала вызвано как хроматической дисперсией, так и ФАМ, такое сочетание хроматической дисперсии и ФАМ может быть компенсировано в одном из вариантов осуществления изобретения, в котором блок 1052 восстановления рассматривает волоконно-оптическую линию связи, соединяющую передатчик и приемник, как состоящую из энного числа сегментов с одинаковыми эффектами дисперсии и ФАМ в каждом из них, при этом ближайший к передатчику сегмент считается первым сегментом, а ближайший к приемнику сегмент считается энным сегментом. Затем блок 1052 восстановления получает цифровое представление исходного оптического поля посредством итеративного процесса, воплощенного следующим псевдокодом:

при n=от N до 1

конец

в котором E(t_s,N) означает восстановленное оптическое поле в начале энного сегмента, ΔФ_NL означает общую нелинейность фазовой характеристики вследствие ФАМ.

После восстановления исходного оптического поля в цифровом представлении блок 1053 демодуляции и восстановления данных дополнительно обрабатывает его. Например, когда оптический сигнал модулирован в формате DQPSK, в результате обычного процесса оптической демодуляции DQPSK получают искомые переменные для совпадающих (I) и сдвинутых по фазе на 90 градусов (Q) потоков данных путем решения следующего уравнения:

После получения искомых переменных может быть принято решение о восстановлении исходных потоков I- и Q-данных, передаваемых передатчиком, с помощью следующего уравнения:

в котором t_d означает время принятия решения, a V_th означает порог принятия решения, который обычно составляет около нуля.

Как без труда поймут специалисты в данной области техники, для получения информации о том, насколько успешно процессы реконструкции и восстановления обеспечивают восстановление исходного оптического сигнала, может необязательно использоваться контроль рабочих характеристик приемника. Кроме того, может применяться управление с обратной связью с целью оптимизации каждой стадии процессов реконструкции и восстановления. Например, в случае, когда φ0 медленно меняется с течением времени, например, вследствие ухода несущей частоты оптического сигнала в передатчике или индуцированных температурой изменений длины пути в ОИЗ, уравнение (5) может быть динамически скорректировано с использованием управления с обратной связью с тем, чтобы всегда находить наилучшее предполагаемое значение меняющегося со временем φ0 и тем самым точно определять фазовую постоянную.

Как поймут специалисты в данной области техники, настоящее изобретение применимо при относительной фазовой манипуляции (ОФМн) с оптическими сигналами, такой как двухпозиционная относительная фазовая манипуляция (DBPSK) и квадратурная относительная фазовая манипуляция (DQPSK), поскольку при ОФМн обычно используют ОИЗ и балансное детектирование. Кроме того, настоящее изобретение также применимо при амплитудной манипуляции (АМн), комбинированной ОФМн/АМн и относительной квадратурной амплитудной модуляции (QAM).

Изобретение относится к области и средствам получения цифровой версии оптического сигнала. Техническим результатом изобретения является повышение точности обработки оптического сигнала. В заявке описано получение цифровой версии амплитуды и фазы принимаемого оптического сигнала путем применения прямого дифференциального детектирования и цифровой обработки сигнала. Сигнал делят на три копии. Получают профиль распределения интенсивности с использованием одной из копий. Получают фазы путем подачи каждой копии в соответствующий оптический интерферометр с задержкой, имеющий ортогональные сдвиги фаз, за которыми расположены балансные детекторы интенсивности. Выходной сигнал каждого из балансных детекторов интенсивности и профиль распределения интенсивности преобразуют в цифровые представления. Для получения данных фазы из цифровых представлений выходных сигналов балансных детекторов интенсивности используют обработку сигналов. 2 н. и 35 з.п., 2 ил.

1. Оптический приемник, содержащий
приемник прямого дифференциального детектирования, который в качестве входного сигнала способен принимать входящий оптический сигнал и формировать аналоговые представления действительной и мнимой частей сигнала сложной формы в качестве выходного сигнала, содержащего информацию о разности фаз между множеством положений по времени входящего оптического сигнала, которые разделены заданным интервалом, и
процессор для обработки сигналов, связанный с упомянутым приемником прямого дифференциального детектирования и обеспечивающий формирование цифрового представления профиля распределения интенсивности и фаз, отображающего входящий оптический сигнал.

2. Приемник по п.1, в котором для обработки сигналов дополнительно содержит средство компенсации по меньшей мере одного искажения передачи упомянутого цифрового представления профиля распределения интенсивности и фаз, отображающего входящий оптический сигнал, вносимого в принимаемый оптический сигнал каналом передачи принимаемого оптического сигнала.

3. Приемник по п.1, в котором процессор для обработки сигналов дополнительно содержит средство, воспринимающее упомянутое цифровое представление профиля распределения интенсивности и фаз, отображающего входящий оптический сигнал, и осуществляющее демодуляцию и восстановление данных.

4. Приемник по п.1, в котором процессор для обработки сигналов способен определять величину фазы, которая соответствует разностям оптических фаз между выборками упомянутого сигнала сложной формы, разделенными упомянутым заданным интервалом.

5. Приемник по п.1, в котором процессор для обработки сигналов способен получать выборки упомянутого сигнала сложной формы в положениях по времени для каждого бита, которые заданы следующим уравнением:

в котором t₁ означает начальное произвольное положение по времени, а n означает произвольно выбранное число.

6. Приемник по п.1, в котором упомянутый приемник прямого дифференциального детектирования дополнительно содержит блок прямого детектирования интенсивности, способный получать профиль распределения интенсивности входящего оптического сигнала.

7. Приемник по п.1, дополнительно содержащий аналогово-цифровой преобразователь, который способен преобразовывать упомянутые действительную и мнимую части сигнала сложной формы в их соответствующие цифровые представления и направлять это цифровое представление действительной и мнимой частей сигнала сложной формы в процессор для обработки сигналов.

8. Приемник по п.7, в котором упомянутый приемник прямого дифференциального детектирования дополнительно содержит по меньшей мере один фотодетектор, а процессор для обработки сигналов осуществляет функцию, обратную передаточной функции фильтра вследствие наложения собственной характеристики фотодетектора и собственной характеристики аналогово-цифрового преобразователя применительно по меньшей мере к одному из упомянутых цифровых представлений действительной и мнимой частей сигнала сложной формы.

9. Приемник по п.7, дополнительно содержащий блок автоматической регулировки усиления, расположенный между упомянутыми приемником прямого дифференциального детектирования и аналогово-цифровым преобразователем.

10. Приемник по п.7, в котором процессор для обработки сигналов способен обрабатывать группу выборок упомянутого цифрового представления действительной и мнимой частей сигнала сложной формы, которые одновременно поступают из аналогово-цифрового преобразователя.

11. Приемник по п.1, в котором упомянутый приемник прямого дифференциального детектирования дополнительно содержит несколько оптических интерферометров с задержкой.

12. Приемник по п.11, в котором по меньшей мере один из оптических интерферометров с задержкой имеет задержку, примерно равную упомянутому заданному интервалу.

13. Приемник по п.11, в котором по меньшей мере два из упомянутых оптических интерферометров с задержкой имеют ортогональные сдвиги фаз.

14. Приемник по п.11, в котором по меньшей мере два из упомянутых оптических интерферометров с задержкой имеют операционные задержки, не равные друг другу, при этом каждая из этих задержек примерно равна упомянутому заданному интервалу.

15. Приемник по п.11, в котором два из оптических интерферометров с задержкой имеют операционные задержки, не равные друг другу, и разность между задержками, которая соответствует разности оптических фаз, составляющей π/2.

16. Приемник по п.11 в котором упомянутый приемник прямого дифференциального детектирования дополнительно содержит по меньшей мере два балансных детектора интенсивности, каждый из которых связан с соответствующим одним из упомянутых оптических интерферометров с задержкой.

17. Приемник по п.11, дополнительно содержащий аналогово-цифровой преобразователь для преобразования по меньшей мере упомянутых действительной или мнимой частей сигнала сложной формы в цифровое представление и направления этого цифрового представления действительной и мнимой частей сигнала сложной формы в процессор для обработки сигналов, при этом упомянутый заданный интервал составляет
,
где m является целым числом,
T_s означает период символа входящего оптического сигнала, sps означает число выборок на символ, которые берет упомянутый аналогово-цифровой преобразователь для преобразования упомянутых действительной или мнимой частей сигнала сложной формы в цифровое представление, m является целым числом от 1 до sps, а упомянутый сигнал сложной формы равен

при этом u_real(t) и u_imag(t) соответственно означают упомянутые действительную и мнимую части сигнала сложной формы.

18. Приемник по п.17, в котором процессор для обработки сигналов способен определять профиль распределения фаз сигнала в каждой соответствующей подгруппе выборок внутри кадра, при этом каждая подгруппа содержит те выборки упомянутого кадра, интервал между которыми составляет ΔТ или кратное ему целое число, а упомянутый профиль распределения фаз сигнала получают, исходя из разности оптических фаз соседних выборок внутри каждой подгруппы, согласно следующему уравнению

в котором n означает положение конкретной выборки внутри подгруппы, а при n=0 сумму не вычисляют.

19. Приемник по п.18, в котором t_s является положением по времени, а процессор для обработки сигналов вычисляет упомянутое цифровое представление поля принимаемого оптического сигнала E_r(t_s) путем решения уравнения в котором I(t_s) означает профиль распределения интенсивности входящего оптического сигнала в момент времени t_s, a ϕ(t_s) означает фазу в момент времени t_s.

20. Приемник по п.18, дополнительно содержащий блок прямого детектирования интенсивности, связанный с аналогово-цифровым преобразователем и формирующий упомянутый профиль распределения интенсивности.

21. Приемник по п.18, в котором в момент времени t_s упомянутый профиль распределения интенсивности приближен на абсолютное значение u(t_s).

22. Приемник по п.17, в котором процессор для обработки сигналов способен определять соотношение фаз у разделенных одинаковыми интервалами выборок в каждой из соответствующих m подгрупп, при этом в каждую подгруппу входят выборки упомянутого кадра с интервалом между ними, равным ΔT или кратному ему целому числу.

23. Приемник по п.17, в котором процессор для обработки сигналов способен определять соотношение фаз у разделенных одинаковыми интервалами выборок m подгрупп, при этом в каждую подгруппу входят выборки упомянутого кадра с интервалом между ними, равным ΔТ или кратному ему целому числу.

24. Приемник по п.23, в котором процессор для обработки сигналов способен определять упомянутое соотношение фаз у выборок только первой подгруппы, которая является единственной подгруппой.

25. Приемник по п.23, в котором процессор для обработки сигналов способен определять соотношение фаз у разделенных одинаковыми интервалами выборок всех из упомянутых m подгрупп, исходя из анализа спектров оптической мощности набора пробных реконструированных сигналов на основе упомянутых подгрупп, в результате чего определяют все соотношения фаз у упомянутых выборок входящего оптического сигнала.

26. Приемник по п.25, в котором по результатам упомянутого анализа спектров оптической мощности набора пробных реконструированных сигналов получают пробный реконструированный сигнал с максимальной спектральной плотностью оптической мощности в интервале [-SR, +SR] вокруг средней частоты входящего сигнала среди упомянутого набора пробных реконструированных сигналов, при этом SR означает скорость передачи символов входящего оптического сигнала.

27. Приемник по п.25, в котором по результатам упомянутого анализа спектров оптической мощности набора пробных реконструированных сигналов получают пробный реконструированный сигнал с минимальной спектральной плотностью оптической мощности вне интервала [-SR, +SR] вокруг средней частоты входящего сигнала среди упомянутого набора пробных реконструированных сигналов, при этом SR означает скорость передачи символов входящего оптического сигнала.

28. Приемник по п.17, в котором процессор для обработки сигналов способен определять профиль распределения фазовой постоянной сигнала для каждой соответствующей подгруппы выборок внутри кадра, каждая из которых состоит из тех выборок кадра, интервал между которыми составляет ΔT или кратное ему целое число, при этом упомянутую фазовую постоянную сигнала получают, исходя из разностей оптических фаз соседних выборок оптического сигнала внутри каждой подгруппы, согласно следующему уравнению:

в котором n означает положение конкретной выборки внутри подгруппы, а при n=0 сумму не вычисляют.

29. Приемник по п.28, в котором процессор для обработки сигналов вычисляет упомянутое цифровое представление поля принимаемого оптического сигнала в зависимости от упомянутого профиля фазовой постоянной сигнала и цифровое представление профиля распределения интенсивности входящего оптического сигнала.

30. Приемник по п.28, в котором t_s является положением по времени, а процессор для обработки сигналов вычисляет упомянутое цифровое представление поля принимаемого оптического сигнала E_r(t_s) путем решения уравнения

в котором I(t_s) означает профиль распределения интенсивности входящего оптического сигнала в момент времени t_s, а означает фазовую постоянную в момент времени t_s.

31. Приемник по п.30, дополнительно содержащий блок прямого детектирования интенсивности, связанный с аналогово-цифровым преобразователем и формирующий упомянутый профиль распределения интенсивности.

32. Приемник по п.30, в котором в момент времени t_s упомянутый профиль распределения интенсивности приближен на абсолютное значение u(t_s).

33. Приемник по п.30, в котором в момент времени t_s упомянутый профиль распределения интенсивности приближен на квадратный корень абсолютного значения u(t_s)

34. Приемник по п.30, в котором процессор для обработки сигналов дополнительно способен осуществлять компенсацию по меньшей мере одного искажения передачи упомянутого цифрового представления поля принимаемого оптического сигнала, вносимого каналом передачи принимаемого оптического сигнала.

35. Приемник по п.34, в котором процессор для обработки сигналов дополнительно способен осуществлять демодуляцию и восстановление данных.

36. Способ использования оптического приемника, включающий шаги, на которых:
формируют аналоговое представление действительной и мнимой частей сигнала сложной формы, содержащее информацию о разности фаз между множеством положений по времени оптического сигнала, который поступает в упомянутый оптический приемник, при этом эти положения разделены заданным интервалом, преобразуют упомянутое аналоговое представление в цифровое представление, в зависимости от этого цифрового представления формируют профиль распределения интенсивности и фаз, представляющий входящий оптический сигнал, и подают выходной сигнал, отображающий информацию, представленную входящим оптическим сигналом.

37. Способ по п.36, в котором на упомянутом шаге подачи выходного сигнала дополнительно компенсируют по меньшей мере одно искажение передачи упомянутого цифрового представления, вносимое в принимаемый оптический сигнал каналом передачи принимаемого оптического сигнала.