一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法及系统。

背景技术

日益增长的网络容量需求对有限带宽资源的底层承载网络带来了巨大的挑战。随着相干光通信的发展，高阶调制格式因具有高频谱效率及强抗非线性干扰能力，而成为主流的调制格式。然而，高阶调制格式信号，即MPSK(Multiple Phase Shift Keying，多进制数字相位调制)格式信号对信道中的噪声极为敏感，传输距离变短，从而限制了采用高阶调制格式进行通信时通信容量的提高。

为了增长高阶调制格式信号传输距离，提高通信容量，实现高阶调制格式信号的再生是目前研究的重点。在高阶调制格式信号再生相关技术中，PSA(Phase SensitiveAmplifier，相位敏感放大器)技术以其独特的相位压缩特点在MPSK格式再生上备受青睐。

2010-2011年间，南安普顿大学团队Radan Slavík，Joseph Kakande等人相继在Nature Photonics上发表了利用PSA再生BPSK(Binary Phase Shift Keying，二进制相移键控)信号及M阶光相位量化的研究，拉开了利用PSA再生MPSK信号的序幕。然而，这种利用信号

2017年，该团队利用PSA加饱和幅度再生两个阶段实现了四进制相位调制QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)信号的幅相再生。虽然这种先相位再生、后幅度再生的思想在PSA研究领域被广泛采用，但是由于第一阶段中PSA对幅度不友好以及第二阶段中饱和再生幅度能力有限的特性，使得这种方法再生的研究对象是主要携带相位噪声的MPSK信号，并不适宜再生携带ASE(Amplifier Spontaneousemission Noise放大器自发辐射噪声)这种具有较大幅度噪声的MPSK信号。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法及系统，以实现对携带ASE噪声的MPSK信号的再生。具体技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法，包括：

接收携带放大器自发辐射ASE噪声的多进制数字相位调制MPSK信号，其中，所述MPSK信号的调制阶数为M；

生成与所述MPSK信号频率相同的M+1次谐波信号；

调节所述MPSK信号的功率，使所述MPSK信号的功率与所述M+1次谐波信号的功率之比满足1：(-1/(M+1))

使调节功率后的所述MPSK信号与所述M+1次谐波信号在预设相位压缩轴下发生信号干涉，以实现所述MPSK信号的再生。

可选地，所述生成与所述MPSK信号频率相同的M+1次谐波信号，包括：

生成第一泵浦波；

放大所述第一泵浦波的功率；

将经过功率放大的所述第一泵浦波与所述MPSK信号输送至第一高非线性光纤发生四波混频，得到初始的M+1次谐波信号和与所述MPSK信号相位锁定的第二泵浦波；其中，所述第二泵浦波为M次谐波信号；所示初始的M+1次谐波信号的频率为第一频率，所述第一频率不同于所述MPSK信号的频率；

放大所述第二泵浦波的功率；

将所述初始的M+1次谐波信号、所述第一泵浦波以及经过功率放大的所述第二泵浦波输送至第二高非线性光纤发生四波混频，得到第二频率的M+1次谐波信号，其中，所述第二频率与所述MPSK信号的频率相同。

可选地，所述使调节功率后的所述MPSK信号与所述M+1次谐波信号在预设相位压缩轴下发生信号干涉，以实现所述MPSK信号的再生，包括：

调节所述M+1次谐波信号的相位，并将调节相位后的所述M+1次谐波信号与调节功率后的所述MPSK信号进行信号干涉，以实现信号再生；其中，调节所述M+1次谐波信号的相位，使得干涉时的相位压缩轴为

或者，调节经过功率调节后的所述MPSK信号的相位，并将所述M+1次谐波信号以及调节功率和相位后的所述MPSK信号进行信号干涉，以实现信号再生；其中，调节经过功率调节后的所述MPSK信号的相位，使得干涉时的相位压缩轴为

第二方面，本发明实施例还提供一种携带ASE噪声的MPSK信号再生系统，包括高次谐波生成组件和干涉再生组件；

所述高次谐波生成组件，用于生成与携带ASE噪声的MPSK信号频率相同的M+1次谐波信号；其中，所述MPSK信号的调制阶数为M；

所述干涉再生组件，用于调节所述携带ASE噪声的MPSK信号的功率，使所述携带ASE噪声的MPSK信号的功率与所述M+1次谐波信号的功率之比满足1：(-1/(M+1))

可选地，所述干涉再生组件包括功率调节装置、相位调节装置和干涉装置；

所述功率调节装置，用于接收所述MPSK信号并调节所述MPSK信号的功率，使所述MPSK信号的功率与所述M+1次谐波信号的功率之比满足1：(-1/(M+1))

所述相位调节装置，用于接收所述M+1次谐波信号并调节所述M+1次谐波信号的相位；

或者，用于接收经过功率调节后的所述MPSK信号，并调节经过功率调节后的所述MPSK信号的相位；

所述干涉装置，用于接收调节相位后的所述M+1次谐波信号和调节功率后的所述MPSK信号后，进行信号干涉以实现所述MPSK信号的再生；其中，所述相位调节装置调节所述M+1次谐波信号的相位，使得干涉时的相位压缩轴满足

或者，用于接收所述M+1次谐波信号以及调节功率和相位后的所述MPSK信号后，进行信号干涉以实现所述MPSK信号的再生；其中，调节经过功率调节后的所述MPSK信号的相位，使得干涉时的相位压缩轴为

可选地，所述高次谐波生成组件包括连续波激光器、第一功率放大器、第一波分复用器、第一高非线性光纤、第一波分解复用器、第二功率放大器、第二波分复用器、第二高非线性光纤和滤波器；

所述连续波激光器，用于生成第一泵浦波；

所述第一功率放大器，用于放大所述第一泵浦波的功率；

所述第一波分复用器，用于接收所述携带ASE噪声的MPSK信号和经过功率放大的所述第一泵浦波，并将所述携带ASE噪声的MPSK信号和所述第一泵浦波输送入所述第一高非线性光纤发生四波混频，得到初始的M+1次谐波信号和与所述MPSK信号相位锁定的第二泵浦波；其中，所述第二泵浦波为M次谐波信号；所示初始的M+1次谐波信号的频率为第一频率，所述第一频率不同于所述MPSK信号的频率；

所述第一波分解复用器，用于从所述第一高非线性光纤中解复用出所述携带ASE噪声的MPSK信号、所述第一泵浦波、所述第二泵浦波和所述初始的M+1次谐波信号；

所述第二功率放大器，用于放大所述第二泵浦波的功率；

所述第二波分复用器，用于接收所述初始的M+1次谐波信号、所述第一泵浦波和经过功率放大的所述第二泵浦波，并将所述初始的M+1次谐波信号、所述第一泵浦波和所述第二泵浦波输送入所述第二高非线性光纤发生四波混频，生成第二频率的M+1次谐波信号；其中，所述第二频率与所述MPSK信号的频率相同；

所述滤波器从所述第二高非线性光纤中滤波得到所述具有第二频率的M+1次谐波信号。

可选地，所述功率调节装置为可变光衰减器，所述相位调节装置为可调节光纤延迟线。

可选地，所述干涉装置为耦合器。

可选地，所述第一功率放大器为掺铒光纤放大器。

可选地，所述第二功率放大器为注入锁定激光器。

本发明实施例提供的方案，可以实现携带ASE噪声的MPSK信号幅度和相位的同时再生，避免了相位噪声向幅度噪声的转化，可有效提高携带ASE噪声的MPSK信号的传输距离，提高通信容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1(a)是20dB QPSK信号在不同的m和n取值下的再生效果图；

图1(b)是不同信噪比的QPSK信号达到最佳再生效果时，所对应的m和n，以及相对输入信号提高的信噪比的示意图；

图1(c)是不同MPSK调制格式达到最佳再生效果时所对应的m和n值的示意图；

图2是新的两波再生模型对不同光信噪比QPSK信号的理论再生效果示意图；

图3是本发明实施例提供的一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种携带ASE噪声的MPSK信号再生系统的结构示意图；

图5是图4信号再生系统对QPSK信号再生的示意图；

图6(a)是光信噪比OSNR为8dB的低质量输入QPSK信号再生之前的结果星座图；

图6(b)是采用本申请图5所示的信号再生系统对光信噪比OSNR为8dB的低质量输入QPSK信号再生之后，得到的结果星座图；

图6(c)是光信噪比OSNR为16dB的高质量输入QPSK信号再生之前的结果星座图；

图6(d)是采用本申请图5所示的信号再生系统对光信噪比OSNR为16dB的高质量输入QPSK信号再生之后，得到的结果星座图；

图7为加入普通光纤后，无再生、采用传统再生以及采用本申请图5所示的信号再生系统再生的QPSK信号的中继距离曲线图。

图中各标号的说明如下：

11—连续波激光器；12—第一功率放大器；13—第一波分复用器；14—第一高非线性光纤；15—第一波分解复用器；16—第二功率放大器；17—第二波分复用器；18—第二高非线性光纤；19—滤波器；

21—可变光衰减器；22—可调节光纤延迟线；23—耦合器；

3—普通光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动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。

传统两波干涉再生模型，利用信号

发明人针对MPSK信号，建立如下三波再生模型；

其中，

对于该模型，发明人通过将m和n从-1到1遍历取值发现，在不同的m和n值下，MPSK信号提高的光信噪比OSNR(Optical Signal Noise Ratio)值明显不同，并且存在唯一最优m和n值，使得在该唯一最优m和n值下，该三波再生模型生成再生信号的光信噪比OSNR值可以取得最大增幅。在对不同MPSK调制格式进行研究后，发明人发现最优m的稳定值是0，最优n的稳定值是-1/(M+1)，参见图1(c)。

以QPSK(M＝4的MPSK信号)为例，当输入QPSK的光信噪比(OSNR)为20dB时，将m和n从-1到1遍历取值，QPSK在三波模型下提高的光信噪比OSNR值如图1(a)所示。从图中可以看出，不同的m和n值下，提高的光信噪比OSNR值非常不同。对于输入的不同质量的QPSK信号，无论是低光信噪比的QPSK信号，还是高光信噪比的QPSK信号，m和n的最优解均分别趋近0和-0.2，参见图1(b)。并且，光信噪比OSNR值随着QPSK信号质量的增大而增大，即信号质量越高，再生信号的再生效果越好。

因此，在该最优m和n值下，可以同时实现MPSK信号的幅度、相位再生。

由于在实际中，具体三波干涉再生模型的m和n值总是确定的，因此可以基于上述最优m和n的稳定值，得到如下新的两波再生模型：

基于该新的两波再生模型可知，通过信号

图2中纵轴幅相再生因子分别由输入信号的幅度/相位的标准差SD与输出信号的幅度/相位的标准差SD之间的比值计算得到。由图2可以看出，新的两波再生模型可同时实现信号幅度和相位的再生。并且信号质量越高，新的两波再生模型再生效果越好。

基于上述理论模型，本申请提出了一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法和系统，该方案可以实现携带ASE噪声的MPSK信号幅度、相位的同时再生，避免了传统PSA再生方案中相位噪声向幅度噪声的转化，可用于长距离大容量光网络中信号的中继传输。

下面首先对本发明实施例所提供的一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法进行介绍。

如图3所示，本发明实施例提供的一种携带ASE噪声的MPSK信号再生方法，包括：

S301，接收携带ASE噪声的MPSK信号。

其中，MPSK信号的调制阶数为M。示例性的，M＝4、8、16、32等。

ASE噪声，即放大器自发辐射噪声，这种噪声具有较大的幅度。通过本实施例提供的信号再生方法进行信号再生时，首先需要接收到该携带ASE噪声的MPSK信号。

S302，生成与MPSK信号频率相同的M+1次谐波信号。

需要说明的是，生成与MPSK信号频率相同的M+1次谐波信号的方式有多种，其中，可以采用两次四波混频实现生成。具体的生成步骤如下：

步骤一、生成第一泵浦波。

步骤二、放大第一泵浦波的功率。

通过放大第一泵浦波的功率，可以使随后的四波混频过程高效，从而能够产生M+1次谐波。

步骤三、将经过功率放大的第一泵浦波与MPSK信号输送至第一高非线性光纤发生四波混频，得到初始的M+1次谐波信号和与MPSK信号相位锁定的第二泵浦波。其中，第二泵浦波为M次谐波信号；所示初始的M+1次谐波信号的频率为第一频率，所述第一频率不同于所述MPSK信号的频率。

在非线性光学中，四波混频是介质中两个特定频率的光波在非线性材料中交会时，有可能产生另外两个频率的讯号，相互作用所引起的非线性光学效应。相位锁定是指，第一泵浦波的相位加第二泵浦波的相位减两倍的MPSK信号载波相位的结果为一定值。

步骤四、放大第二泵浦波的功率。

与放大第一泵浦波的功率相同，通过放大第二泵浦波的功率，可以使随后的四波混频过程高效，从而能够产生M+1次谐波。

步骤五、将初始的M+1次谐波信号、第一泵浦波以及经过功率放大的第二泵浦波输送至第二高非线性光纤发生四波混频，得到第二频率的M+1次谐波信号，其中，第二频率与MPSK信号的频率相同。

S303，调节MPSK信号的功率，使MPSK信号的功率与M+1次谐波信号的功率之比满足1:(-1/(M+1))

S304，使调节功率后的MPSK信号与M+1次谐波信号在预设相位压缩轴下发生信号干涉，以实现MPSK信号的再生。

本申请基于两波干涉进行MPSK信号的幅相再生，在进行信号干涉之前需调节M+1次谐波信号的相位，然后再将调节相位后的M+1次谐波信号与调节功率后的MPSK信号进行干涉以实现信号再生；其中，调节M+1次谐波信号的相位使得干涉时相位压缩轴满足

本发明实施例提供的方案，可以实现携带ASE噪声的MPSK信号幅度和相位的同时再生，避免了相位噪声向幅度噪声的转化，可有效提高携带ASE噪声的MPSK信号的传输距离，提高通信容量。

如图4所示，本发明实施还提供一种携带ASE噪声的MPSK信号再生系统，包括高次谐波生成组件和干涉再生组件；

高次谐波生成组件，用于生成与携带ASE噪声的MPSK信号频率相同的M+1次谐波信号；其中，MPSK信号的调制阶数为M；

干涉再生组件，用于调节携带ASE噪声的MPSK信号的功率，使携带ASE噪声的MPSK信号的功率与M+1次谐波信号的功率之比满足1:(-1/(M+1))

高次谐波生成组件包括连续波激光器11、第一功率放大器12、第一波分复用器13、第一高非线性光纤14、第一波分解复用器15、第二功率放大器16、第二波分复用器17、第二高非线性光纤18和滤波器19；其中，第一功率放大器12可以采用掺铒光纤放大器，第二功率放大器16可以采用注入锁定激光器。

连续波激光器11，为第一泵浦波；

第一功率放大器12，用于放大第一泵浦波的功率；

第一波分复用器13，用于接收携带ASE噪声的MPSK信号和经过功率放大的第一泵浦波，并将携带ASE噪声的MPSK信号和第一泵浦波输送入第一高非线性光纤14发生四波混频，得到初始的M+1次谐波信号和与MPSK信号相位锁定的第二泵浦波；其中，第二泵浦波为M次谐波信号；所示初始的M+1次谐波信号的频率为第一频率，所述第一频率不同于所述MPSK信号的频率；

第一波分解复用器15，用于从第一高非线性光纤14中解复用出携带ASE噪声的MPSK信号、第一泵浦波、第二泵浦波和初始的M+1次谐波信号；

第二功率放大器16，用于放大第二泵浦波的功率；第二波分复用器17，用于接收初始的M+1次谐波信号、第一泵浦波和经过功率放大的第二泵浦波，并将初始的M+1次谐波信号、第一泵浦波和第二泵浦波输送入第二高非线性光纤18发生四波混频，生成第二频率的M+1次谐波信号；其中，第二频率与MPSK信号的频率相同；

滤波器19从第二高非线性光纤18中滤波得到具有第二频率的M+1次谐波信号。

干涉再生组件包括功率调节装置21、相位调节装置22和干涉装置23；其中，功率调节装置21可以采用可变光衰减器，相位调节装置22可以采用可调节光纤延迟线，干涉装置23可以采用耦合器。

功率调节装置21，用于接收MPSK信号并调节MPSK信号的功率，使MPSK信号的功率与M+1次谐波信号的功率之比满足1:(-1/(M+1))

相位调节装置22，用于接收M+1次谐波信号并调节M+1次谐波信号的相位；

干涉装置23，用于接收调节相位后的M+1次谐波信号和调节功率后的MPSK信号后，进行信号干涉以实现MPSK信号的再生；其中，相位调节装置22调节M+1次谐波信号的相位使得干涉时的相位压缩轴满足

需要说明的是，本申请提供的相位调节装置还可以用于接收经过功率调节后的MPSK信号，并调节经过功率调节后的所述MPSK信号的相位；相对应的，干涉装置用于接收M+1次谐波信号以及调节功率和相位后的MPSK信号后，进行信号干涉以实现MPSK信号的再生；其中，调节经过功率调节后的MPSK信号的相位，使得干涉时的相位压缩轴为

本发明实施例提供的携带ASE噪声的MPSK信号再生系统中，高次谐波生成组件可以生成高次谐波信号，干涉再生组件可以调节MPSK信号的功率，使MPSK信号的功率与所述M+1次谐波信号的功率之比满足1:(-1/(M+1))

为了更好的理解本发明实施例所提供的方案，下面采用上述实施例的信号再生系统对携带ASE噪声的频率为193.1THz、比特速率为20Gbps的QPSK信号(M＝4的MPSK信号)进行再生。再生具体过程如下：

如图5所示，连续波激光器11生成频率为193.0THz的第一泵浦波P1，

第一功率放大器12采用掺铒光纤放大器，将第一泵浦波P1的功率放大到20dBm。

第一波分复用器13接收携带ASE噪声的QPSK信号和第一泵浦波P1，并将该QPSK信号和第一泵浦波P1输送入第一高非线性光纤14发生四波混频，得到初始的5次谐波信号5S’和与MPSK信号相位锁定的频率为193.4THz的4次谐波信号，即第二泵浦波P2；其中，第一高非线性光纤14的非线性系数γ＝13.1W

第一波分解复用器15从第一高非线性光纤14中解复用出携带ASE噪声频率为193.1THz的QPSK信号、频率为193.0THz的第一泵浦波P1、频率为193.4THz的第二泵浦波P2和频率为193.5THz的初始5次谐波信号5S’；

第二功率放大器16采用注入锁定激光器，将第二泵浦波P2的功率放大到16dBm；

第二波分复用器17接收初始的5次谐波信号5S’、第一泵浦波P1和经过功率放大的第二泵浦波P2，并将初始的5次谐波信号5S’、第一泵浦波P1和第二泵浦波P2输送入第二高非线性光纤18发生四波混频，生成频率为193.1THz的5次谐波信号5S；其中，第二高非线性光纤18与第一高非线性光纤14的参数相同。

滤波器19从第二高非线性光纤18中滤波得到频率为193.1THz的5次谐波信号5S。

功率调节装置21采用可变光衰减器，接收携带ASE噪声的QPSK信号并调节QPSK信号的功率，使QPSK信号的功率与5次谐波信号5S的功率之比满足1:(-1/5)

相位调节装置22采用可调节光纤延迟线，接收5次谐波信号5S并调节5次谐波信号5S的相位；

干涉装置23采用耦合器，接收调节相位后的5次谐波信号5S和调节功率后的QPSK信号后，进行信号干涉以实现QPSK信号的再生；其中，相位调节装置22调节5次谐波信号5S的相位使得干涉时的相位压缩轴

发明人采用本申请实施例提供的上述信号再生系统对光信噪比OSNR为8dB的低质量输入QPSK信号和光信噪比OSNR为16dB的高质量输入QPSK信号进行了再生。

对于光信噪比OSNR为8dB的低质量输入QPSK信号，再生之前信号的相位SD为20.87％，幅度SD为19.57％，参见图6(a)所示的星座图，再生后信号的相位SD为13.59％，幅度SD为10.57％，参见图6(b)所示的星座图。

对于光信噪比OSNR为16dB的高质量输入QPSK信号，再生之前信号的相位SD为8.18％，幅度SD为8％，参见图6(c)所示的星座图，再生后信号的相位SD为4.12％，幅度SD为3.12，参见图6(d)所示的星座图。

由图6的星座图可以看出，无论是光信噪比OSNR为8dB的低质量输入QPSK信号，还是光信噪比OSNR为16dB的高质量输入QPSK信号，再生之后信号的相位SD和幅度SD均得到了有效提升，并且光信噪比OSNR值随着QPSK信号质量的增大而增大，

因此，验证了本发明实施例提供的信号再生系统具备同时幅度和相位再生的能力，以及针对高质量信号可以获得更好的再生效果。

此外，如图5所示，发明人信号再生系统再生QPSK信号在相干接收前被送入长距离的普通光纤3，通过记录信号达到前向纠错阈值即误码率3.8×10

如图7所示，发明人将采用本申请信号再生系统再生的QPSK信号与未进行再生的QPSK信号，以及通过传统再生方法再生的QPSK信号进行对比，从图7中可以看出，传统再生得到的QPSK信号并不有利于更长距离传输，由于其受相位依赖的幅度噪声影响，为了实现更长距离的传输，需要额外的幅度再生装置来辅助。而本申请信号再生系统能够对幅度和相位同时再生，可直接完成信号的再生，实现信号更长距离的传输。

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。