CN102546011B - Rz-dqpsk光信号调制失真的监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种RZ-DQPSK光信号调制失真的监测方法，包括对I路、Q路延时以及切割脉冲延时的监测，利用脉冲光对RZ-DQPSK光信号进行相干光采样，采样得到的数据使用数字信号处理算法构建状态转移图，对构建得到的状态转移图与标准图库进行匹配，得到最佳匹配对应的延时，作为监测的结果，本发明还提供了一种实现该方法的系统，包括用于对RZ-DQPSK光信号进行采样，并得到状态转移图的状态转移图构建装置；以及用于对得到的状态转移图与标准图库进行匹配，从而得到最终的监测结果的状态转移图匹配装置，本发明在已有相干光检测系统基础上，采用数字信号处理算法，降低了系统复杂度，且状态转移图匹配可提高调制失真的判决监测性能。

Description

RZ-DQPSK光信号调制失真的监测方法和系统

技术领域

本发明属于光信号调制技术领域，特别涉及一种RZ-DQPSK光信号调制失真的监测方法和系统。

背景技术

RZ-DQPSK(Return to Zero-Differential Quadrature Phase Shift Keying，归零-差分四相相移键控)差分四相相移键控(DQPSK)利用载波的四种相对相位差来传送数字信号，它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实现也较为简单，目前已经广泛应用于无线通信中，成为现代通信中一种十分重要的调制解调方式。归零(Return to Zero)码的自同步特性使得归零码的应用十分广泛，同差分四相相移键控相结合即得到了RZ-DQPSK。

常见的产生RZ-DQPSK光信号的调制方式是，激光器产生的直流光经过双平行调制器调制上I路信号和Q路信号，再由调制器切割得到RZ-DQPSK光信号。其中双平行调制器由母调制器、子调制器和子调制器组成。理想情况下，I路信号、Q路信号以及切割脉冲应该实现三者的时间对准。而I路信号和Q路信号的延时、切割脉冲与I、Q路信号的延时都会造成调制失真，使得生成的RZ-DQPSK光信号发生畸变。

相干光检测是高速光通信的一个重要发展方向，具有接收灵敏度高、频谱效率高、能够完全补偿光在传输中的各种线性损伤以及非线性损伤等优点。相干光检测将本振光与信号光通过相位分集的方式进行光学混频，将调制于光频的信号搬至基频，得到信号的同相分量和正交分量，从而可以恢复出信号光的复光场。

针对监测RZ-DQPSK调制过程中I、Q路信号的延时以及切割脉冲的延时，美国南加州大学于2007年的ECOC会议上于《Experimental SynchronizationMonitoring of I/Q Misalignment and Pulse Carving Misalignment in 20-Gbit/sRZ-DQPSK Data Generation》一文中提出了一种方法，

激光器产生的直流光经过双平行调制器调制上I路信号和Q路信号，然后通过分束器分成两路。其中一路经过光电探测器和带通滤波器，输出信号的功率采用功率测量仪测量。测量得出的功率值随着I路和Q路信号延时的增大而减小，据此来监测I路和Q路信号的延时。分束器输出的另一路经过调制器，被调制上切割脉冲，然后通过分束器分成两路，一路作为RZ-DQPSK光信号输出，另一路经过光电探测器和带通滤波器，输出信号的功率采用功率测量仪测量。测量得到的功率值随着切割脉冲延时的增大而增大，根据这个规律来监测切割脉冲与I、Q路信号的延时。

上述方法中，光电探测器的带宽和带通滤波器的中心频率需要达到同符号速率相等的值。对于监测高符号速率的信号，该方法的成本增大，可实现性降低。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种RZ-DQPSK光信号调制失真的监测方法和系统，在相干光检测的基础上，采用高效的数字信号处理算法，通过状态转移图匹配，实现监测RZ-DQPSK光信号调制过程中I路和Q路的延时以及切割脉冲的延时，具有高效低成本的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种RZ-DQPSK光信号调制失真的监测方法，包括对I路、Q路延时以及切割脉冲延时的监测，利用脉冲光对RZ-DQPSK光信号进行相干光采样，采样得到的数据使用数字信号处理算法构建状态转移图，对构建得到的状态转移图与标准图库进行匹配，得到最佳匹配对应的延时，作为监测的结果，

其中，标准图库是这样得到的：通过仿真，改变不同的I路和Q路延时以及切割脉冲延时，记录对应的状态转移图，所有的状态转移图即构成了标准图库。

所述相干光采样的过程中，设置脉冲光的重复频率，使其小于符号速率，接着与信号光完成混频，之后使用平衡探测器接收，即完成了采样过程。

本发明还提供了一种实现权利要求1所述监测方法的系统，包括：

状态转移图构建装置，用于对RZ-DQPSK光信号进行采样，并得到状态转移图；

状态转移图匹配装置，用于对得到的状态转移图与标准图库进行匹配，从而得到最终的监测结果；

所述状态转移图构建装置包括一个采样脉冲光发生器、一个90度混频器、两个平衡探测器、两个模数转换器和状态转移图生成器，RZ-DQPSK光信号与采样脉冲光发生器产生的脉冲光在90度混频器中混频，然后经过两个平衡探测器分别得到正交和同相的两路电信号输出，每路信号输出分别通过一个模数转换器进行量化操作，量化得到的数字信号使用状态转移图生成器产生状态转移图，最后使用状态转移图匹配装置得出匹配结果。

所述状态转移图生成器包含有进行如下运算的装置：

第一步，在第一个脉冲采样周期内，选择使得I路信号的幅值统计为最大值的点作为I路重采样起点，选择使得Q路信号的幅值统计为最大值的点作为Q路重采样起点，从而实现I路和Q路信号延时校准；

第二步，在第一步得到采样起点的基础上，以采样脉冲光的频率对数字信号进行重采样，得到的I路和Q路信号分别作为横、纵坐标的数据，构建出状态转移图。

所述状态转移图匹配装置包含有进行如下运算的装置：第一步，在构建的状态转移图中，以7.2度为步长进行360度扫描，每次取18度相位角范围内的点并记录其中幅值最大的点，最后选取最大幅值均大于相邻相位角区域最大幅值的相角区域，得到状态转移图顶点对应的四个相角区域；

第二步，对第一步得到的各个相角区域根据相角均分为10等份，得到10个细分区域，记录每个细分区域中的最大幅值点坐标，得到四个相角区域对应的坐标点集，然后分别对各个坐标点集作平均，得到四个顶点初定坐标；

第三步，根据对角线顶点关于原点对称的原理，对第二步得到的四个顶点初定坐标进行矫正，得到状态转移图的四个顶点坐标；

第四步，将状态转移图与标准图库中的每个标准图进行匹配，匹配过程为：

1)、采用伸缩和相位旋转操作，使第三步中得到的四个顶点坐标与标准图的四个顶点坐标重合，

2)、以标准图中的每个点为圆心、实验所得状态转移图中的边宽为半径作为匹配区域，统计状态转移图中落在匹配区域外的点数、以及匹配点少于状态图点密度与匹配区域面积之积的匹配区域个数，以此计算非匹配指数，非匹配指数越大，匹配程度越小；

第五步，对于标准图库，选取非匹配指数最小的标准图，该标准图对应的仿真条件即作为监测结果。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)对信号速率透明，对于不同速率的RZ-DQPSK光信号无需更改器件参数；

2)成本低，在信号速率高的条件下，无需对应的高速率光电探测器和高中心频率的带通滤波器；

3)可行性强，可以通过降低采样脉冲光的重复频率，完成过高速率的信号监测。

附图说明

图1为本发明监测系统原理图。

图2为本发明一个实施例的测试装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明基于这样的考虑：对于监测RZ-DQPSK光信号调制过程中I路和Q路的延时以及切割脉冲的延时，已有的方法在高符号速率条件下需要高速率的光电探测器和高频率的带通滤波器，成本较大。而相比之下，通过脉冲相干光采样的方法，降低本振光的脉冲重复频率，可以使用低速光电探测器，结合低速的模数转换器，从而降低实验条件要求和成本，提高监测的可行性。

本发明的监测方法，包括对I路、Q路延时以及切割脉冲延时的监测，

首先利用脉冲光对RZ-DQPSK光信号进行相干光采样，采样过程中，设置脉冲光的重复频率，使其小于符号速率，接着与信号光完成混频，之后使用平衡探测器接收，即完成了采样过程。采样得到的数据使用数字信号处理算法构建状态转移图，

然后对构建得到的状态转移图与标准图库进行匹配，得到最佳匹配对应的延时，作为监测的结果，

其中，标准图库是这样得到的：通过仿真，改变不同的I路和Q路延时以及切割脉冲延时，记录对应的状态转移图，所有的状态转移图即构成了标准图库。

上述方法的一种实现装置，如图1所示，包括状态转移图构建装置309和状态转移图匹配装置308。具体实施方式如下：RZ-DQPSK光信号与采样脉冲光发生器301产生的脉冲光在90度混频器302中混频，然后经过平衡探测器303、平衡探测器304分别得到正交和同相的两路电信号输出，再通过模数转换器305、模数转换器306分别进行量化操作，量化得到的数字信号使用状态转移图生成器307产生状态转移图，最后使用状态转移图匹配装置308得出匹配结果。

其中，状态转移图生成器307进行的运算如下：一、在第一个脉冲采样周期内，选择使得I路信号的幅值统计为最大值的点作为I路重采样起点，选择使得Q路信号的幅值统计为最大值的点作为Q路重采样起点，从而实现I路和Q路信号延时校准；二、在第一步得到采样起点的基础上，以采样脉冲光的频率对数字信号进行重采样，得到的I路和Q路信号分别作为横、纵坐标的数据，构建出状态转移图。状态转移图匹配装置308进行的操作步骤如下：一、在构建的状态转移图中，以7.2度为步长进行360度扫描，每次取18度相位角范围内的点并记录其中幅值最大的点，最后选取最大幅值均大于相邻相位角区域最大幅值的相角区域，得到状态转移图顶点对应的四个相角区域；二、对第一步得到的各个相角区域根据相角均分为10等份，得到10个细分区域，记录每个细分区域中的最大幅值点坐标，得到四个相角区域对应的坐标点集，然后分别对各个坐标点集作平均，得到四个顶点初定坐标；三、根据对角线顶点关于原点对称的原理，对第二步得到的四个顶点初定坐标进行矫正，得到状态转移图的四个顶点坐标；四、将状态转移图与标准图库中的每个标准图进行匹配，匹配过程为：1、采用伸缩和相位旋转操作，使第三步中得到的四个顶点坐标与标准图的四个顶点坐标重合，2、以标准图中的每个点为圆心、实验所得状态转移图中的边宽为半径作为匹配区域，统计状态转移图中落在匹配区域外的点数、以及匹配点少于状态图点密度与匹配区域面积之积的匹配区域个数，以此计算非匹配指数，非匹配指数越大，匹配程度越小；五、对于标准图库，选取非匹配指数最小的标准图，该标准图对应的仿真条件即作为监测结果。

以10-Gbaud RZ-DQPSK信号的延时偏差监测为实际例子，进行了测试。测试的装置如图2所示，包括RZ-DQPSK光信号产生部分421、状态转移图构建部分401和状态转移图匹配部分420。激光器402产生的直流光通过3dB分束器403分成两个支路：上面的支路中，采用偏振控制器404控制偏振模色散，再经过双平行调制器408，被周期为231-1比特、速率为10-Gbit/s的二进制伪随机码信号调制，然后级联强度调制器409完成归零码切割，得到10-Gbaud的RZ-DQPSK信号，接着经过一个光带通滤波器410，作为90度混频器413的信号源输入；下面的支路中，直流光采用偏振控制器405控制偏振模色散，然后通过被7.31GHz信号驱动的强度调制器406和相位调制器407的驱动，再经过掺铒光纤放大器411放大，最后使用色散补偿光纤412压缩脉冲宽度，得到重复频率为7.31GHZ、脉冲宽度约为8ps的采样脉冲光，作为90度混频器413的本振源输入。90度混频器413的输出端经过平衡探测器414、平衡探测器415后，得到RZ-QPSK信号的正交、同相两路采样，再通过模数转换器416、模数转换器417分别进行量化操作，量化后的数据存储于采样示波器418中，以便作下一步的离线处理，示波器的采样率为4-GSa/s。最后，通过状态转移图生成部分419完成状态转移图的构建，由状态转移图匹配部分420得出监测的结果。

为了监测造成信号损伤的各类参数偏差，实验中分别改变I路和Q路调制信号的延时和切割脉冲的延时，得到不同的监测结果以进行分析。为了使匹配对比更加清晰，下面的实验结果图中，以灰色细点表示实验所得的状态转移图，以黑色粗点线表示与之最佳匹配的标准图。

图3展示了I路和Q路信号在不同延时条件下，实验所得的状态转移图与标准图的最佳匹配对比，以及标准图对应的监测结果。图3A、图3B、图3C和图3D中的灰色细点分别为I路和Q路延时在0.2个符号周期、0.3个符号周期、0.4个符号周期、0.5个符号周期时得到的状态转移图；黑色粗点线为与标准图库所匹配的标准图，对应的监测结果分别为I路和Q路延时0.25个符号周期、0.25个符号周期、0.4个符号周期、0.5个符号周期。

图3的结果说明了该方法能够区分不同的I、Q路延时，针对I路、Q路信号不同延时条件完成较相近的状态转移图匹配，获得有效的监测结果。

图4展示了切割脉冲在不同延时条件下，实验所得的状态转移图与标准图的最佳匹配对比，以及标准图对应的监测结果。图4A和图4B中的灰色细点分别为切割脉冲延时在0.26个符号周期、0.48个符号周期时得到的状态转移图；黑色粗点线为与标准图库所匹配的标准图，对应的监测结果分别为切割延时0.25个符号周期、0.5个符号周期。

图4的结果说明了该方法能够区分不同的切割脉冲延时，针对切割脉冲不同延时条件完成较相近的状态转移图匹配，获得有效的监测结果。

图3和图4的结果综合验证了本专利提出的方法可以辨别延时的种类--I、Q路延时和切割脉冲延时，而且能够判决得出延时的大小，从而有效地完成RZ-DQPSK光信号在调制过程中延时偏差的监测。

本发明的监测RZ-DQPSK延时偏差的方法，在相干光检测的基础上，采用脉冲相干光采样的方案，有助于降低光电探测器和模数转换器的速率要求，从而达到降低成本、提高可行性的效果。而且本发明采用状态转移图匹配的方法，能够保证监测的有效性。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (3)

1.一种RZ-DQPSK光信号调制失真的监测系统，其特征在于，包括：

状态转移图构建装置，用于对RZ-DQPSK光信号进行采样，并得到状态转移图；

状态转移图匹配装置，用于对得到的状态转移图与标准图库进行匹配，从而得到最终的监测结果；

所述状态转移图构建装置包括一个采样脉冲光发生器、一个90度混频器、两个平衡探测器、两个模数转换器和状态转移图生成器，RZ-DQPSK光信号与采样脉冲光发生器产生的脉冲光在90度混频器中混频，然后经过两个平衡探测器分别得到正交和同相的两路电信号输出，每路信号输出分别通过一个模数转换器进行量化操作，量化得到的数字信号使用状态转移图生成器产生状态转移图，最后使用状态转移图匹配装置得出匹配结果。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述状态转移图生成器包含有进行如下运算的装置：

第一步，在第一个脉冲采样周期内，选择使得I路信号的幅值统计为最大值的点作为I路重采样起点，选择使得Q路信号的幅值统计为最大值的点作为Q路重采样起点，从而实现I路和Q路信号延时校准；

第二步，在第一步得到采样起点的基础上，以采样脉冲光的频率对数字信号进行重采样，得到的I路和Q路信号分别作为横、纵坐标的数据，构建出状态转移图。

3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述状态转移图匹配装置包含有进行如下运算的装置：

第一步，在构建的状态转移图中，以7.2度为步长进行360度扫描，每次取18度相位角范围内的点并记录其中幅值最大的点，最后选取最大幅值均大于相邻相位角区域最大幅值的相角区域，得到状态转移图顶点对应的四个相角区域；

第二步，对第一步得到的各个相角区域根据相角均分为10等份，得到10个细分区域，记录每个细分区域中的最大幅值点坐标，得到四个相角区域对应的坐标点集，然后分别对各个坐标点集作平均，得到四个顶点初定坐标；

第三步，根据对角线顶点关于原点对称的原理，对第二步得到的四个顶点初定坐标进行矫正，得到状态转移图的四个顶点坐标；

第四步，将状态转移图与标准图库中的每个标准图进行匹配，匹配过程为：

1）、采用伸缩和相位旋转操作，使第三步中得到的四个顶点坐标与标准图的四个顶点坐标重合，

2）、以标准图中的每个点为圆心、实验所得状态转移图中的边宽为半径作为匹配区域，统计状态转移图中落在匹配区域外的点数、以及匹配点少于状态图点密度与匹配区域面积之积的匹配区域个数，以此计算非匹配指数，非匹配指数越大，匹配程度越小；

第五步，对于标准图库，选取非匹配指数最小的标准图，该标准图对应的仿真条件即作为监测结果。