CN102546026A - 一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法和系统，包括：对相干光接收机的输出信号的采样值进行归一化处理；将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对两两相乘的结果进行积分求平均；对积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。通过本发明，能够实现相干光接收机输出信号的偏斜检测。

Description

一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法和系统

技术领域

本发明涉及光纤通讯领域，尤其涉及一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法和系统。

背景技术

随着近年来光器件和微波器件的快速发展，相干光通讯技术成为了光通讯研究的热点。其中，相干光接收机是相干光通讯中最重要的光器件之一。相干光接收机采用光相干解调方式，其检测信号同时包含发送信号的幅度和相位信息，提高了传统光接收机的接收灵敏度，从而被广泛应用于40Gb/s及更高速大容量的光传输系统中。

在采用PM-QPSK调制方式的100G传输系统中，相干光接收机的前段将接收信号经过偏振分离后得到两路偏振光，随后对两路偏振光进行光相干解调，通过两个90混频器混频后得到四路分量输出。然而，在相干解调过程中，由于四路输出经过的通路路径不同，导致了四路输出信号之间的相位偏斜。偏斜量的大小主要由器件特性和链接走线决定，随环境的变化很小，但对于如何检测这四路信号的偏斜量，目前还没有相关的技术方案进行支持。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法和系统，能够解决现有技术中无法检测相干光接收机输出信号的偏斜量的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法，包括：

对相干光接收机的输出信号的采样值进行归一化处理；

将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对所述两两相乘的结果进行积分求平均；

对所述积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。

得到所述偏斜量之后，该方法还包括：根据所述偏斜量采用插值算法对所述各路输出信号进行偏斜补偿。

所述输出信号包括四路模拟电信号；该方法还包括：

将所述四路模拟电信号转换为对应的四路数字电信号，分别对所述四路数字电信号的采样值进行归一化处理。

所述相干光接收机输出所述四路模拟电信号，包括：

所述相干光接收机将接收的一路信号光和一路本振光分别分成一路X方向和一路Y方向的偏振光信号；

将X方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到X方向的两路正交光信号；将Y方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到Y方向的两路正交光信号；

对所述X方向的两路正交光信号和所述Y方向的两路正交光信号进行光电转换得到对应的四路模拟电信号。

本发明还提供了一种相干光接收机输出信号的偏斜检测系统，包括：相干光接收机、模数转换器(ADC)和数字信号处理单元；其中：

所述相干光接收机，用于接收信号光和本振光，并输出相干接收后的信号；

所述ADC，用于获取所述相干光接收机输出信号的采样值并输出；

所述数字信号处理单元，用于接收所述输出信号的采样值，并进行如下处理：对所述输出信号的采样值进行归一化处理；

将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对所述两两相乘的结果进行积分求平均；

对所述积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。

该系统还包括：补偿单元，用于根据所述偏斜量采用插值算法对所述各路输出信号进行偏斜补偿。

所述相干光接收机包括：偏振分束器(PBS)、90度混频器和光电转换器；其中：

所述PBS，用于将接收的一路信号光和一路本振光分别分成一路X方向和一路Y方向的偏振光信号，并输出给所述90度混频器；

所述90度混频器，用于将X方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到X方向的两路正交光信号；以及将将Y方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到Y方向的两路正交光信号；并将四路光信号输出给所述光电转换器；

所述光电转换器，用于对所述四路光信号进行光电转换得到对应的四路模拟电信号，并输出给所述ADC。

所述ADC，用于对所述四路模拟电信号进行模数转换，得到对应的四路数字电信号的采样值。

该系统还包括：激光器，用于产生所述信号光和本振光，并输出给所述相干光接收机。

本发明相干光接收机的偏斜检测方法和系统，引入了数字信号处理单元，采用归一化处理、积分求平均等过程，可以精确计算出相干接收机以及PCB走线、信号通过电缆接入ADC的偏斜。另外，采用数字信号处理单元使得偏斜计算和补偿算法的实现更方便，成本更低。

附图说明

图1为本发明相干光接收机输出信号的偏斜检测方法流程图；

图2为相干光接收机输出信号的偏斜检测系统框图；

图3为相干光接收机内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

如图1所示，本发明相干光接收机输出信号的偏斜检测方法包括：

步骤101，对相干光接收机的输出信号的采样值进行归一化处理。

步骤102，将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对两两相乘的结果进行积分求平均；这里的信号周期是指相乘后得到的信号对应的信号周期。

步骤103，对积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。

在该偏斜检测过程中：

相干光接收机的输出信号包括四路模拟电信号，在将四路模拟电信号转换为对应的四路数字电信号后，对四路数字电信号的采样值进行归一化处理。

得到偏斜量之后，还可以根据偏斜量采用插值算法对各路输出信号进行偏斜补偿，具体实现为现有技术，此处不再赘述。

另外，相干光接收机输出信号的过程包括：

相干光接收机将接收的一路信号光和一路本振光分别分成一路X方向和一路Y方向的偏振光信号；

将X方向的信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到X方向的两路正交光信号；将Y方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到Y方向的两路正交光信号；

对X方向的两路正交光信号和Y方向的两路正交光信号进行光电转换得到对应的四路模拟电信号后输出。

下面本发明将结合图2和图3对上述方法进行具体说明。

首先，用一个激光器(选用Integrable Tunable Laser Assembly，简称ITLA)作为信号源，用以产生信号光(Signal)，用另一个激光器(ITLA)产生本振光(LO)，信号光和本振光同时接入到相干光接收机。

为了更清楚地说明本发明的偏斜检测过程，这里：

将信号光表示为：exp j(ω_ct+θ_c(t))                       (1)；

将本振光表示为：exp j(ω_lot+θ_lo(t))                     (2)。

其中，ω_c表示信号光信号的频率，ω_lo表示本振光信号的频率，θ_c(t)表示信号光信号的相位，θ_lo(t)表示本振光信号的相位。

相干光接收机对信号光信号和本振光信号的处理，如图3所示：

偏振分束器(PBS，Polarization Beam Splitter)部分：

一路光信号进入PBS后，被分为两路偏振态正交的偏振光信号，为了方便后续描述，这里记为一路X方向的偏振光信号和一路Y方向的偏振光信号。那么信号光信号被分为偏振态正交的Xc和Yc；本振光信号被分为偏振态正交的Xlo和Ylo最终，PBS输出四路光信号：Xc、Yc、Xlo、Ylo。

90度混频器部分：

将输入的X方向的两路偏振光信号(Xc和Xlo)进行90度相干混频、将输入的Y方向的两路偏振光信号(Yc和Ylo)进行90度相干混频。

混频后X方向的偏振光信号包括：信号光的偏振光信号XQ和本振光的偏振光信号XI，XQ与XI正交；Y方向的偏振光信号包括：信号光的偏振光信号YQ和本振光的偏振光信号YI，YQ与YI正交。

混频后，将XQ、XI、YQ和YI四路光信号输出。

光电转换器部分：

对混频后的四路光信号进行光电转换得到四路模拟电信号后输出，即本发明所述的相干光接收机的四路输出信号。

为了实现偏斜检测方法，本发明增加了ADC和数字信号处理单元的操作，如下：

首先，模数转换器(ADC)对相干光接收机输出的四路模拟电信号进行模数转换，包括：进行抽样和量化处理，最后得到四路数字电信号的采样值。

基于公式(1)和公式(2)，如果相干光接收机输出的四路信号为理想状态、即没有发生偏斜，那么对应的四路数字电信号的采样值可以表示为：

XI：Re{γ₁ exp j((ω_c-ω_lo)t+θ_c(t)-θ_lo(t)}            (3.1)

XQ：Im{γ₁ exp j((ω_c-ω_lo)t+θ_c(t)-θ_lo(t)}            (3.2)

YI：Re{γ₂ exp j((ω_c-ω_lo)t+θ_c(t)-θ_lo(t)}           (3.3)

YQ：Im{γ₂ exp j((ω_c-ω_lo)t+θ_c(t)-θ_lo(t)}           (3.4)

其中，γ₁：γ₂为PBS输出的X方向和Y方向的偏振光信号的分光比率差，可以认为γ₁和γ₂是一个实数；另外，在一段比较短的时间内，可以认为Δω＝ω_c-ω_lo、Δθ＝θ_c(t)-θ_lo(t)也分别为一个常数。

但是，在实际应用中，相干光接收机输出的四路信号之间会存在偏斜，因此需要对上述公式(3.1)、(3.2)、(3.3)(3.4)进行修正。具体的，设置四路信号两两之间的六个偏斜量，但其中三个偏斜量是冗余的，因此可采用其中任意三个偏斜量对(3.1)、(3.2)、(3.3)(3.4)进行修正。

例如，假设XQ与XI之间的偏斜量为δ₁，YQ与YI之间的偏斜量为δ₂，YI与XI之间的偏斜量为δ₃。则在将γ₁、γ₂、Δω＝ω_c-ω_lo、Δθ＝θ_c(t)-θ_lo(t)作为常数时，修正后的四路数字电信号的采样值可以表示为：

XI：γ₁ cos(Δωt+Δθ)                (4.1)

XQ：γ₁ sin(Δωt+Δθ+δ₁)            (4.2)

YI：γ₂ cos(Δωt+Δθ+δ₃)            (4.3)

YQ：γ₂ sin(Δωt+Δθ+δ₂+δ₃)        (4.4)

然后，数字信号处理单元基于四路数字电信号的采样值进行偏斜检测，具体过程如下：

1、对四路数字电信号的采样值进行归一化处理，得到：

XI：cos(Δωt+Δθ)            (5.1)

XQ：sin(Δωt+Δθ+δ₁)        (5.2)

YI：cos(Δωt+Δθ+δ₃)        (5.3)

YQ：sin(Δωt+Δθ+δ₂+δ₃)    (5.4)

2、将(5.1)、(5.2)、(5.3)、(5.4)两两相乘，并在一个信号周期内、即[0，T]内进行积分求平均。其中，

需要指出的是，两两相乘并进行积分求平均后，最多可得到六个非线性方程式，但是该偏斜检测过程中只采用了三个偏斜量，因此，六个非线性方程式中有三个是冗余的，只需要采用六个非线性方程式中的任意三个进行求解，即可得到三个偏斜量的值。

例如，将(5.1)与(5.2)相乘，并在[0，T]区间内积分求平均可得非线性方程：

$A1=\frac{1}{2T}{\∫}_0^T\sin (2\mathrm{\Δ\ωt}+2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\δ}}_1)\mathrm{dt}+\frac{\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)}{2}---\left(6\right)$

其中， $T=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δ\ω}}.$

由于激光器可以输出频率、相位和运行方向基本一致的激光，因此本振光信号的频率与信号光信号的频率近似相等，即Δω非常小，则在T比较大的情况下，公式(6)近似等于：

得到非线性方程：

$A1=\frac{\sin \left({\mathrm{\δ}}_1\right)}{2}---\left(7\right);$

同理，将(5.3)与(5.4)相乘，并在[0，T]区间内积分求平均可得非线性方程：

$A2=\frac{\sin \left({\mathrm{\δ}}_2\right)}{2}---\left(8\right)$

同理，将(5.1)与(5.4)相乘，并在[0，T]区间内积分求平均可得非线性方程：

$A2=\frac{\sin ({\mathrm{\δ}}_2+{\mathrm{\δ}}_3)}{2}---\left(9\right)$

上述三个非线性方程组成方程组，进行求解可得到δ₁、δ₂、δ₃

得到偏斜量后，通过插值方法可以进行偏斜补偿。

为了实现上述偏斜检测方法，本发明还提出了一种偏斜检测系统，如图2包括：相干光接收机、ADC和数字信号处理单元；其中：

相干光接收机，用于接收信号光和本振光，并输出相干接收后的信号；

ADC，用于获取输出信号的采样值并输出；

数字信号处理单元，用于接收输出信号的采样值，并进行如下处理：对输出信号的采样值进行归一化处理；

将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对两两相乘的结果进行积分求平均；

对积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。

其中，数字信号处理单元可以采用DSP或FPGA。

如图2所示，该系统还包括：补偿单元，用于根据偏斜量采用插值算法对各路输出信号进行偏斜补偿。

相干光接收机包括：偏振分束器(PBS)、90度混频器和光电转换器；其中：

PBS，用于将接收的一路信号光信号和一路本振光信号分别分成一路X方向和一路Y方向的偏振光信号，并输出给90度混频器；

90度混频器，用于将X方向的信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到X方向的两路正交光信号；以及将将Y方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到Y方向的两路正交光信号，并将四路光信号输出给光电转换器；

光电转换器，用于对四路光信号进行光电转换得到对应的四路模拟电信号，并输出给ADC。

ADC，用于对四路模拟电信号进行模数转换，得到对应的四路数字电信号的采样值。

该系统还包括：激光器，用于产生信号光和本振光，并输出给相干光接收机。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种相干光接收机输出信号的偏斜检测方法，其特征在于，包括：

对相干光接收机的输出信号的采样值进行归一化处理；

将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对所述两两相乘的结果进行积分求平均；

对所述积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。

2.根据权利要求1所述相干光接收机输出信号的偏斜检测方法，其特征在于，得到所述偏斜量之后，该方法还包括：根据所述偏斜量采用插值算法对所述各路输出信号进行偏斜补偿。

3.根据权利要求1或2所述相干光接收机输出信号的偏斜检测方法，其特征在于，所述输出信号包括四路模拟电信号；该方法还包括：

将所述四路模拟电信号转换为对应的四路数字电信号，分别对所述四路数字电信号的采样值进行归一化处理。

4.根据权利要求3所述相干光接收机输出信号的偏斜检测方法，其特征在于，所述相干光接收机输出所述四路模拟电信号，包括：

所述相干光接收机将接收的一路信号光和一路本振光分别分成一路X方向和一路Y方向的偏振光信号；

将X方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到X方向的两路正交光信号；将Y方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到Y方向的两路正交光信号；

对所述X方向的两路正交光信号和所述Y方向的两路正交光信号进行光电转换得到对应的四路模拟电信号。

5.一种相干光接收机输出信号的偏斜检测系统，其特征在于，包括：相干光接收机、模数转换器(ADC)和数字信号处理单元；其中：

所述相干光接收机，用于接收信号光和本振光，并输出相干接收后的信号；

所述ADC，用于获取所述相干光接收机输出信号的采样值并输出；

所述数字信号处理单元，用于接收所述输出信号的采样值，并进行如下处理：对所述输出信号的采样值进行归一化处理；

将归一化处理后的各路输出信号两两相乘，并在一个信号周期内对所述两两相乘的结果进行积分求平均；

对所述积分求平均的结果进行求解，得到各路输出信号之间的偏斜量。

6.根据权利要求5所述相干光接收机输出信号的偏斜检测系统，其特征在于，该系统还包括：补偿单元，用于根据所述偏斜量采用插值算法对所述各路输出信号进行偏斜补偿。

7.根据权利要求5或6所述相干光接收机输出信号的偏斜检测系统，其特征在于，所述相干光接收机包括：偏振分束器(PBS)、90度混频器和光电转换器；其中：

所述PBS，用于将接收的一路信号光和一路本振光分别分成一路X方向和一路Y方向的偏振光信号，并输出给所述90度混频器；

所述90度混频器，用于将X方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到X方向的两路正交光信号；以及将将Y方向的所述信号光的偏振光信号与本振光的偏振光信号进行90度混频后，得到Y方向的两路正交光信号；并将四路光信号输出给所述光电转换器；

所述光电转换器，用于对所述四路光信号进行光电转换得到对应的四路模拟电信号，并输出给所述ADC。

8.根据权利要求7所述相干光接收机输出信号的偏斜检测系统，其特征在于，

所述ADC，用于对所述四路模拟电信号进行模数转换，得到对应的四路数字电信号的采样值。

9.根据权利要求8所述相干光接收机输出信号的偏斜检测系统，其特征在于，该系统还包括：激光器，用于产生所述信号光和本振光，并输出给所述相干光接收机。

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