CN102832995A - 一种色散在线监测装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光传输系统和DWDM光传输系统在线色散(CD)实时测量的装置及其使用方法，包括：光域频谱处理单元，用于选择单边带光谱的滤波装置；光电转换单元，用于实现光信号转换为电信号；混频单元，包括1个一分四路的电信号分支器、RF本振源、移相器，以及4个混频器；混频单元用于将两路电信号中的特定频谱成分混频成某一中频信号；信号处理单元，用于接收处理混频单元输出的多路信号，完成模数转换，数据处理功能；并根据色散计算表达式确定链路色散值。所述发明装置可以实现光传输系统或DWDM光传输系统中任意节点处的链路色散在线实时测量，该具备装置操作简便，性能优越等特点。

Description

一种色散在线监测装置及测量方法

技术领域

本发明涉及用于实时测量光传输系统、DWDM系统链路以及接入网系统色散(CD)的装置和方法，所述色散测量装置尤其是用于高速全光网系统中。

背景技术

目前针对光传输系统在线色散测量的研究，该领域学者做了大量工作；所提出的一系列在线色散测量方案根据其操作模式，大体可分为双端测量和单端测量两种模式。

在线色散测量双端模式即是需要在传输系统的数据发射端对传输设备作相关配置或加入某种形式的待测信号，并在接收端通过提取相应信号的某一特征量推导出传输链路色散量。现已提出的双端模式在线色散测量方法有基于频域的RF频谱分析法的在线色散测量,此类方法不足之处在于需要对数据发射端作相关配置，该操作会给链路的通信质量带来损伤，导致信号传输质量恶化，使接收端误码率增大。基于时域的脉冲群速时延差探测法的在线色散测量，该方案需要采用高速的光电探测器，高灵敏的RF功率探测器以及其他高速辅助测量设备，并且要求发射端与接收端具备严格的时钟同步，系统成本高，精度存在较大波动，不适合长途光纤链路色散的实时监测。

在线色散测量单端模式即是不需要在发射端做相关配置，仅仅在光传输链路的某一点实现链路色散监测功能。现已提出的单端模式在线色散测量方案有基于时域异步采样法的在线色散监控,此类方法需要采用采用高速的光电器件，如光速光电探测器，高速模数转换器，高速信号分析仪等器件或设备，系统成本极高，且色散测量范围有限，精度不高，适合在一定范围内监测链路色散变化情况，不适合链路色散实际测量,链路数据速率越高，此类方案的实现难度越大，并且此类方法与数据调制格式相关，一种方案只能针对某一种特定调制格式。基于相位敏感探测的RF频谱分析法的在线色散监测，此类方法存在与上述方案类似的不足，需要采用高速的光电器件和昂贵的频谱分析仪器，测量范围偏小，测量系统体积偏大，不能实现光传输系统的色散实时测量，链路色散极性不能识别，并且测量系统抗噪音性能较差，系统成本偏高，测量结果受器件性能影响较大，多次测量结果的一致性较差。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种色散在线监测装置，克服上述现有技术所存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种色散在线监测装置，其特征在于，包括光域频谱处理单元，光电转换单元，混频单元和滤波单元，

所述光域频谱处理单元，用于接收光系统某一信道的信号光入射，对输入的光信号进行滤波、调制处理，保留上边带信号或者下边带信号，将指定上下边带频谱的光信号施加到所述光电转换单元；

所述光电转换单元，用于将所述光域频谱处理单元输出的光信号进行探测、转换为电信号；并将该电信号输出到所述混频单元；

所述混频单元，包括一个1×4的电信号分支器,两个RF本振源，两个移相器，以及四个混频器；所述电信号分支器分别将所述电信号分为四路分支，分别施加到所述四个混频器的RF输入端；第一本振源产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到第一混频器，另一路经第一移相器产生90°相移后施加给第二混频器；第二本振源产生一定频率的RF信号，将其中一路施加到第三混频器，另一路经移相器产生90°相移后施加给第四混频器；所述四个混频器的输出信号分别施加给所述滤波单元；

所述滤波单元，包括四个滤波器，所述四个滤波器分别用于接收来自所述四个混频器的输出信号，并滤波后输出的四路信号分别为U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I；

所述信号处理单元，用于接收所述滤波单元输出的所述四路信号U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I，并对所述四路信号进行模数转换、算法处理，计算出所述链路色散值。

优选的，所述信号处理单元对所述四路信号进行模数转换、算法处理，计算出所述链路色散值，包括从所述U_1Q，U_1I的某幅频点的幅度比值和从所述U_2Q，U_2I的某幅频点的幅度比值计算出所述链路上下边带信号的相位差，

并由相位差计算出链路色散值GVD，

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

进一步优化的技术方案是，所述信号处理单元测量出的链路实时色散值输出到可调色散补偿器（TDC），实时色散值作为TDC补偿控制的依据。

本发明同时提供了上述的色散在线监测装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述光域频谱处理单元接收光系统某一信道的信号光入射，对输入的光信号进行滤波、调制处理，保留上边带信号或者下边带信号，将指定上下边带频谱的光信号施加到所述光电转换单元；

所述光电转换单元将所述光域频谱处理单元输出的光信号进行探测、转换为电信号，并将该电信号输出到所述混频单元；

所述电信号分支器分别将所述电信号分为四路分支，分别施加到所述四个混频器的RF输入端；第一本振源产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到第一混频器，另一路经第一移相器产生90°相移后施加给第二混频器；第二本振源产生一定频率的RF信号，将其中一路施加到第三混频器，另一路经移相器产生90°相移后施加给第四混频器；所述四个混频器的输出信号分别施加给所述滤波单元；

所述四个滤波器分别用于接收来自所述四个混频器的输出信号，并滤波后输出的四路信号分别为U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I；

所述信号处理单元接收所述滤波单元输出的所述四路信号U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I，并对所述四路信号进行模数转换、算法处理，从所述U_1Q，U_1I的某幅频点的幅度比值和从所述U_2Q，U_2I的某幅频点的幅度比值计算出所述链路上下边带信号的相位差，

并由相位差计算出链路色散值GVD，

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

本发明利用一种全新的信号频谱相位差提取方法来实现在线色散实时测量功能。它基于单端测量模式，因此在光传输系统中的任意测量点可实现系统的色散在线实时测量。与现有技术相比，本发明具备以下几方面优势：（1）不对光传输系统发射端做任何改动，不影响系统传输质量，实现在线测量链路色散的大小和极性。（2）该方法无须进行数据恢复，无须时钟同步或匹配要求，实现色散测量与数据调制格式、数据速率无关。（3）可实现单通道或多通道色散在线并行实时测量，测量时间短（4）链路色散测量与数据传输同时进行，不对链路通信带来任何干扰（5）测量范围可调节，测量精度高，操作灵活。（6）低成本。（7）系统体积小，易于集成化，可实现色散在线测量的芯片方案。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为在线色散测量装置的系统框图。

图2为在线色散测量装置的实现原理图。

图3为10G NRZ链路色散测量过程中的频谱相位差探测结果图。

图4为10G NRZ链路色散测量实验结果图。

图5为在线色散测量装置在点对点光传输系统中的应用示意图。

图6为在线色散测量装置在DWDM系统中的应用示意图。

具体实施方式

本发明装置应用于光传输系统和DWDM光传输系统实现在线色散测量功能。图1所示为本发明装置的系统结构图，包括：

光域频谱处理单元1，用于对输入的光信号进行滤波，调制等处理，将指定上下边带频谱的光信号施加到光电转换单元2；

光电转换单元2，用于将所述光域频谱处理单元1输出的光信号进行探测，转换为电域信号；并将电信号施加到混频单元3；

混频单元3，包括1个1×4的电信号分支器303,两个RF本振源301，302,2个移相器304，305，以及4个混频器306，307，308，309组成；电分支器303分别将光电转换单元中的光电探测单元输出信号分为四路电信号；分别施加到4个混频器306，307，308，309的RF输入端；本振源301产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到混频器307，另一路经移相器产生90°相移后施加给混频器306；本振源302产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到混频器309，另一路经移相器产生90°相移后施加给混频器308；混频器306,307,308,309输出信号分别施加给滤波单元4。

滤波单元4，用于接收来自所述混频单元3输出的4路信号，完成所述4路信号的滤波功能，经滤波器401,402,403,404滤波后输出的四路信号分别为U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I。

信号处理单元5，用于接收滤波单元4输出的所述四路信号U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I，并对所述4路信号进行模数转换、算法处理，计算出所述链路色散（CD）值。

所述信号处理单元对所述四路信号进行模数转换、算法处理，计算出所述链路色散值，包括从所述U_1Q，U_1I的某幅频点的幅度比值和从所述U_2Q，U_2I的某幅频点的幅度比值计算出所述链路上下边带信号的相位差，

并由相位差计算出链路色散值GVD，

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

本发明的系统实现原理如下图2所示。

根据信号处理的先后顺序，系统实现过程如下：

（1）光域处理单元：系统前端采用光带通滤波器（OBPF）提取光传输系统或DWDM系统某一信道信号的单边带光，从OBPF输出的单边光信号的电场表达式分别为：

信号频谱中载波表达式为：

上边带频谱中的某一频谱分量表达式为：

上边带频谱中的另外一频谱分量表达式为：

（2）光电转换单元：采用一路光电探测器（PD）对OBPF输出的单边带光信号进行探测，转换为电域信号；并将电信号施加到混频单元；

（3）电域处理单元：主要包括2个射频（RF）本振源、2个90°移相器、4路混频器、4路低通滤波器（LPF）、4路模数转换器（ADC）组成；如图2中所示，

本振信号LO1的I路表达式为：

H_1I(t)=cos(ω₁t+φ₁)        （4）

本振信号LO1的Q路表达式为：

$H_{1Q}\left(t\right)=\cos ({\mathrm{\ω}}_{1}t+\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\φ}}_1)---\left(5\right)$

本振信号LO2的I路表达式为：

H_2I(t)＝cos(ω₂t+φ₂)        （6）

本振信号LO2的Q路表达式为：

$H_{2Q}\left(t\right)=\cos ({\mathrm{\ω}}_{2}t+\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\φ}}_2)---\left(7\right)$

LO2与LO1是倍频且锁相关系，即满足：ω₂=N×ω₁，φ₁=φ₂

鉴于混频目的，两本振信号的频率大小应与单边带光谱中的E_U1和E_U2信号经探测器后输出的RF频率相同；即满足ω₁＝ω_d1，ω₂=ω_d2。

经探测器探测后输出的RF信号送入四路混频器进行混频处理，四路混频器输出四路信号表达式分别为：

U_1I=|C(t)+E_U1(t)|²×H_I1(t)    （8）

U_1Q=|C(t)+E_U1(t)|²×H_Q1(t)    （9）

U_2I=|C(t)+E_U2(t)|²×H_I2(t)    （10）

U_2Q=|C(t)+E_U2(t)|²×H_Q2(t)    （11）

以上四路信号分别通过低通滤波器后，输出表达式为：

频谱E_U1相对于载波C(t)的相位差

为：

频谱E_U2相对于载波C(t)的相位差

为：

当两本振信号LO1的初始相位与LO2的初始相位相同时，即φ₁=φ₂，则E_U2与E_U1之间的绝对相位差为：

该相位差是由链路色散引起的，因此有此相位差值可以计算出链路色散值GVD：

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

以10Gb/s NRZ链路为测量实例，取RF1本振信号频率为2GHz，RF2本振信号频率为6GHz，基于该方法实现光传输链路在线色散测量，计算出的上下边带相位差如下图3所示。由上述方法测得的上下边带相位差计算出链路色散值如下图4所示；

下面进一步描述本发明的在线色散测量方法的具体过程，包括：

(1)使WDM系统某一信道的信号光入射到所述系统的光域频谱处理单元1，所述光域频谱处理单元1对入射光进行光频谱处理，保留上边带信号或者下边带信号，并输出包含载波在内的一定谱宽的部分单边带光信号，并施加到光电转换单元2；

(2)利用所述光电转换单元2探测入射光信号，由光电探测器探测入射光信号，转换为电信号，并施加给混频单元3；

(3)所述混频单元的电分支器303完成将自光电转换单元2的入射信号的1×4分支，所述电分支器303将分支后的四路电信号分别施加给混频器306，307，308，309的RF输入端；

(4)所述RF本振源301产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到混频器307，另一路经移相器产生90°相移后施加给混频器306；本振源302产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到混频器309，另一路经移相器产生90°相移后施加给混频器308

(5)所述混频器306完成输入的两路电信号的混频，并对产生新频率信号中的频率大小为的ω_IF中频信号进行放大，输出信号U_1Q；所述混频器307完成输入的两路电信号的混频，并对产生新频率信号中的频率大小为的ω_IF中频信号进行放大，输出信号U_1I；所述混频器308完成输入的两路电信号的混频，并对产生新频率信号中的频率大小为的ω_IF中频信号进行放大，输出信号U_2I；所述混频器309完成输入的两路电信号的混频，并对产生新频率信号中的频率大小为的ω_IF中频信号进行放大，输出信号U_2Q；

(6)所述信号处理单元4可以运行以下所述表达式，从所述U_1Q，U_1I的某幅频点的幅度比值和从所述U_2I，U_2Q的某幅频点的幅度比值计算出所述链路上下边带信号的相位差，

并由相位差计算出链路色度色散（CD）值，

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

如图5所示描述了所述在线色散测量装置在点对点光传输系统中的应用方式；所述在线色散测量装置可在光传输系统中的任意一点实现在线实时色散测量，为光传输系统设计者或系统运营商提供准确的光传输链路的色散信息；所述在线色散测量装置测量出的链路实时色散值可作为接收端可调色散补偿器（TDC）色散补偿量的调节依据。

如图6所示，描述了所述在线色散测量装置在DWDM系统中的应用方式；所述在线色散测量装置可以在DWDM系统中的任意一点实现在线实时色散测量，为可调色散补偿器（TDC）提供链路色散补偿依据，所述色散测量装置在线实时测量链路色散值，并将所测链路色散值作为反馈信号传递给链路色散管理子系统，从而实现光传输系统的高精度色散在线管理功能。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种色散在线监测装置，其特征在于，包括光域频谱处理单元，光电转换单元，混频单元和滤波单元，

所述光域频谱处理单元，用于接收光系统某一信道的信号光入射，对输入的光信号进行滤波、调制处理，保留上边带信号或者下边带信号，将指定上下边带频谱的光信号施加到所述光电转换单元；

所述光电转换单元，用于将所述光域频谱处理单元输出的光信号进行探测、转换为电信号；并将该电信号输出到所述混频单元；

所述混频单元，包括一个1×4的电信号分支器,两个RF本振源，两个移相器，以及四个混频器；所述电信号分支器分别将所述电信号分为四路分支，分别施加到所述四个混频器的RF输入端；第一本振源产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到第一混频器，另一路经第一移相器产生90°相移后施加给第二混频器；第二本振源产生一定频率的RF信号，将其中一路施加到第三混频器，另一路经移相器产生90°相移后施加给第四混频器；所述四个混频器的输出信号分别施加给所述滤波单元；

所述滤波单元，包括四个滤波器，所述四个滤波器分别用于接收来自所述四个混频器的输出信号，并滤波后输出的四路信号分别为U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I；

所述信号处理单元，用于接收所述滤波单元输出的所述四路信号U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I，并对所述四路信号进行模数转换、算法处理，计算出所述链路色散值。

2.根据权利要求1所述的色散在线监测装置，其特征在于，所述信号处理单元对所述四路信号进行模数转换、算法处理，计算出所述链路色散值，包括从所述U_1Q，U_1I的某幅频点的幅度比值和从所述U_2Q，U_2I的某幅频点的幅度比值计算出所述链路上下边带信号的相位差，

并由相位差计算出链路色散值GVD，

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

3.根据权利要求1或2所述的色散在线监测装置，其特征在于，所述信号处理单元测量出的链路实时色散值输出到可调色散补偿器（TDC）。

4.一种根据权利要求1所述的色散在线监测装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述光域频谱处理单元接收光系统某一信道的信号光入射，对输入的光信号进行滤波、调制处理，保留上边带信号或者下边带信号，将指定上下边带频谱的光信号施加到所述光电转换单元；

所述光电转换单元将所述光域频谱处理单元输出的光信号进行探测、转换为电信号，并将该电信号输出到所述混频单元；

所述电信号分支器分别将所述电信号分为四路分支，分别施加到所述四个混频器的RF输入端；第一本振源产生一定频率的RF信号，并将其中一路施加到第一混频器，另一路经第一移相器产生90°相移后施加给第二混频器；第二本振源产生一定频率的RF信号，将其中一路施加到第三混频器，另一路经移相器产生90°相移后施加给第四混频器；所述四个混频器的输出信号分别施加给所述滤波单元；

所述四个滤波器分别用于接收来自所述四个混频器的输出信号，并滤波后输出的四路信号分别为U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I；

所述信号处理单元接收所述滤波单元输出的所述四路信号U_1Q，U_1I，U_2Q，U_2I，并对所述四路信号进行模数转换、算法处理，从所述U_1Q，U_1I的某幅频点的幅度比值和从所述U_2Q，U_2I的某幅频点的幅度比值计算出所述链路上下边带信号的相位差，

并由相位差计算出链路色散值GVD，

式中c为光速，λ为光载波波长，Δω=ω₂-ω₁，即两本振信号的角频率差。

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