CN102638307B

CN102638307B - 一种高速光归零码占空比测量方法及装置

Info

Publication number: CN102638307B
Application number: CN201210143470.4A
Authority: CN
Inventors: 赖俊森; 杨爱英; 孙雨南; 左林
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2012-05-09
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: CN102638307A

Abstract

本发明属于光通信领域涉及一种高速光归零码占空比测量方法及装置。以光耦合器从被测光链路中耦合出部分归零RZ码光信号；通过光电转换器转换为RZ码电信号；以功率分配器将所述RZ码电信号分为等功率的两路；在其中一路使用相移量可调的射频移相器引入180°相移；在模数转换器ADC中对两路RZ码电信号进行异步降频率采样和模数变换；以中央处理单元CPU计算两组采样值中特征点的幅度值求出RZ码光信号的占空比。本发明所公开的测量方法和装置的方法简单，器件成本低，能够监测高速RZ码光信号而不受系统数字采样率和信号处理带宽限制。

Description

一种高速光归零码占空比测量方法及装置

技术领域

本发明属于光通信领域，涉及一种信号监测方法，特别涉及一种高速光归零码占空比测量方法及装置。

背景技术

分布式存储、云计算和高清视频等新型互联网业务的发展对光传输网络的容量提出了更高的要求。光传输骨干网的承载速率由10Gb/s向40Gb/s和100Gb/s演进。

在长距离的高速光传输系统中，光线路码型通常采用RZ码（Return to Zero，归零码），主要包括，采用强度调制格式的RZ-OOK码（Return to Zero–On OffKeying，归零开关键控码）；采用相位调制格式的RZ-PSK码（Return to Zero–Phase Shift Keying，归零相移键控码），例如：RZ-DPSK码（Return to Zero–Differential Phase Shift Keying，归零差分相移键控码）和RZ-DQPSK码（Return to Zero–Differential Quadrature Phase Shift Keying，归零差分正交相移键控码）。

高速RZ码发射机通常由两个级联的MZ电光调制器（Mach-Zehnder Modulator，马赫曾德尔电光调制器）组成，其系统如图1所示。数据源和射频源分别输出调制数据信号和余弦时钟脉冲，调制数据信号与余弦时钟脉冲经由驱动器放大至合适的电压值之后送入两个级联的MZ电光调制器。第一级MZ电光调制器由调制数据信号驱动，将激光器输出的连续光信号调制为与数据信号对应的NRZ码（Non Return to Zero，非归零码）光信号；第二级MZ电光调制器由余弦时钟脉冲驱动，由余弦时钟脉冲对NRZ码光信号进行切割形成RZ码光信号。使用与调制数据信号的比特率相同频率的余弦时钟脉冲对NRZ码进行切割可以获得50％占空比的RZ码。采用强度调制格式的NRZ-OOK码、余弦时钟脉冲，以及相对应的RZ-OOK码如图2所示；而采用相位调制格式的NRZ-PSK码、余弦时钟脉冲，以及相对应的RZ-PSK码如图3所示。

在光归零码中，脉宽定义为光脉冲半功率点的时域宽度，而脉宽与脉冲周期的比值即为光归零码的占空比。RZ码与NRZ码相比脉宽更窄，对于长距离传输中的色散和偏振模色散效应所导致的脉冲展宽具有更好的抵抗力。而且，在相同平均功率条件下，RZ码的峰值功率更高，利于引入非线性效应来平衡色散的影响；同时RZ码的消光比也更高，利于降低传输噪声的干扰。

RZ码光信号在经过光纤传输之后，由于受到色散、偏振模色散和非线性效应等传输损伤的影响，脉冲波形将出现展宽和畸变，而通过测量RZ码光信号的占空比，可以为监测和评价光信号的质量提供有价值的参考。另外，通过对光归零码发射机中的第二级MZ电光调制器的直流偏置电压值进行调节，可以对输出的RZ码的脉宽进行优化和调整，现有技术中公开号为CN 1316763C，发明名称为一种占空比可调高速光归零码产生方法和装置的中国专利，这种优化调整同样需要对RZ码的占空比进行实时的测量。

在光通信领域中，高速RZ码光信号的占空比需要使用快速响应的光电探测器结合高带宽的数字采样示波器进行测量，这种测量方案必须依赖复杂昂贵的高速示波器，同时可测量的光信号码速率受到示波器的数字采样率和信号处理带宽要求的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速光归零码占空比测量方法及装置，在无需高带宽采样示波器的条件下，能够对高速RZ码光信号的占空比进行测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种高速光归零码占空比测量方法，包括以下步骤：

第一步：从被监测的光链路中耦合出部分RZ码光信号；

第二步：对第一步得到的RZ码光信号进行光电转换；

第三步：将第二步中光电转换后所得的RZ码电信号分为等功率的两路并对其中一路RZ码电信号进行移相180°；

第四步：对上述的两路RZ码电信号进行异步降频率采样和模数变换；

第五步：第四步中采样后的两路数字信号首先进行幅度值的归一化，然后以X-Y模式，即一路信号采样点的幅度值作为横坐标，另一路信号相同时刻的采样点的幅度值作为纵坐标作散点图，以下统称为移相采样图；

第六步：在移相采样图中找出位于45°对角线上的采样点，即横坐标与纵坐标相等的特征点，排除连零采样点的影响，计算符合条件的采样点到坐标原点的距离D′并统计出其平均值；

第七步：将第六步得到的平均值除以得到RZ码信号占空比测量参数D，通过对照测量参数D与占空比的关系表即间接测量的标定，即可测量RZ码光信号的占空比。

上述第五步中幅度值的归一化中序列归一化值=(序列原始值-序列最小值)/(序列最大值-序列最小值)。

本发明还提供了一种高速光归零码占空比测量方法及装置，包括光耦合器、光电探测器、功率分配器、射频移相器、双输入ADC（Analog to DigitalConverter，模数转换器）和CPU数据处理器（Central Processing Unit，中央处理单元）；其中光耦合器的输出与光电探测器连接，光电探测器的输出与功率分配器连接，功率分配器的输出分别与射频移相器和双输入ADC连接，射频移相器的输出与双输入ADC连接，双输入ADC的输出与CPU数据处理器连接；首先光耦合器从光纤链路中耦合出RZ码光信号进行测量，由光电探测器进行光电转换，然后由功率分配器对转换后的RZ码电信号进行进行等功率分路，之后使用相移量可调的射频移相器对其中一路信号移相180°，两路信号在双输入ADC中进行采样和模数转换，数字信号送入CPU数据处理器中，计算出所测量的RZ码光信号的占空比。

所述的CPU中存有测量参数D与RZ码光信号占空比的关系表。

所述的光耦合器分光比为90∶10。

本发明的有益效果为：本发明通过对被测的RZ码光信号进行光电转换、等功率分路、在其中一路加入180°相移，再进行双路采样和模数转换之后可以计算出RZ码光信号的占空比信息。所述的测量方法只需要采用低带宽的ADC和CPU，器件简单，成本低；同时适用于测量高速RZ码光信号的占空比而不存在测量系统采样率和信号处理速率的限制。

附图说明

图1为高速光归零码发射机的系统示意图；

图2为强度调制格式的光归零码产生示意图；

图3为相位调制格式的光归零码产生示意图；

图4为本发明提供的一种高速光归零码占空比测量方法的流程图；

图5为本发明提供的一种高速光归零码占空比测量装置的系统图；

图6为本发明实施例中获取测量参数的过程及其系统示意图；

图7为本发明实施例中不同占空比的RZ-OOK与RZ-PSK信号（DPSK与DQPSK相同）的传输眼图和移相采样图；

图8为本发明实施例中RZ-OOK、RZ-DPSK和RZ-DQPSK三种RZ码光信号的测量参数D与占空比关系的实验结果图；

图9为本发明实施例中使用电域移相和光域移相两种方法测量RZ码光信号占空比的系统示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例来进一步详细说明本发明的实施方式。根据图6、图7、图8和图9，本发明实施例的主要内容包括：

1)采用分光比为90∶10的光耦合器101，用于将被测的光纤链路中10%的RZ码光信号耦合出来用于占空比的测量；

2)将耦合出的RZ码光信号107通过光电探测器102进行光电转换；

3)转换后所得的RZ码电信号在功率分配器103中分为等功率的两路RZ码电信号；

4)对一路RZ码电信号108不做处理，在另一路中使用相移量可调的射频移相器4进行180°移相得RZ码电信号109；

5)将两路RZ码电信号108和109送入双输入ADC（模数转换器）105，其中数字采样率为100MS/s，两路RZ码电信号在相同的时刻被采样和量化。假设两路RZ码电信号的一对采样点为Ex和Ey，则相应的ADC输出的采样点幅度值为x_i和y_i(1≤i≤n)；，其中n为ADC输出的采样点幅度值数组的点数；

6)两组采样点幅度值数据送入CPU（中央处理单元）106进行处理：

a)第一步是对两组采样点的幅度值进行归一化，所使用的归一化公式为x′_i＝(x_i-min(x_i))/(max(x_i)-min(x_i))；

b)第二步是将两组采样点幅度值数据中的任意一组作为X轴的横坐标，另一组作为Y轴的纵坐标得到移相采样图10；

c)第三步是在移相采样图中找到符合x_i＝y_i条件的采样特征点对，（即图中分布于45°对角线上的点对），但需要去除幅度值小于0.1的点，因为在测量RZ-OOK信号时，其波形的幅度值存在连零状态，而对于连零的采样点的幅度值位于坐标原点附近，对于占空比测量没有意义；

d)第四步是统计符合上述条件的采样点对到坐标原点的距离除以后取平均值获得占空比测量参数D。

7)通过查找存储于CPU中的测量参数D与RZ码光信号占空比的关系表，即可测出RZ码光信号的占空比。

如图7所示为本发明实施例中对于不同占空比（40%、50%和60%三种典型情况）的RZ-OOK与RZ-PSK信号进行测量获得的移相采样图和用于对比分析的光线链路中光信号的传输眼图。

需要说明的是，对于RZ-DPSK和RZ-DQPSK信号，在相位调制的第一级MZ电光调制器中的驱动电路不同，但是第二级MZ电光调制器的RZ码型切割部分完全相同，所以，两种RZ-PSK信号的传输眼图和移相采样图是相同的。

由图7中可见，无论是对于RZ-OOK还是RZ-PSK信号，随着RZ码光信号的占空比变化，移相采样相图中的测量参数D随之发生改变，说明该测量参数对于RZ码光信号占空比测量是灵敏和有效的。

同样由图7中可见，对于RZ-OOK信号，由于码型中存在连零电平，在移相采样图中存在位于坐标原点附近的连零电平采样点，对于测量参数D的计算没有意义，需要去除。

图8所示为RZ-OOK、RZ-DPSK和RZ-DQPSK三种RZ码光信号的测量参数D与占空比变化关系的实验测量结果以及上述三组测量结果的线性拟合结果，而该拟合结果作为测量参数D与RZ码光信号占空比的关系表存于CPU中（作为间接测量的标定）。

由图8中可见，对于RZ码光信号占空比变化在35%至65%的范围内，测量参数D与呈现出良好的单调性和线性变化趋势。

需要说明的是，对于RZ码光信号占空比小于35%和大于65%的情况，测量参数D的值将缓慢的趋近于0和1，导致RZ光信号的占空比测量结果的变化呈现非线性，所以本发明所提供的RZ码光信号占空比测量方法和装置能够准确测量的占空比变化范围为35%至65%。

通过以上实施方法的描述，本领域技术人员可以清楚地了解本发明所提供的RZ码光信号占空比测量方法和装置。本发明所提供的测量方法的关键特征之一在于对RZ码光信号做等功率分路和再其中一路中加180°相移，事实上，这种对于光信号所进行的分路和相移可以在电域中实现，也可以在光域当中实现。

如图9（a）所示，第一种实施方法以光耦合器101从光纤链路中耦合出10%的RZ码光信号，经过光电探测器102转换为RZ码电信号，之后以功率分配器103分为等功率的两路，一路用相移量可调的射频移相器104进行180°相移，将存在相对相移的两路RZ码电信号108和109进入双输入ADC模块105中采样量化，数据送入CPU模块106中进行处理。（电域移相实施例）

如图9（b）所示，第二种实施方法以光耦合器201从光纤链路中耦合出10%的RZ码光信号，之后再使用光耦合器202将RZ码光信号分为等功率的两路，其中一路使用延迟量可调的光纤延迟线203对RZ码光信号进行延迟，延迟量设定为所测量的光信号的比特周期的一半（例如10Gb/s的RZ码光信号，其比特周期为100ps，则光纤延迟线的延迟量设定为50ps），存在相对相移的两路RZ码光信号208和209经过两个光电探测器204和205进行光电转换，所得的两路RZ码电信号在双输入ADC模块206中采样量化，数据送入CPU模块207中进行处理。（光域移相实施例）

以上所述，只是本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。对于任何熟悉本技术领域的技术人员，在不脱离本发明所公开的技术原理的前提下，可以轻易的想到的变换或者替换方法（例如采用不同的相移量，或者在移相采样图中采用不同的统计特征参数）都应该视为涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高速光归零码占空比测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：从被监测的光链路中耦合出部分RZ码光信号；

第二步：对第一步得到的RZ码光信号进行光电转换；

第四步：对上述的两路RZ码电信号在相同时刻进行异步降频率采样和模数变换；

第五步：第四步中采样后的两路数字信号首先进行幅度值的归一化，然后以X-Y模式，一路信号采样点的幅度值作为横坐标，另一路信号相同时刻的采样点的幅度值作为纵坐标作散点图，并将散点图记为移相采样图；

所述幅度值的归一化中序列归一化值＝(序列原始值-序列最小值)/(序列最大值-序列最小值)；

第六步：在移相采样图中找出位于45°对角线上的采样点，采样点为横坐标与纵坐标相等的特征点，去除幅度值小于0.1的点，排除连零采样点的影响，计算符合条件的采样点到坐标原点的距离D'并统计出其平均值；

第七步：将第六步得到的平均值除以得到RZ码光信号占空比测量参数D，通过测量RZ码光信号占空比的测量参数D与占空比变化关系的实验测量结果并得到其线性拟合结果，将该拟合结果作为测量参数D与RZ码光信号占空比的关系表存于CPU中作为间接测量的标定，通过对照测量参数D与占空比的关系表，测量RZ码光信号的占空比。

2.如权利要求1所述的一种高速光归零码占空比测量方法，其特征在于，对两路RZ码电信号进行采样的数字采样率小于被测信号的比特率。

3.一种高速光归零码占空比测量装置，其特征在于：包括光耦合器、光电探测器、功率分配器、射频移相器、双输入ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)和CPU数据处理器(Central Processing Unit，中央处理单元)；其中光耦合器的输出与光电探测器连接，光电探测器的输出与功率分配器连接，功率分配器的输出分别与射频移相器和双输入ADC连接，射频移相器的输出与双输入ADC连接，双输入ADC的输出与CPU数据处理器连接；

首先光耦合器从光纤链路中耦合出RZ码光信号进行测量，由光电探测器进行光电转换，然后由功率分配器对转换后的RZ码电信号进行等功率分路，之后使用相移量可调的射频移相器对其中一路信号移相180°，两路RZ码电信号在相同时刻双输入ADC中进行异步降频率采样和模数转换，数字信号送入CPU数据处理器中，首先进行幅度值的归一化，然后以X-Y模式，一路信号采样点的幅度值作为横坐标，另一路信号相同时刻的采样点的幅度值作为纵坐标作散点图，并将散点图记为移相采样图；所述幅度值的归一化中序列归一化值＝(序列原始值-序列最小值)/(序列最大值-序列最小值)；在移相采样图中找出位于45°对角线上的采样点，采样点为横坐标与纵坐标相等的特征点，去除幅度值小于0.1的点，排除连零采样点的影响，计算符合条件的采样点到坐标原点的距离D'并统计出其平均值；将得到的平均值除以得到RZ码光信号占空比测量参数D，通过测量RZ码光信号占空比的测量参数D与占空比变化关系的实验测量结果并得到其线性拟合结果，将该拟合结果作为测量参数D与RZ码光信号占空比的关系表存于CPU中作为间接测量的标定，通过对照测量参数D与占空比的关系表，测量RZ码光信号的占空比。

4.如权利要求3所述的一种高速光归零码占空比测量装置，其特征在于：所述的光耦合器分光比为90：10。