CN102427387A - 光通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光通信方法，包括：对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；将所述差分编码信号变换为电信号；以及将所述电信号映射到光载波上形成光信号后发送。利用该方法，可以在不降低频谱利用率的前提下，增强系统对抗载波间干扰的能力，因此提高现有光通信系统对抗激光器线宽、快变PMD、光纤非线性、信道间干扰以及其他损伤的容忍度，极大提高了系统性能。

Description

光通信方法和系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，更为具体地，涉及一种基于差分编码的光通信方法和系统。

背景技术

为了提高光传输系统的频谱利用率，人们提出了多载波技术。迄今为止，主要包括利用WDM、OFDM以及2010年由贝尔实验室提出的super channel。

其中，WDM是波分复用的英文简称，载波间隔一般在几十GHz量级。OFDM是正交频分复用的英文简称，自无线通信引入到光通信中，目前有传统OFDM和全光OFDM之分，前者是将电域产生的OFDM信号加载到光载波上，子载波间隔因此很小，一般在MHz量级，而后者是全在光域产生，类似于WDM系统，但是子载波间隔更小，载波数相对较少。Super channel是基于一个光源产生的多个相位锁定的子载波，目的在于大幅度提高系统的频谱利用率。

然而，目前已经报道的多载波光通信系统主要是相移键控(PSK)调制技术或者正交幅度(QAM)调制技术，没有涉及到差分编码调制技术，例如差分幅度相移键控(DAPSK)调制技术。不管是采用PSK或者QAM编码的多载波系统，都会涉及载波间干扰的问题，针对具体的系统，又有相应各种方法进行补偿。

在目前的研究热点-光OFDM系统中，由于采用常规调制方式获得的OFDM信号具有较高的峰值功率比，光纤非线性引入的影响就成为了难以解决的问题。对于传统的PSK或者QAM编码的OFDM信号，一般是使用训练序列、导频子载波，或者单独插入一个射频信号，利用这些已知数据进行信道估计、相位噪声补偿等，这一方面增加了数据冗余度，降低了频谱利用率，另一方面导致接收端的数字信号处理过程变得复杂。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于差分编码的光通信方法及系统。利用该方法及系统，可以在不降低频谱利用率的前提下，增强系统对抗载波间干扰的能力，从而提高现有光通信系统对抗激光器线宽、快变PMD、光纤非线性以及其他损伤的容忍度。

根据本发明的一个方面，提供了一种光通信方法，包括：对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；将所述差分编码信号变换为电信号；以及将所述电信号映射到光载波上形成光信号后发送。

在上述方面的一个示例中，在所述电信号是多载波信号的情况下，对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号的步骤可以包括：如果在时域中进行所述差分编码，则对所述调制信号中的相邻码元的同一个子载波进行差分编码，或者如果在频域中进行所述差分编码，则对所述调制信号中的同一个码元的相邻子载波进行差分编码。

在上述方面的另一示例中，在所述电信号是单载波信号的情况下，对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号的步骤可以包括：对所述调制信号中的相邻码元进行差分。

在上述方面的另一示例中，所述比特流数据采用幅度相位键控(APSK)进行调制。

在上述方面的一个示例中，在时域中进行所述差分编码时，所述方法还可以包括：在进行所述差分编码之前，对所述调制信号进行串/并转换，以将所述调制信号变换为并行信号；以及在完成所述差分编码之后，对所述差分编码信号进行傅里叶反变换、添加循环前缀并进行并/串转换，以得到差分编码后的OFDM数据信号。

在上述方面的一个示例中，在频域中进行所述差分编码时，所述方法还可以包括：在完成所述差分编码之后，对所述差分编码信号进行串/并转换、傅里叶反变换、添加循环前缀并进行并/串转换，以得到差分编码后的OFDM数据信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种光通信方法，包括：在发送端，对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；将所述差分编码信号变换为电信号；以及将所述电信号映射到光载波上形成光信号后发送，以及在接收端，将所述接收的光信号转换为对应的电信号；对所述光电转换后的电信号进行差分解码；以及将经过所述差分解码处理后的电信号进行解调，以得到所述比特流数据。

根据本发明的一个方面，提供了一种发射机，包括：调制单元，用于对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；差分编码单元，用于对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；变换单元，用于将所述差分编码信号变换为电信号；映射单元，用于将所述电信号映射到光载波上形成光信号；以及发送单元，用于发送所生成的光信号。

在上述方面的一个示例中，在所述电信号是多载波信号的情况下，如果在时域中进行所述差分编码，则所述差分编码单元对所述调制信号中的相邻码元的同一个子载波进行差分编码，或者如果在频域中进行所述差分编码，则所述差分编码单元对所述调制信号中的同一个码元的相邻子载波进行差分编码。

在上述方面的一个示例中，所述发射机还可以包括：第一串/并转换模块，用于在所述电信号是多载波信号且在时域中进行差分编码时，对所述调制信号进行串/并转换，以得到并行信号，或者在所述电信号是多载波信号且在时域中进行差分编码时，对所述差分编码信号进行串/并转换，以得到并行信号；IFFT模块，用于对所述差分编码单元输出的差分编码信号或所述串/并转换模块输出的并行信号进行傅里叶反变换；循环前缀添加模块，用于给经过傅里叶反变换后的信号添加循环前缀；以及第一并/串转换模块，用于对经过循环前缀添加处理后的信号进行并/串变换，以得到差分编码后的OFDM信号。

在上述方面的一个示例中，所述映射单元可以包括：第一激光源，用于产生光载波；以及光信号生成单元，用于将所述差分编码信号调制到光载波上转换为光信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种接收机，包括：接收单元，用于接收所述发射机发送的光信号；光电转换单元，用于将所述接收的光信号转换为对应的电信号；差分解码单元，用于对所述光电转换后的电信号进行差分解码；以及解调单元，用于对经过所述差分解码单元处理后的电信号进行解调，以得到所述比特流数据。

在上述方面的一个示例中，所述接收机还可以包括：第二串/并转换模块，用于将所述电信号从串行信号转换为并行信号；循环前缀移除模块，用于移除所述并行信号中的循环前缀；FFT模块，用于对所述移除循环前缀后的信号进行傅里叶变换；以及第二并/串转换模块，用于将经过FFT模块处理后的并行信号转换为串行信号供所述差分解码单元处理，或者将在所述差分解码单元对所述FFT模块输出的信号进行处理后得到的并行信号转换为串行信号。

根据本发明的另一方面，提供了一种光通信系统，包括：如上所述的发射机；以及如上所述的接收机。

利用上述根据本发明的基于差分编码的光通信方法及系统，由于在发送端进行了差分编码，可以在不降低频谱利用率的前提下，增强系统对抗载波间干扰的能力，因此提高现有系统对抗激光器线宽、快变PMD、光纤非线性、信道间干扰以及其他损伤的容忍度，极大提高了系统性能。此外，本发明不需要训练序列、导频子载波等已知数据的辅助进行信道估计等补偿算法，同时能改善系统性能，大大提高了系统的有效速率和频谱效率。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1是根据本发明实施例的基于差分编码的光通信系统的方框示意图；

图2A-2C是图1中的发射机中的差分编码过程的示意图；

图3A-3C是图1中的接收机中的差分解码过程的示意图；

图4是本发明如何产生频域差分APSK(f-DAPSK)和时域差分APSK(t-DAPSK)信号的示意图；

图5是本发明的f-DAPSK和t-DAPSK信号的生成和解调过程的原理示意图；

图6是根据本发明实施例产生的以16APSK信号为例的星座图；

图7是根据本发明实施例的以16APSK信号为例的产生APSK信号具体方式；

图8是根据本发明实施例的频域产生DAPSK信号的示意图；

图9是根据本发明实施例的时域产生DAPSK信号的示意图；

图10是根据本发明实施例的光DAPSK信号的生成过程的示意图；

图11是根据本发明实施例的相干映射产生光DAPSK信号的示意图；

图12是根据本发明实施例的直接检测光DAPSK信号的结构示意图；

图13是根据本发明实施例的相干检测光DAPSK信号的结构示意图；

图14是根据本发明实施例的在发射机处执行的方法的流程图；

图15是根据本发明实施例的在接收机处执行的方法的流程图；

图16示出了在背靠背地情况下Q值随接收机的OSNR的变化曲线图；

图17示出了不同累积色散下Q值代价的变化曲线图；

图18示出了经过480km传输后Q值随入射功率的变化曲线图；

图19示出了经过480km传输前后的光谱图；

图20示出了经过480km传输后Q值随入射功率的变化曲线图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施例进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了在不降低频谱利用率的前提下增强对抗载波间干扰的能力，根据本发明的光通信系统在发送端使用差分编码技术对要发送的比特流数据进行编码，并将所产生的差分编码电信号调制到光载波上作为光信号发送，并且在接收端利用对应的差分解码技术对所接收的光信号进行解码，从而得到所发送的比特流数据。利用本方法，通过在信号的发送端对信号进行差分调制，从而提高光通信系统对抗激光器线宽、快变PMD、光纤非线性及其他损伤的容忍度，提高通信系统的性能。

在下面的描述中，采用APSK调制技术作为示例来进行说明，但是要明白的是，也可以采用其它调制技术，比如QAM、BPSK、QPSK等。

图1示出了根据本发明的基于差分APSK(DAPSK)的光通信系统100的方框示意图。

如图1所示，所述光通信系统100包括发射机110和接收机120，其中，所述发射机110包括调制单元111、差分编码单元113、变换单元115、映射单元117以及发送单元119。所述接收机120包括接收单元121、光电转换装置122、差分解码单元125和解调单元127。

在发射机处，调制单元111对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号。所述比特流数据可以是从外界输入的，也可以是发射机110内部的数据信号源产生的。差分编码单元113对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号，并输送到变换单元115。变换单元115将所述差分编码数据变换为电信号。这里，所述变换单元115通常是指D/A变换单元，用于将数字信号变换为模拟电信号。

然后，映射单元117将所述电信号映射到光载波上形成光信号，并且通过发送单元119发送所生成的光信号。

下面将结合系统的逻辑结构对本发明的信号处理过程做进一步的说明。

差分编码电信号生成过程

关于如何基于比特流数据得到差分编码后的电信号，将如下结合图2A到2C来进行具体说明。

在所述电信号是多载波信号时，如图2A和2B所示，除了调制单元111、差分编码单元113和变换单元115之外，所述发射机还包括第一串/并转换单元、IFFT单元、循环前缀添加单元以及第一并/串转换单元。

在这种情况下，如果所述差分编码在时域中进行，则在进行差分编码时，对所述调制信号中的相邻码元的同一子载波进行差分，这种方式也称为时域差分编码。在这种情况下，如图2A所示，在调制单元111对所获取的比特流数据进行调制获得调制信号后，所述第一串/并转换单元对所述调制信号进行串/并转换，以得到并行信号。所述差分编码单元113对所述并行信号进行差分编码，然后所述IFFT单元对所述差分编码单元113输出的差分编码信号进行傅里叶反变换，以将所述信号从频域转换到时域。接着，循环前缀添加单元对经过上述傅里叶反变换后的信号添加循环前缀。然后，第一并/串转换单元将经过循环前缀添加处理后的并行信号转变换为串行信号(即，差分编码后的OFDM信号)，输出给D/A变换单元115。

如果所述差分编码在频域中进行，则在进行差分编码时，对所述调制信号中的同一码元的相邻子载波进行差分，这种方式也称为频域差分编码。在这种情况下，如图2B所示，在调制单元111对所获取的比特流数据进行调制获得调制信号后，所述差分编码单元113对所述调制信号进行差分编码。然后，所述第一串/并转换单元对所述差分编码信号进行串/并转换，以得到并行信号。然后，所述IFFT单元对所述第一串/并转换单元输出的并行信号进行傅里叶反变换，以将所述信号从频域转换到时域。接着，循环前缀添加单元对经过上述傅里叶反变换后的信号添加循环前缀。然后，第一并/串转换单元将经过循环前缀添加处理后的并行信号转变换为串行信号(即，差分编码后的OFDM信号)，输出给D/A变换单元115。

在所得到的差分编码后的电信号是单载波信号时，如图2C中所示，调制单元111对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号。然后，所述差分编码单元113对所述调制信号中的相邻码元进行差分编码，以得到差分编码信号。接着，所述D/A变换单元将所述差分编码信号变换为电信号。所生成的电信号可以通过单个光载波或者多个光载波发送。

映射过程

映射单元117用于将差分编码后得到的电信号映射到光载波上来形成光信号。

在所述比特流数据是直接检测光OFDM系统输入的比特流数据(即，所述发射机用于直接检测光OFDM系统中)时，所述映射单元117包括：第一激光源和光信号生成单元。所述第一激光源用于产生光载波；所述光信号生成单元用于将所述差分编码后的电信号调制到光载波上转换为光信号，以供发送单元发送。

在所述比特流数据是相干光OFDM系统输入的比特流数据(即，所述发射机用于相关光OFDM系统中)时，除了第一激光源、光信号生成单元之外，所述映射单元117还包括第一90度光相位偏置器，用于将所述转换后的光信号的相位改变90°。

在接收机120中，接收单元121用于接收所述发射机发送的光信号。光电转换单元123用于将所述接收的光信号转换为对应的电信号。差分解码单元125用于对所述光电转换后的电信号进行差分解码。解调单元127用于对经过所述差分解码单元处理后的电信号进行解调，以得到所述比特流数据。

其中，根据接收机220采用直接检测还是相干检测，光电转换装置123分为直接检测装置和相干检测装置。

直接检测装置包括光滤波器和光电二极管。

其中，光滤波器用于提取承载所需信号的光载波；光电二极管用于将光信号转化为电信号。

相干检测装置包括光滤波器、第二激光源、90度光混频器和光电二极管，还可以包括光耦合器。

其中，光滤波器用于提取光载波上的DAPSK光信号，激光源用于产生本地光载波；90度光混频器将滤波后的DAPSK光信号与本地光载波进行混频；光电二极管用于将混频后的DAPSK光信号转化为DAPSK电信号；激光源、90度光混频器以及光电二极管连接。

同样，与发射机中的上述情形类似，根据所得到的DAPSK电信号是单载波信号还是多载波信号，在得到DAPSK电信号后，采用不同的处理方式。

在所得到的DAPSK电信号是多载波信号时，如图3A和3B所示，所述接收机还包括第二串/并转换单元、循环前缀移除单元、FFT单元以及第二并/串转换单元。

如果所述差分编码在时域中进行，则在接收机处进行DAPSK电信号处理时，如图3A所示，所述第二串/并转换将所述电信号从串行信号转换为并行信号。循环前缀移除模块移除所述并行信号中的循环前缀。然后，所述FFT模块，用于对所述移除循环前缀后的信号进行傅里叶变换。所述差分解码单元对经过傅里叶变换后的并行信号进行差分解码。然后，第二并/串转换单元将在所述差分解码单元输出的并行信号转换为串行信号，并将该串行信号输出给解调单元进行解调。

如果所述差分编码在频域中进行，则在接收机处进行DAPSK电信号处理时，如图3B所示，所述第二串/并转换将所述电信号从串行信号转换为并行信号。循环前缀移除模块移除所述并行信号中的循环前缀。然后，所述FFT模块，用于对所述移除循环前缀后的信号进行傅里叶变换。所述第二并/串转换单元将经过FFT模块处理后的并行信号转换为串行信号。所述差分解码单元对转换后的串行信号进行差分解码，并将差分解码后的信号输出给解调单元进行解调。

在所得到的DAPSK电信号是单载波信号时，如图3C所示，首先，经过A/D变换单元，将所述DAPSK电信号从模拟信号变换为数字信号。然后，所述差分解码单元对所述数字信号进行差分解码，所述差分解码方式与发射机中的差分编码方式对应。然后，将差分解码后的数据输出到解调单元进行解调，以得到所述比特流数据。

在本发明使用的DAPSK调制格式中，不管是在频域还是时域产生的DAPSK信号，信号都不需要训练序列、导频子载波等已知数据，在接收端时，也没有额外的信道估计等补偿算法消耗。正是依赖于发送端引入的差分关系，本发明提供的上述基于DAPSK的多载波光通信方法和系统，不需要训练序列、导频子载波等已知数据的辅助进行信道估计等补偿算法，并且能有效降低载波间干扰，对抗激光器线宽、快变PMD、光纤非线性、信道间干扰以及其他损伤的容忍度。

图4为根据本发明实施例的在频域产生f-DAPSK和t-DAPSK信号的结构示意图。此结构示意图将信号按照时间方向和频率方向绘出，其中401表示纵轴，即频率轴，间隔为一个子载波，402表示横轴，即时间轴，间隔为一个码元。403表示一个码元内的一个子载波上承载的数据。404表示进行频域差分产生f-DAPSK的方向，即沿着同一个码元的相邻子载波。405表示进行时域差分产生t-DAPSK的方向，即沿着同一个子载波上承载的相邻码元。

图5是本发明的f-DAPSK和t-DAPSK信号的生成和解调过程的原理示意图，具体介绍了如何生成DAPSK信号以及如何实现非相干解调。如图5所示，501表示差分编码后的第i个码元第k个子载波上的复信号，502表示差分编码前的第i个码元第k个子载波上的复信号，503表示差分编码后的第i个码元第k-1个子载波上的复信号。因此，对于f-DAPSK信号而言，是针对同一个码元的相邻子载波的信息进行差分得到的。

504表示差分编码后的第i个码元第k个子载波上的复信号，505表示差分编码前的第i个码元第k个子载波上的复信号，506表示差分编码后的第i-1个码元第k个子载波上的复信号。因此，对于t-DAPSK信号而言，是针对同一个子载波上承载的相邻码元的信息进行差分得到的。

507表示接收端差分解码后的第i个码元第k个子载波上的信号，508表示接收到的第i个码元第k个子载波上的复信号，509表示接收到的第i个码元第k-1个子载波上的复信号，510表示发送端第i个码元第k个子载波上的复信号。511表示发送端第i个码元第k-1个子载波上的复信号，512表示第i个码元第k个子载波上的传输函数因子，513表示第i个码元第k-1个子载波上的传输函数因子，514表示发送端差分编码前的第i个码元第k个子载波上的复信号，515表示第i个码元第k个子载波上的传输函数因子，516表示第i个码元第k-1个子载波上的传输函数因子，517表示差分解码后的第i个码元第k个子载波上的信号，518表示接收到的第i个码元第k个子载波上的复信号。519表示接收到的第i-1个码元第k个子载波上的复信号。520表示发送端第i个码元第k个子载波上的复信号，521表示发送端第i-1个码元第k个子载波上的复信号。522表示第i个码元第k个子载波上的传输函数因子。523表示第i-1个码元第k个子载波上的传输函数因子。524表示发送端差分编码前的第i个码元第k个子载波上的复信号。525表示第i个码元第k个子载波上的传输函数因子。526表示第i个码元第k-1个子载波上的传输函数因子。

图6是本发明产生的以16APSK信号为例的星座图。值得注意的是，16DAPSK是一个码元包含4个比特信息，图6中采用的仅仅是一种16APSK星座图方式，有8个相位、2个幅度。这对于f-DAPSK和t-DAPSK是一样的。

图7是根据本发明实施例的以16APSK信号为例的APSK信号生成过程的示意图。如图7所示，对应于图6，701表示用于相位调制的3个比特信息，8种组合方式按照格雷编码方式对应8个相位，如702所示，代表未差分编码的相位信息。703表示用于幅度调制的1个比特信息，2种方式对应于2个幅度，如704所示，代表未差分编码时的幅度信息。

图8是本发明的在多载波信号的情况下DAPSK信号生成过程的结构示意图。如图8所示，801表示比特流数据。802表示进行DAPSK编码，803表示把串行比特流变换成并行的比特流，这是针对f-DAPSK信号而言，对于t-DAPSK信号，先进行804串并变换再进行DAPSK编码。806表示对映射后的信号进行傅里叶反变换。807表示把并行信号变换成串行信号。808表示数/模变换，将数字信号转换成模拟信号。

图9是根据本发明实施例的在单载波的情况下DAPSK信号生成过程的示意图。如图9所示，901表示比特流数据。902表示进行DAPSK差分编码。903表示数/模变换，将数字信号转换成模拟信号。

图10是根据本发明实施例的直接映射产生光DAPSK信号的示意图。如图10所示，1001表示第一激光源，1002表示电信号，1003表示调制器(即，光信号生成单元)，用于将电信号转化成光信号。根据所需光载波数不同，可能需要多个激光源或者其他方式产生光载波替代1001。

图11是根据本发明实施例的相干映射产生光DAPSK信号的示意图。如图11所示，1101表示激光源，1102、1103分别表示电信号的同相分量和正交分量。调制器1104、1105将信号从电域转化到光域，正交分量还需经过一个90°的光相移器1106。根据所需光载波数不同，可能需要多个激光源或者其他方式产生光载波替代1101。

图12是根据本发明实施例的直接检测DAPSK光信号的示意图。如图12所示，1201是光带通滤波器，用于选择承载所需数据信号的光载波，1202表示光电二极管，将光信号转化为电信号。

图13是根据本发明实施例的相干检测光DAPSK信号的结构示意图。如图13所示，1301表示接收机的本地激光器，1302表示接收信号1303表示一个90°的光混频器。1306、1307、1308、1309表示4个光电二极管，对光信号进行平衡接收。分别输出接收端信号的同相分量I和正交分量Q。

如上参照图1到图13示出了根据本发明的实施例的光通信系统，下面将参照图14和图15来说明根据本发明的光通信系统中的发射机和接收机处执行的过程。

图14示出了根据本发明的光通信系统中的发射机处执行的过程的示意图。如图14所示，在发射机处，首先，在步骤S1401，对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号。然后，在步骤S1402，对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号。随后，在步骤S1403中，将所述差分编码数据变换为电信号。在变换为电信号后，在步骤S1404中，将所述电信号映射到光载波上形成光信号后发送。针对所述电信号是多载波信号还是单载波信号，将采用不同的差分编码方式，具体过程在上面针对发射机的对应部分已经详细描述，在此不再赘述。

图15示出了在根据本发明的光通信系统中的接收机处执行的过程的示意图。如图15所示，首先在步骤S1501，将所述接收的光信号转换为对应的电信号。然后，在步骤S1502，对所述光电转换后的电信号进行差分解码。接着，在步骤S1503，将经过所述差分解码处理后的电信号进行解调，以得到所述比特流数据。关于如何对电信号进行差分编码，参见上面针对接收机进行的详细描述。

本发明提供的通信方法和系统可以广泛用于各种形式的光通信系统中，不仅适用于基带光OFDM系统，而且适用于射频调制光OFDM系统；不仅适用于直接检测光OFDM系统(DD-OFDM)，而且适用于相干光OFDM系统(CO-OFDM)；不仅适用于超长距离传输的光OFDM系统，而且适用于采用OFDM技术的其他光系统，包括OFDM-PON系统。不仅适用于传统OFDM系统中，还适用于全光OFDM系统中。此外还适用于WDM以及superchannel。由于该方式不需要训练序列、导频子载波等已知数据进行信道估计等补偿算法。正是依赖于发送端引入的差分关系，本发明能有效降低载波间干扰，改善系统性能。

具体地，作为示例，以传输速率为40Gb/s相干光OFDM系统为例，比较16DAPSK和16QAM调制情况下不同OFDM系统的性能。其中，OFDM信号的子载波数为165，进行IFFT时IFFT的累计长度为256，所有信号都不加导频，只对16QAM加上一个训练码元，循环前缀CP的长度为10。假设其他条件均为理想情况，如调制器的消光比设为100dB，插入损耗为0，激光器的相位为0，只考虑发送和接收端的激光器线宽。这时，当误码率达到1.2×10-3时，频域差分16DAPSK可容忍的线宽为110kHz，时域差分16DAPSK可容忍的线宽为45kHz，而16QAM只能容忍22kHz的线宽；若假设激光器线宽为40kHz，那么16QAM编码的OFDM系统相比频域差分16DAPSK编码的系统Q值降低了6个dB，相比时域差分降低了4个dB。可见DAPSK编码的系统容忍相位噪声的能力有显著提高。考虑非线性的情况下，传输6个跨段，每个跨段80km，光纤参数取值为色散系数DSSMF＝17ps/nm/km，衰减αSSMF＝0.2dB/km，非线性系数γSSMF＝1.3w-1km-1，跨段中的EDFA(掺铒光纤放大器)用于完全补偿光纤的损耗，其噪声指数为6dB。忽略其他因素影响，可以得到：16QAM编码的OFDM系统最佳入纤功率为-10dBm，相应Q值为9.7dB，而时域差分16DAPSK编码的OFDM系统最佳入纤功率为-8dBm，相应Q值为12.2dB，频域差分16DAPSK编码的OFDM系统最佳入纤功率为-8dBm，相应Q值为11.7dB。可见DAPSK编码的系统容忍非线性的能力也得到了改善。

此外，为了更清楚地说明根据本发明的光通信系统相对于其它没有应用差分编码的光通信系统的优点，下面以q-OFDM、t-OFDM、f-OFDM为例来进行说明，其中q-OFDM、t-OFDM、f-OFDM分别表示16QAM编码的OFDM系统、时域差分16DAPSK编码的OFDM系统和频域差分16DAPSK编码的OFDM系统。如图所示，它们在产生OFDM信号时有少许不同。为了简便起见，实际仿真中忽略了D/A和A/D的影响，也就是假设是完美的数模转换。

基带OFDM信号是在Matlab中对2¹⁵-1个伪随机码(PRBS)依次进行映射、串并变换(S/P)、添加训练码元、反傅里叶变换、加入循环前缀和并串变换得到。其中，映射选择为16QAM、时域差分16DAPSK和频域差分16DAPSK；傅里叶变换尺寸为256，有用子载波数位165，剩余的91个0虚子载波位于频谱中间。对于16DAPSK编码的OFDM系统而言，不用训练码元和导频，对16QAM编码的OFDM系统而言，还需要训练码元和导频进行信道的估计和均衡；循环前缀(CP)的长度为10。

一个OFDM码元的持续时间为26.6ns，那么保护间隔所占时间为0.1ns，归一化比特速率(即所有的数据，包括训练码元和有用数据)为40Gbit/s，所占带宽小于6.7GHz。基带OFDM信号经过一个升余弦滤波器来滤去失真部分后，通过一个I/Q调制器(通常通过双平行调制器实现)调制到光域。光纤链路包括一个功率可控的EDFA和一个光纤环路。环路中包括一段80km的标准单模光纤(SMF)和一个增益控制的EDFA。光纤参数为：色散系数DSSMF＝17ps/nm/km，衰减αSSMF＝0.2dB/km，非线性系数γSSMF＝1.3w-1km-1。增益可控的EDFA噪声系数为6dB，其增益设置为完全补偿SMF衰减。接收端用一个带宽为20GHz的二阶高斯型带通滤波器滤除带外ASE噪声。相干接收机由一个本地振荡器(LO)，一个90°光混频器和两个平衡探测器构成。最后在Matlab中对滤波后的电信号进行数字信号处理。在信号处理部分，除去对应于发送端相应的相反操作外，对于q-OFDM，需要根据在OFDM信号起始端加入训练码元来估计信道传递函数，根据周期性插入的导频来补偿相位偏差。而对于t-OFDM和f-OFDM，只需进行差分解调。每一个仿真结果都有对约500个OFDM码元进行蒙特卡洛误码测试，Q值(Q2Factor)通过误码率(BER)转化而来：

$Q^2\mathrm{Factor}\left(\mathrm{dB}\right)=20\×{\log }_{10}(\sqrt{2}\×\mathrm{erfcinv}(2\×\mathrm{BER}))$

在进行仿真时，值得注意的是，t-OFDM和f-OFDM中，由于采用了差分调制，接收端需要抛弃第一个码元，因此，为了公平起见，q-OFDM不加入导频且只使用一个训练码元，得到和t-OFDM和f-OFDM接近的谱效率和有用数据速率。此外，为了达到相似的性能，q-OFDM需要加入一些导频和训练码元，但是这样就会降低谱效率和有用数据速率。如图20、图21、图22所示，分号中表示的两个数字依次表示导频的间隔和训练码元负荷。训练码元负荷定义为训练码元个数/有用数据码元个数。除非这样特别指出，仿真中提到的q-OFDM都是指不加导频只有一个训练码元的情况。

图16示出了背靠背情况下Q值随接收端OSNR的变化曲线。在图18中，插图为OSNR＝15dB时，相应的接收端的星座图，这时三者性能差不多，BER约为1.2×10-3。由此可以看到，t-OFDM、f-OFDM和q-OFDM对抗ASE噪声时有一样的OSNR要求。

图17示出了不同累积色散下Q值代价的变化曲线，此时OSNR＝15dB/0.1nm。将OFDM信号通过一段只包含CD的光纤来单独研究这三种系统对抗色散的能力。图19表示在OSNR＝15dB/0.1nm时不同累积色散下Q值代价的变化曲线。Q值代价定义为相比于色散为0时Q值的差。可以看到，经过2000km虚拟光纤传输累积色散值为34000ps/nm时，f-OFDM比q-OFDM的Q值代价大于1.5dB，而t-OFDM的Q值代价仅比q-OFDM小0.3dB。对f-OFDM而言，其差分调制是在相邻子载波上进行的，因此对累积色散引入的相位偏差比较敏感，尤其是色散很大时引入的很大的相位变化。而q-OFDM相比t-OFDM的微小优势主要功归于16QAM的星座间隔稍大。

图18示出了在单信道的情况下480km传输后Q值随入射功率的变化曲线，其中图18(a)中q-OFDM只有一个训练码元且不加导频，而图18(b)中q-OFDM既有导频又有训练码元。

图18表明了三种系统对抗信道内非线性的容忍度。如图18(a)所示，在从-16dBm到-1dBm的入纤功率范围内，t-OFDM和f-OFDM都比q-OFDM表现要好，其中q-OFDM的最佳入纤功率为-10dBm，对应Q值为9.7dB；t-OFDM和f-OFDM的最佳入纤功率均为-8dBm，相应Q值为11.7dBm和12.2dBm，比q-OFDM至少改善了2dB。即便q-OFDM中使用了导频和训练码元，如图18(b)所示，性能的改进也非常有限，尤其是入纤功率较高，非线性效应占主导的时候。而且，这时q-OFDM的谱带宽增加了6.6％～9.4％，比特速率减小了1.9％～5.6％。

图19示出了WDM系统中的非线性影响。图19中示出的是5个信道，信道间隔为50GHz的WDM系统经过480km光纤传输前(左图)后(右图)的光谱。在WDM系统中，交叉相位调制作为一种主要损伤会大大降低系统性能，因此下面仿真分析了三种系统对抗信道间非线性的性能。

图20显示了位于中间的信道的仿真结果。在图20(a)中，q-OFDM没有插入导频，只有一个训练码元，此时，t-OFDM，f-OFDM和q-OFDM的最佳入纤功率分别为-9dBm，-9dBm和-11dBm，相应的Q值为11.4dB，11.2dB and9.2dB，表明相比q-OFDM，t-OFDM和f-OFDM至少有2dB优势。如图20(b)所示，加入导频和训练码元可以适当的改善系统性能，但是有着和单载波类似的现象，即在非线性占主导地位时，性能改善非常有限，同时，谱带宽增加了6.6％～9.4％，比特速率减小了1.9％～5.6％。

在f-OFDM系统中，差分调制是在相邻子载波之间的，因此对色散引入的相位偏差更敏感。但这种差分相关性也有类似导频的功能，因此使f-OFDM有很强的对抗非线性作用的功能。对t-OFDM而言，差分相关性是在相邻码元间的，这就降低了色散的影响。因此，不管是在时域还是频域做的幅度和相位差分，都大大改善了OFDM信号对抗单信道和WDM中非线性的作用。对q-OFDM而言，子载波之间、码元之间都没有关系，因此需要已知信息如导频和训练码元来估计信道矩阵，这虽然可以很好的补偿线性损伤，但是对抗非线性性能改进就很有限，此外，导频会占用额外的频谱，训练码元的插入会降低数据速率。因此，可以看到，16DAPSK编码的光OFDM系统能很好得对抗传输损伤如ASE噪声，色散以及光纤非线性，同时不需要已知信息，从而降低了接收机复杂度。

本发明提供的基于差分编码的光通信系统可以直接用于各种光传输系统中，在保证频谱利用率的情况下简化系统，降低成本。

通过以上实施方式的表述可以看出，本发明提供的基于差分编码的光通信方法及系统，具有如下优点：

1)可以避免插入训练序列、导频子载波等已知数据进行信道估计等补偿算法，在接收端直接解调、判决，大大提高了系统的有效速率和频谱利用率，降低系统成本。

2)可以提高信号对抗激光器线宽、快变PMD、光纤非线性、信道间干扰以及其他损伤的容忍度，改善系统性能。

3)所采用的各种元件都是通用元件，因此成本低廉，实用性强。

4)本发明描述的多载波光通信系统，能适用于各种光通信系统中。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的基于差分编码的光通信方法和系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于差分编码的光通信方法和系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (14)

1.一种光通信方法，包括：

对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；

对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；

将所述差分编码信号变换为电信号；以及

将所述电信号映射到光载波上形成光信号后发送。

2.如权利要求1所述的光通信方法，其中，在所述电信号是多载波信号的情况下，对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号的步骤包括：

如果在时域中进行所述差分编码，则对所述调制信号中的相邻码元的同一个子载波进行差分编码，或者

如果在频域中进行所述差分编码，则对所述调制信号中的同一个码元的相邻子载波进行差分编码。

3.如权利1所述的光通信方法，其中，在所述电信号是单载波信号的情况下，对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号的步骤包括：

对所述调制信号中的相邻码元进行差分。

4.如权利要求1到3中任何一个所述的光通信方法，其中，所述比特流数据采用幅度相位键控(APSK)进行调制。

5.如权利要求2所述的光通信方法，其中，在时域中进行所述差分编码时，所述方法还包括：

在进行所述差分编码之前，对所述调制信号进行串/并转换，以将所述调制信号变换为并行信号；以及

在完成所述差分编码之后，对所述差分编码信号进行傅里叶反变换、添加循环前缀并进行并/串转换，以得到差分编码后的OFDM数据信号。

6.如权利要求2所述的光通信方法，其中，在频域中进行所述差分编码时，所述方法还包括：

在完成所述差分编码之后，对所述差分编码信号进行串/并转换、傅里叶反变换、添加循环前缀并进行并/串转换，以得到差分编码后的OFDM数据信号。

7.一种光通信方法，包括：

在发送端，

对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；

对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；

将所述差分编码信号变换为电信号；以及

将所述电信号映射到光载波上形成光信号后发送，以及在接收端，

将所述接收的光信号转换为对应的电信号；

对所述光电转换后的电信号进行差分解码；以及

对经过所述差分解码处理后的电信号进行解调，以得到所述比特流数据。

8.一种发射机，包括：

调制单元，用于对所获取的比特流数据进行调制，以得到调制信号；

差分编码单元，用于对所述调制信号进行差分编码，以得到差分编码信号；

变换单元，用于将所述差分编码信号变换为电信号；以及

映射单元，用于将所述电信号映射到光载波上形成光信号；以及

发送单元，用于发送所生成的光信号。

9.如权利要求8所述的发射机，其中，在所述电信号是多载波信号的情况下，

如果在时域中进行所述差分编码，则所述差分编码单元对所述调制信号中的相邻码元的同一个子载波进行差分编码，或者

如果在频域中进行所述差分编码，则所述差分编码单元对所述调制信号中的同一个码元的相邻子载波进行差分编码。

10.如权利要求9所述的发射机，还包括：

第一串/并转换模块，用于在所述电信号是多载波信号且在时域中进行差分编码时，对所述调制信号进行串/并转换，以得到并行信号，或者在所述电信号是多载波信号且在时域中进行差分编码时，对所述差分编码信号进行串/并转换，以得到并行信号；

IFFT模块，用于对所述差分编码单元输出的差分编码信号或所述串/并转换模块输出的并行信号进行傅里叶反变换；

循环前缀添加模块，用于给经过傅里叶反变换后的信号添加循环前缀；以及

第一并/串转换模块，用于对经过循环前缀添加处理后的信号进行并/串变换，以得到差分编码后的OFDM信号。

11.如权利要求8所述的发射机，其中，所述映射单元包括：

第一激光源，用于产生光载波；以及

光信号生成单元，用于将所述差分编码信号调制到光载波上转换为光信号。

12.一种接收机，包括：

接收单元，用于接收所述发射机发送的光信号；

光电转换单元，用于将所述接收的光信号转换为对应的电信号；

差分解码单元，用于对所述光电转换后的电信号进行差分解码；以及

解调单元，用于对经过所述差分解码单元处理后的电信号进行解调，以得到所述比特流数据。

13.如权利要求12所述的接收机，还包括：

第二串/并转换模块，用于将所述电信号从串行信号转换为并行信号；

循环前缀移除模块，用于移除所述并行信号中的循环前缀；

FFT模块，用于对所述移除循环前缀后的信号进行傅里叶变换；以及

第二并/串转换模块，用于将经过FFT模块处理后的并行信号转换为串行信号供所述差分解码单元处理，或者将在所述差分解码单元对所述FFT模块输出的信号进行处理后得到的并行信号转换为串行信号。

14.一种光通信系统，包括：

如权利要求8到11中任何一个所述的发射机；以及

如权利要求12或13所述的接收机。

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