本發(fā)明涉及光纖通信技術領域，尤其涉及一種在光纖傳輸網(wǎng)絡中一路對一路的不同調(diào)制格式之間轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法。該方法主要用于將一路QPSK(quadrature phase shift keying)信號轉(zhuǎn)換為一路BPSK(binary phase shift keying)信號并保證原始信息的完整性，可有效延長信號傳輸距離及降低接收機復雜度，并可適用于軟件定義靈活光網(wǎng)絡技術領域。

背景技術：

光信號調(diào)制是指將電路中的信息以不同的格式攜帶到光學載波的過程。不同的調(diào)制格式具有不同的特點。目前由于對通信容量的需求激增以及日益緊張的頻譜資源，高級調(diào)制格式如MPSK(multiple phase shift keying)，MQAM(multiple quadrature amplitude modulation)等以其高傳輸能力及高頻譜利用率成為業(yè)界普遍看好的下一代傳輸手段。然而，在靈活光網(wǎng)絡中，高級調(diào)制格式信號或簡單調(diào)制格式信號如OOK(on-off keying)及BPSK等都有其各自的優(yōu)勢及應用場景。相對于高級調(diào)制格式信號，簡單調(diào)制格式信號雖然頻譜利用率不高，但由于其星座狀態(tài)間擁有更遠的歐氏距離，使得其在相同的傳輸環(huán)境下表現(xiàn)出更好的誤碼性能或者說相同誤碼要求下可傳輸更遠的距離。此外，相比于高級調(diào)制格式信號，其發(fā)射接收裝置也相對簡單。因此，在未來全光靈活網(wǎng)絡中，高級及簡單調(diào)制信號都有其存在價值及應用前景。為應對不同傳輸場景及靈活的網(wǎng)絡需求，調(diào)制格式轉(zhuǎn)換的需求應運而生，全光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換成為目前全光信號處理十分關鍵的一個研究方向。目前已存在的光調(diào)制格式轉(zhuǎn)換方法多是將多路簡單調(diào)制格式信號轉(zhuǎn)換為一路高級調(diào)制格式信號或者將一路高級調(diào)制格式轉(zhuǎn)換為多路簡單調(diào)制格式，考慮到網(wǎng)絡實際需求，不管是多路信號轉(zhuǎn)換成一路信號抑或一路信號轉(zhuǎn)換成多路信號均不適用于實際傳輸。在光網(wǎng)絡的傳輸系統(tǒng)中，傳輸信息的完整性、靈活性以及系統(tǒng)的引入額外噪聲等因素都是會影響到實際系統(tǒng)效果的必須要考慮的問題?？紤]到以上問題，本方法在實現(xiàn)QPSK信號向BPSK信號轉(zhuǎn)換時，需考慮到以下幾個方面的困難：

1)原始信息完整性。傳輸?shù)臏蚀_性或者誤碼性能是驗證一個系統(tǒng)性能最直接的性能指標。光纖作為目前通信傳輸?shù)闹饕溌?，其傳輸?shù)臏蚀_性是十分重要的。在格式轉(zhuǎn)化過程中，必須要首先考慮的問題即為在轉(zhuǎn)換過程中不能丟失或者修改原始信息即在轉(zhuǎn)換機制上要保證原始信息的完整性。這樣才能實現(xiàn)適用于實際傳輸鏈路的調(diào)制格式轉(zhuǎn)換。

2)一路信號對一路信號的轉(zhuǎn)換。信號在光纖鏈路中傳輸可看作是以鏈路為單位，鏈路與鏈路之間以節(jié)點連接。節(jié)點實現(xiàn)對信號的一系列處理，包括功率放大，波形整形，相位再生，邏輯運算，波長轉(zhuǎn)換以及格式轉(zhuǎn)換等。當我們在節(jié)點對信號進行格式轉(zhuǎn)換處理時，考慮到為了路由算法的簡潔性，更希望是一路信號進入節(jié)點，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后仍是一路信號，只是以不同的調(diào)制格式輸出。而不是多路信號在節(jié)點被轉(zhuǎn)換為一路或者反過來。因此，在設計格式轉(zhuǎn)換方法時，一路對一路的轉(zhuǎn)換是十分重要的考慮因素。

3)信息的接收難度。傳輸系統(tǒng)的意義在于將信號準確地傳輸?shù)浇邮斩?，接收端則會根據(jù)信號的調(diào)制格式及調(diào)制方法來接收信號?？紤]到本方法所涉及的QPSK信號，一般采用的方式為采用IQ(in-phase，quadrature-phase)調(diào)制器調(diào)制QPSK信號。不管是串聯(lián)的IQ調(diào)制器還是并聯(lián)的IQ調(diào)制器，都是將I路和Q路分別用來表征信號星座點的橫縱坐標。因此在接收端，需要將信號的I與Q分量分別檢測出來獲取原始信息。所以在設計調(diào)制格式轉(zhuǎn)換時需要注意的是不能破壞原始信息I、Q兩路信息的排列順序及對應關系以減小接收端的接收難度。

4)系統(tǒng)所引入的額外噪聲。將鏈路中的節(jié)點看作是一個輸入輸出系統(tǒng)，而所設計的格式轉(zhuǎn)換裝置則是節(jié)點系統(tǒng)之中的一個子系統(tǒng)。從傳輸?shù)脑韥砜矗盘柦?jīng)過一個系統(tǒng)，必然會被系統(tǒng)引入額外的噪聲，而且這個噪聲往往是由不可避免的因素引入的。因此，在設計格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時必須考慮到系統(tǒng)可能的噪聲源，以及測評系統(tǒng)噪聲源對信號信噪比(OSNR)、誤碼率(BER)及誤差矢量幅度(EVM)等性能的影響。從原理上盡量降低引入噪聲的機制以及引入額外的功能削減系統(tǒng)引入的額外噪聲對信號性能的影響。

針對QPSK信號轉(zhuǎn)換為BPSK信號的格式轉(zhuǎn)換，目前已提出的轉(zhuǎn)換方法可大致分為兩大類，且這兩類方法均主要采用了光纖非線性效應中的四波混頻效應來實現(xiàn)。第一種方法是Lu Guowei等提出的采用四波混頻效應使QPSK信號的相位擦除，使得原本四個相位狀態(tài)的信號，變成了兩個相位狀態(tài)。由此實現(xiàn)了原始一路QPSK信號轉(zhuǎn)換為一路BPSK信號。但是由于采用了相位擦除手段，使得原始QPSK信號的信息被抹掉了50％，這雖然在物理上實現(xiàn)了一對一的格式轉(zhuǎn)換，但在實際的光網(wǎng)絡傳輸中是不能被接受的。并且由于相位擦除，使得原本分離的四個相位狀態(tài)產(chǎn)生了混疊，因此接收端會很難接收到正確的原始信息甚至I、Q之中的任何一路信息。因此這種方式在實際傳輸之中是無法應用的。這種轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)了一路QPSK信號轉(zhuǎn)換為一路BPSK信號，但是卻不能保證原始信息的完整性與接收端接收信息的準確性。

另一種方法是Gao Mingyi等提出采用四波混頻效應實現(xiàn)相位分解的原理，將QPSK信號的I與Q分量分別提取出來，成為兩路BPSK信號。這種方法雖然保證了原始信息的完整性且在接收端可以很方便且準確地接收原始信息，但卻將一路QPSK信號轉(zhuǎn)換成了兩路BPSK信號，仍然不適合實際網(wǎng)絡的應用，給節(jié)點的路由運算增加了復雜度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種適用于靈活光網(wǎng)絡中的光矢量信號調(diào)制格式全光轉(zhuǎn)換方法，旨在解決光網(wǎng)絡傳輸鏈路中一路QPSK信號轉(zhuǎn)換為一路BPSK信號的問題，且保證了目前使用方法存在的信息丟失問題。經(jīng)轉(zhuǎn)換過后的BPSK信號相比于原QPSK信號在相同信道中有更好的誤碼性能，因此本發(fā)明可有效延長原始信號的傳輸距離及減小接收機復雜程度。本發(fā)明提出了一套完整的格式轉(zhuǎn)換方案，其主要思想是將QPSK信號經(jīng)相位分解后分別提取出I、Q分量，將獲得的I、Q分量看作兩路并行的BPSK信號，之后將其輸入到一個并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，合成一路BPSK信號。下面介紹本發(fā)明的三個重要部分：相位分解系統(tǒng)，并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及系統(tǒng)噪聲分析。

1)相位分解系統(tǒng)：

本發(fā)明采用相位敏感放大器(phase sensitive amplifier，PSA)為相位分解系統(tǒng)，其框圖、頻譜結(jié)構(gòu)及分解過程分別為圖1中(a)、(b)、(c)和(d)所示。如圖1(a)中所示，將信號與兩路泵浦光一同輸入到一段高非光纖或半導體光放大器(SOA)等非線性介質(zhì)之中產(chǎn)生四波混頻效應，S、P1和P2分別代表信號波、泵浦波1及泵浦波2，三個波之間滿足頻率匹配關系即2ω_s＝ω_p1+ω_p2。這個過程中在信號波的頻率位置會產(chǎn)生閑頻波，閑頻波與信號波疊加到一起，實現(xiàn)相位分解的過程。根據(jù)光波在光纖中的傳輸特性可以得到一組耦合波方程來表征光波的幅度與相位特性，采用分步傅里葉法解方程組后可得到如下公式：

B_s(z)＝μ(z)B_s(0)+v(z)B_s(0)^* (1)

公式(1)中B_s(0),B_s(z)表示信號輸入輸出光纖的復振幅形式，z表示傳輸距離，μ(z),v(z)是光波在介質(zhì)中的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)μ(z),v(z)也是復數(shù)形式，且可通過控制泵浦波的幅度與相位來控制。此處傳遞函數(shù)僅僅用來控制PSA的壓縮狀態(tài)，我們只需知道它的控制量，其具體定義不是此處關注的重點。將公式(1)中的右邊各項寫成復數(shù)形式：

公式(2)中A為公式(1)中μ(z)B_s(0)項的幅度，m為(1)式中右邊第二項與第一項的幅度比，分別是μ(z),v(z),B_s(0)項的相位。

從公式(2)中可看出輸出信號可看作是前文提到的信號波與閑頻波疊加的產(chǎn)物，此刻為了使相位分解的徹底，我們令(2)中的m＝1。此時的PSA就是一個理想的二階相位量化器，此時公式(2)變?yōu)椋?/p>

其中

從前文可知在高非光纖中光波發(fā)生了四波混頻效應，當三個輸入光波之間滿足相位匹配關系即此刻四波混頻發(fā)生的效率最高，有且因此我們可以通過控制泵浦波的相位來控制進而控制θ。而此時A_s是一個實數(shù),不會影響輸出信號的相位。

當θ＝0時，公式(3)變?yōu)椋?/p>

當θ＝π時，公式(3)變?yōu)椋?/p>

公式(4)，(5)表達了PSA進行相位分解的過程,表示原始QPSK信號的相位狀態(tài)，其有π/4,3π/4,5π/4,7π/4四個固定狀態(tài)，公式(4)分解出了原QPSK信號的I分量，公式(5)分解出了原QPSK信號的Q分量，其示意過程如圖1中(c)，(d)所示。公式(4)，(5)在四個相位狀態(tài)下的值與原QPSK信號I、Q分量的比較列在表1之中。

表1各個相位狀態(tài)下QPSK信號I,Q分量與PSA分解量符號對比

從表1中可看出，PSA分解出的I、Q分量與原始QPSK信號的I、Q分量具有相同的符號，因此分解出的I、Q分量的符號分別攜帶了原信號的I、Q分量信息。此外，公式(4)、(5)在四個固定的相位狀態(tài)都有固定的幅度值，因此，可以說利用此相位分解系統(tǒng)將QPSK信號轉(zhuǎn)換為了兩路BPSK信號。兩路并行的BPSK信號分別擁有QPSK中I、Q分量的信息，這兩路信號也將用作后續(xù)并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入。

2)并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

本發(fā)明所采用的并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖如圖2所示。通過相位分解系統(tǒng)獲得兩路并行BPSK信號后，需要將其并串轉(zhuǎn)換為一路BPSK信號。此系統(tǒng)分為兩個部分：信號切割部分與相干疊加部分。

在第一部分里，兩路BPSK信號進入并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后會各自經(jīng)歷一個電光幅度調(diào)制器(AM)，此AM由頻率是QPSK波特率二倍的射頻(RF)時鐘信號驅(qū)動。假定QPSK信號的波特率為B，則分解后得到的兩路BPSK信號的波特率都是B，此時需要時鐘頻率為2B的RF時鐘源來驅(qū)動AM。如圖2中所示，調(diào)相信號的幅度可認為沒有起伏或者說是固定的，因此在經(jīng)過2B速率的時鐘驅(qū)動的AM后，調(diào)相信號在幅度上會變成50％占空比的歸零碼調(diào)相信號，如果時鐘速率更高，則得到的信號占空比會更低。

得到兩路50％占空比的歸零碼BPSK信號后，信號將進入相干疊加部分。在信號疊加部分，在Q路BPSK信號鏈路上會放置一個延時器，將Q路信號延遲半個比特的時間，使得I，Q兩路信號在時域上交錯開，之后兩路信號經(jīng)過一個光耦合器疊加到一起。由于延時器的存在，使得Q路信號的一個比特中的非歸零部分剛好對其并填補進I路信號的一個比特中的歸零部分，實現(xiàn)兩路信號的交錯疊加。從而得到一路比特率為2B的BPSK信號。此時得到的信號的信息是原QPSK信號I，Q兩路信息交錯排列的，也十分便于接收機接受信息及與原始信息進行比對。

上述兩個子系統(tǒng)組成了本發(fā)明所設計的保證信息完整性的一路對一路的QPSK信號轉(zhuǎn)換BPSK信號系統(tǒng)。

3)系統(tǒng)噪聲分析

信號在鏈路之中傳輸會不可避免的引入噪聲，噪聲來源有激光源、放大器、光纖色散、光纖非線性等因素。為了分析簡單，一般的傳輸鏈路中，都認為信號在傳輸了一段距離后所攜帶的噪聲是高斯白噪聲，即信號的星座點幾乎會擴散成一個接近圓形的形狀。因此，在信號進入本發(fā)明所設計的系統(tǒng)中時，可看作是攜帶了一定量的高斯噪聲。

在經(jīng)歷過系統(tǒng)第一部分即相位分解子系統(tǒng)后，QPSK信號被分解成了兩路并行的BPSK信號。由于PSA的相位敏感放大的特性，原信號的高斯噪聲也會被壓縮，本系統(tǒng)所采用的是具有近乎完美壓縮特性的PSA(m＝1)，因此，信號的相位噪聲會被完全被壓縮，同時轉(zhuǎn)換成一部分額外的幅度噪聲。大量的研究表明，經(jīng)過PSA壓縮相位噪聲的信號，誤碼性能或者傳輸距離得到了很大幅度的改善。因此本系統(tǒng)的第一部分改善了原始信號的誤碼性。

在經(jīng)過本系統(tǒng)的第二部分時，兩路信號交錯疊加的部分會引入額外的幅度噪聲，這個噪聲是由于信號相鄰比特之間的碼間干擾(ISI)引起的。我們可以通過降低并行的兩路BPSK信號的占空比來抑制ISI引起的附加噪聲，但在原理上，這個噪聲是不可避免的。后續(xù)部分我們會書寫本發(fā)明所設計的系統(tǒng)的實際實施情況以驗證轉(zhuǎn)換后的信號性能，經(jīng)實施驗證本系統(tǒng)此部分所引入的額外的噪聲的影響是可以近乎忽略不計的，因此我們說本發(fā)明可有效改善原QPSK信號的誤碼性能。

附圖說明

圖1相位分解系統(tǒng)模型圖

圖2并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型圖

圖3格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)整體框圖及驗證方案

圖4系統(tǒng)各節(jié)點星座圖

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例：

本實施例是基于如圖3所示的格式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)整體框圖進行說明，以驗證本發(fā)明設計的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的系統(tǒng)性能。

如圖3所示，一路比特率為20-Gbps的QPSK信號被調(diào)制在1551.72nm波長的連續(xù)光上，其功率被設定在10mW。為了模擬鏈路傳輸中的QPSK信號，在信號進入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之前，人為加入了一定的自發(fā)輻射噪聲(ASE noise)使得圖3中節(jié)點A的信噪比(OSNR)為25dB。信號進入轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后會先后進入相位分解系統(tǒng)及并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。相位分解系統(tǒng)由兩個PSA組成，其中I路PSA(PSA-I)的泵浦1(pump1)及pump2設定在1552.12nm及1551.32nm，其功率均為51mW。PSA-I中的高非光纖的非線性系數(shù)(γ)為13W^-1km^-1，長度(L)為640m，光纖色散斜率(β₂)為0.08ps/nm²/km，衰減系數(shù)(α)為0.2dB/km。在PSA-Q中的pump3，pump4的波長與功率設定與PSA-I相同，但是在pump3上需額外加入一個π的相移以使PSA-Q能夠提取出QPSK信號的Q路分量。兩路PSA中的濾波器軍設定為中心波長為1551.72nm，帶寬20-GHz的帶通濾波器。經(jīng)過相位分解系統(tǒng)后，信號進入并串轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，RF時鐘信號頻率為20-GHz。兩條鏈路均放置一個相同的AM，其調(diào)制系數(shù)為1。其中Q鏈路的延時器將Q路BPSK延遲50ps即半個比特時間使得I，Q兩路信號交錯開來。耦合之后于圖3中D點得到轉(zhuǎn)換之后的BPSK信號。為了驗證信號的誤碼性能，可在D點加入可控的ASE噪聲以測量信號在不同信道環(huán)境下的EVM與BER。

圖4所示為實施所得的圖3系統(tǒng)中A、B、C與D節(jié)點的信號星座圖。圖中可看出在A節(jié)點，輸入系統(tǒng)的是一路帶有部分高斯噪聲的QPSK信號。在B、C節(jié)點，原QPSK信號經(jīng)過PSA相位分解，得到了I，Q兩路BPSK信號，此外可明顯觀察到由于PSA的相位敏感放大作用，A節(jié)點中的相位噪聲被明顯壓縮且轉(zhuǎn)換為了一部分幅度噪聲，即B、C節(jié)點的信號幅度噪聲要明顯高于A節(jié)點。D節(jié)點的星座圖即為最終得到的轉(zhuǎn)換BPSK信號的星座圖，由于ISI因素的存在，其與B、C節(jié)點比較有較為明顯的更高的幅度噪聲?？煽闯鲈谛亲铣晒崿F(xiàn)了一路QPSK信號轉(zhuǎn)換為一路BPSK信號。在驗證系統(tǒng)的誤碼性能時，可在D路得到轉(zhuǎn)換后BPSK信號后，對其加入可調(diào)諧的高斯噪聲以模擬信道傳輸，測量EVM及BER指標，并與原QPSK信號的相關指標進行比較。本實施例經(jīng)比較后驗證了轉(zhuǎn)換BPSK信號誤碼性能明顯好于QPSK信號的結(jié)論。

經(jīng)過上述實施例，可以驗證本發(fā)明可成功將一路QPSK信號轉(zhuǎn)換為一路BPSK信號，且保證了原始信息的完整性。在信號性能上，本系統(tǒng)可有效改善信號的誤碼性能，延長有效傳輸距離。