一种通感一体系统

技术领域

本发明属于光纤通信及传感技术领域，更具体地，涉及一种通感一体系统。

背景技术

近来，通感一体系统引起了广泛的关注。因为它使得光纤网络在基础的数据传输功能以外，还具备了高性能传感功能用以监测外部环境的变化，这将极大程度推动公共安全的进步和智能城市的发展，因此研究一种通感一体系统具有重要意义。

为了在同一光纤上实现经济高效的数据传输和传感，通感一体的系统结构应具备内部通感兼容性和简洁性。现有的通感一体系统通过波长分割多路复用（WDM）和频率分割多路复用（FDM），将高性能传感系统集成到相干光通信网络中，实现了数据传输和分布式振动感知的同时进行。然而，这些结合了传感和通信的方案将传感信号和通信信号分开设计，系统结构内部通感缺乏兼容性，存在通感集成度严重不足的问题。不仅如此，随着光纤距离增长，这些通感一体系统也会面对传感响应带宽随之减小的问题，更无法适用于点多点场景下用户的数据传输和链路感知的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种通感一体系统，用以解决现有技术通传集成度严重不足、传感响应带宽较窄，以及无法适用于点多点场景下用户的数据传输和链路感知的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种通感一体系统，包括：发射端、通信接收端和传感接收端；所述发射端通过光纤链路分别与所述通信接收端和所述传感接收端相连；

所述发射端用于在每一帧数字子载波信号中插入多频传感探针信号，得到通传信号；将通传信号调制到单频光载波上，得到光信号，放大后通过所述光纤链路发送至所述通信接收端；其中，所述多频传感探针信号在时域上依次等间隔插入每一帧数字子载波信号，所述多频传感探针信号在频域上呈周期变化；所述多频传感探针信号在频域上均置于两个子载波之间的频谱凹陷处，且多频传感探针的频谱宽度均小于相邻两个子载波之间的频谱凹陷处的宽度；其中，所述频谱凹陷处的宽度为B×R，B为子载波带宽，R为子载波滚降系数；

所述通信接收端包括多个，且位于不同位置；每个所述通信接收端用于对接收到的光信号进行解调，提取解调后的信号中对应频段的多频传感探针信号，并将该对应频段的多频传感探针信号作为该通信接收端的帧同步信号，对发送至不同通信接收端的数字子载波信号进行帧同步；

所述传感接收端用于接收背向瑞利散射光信号，并对所述背向瑞利散射光信号进行解调，提取解调后的信号中的多频传感探针信号，以对所述光纤链路的状态进行感知；其中，所述背向瑞利散射光信号为所述发射端发射的光信号经过所述光纤链路背向传输至所述传感接收端的光信号。

可选的，一组多频传感探针信号对应N个子载波，N为正偶数。

可选的，每个所述通信接收端还用于将所述多频传感探针信号作为频偏矫正序列；

基于所述发射端的多频传感探针信号的中心频率

可选的，所述发射端包括：光纤激光器、偏振保持耦合器、多频本振产生模块、多频本振光调制模块、信号产生模块、光信号调制模块和放大器；

所述偏振保持耦合器用于将所述光纤激光器发出的单频激光分成两部分，一部分作为本振激光发送至所述多频本振光调制模块，另一部分作为光载波发送至所述光信号调制模块；

所述多频本振产生模块用于产生电域的多频本振信号；

所述多频本振光调制模块用于根据电域的多频本振信号对本振激光进行调制后发送至所述传感接收端；

所述信号产生模块用于产生数字子载波信号和传感探针信号，并在每一帧数字子载波信号的预设位置插入传感探针信号，得到通传信号；其中，预设位置

所述光信号调制模块用于将所述通传信号调制到光载波上，得到光信号；

所述放大器用于对所述光信号进行放大后，前向通过所述光纤链路发送至不同的所述通信接收端，背向通过所述光纤链路发送至传感接收端。

可选的，所述通感一体系统还包括分光器，所述通信接收端包括多个，所述光纤链路通过所述分光器连接至多个所述通信接收端；

不同的所述通信接收端还用于对应处理帧同步后的对应频段的子载波用户数据。

可选的，所述通信接收端的个数k=N

可选的，每个所述通信接收端均包括：通信本振激光器、通信相干接收机和通信处理模块；

所述通信本振激光器用于产生本振光信号；

所述通信相干接收机用于通过所述分光器接收所述发射端发送过来的前向光信号，并与对应的通信接收端的本振光信号进行干涉，以对光信号进行相干解调，得到不同用户的解调信号；

所述通信处理模块用于提取所得解调信号中的多频传感探针信号，并将对应频率的传感探针信号作为通信同步头，对数字子载波信号进行帧同步。

可选的，所述光纤激光器为窄线宽激光器，所述放大器为掺饵光纤放大器，所述分光器为波分复用器或者光纤耦合器。

可选的，所述传感接收端包括：传感相干接收机和传感处理模块；

所述传感相干接收机用于接收所述背向瑞利散射光信号，并与调制后的多频本振激光进行干涉，以对所述背向瑞利散射光信号进行相干解调，得到多频解调信号；

所述传感处理模块用于提取所述传感相干接收机所得多个解调信号中的多频传感探针信号，以对所述光纤链路的状态进行感知。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种通感一体系统，基于点对多点通信场景，将多频传感探针信号在时间上和频域上分别间隔插入数字子载波信号中，得到一体化的通传信号，通过将一体化的通传信号调制到光载波上，避免了传感信号和通信信号分别占用不同的波长资源，且传感探针信号也不会占用多余的频谱，在保证传感信号对通信信号的潜在影响较小的基础上，实现了高谱效的通感一体系统；与此同时，在通信数字信号处理端将该传感探针信号同时作为同步头加以利用，估计并补偿通信信号的定时同步误差，无需再另外插入同步头信号，实现了传感探针信号的多重复用，从而大大提高了通传系统的集成度。同时通过多个时间上和频谱上均错开的传感探针信号，在不同的传感接收端和多频本振光多径干涉后，使用和多频传感探针对应的匹配滤波分别解调，得到依次按时间顺序排列的多个采样点，进而增加了传感信号一个周期内的采样点数量，从而实现传感响应带宽的增强；适用于点多点场景下用户的数据传输和链路感知，实现了提升通感一体系统的集成度。

2、本发明提供了一种通感一体系统，多频传感探针信号在频域上均置于两个子载波之间的频谱凹陷处，且多频传感探针的频谱宽度均小于相邻两个子载波之间的频谱凹陷处的宽度。通过将多频传感探针信号的频谱置于两个子载波的频谱凹陷处，能够进一步有效减少在传感接收端子载波背向瑞利散射信号对传感探针的影响。

3、本发明提供了一种通感一体系统，通信接收端还用于将传感探针信号作为频偏矫正序列，进行色散补偿前的频偏估计，以进行前置的频偏补偿；通过进一步复用传感探针信号，同时解决了数字子载波系统频率同步前置的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种通感一体系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的多频传感探针信号间隔插入数字子载波信号的示意图。

图3为本发明实施例提供的另一种通感一体系统的结构示意图。

图4的（a）为本发明实施例提供的多频传感探针信号的频谱示意图，图4的（b）为本发明实施例提供的多频传感探针信号的频偏示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，如图1所示，本发明提供了一种通感一体系统，包括：发射端、通信接收端和传感接收端；发射端通过光纤链路分别与通信接收端和传感接收端相连；

所述发射端用于在每一帧数字子载波信号中插入多频传感探针信号，得到通传信号；将通传信号调制到单频光载波上，得到光信号，放大后通过所述光纤链路发送至所述通信接收端；其中，所述多频传感探针信号在时域上依次等间隔插入每一帧数字子载波信号，所述多频传感探针信号在频域上呈周期变化；所述多频传感探针信号在频域上均置于两个子载波之间的频谱凹陷处，且多频传感探针的频谱宽度均小于相邻两个子载波之间的频谱凹陷处的宽度；其中，所述频谱凹陷处的宽度为B×R，B为子载波带宽，R为子载波滚降系数；

所述通信接收端包括多个，且位于不同位置；每个所述通信接收端用于对接收到的光信号进行解调，提取解调后的信号中对应频段的多频传感探针信号，并将该对应频段的多频传感探针信号作为该通信接收端的帧同步信号，对发送至不同通信接收端的数字子载波信号进行帧同步；

所述传感接收端用于接收背向瑞利散射光信号，并对所述背向瑞利散射光信号进行解调，提取解调后的信号中的多频传感探针信号，以对所述光纤链路的状态进行感知；其中，所述背向瑞利散射光信号为所述发射端发射的光信号经过所述光纤链路背向传输至所述传感接收端的光信号。

各帧数字子载波信号时间上等间隔插入的多频传感探针信号可以相同，也可以不同，这里不做限定。如图2所示，数字子载波信号关于光载波中心频率对称，左右两边的子载波关于光载波中心频率对称；子载波的个数可以根据不同的应用场景可以进行灵活配置，一组多频传感探针信号对应N个子载波，N为正偶数。示例性的，可以为6个、8个等，不做限制。为了保证传感探针信号的背向瑞利散射光被正确区分，数字子载波的帧长应等于光在待测光纤中总的往返时间。

点对多点通信是将一个单一的源点通过一个通信信道向多个目的点发送信息。这种通信模式允许一个中心节点与多个分支用户节点进行交互，从而显著降低部署和维护的成本。多个分支用户节点位于不同的地理位置上，因此需要不同的同步头分别进行帧同步。为了提供给不同用户对应频段的同步头进行帧同步，多频传感探针信号在频域上呈周期变化，相邻的数字子载波信号中插入的传感探针信号在频域中位置均不相同，数字子载波信号数量可个性化设置；在每一帧数字子载波信号的预设位置插入传感探针信号，其中，预设位置

在一种可选实施方式下，为了在传感接收端减少背向瑞利散射光信号中数字子载波信号（子载波背向瑞利散射信号）对多频传感探针信号的影响，多频传感探针信号在频域上均置于两个子载波之间的频谱凹陷处，且多频传感探针的频谱宽度均小于相邻两个子载波之间的频谱凹陷处的宽度；其中，频谱凹陷处的宽度为B×R，B为子载波带宽，R为子载波滚降系数。

在数字子载波复用系统中，相邻低波特率子载波之间缺乏保护带会加剧频率偏移对系统性能的影响。因此，必须在使用根升余弦滤波器进行解复用之前，以及在色散补偿之前，先去除频率偏移，实现频率同步。在一种可选实施方式下，每个所述通信接收端还用于将所述多频传感探针信号作为频偏矫正序列；基于所述发射端的多频传感探针信号的中心频率

进一步的，如图1所示，所述发射端包括：光纤激光器、偏振保持耦合器、多频本振产生模块、多频本振光调制模块、信号产生模块、光信号调制模块和放大器；

所述偏振保持耦合器用于将所述光纤激光器发出的单频激光分成两部分，一部分作为本振激光发送至所述多频本振光调制模块，另一部分作为光载波发送至所述光信号调制模块；

所述多频本振产生模块用于产生电域的多频本振信号；

所述多频本振光调制模块用于根据电域的多频本振信号对本振激光进行调制后发送至

所述信号产生模块用于产生数字子载波信号和传感探针信号，并在每一帧数字子载波信号的预设位置插入传感探针信号，得到通传信号；其中，预设位置

所述光信号调制模块用于将所述通传信号调制到光载波上，得到光信号；

所述放大器用于对所述光信号进行放大后，前向通过所述光纤链路发送至不同的所述通信接收端，背向通过所述光纤链路发送至传感接收端。

可选的，如图3所示，所述通感一体系统还包括分光器，所述通信接收端包括多个，所述光纤链路通过所述分光器连接至多个所述通信接收端；

不同的通信接收端还用于对应处理帧同步后的对应频段的子载波用户数据。

可选的，所述通信接收端的个数k=N

通信接收端的个数由子载波总数和单个用户接收的子载波个数决定，通过调节单个用户接收的子载波个数，可以调节通信接收端的个数。

如图3所示，具体的，在本实施例中，通信接收端的个数为三个，所述通信接收端包括第一通信接收端、第二通信接收端和第三通信接收端；

所述第一通信接收端包括：第一通信本振激光器、第一通信相干接收机和第一通信处理模块；所述第二通信接收端包括：第二通信本振激光器、第二通信相干接收机和第二通信处理模块；所述第三通信接收端包括：第三通信本振激光器、第三通信相干接收机和第三通信处理模块；

所述第一通信本振激光器、第二通信本振激光器和第三通信本振激光器均用于产生本振光信号；

所述第一通信相干接收机、第二通信相干接收机和第三通信相干接收机均用于通过所述分光器接收所述发射端发送过来的前向光信号，并与对应的通信接收端的本振信号进行干涉，以对光信号进行相干解调，得到解调信号；

所述第一通信处理模块、第二通信处理模块和第三通信处理模块均用于提取所得解调信号中的多频传感探针信号，并将对应频率的传感探针信号作为通信同步头，对数字子载波信号进行帧同步。

其中，上述实施例中光纤激光器为窄线宽激光器；放大器可以为掺饵光纤放大器、拉曼放大器等，优选地，上述放大器为掺饵光纤放大器；分光器为波分复用器或者光纤耦合器；偏振保持耦合器的分光比大于50:50。

进一步需要说明的是，可以采用相干接收机作为光信号接收机，也可以采用直接探测接收模块。传感接收端中采用传感相干接收机时，则该模块的本振光信号来自于窄线宽激光器。

为了进一步说明本发明所提供的通感一体系统，下面结合一种具体实施方式进行详述：

参考图1和图3所示，本实施例中提供了一种基于共享发射机的结合光纤通信和分布式声学传感的通感一体收发系统，具体包括：发射端、通信接收端和传感接收端；其中，发射端通过光纤链路与通信接收端连接，发射端通过多频本振光调制模块和传感接收端连接。

在发射端，光纤激光器采用窄线宽激光器，本实施例中光纤激光器发出的单频激光通过一个70:30的偏振保持耦合器被分为两部分。其中，70部分作为传感接收器的本振激光，并通过多频本振产生单元发送至传感接收端，多频本振光调制模块产生的本振激光为多频激光，多频本振光调制模块与多频本振产生模块连接，多频本振产生模块产生多频的电信号，且其频率间隔等于子载波间的频率间隔B×2×（1+R），并传输至多频本振光调制模块中对本振激光进行调制；另一部分作为光载波发送至光信号调制模块，进而采用外调制产生发送端通感一体信号。信号产生单元同时产生通信和传感电信号，即数字子载波信号和多频传感探针信号，并在每一帧数字子载波信号中插入多频传感探针信号，得到通传信号；多频传感探针信号在频域上均置于两个子载波之间的频谱凹陷处，且多频传感探针的频谱宽度均小于相邻两个子载波之间的频谱凹陷处的宽度；频域上呈周期变化的多频传感探针信号在时域上依次等间隔插入每一帧数字子载波信号；将通传信号送入光信号调制模块。然后光信号调制模块将通传信号调制到光纤激光器发出的光载波上。调制后的光信号经掺铒光纤放大器放大后，被耦合进标准单模光纤传输。经过光纤传输后的光信号进入通信接收端，并被不同的通信接收端的通信相干接收机接收。第一通信相干接收机、第二通信相干接收机和第三通信相干接收机接收到的光信号即为前向通信载波，第一通信相干接收机、第二通信相干接收机和第三通信相干接收机分别把对应的本振激光器所产生的本振光信号和接收到的前向通信载波进行干涉，从而得到通信电信号；所得的通信电信号可以为2路或4路，本实施例中以得到4路通信电信号为例，即XI、XQ、YI、YQ。三个不同通信接收端的第一通信处理模块、第二通信处理模块和第三通信处理模块分别对四路电信号进行数字信号处理后得到最终的通信信息。同时，背向瑞利散射光信号经过环形器进入传感接收端的传感相干接收机，传感相干接收机接收到的背向瑞利散射光信号即为背向瑞利散射传感载波，传感相干接收机把传感接收器的本振激光器和接收到的背向瑞利散射传感载波进行干涉，从而得到4路传感电信号，XI、XQ、YI、YQ。传感接收端的传感处理模块对四路电信号进行数字信号处理后得到最终的传感信息。

具体地，如图3所示，在发射端，信号产生模块将传感探针在时域上插入数字子载波通信信号后进行重采样，得到通传信号。

在传感接收端，多频的背向瑞利散射传感载波与多频的本振激光器拍频，并由传感相干接收机进行探测，探测得到的电信号由四通道数字示波器进行采样，得到4路传感电信号，XI、XQ、YI、YQ。

在通信接收端，第一通信处理模块对经历第一通信相干接收机探测和数字示波器采样后所得的4路通信电信号，依次进行重采样、基于传感探针信号的帧定时同步、基于传感探针信号的频率同步、子载波解复用、残余损伤补偿操作后，得到发射端发送的信息。

基于传感探针做相关处理进行帧定时同步后使用上述方法作为频偏矫正序列进行频率同步，补偿响应的时偏和频偏损伤。

具体地，本实施例中，如图2所示，通过将多频传感探针信号在时域上和频域上分别间隔插入数字子载波信号中，实现高谱效的通感一体系统。与此同时，在进行帧同步时，将对应频率的传感探针信号作为通信同步头，对数字子载波信号进行帧同步；在通信数字信号处理端将该传感探针信号同时作为同步头加以利用，估计并补偿通信信号的定时同步误差，无需再另外插入同步头信号，实现了多频传感探针信号的多重复用，从而大大提高了通传一体系统的集成度。通过构建多个时间上和频谱上均错开的传感探针信号，通过在多个不同的传感接收端多径干涉后得到依次按时间顺序排列的多个采样点，进而增加了传感信号一个周期内的采样点数量，从而实现频率响应带宽增强的传感探测和振动事件提取。

进一步地，多频传感探针信号在频域上均置于两个子载波之间的频谱凹陷处，且多频传感探针的频谱宽度均小于相邻两个子载波之间的频谱凹陷处的宽度。通过将传感探针信号的频谱置于两个子载波的频谱凹陷处，从而有效减少了在传感接收端子载波多频对传感探针的影响。

除此之外，在进行频偏估计时，每个通信接收端还用于将多频传感探针信号作为前置频偏矫正序列，如图4所示，在三个通信接收端的情况下，分别计算每个通信接收端与发射端之间的频偏Δ

综上，本发明提供了一种通感一体系统，在通信场景下，不仅能够实现基本的同步功能（包括时间同步和频率同步），还可用于通感一体化应用场景，针对点到多点场景，利用多频传感探针，将其复用为针对多点用户的多频率的同步头信号，不仅可以在通信多用户接收端中进行时偏和频偏估计和补偿，同时也可以在背向传感接收端利用频域呈周期变化的传感探针实现了响应带宽增强的传感探测。解决现有通感一体系统将传感信号和通信信号分开设计，存在集成度严重不足、传感响应带宽较窄的问题，更无法适用于多点用户的数据传输和感知的问题。实现了提升通感一体系统的集成度，以及多点用户的接收端的数据同步。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。