CN104426606A - 一种光相干接收机时延和相位差测试方法及测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光相干接收机时延和相位差测试方法，通过向待测光相干接收机输入与本振信号频率相近的扫描信号光，产生拍频，用示波器采集待测光相干接收机各射频输出的拍频信息，并通过FFT运算消除噪声算出拍频的相位和频率，最后线性拟合出相位和频率关系曲线，由该曲线计算出待测光相干接收机各通道之间的时延和相位差。还公开了用于该方法的测试系统，包括本振信号源、可调谐扫描信号源、待测光相干接收机、示波器和数据处理单元。本发明利用拍频法测试光相干接收机各通道之间的时延和相位差，简单易行，可精确的测试通道之间的相位差和时延，克服了常规仪器无法直接测试25GHz高速信号通道之间的相位差和时延的困难，且测试数据的重复性好。

Description

一种光相干接收机时延和相位差测试方法及测试系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光相干接收机时延和相位差测试方法及测试系统。

背景技术

通信技术的发展极大地促进了人类社会的进步，从二十世纪后半叶至今，光纤通信技术以前所未有的速度迅猛发展。随着互联网的发展，各种新兴的网络流量业务如雨后春笋般出现，包括网页数据、电子邮件、网络游戏、在线视频等，这些业务的出现和增长对通信系统容量提出了新要求。

在接收端，光接收机对发射端调制的光信号进行接收和解调。经过长距离传输之后，在光接收机接收解调之后各通道之间往往存在时延差，使得解调不完整，从而不能获得高性能的接收解调。因此，在接收端常常需要增加时延补偿单元，而对各通道的时延补偿需要精确计算出各通道之间的时延差，才能对解调信号进行相应的时延补偿。

发明内容

本发明的目的在于提出一种光相干接收机时延和相位差测试方法及测试系统，可直接测试25GHz高速信号通道之间的相位差和时延，且测试数据的重复性好。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种光相干接收机时延和相位差测试方法，包括如下步骤：

a)通过向待测光相干接收机输入与本振信号频率相近的扫描信号光，与本振信号形成系列拍频；

b)利用示波器同时连接待测光相干接收机的任意两个射频信号输出通道，检测采集在输入扫描信号光各个波长下的所有拍频的波形数据；

c)对采集的拍频波形数据进行消除噪声抖动处理，并计算出不同波长输入信号下采集的拍频的相位和拍频波形的频率；

d）通过线性拟合绘制出频率和相位关系曲线，并利用频率和相位关系曲线计算出示波器所连接的两个输出通道之间的时延和相位差。

进一步的，还包括步骤e）更换示波器所连接的输出通道，重复步骤a)至d)，依次测试出待测光相干接收机各个通道之间的时延和相位差。

步骤c)所述消除噪声抖动处理、计算相位和频率的方法包括：首先，将采集的各个波长输入信号对应的拍频波形数据均分为N小段；然后，找出各小段幅值最高的单频信号，利用FFT算法返回各单频信号的频率fn和相位φ_n；最后，统计所有单频信号的频率和相位，分别列出频率直方图和相位直方图，两个直方图中各自计数最多的值对应的频率和相位即为该波长输入信号相应的频率与相位。

进一步的，所述N为200-500的整数。

进一步的，所述本振信号设为固定波长1550nm；所述扫描信号光从波长1550nm开始至波长1550.04nm，以0.001nm的间隔进行扫描。

本发明还提供一种用于上述测试方法的测试系统，包括本振信号源、可调谐扫描信号源、待测光相干接收机、示波器和数据处理单元；

本振信号源和可调谐扫描信号源分别连接待测光相干接收机的本振输入端和信号输入端；

所述可调谐扫描信号源向待测光相干接收机输入与本振信号源频率相近的扫描信号光；

所述示波器连接待测光相干接收机的任意两个射频信号输出通道，显示采集待测光相干接收机输出的拍频波形信息；

所述数据处理单元包括FFT运算消噪部和线性拟合运算部；其中，FFT运算消噪部对示波器采集的拍频波形信息进行消除噪声抖动和FFT运算处理，计算出不同波长输入信号下采集的拍频的相位和频率；线性拟合运算部，对FFT运算消噪部的计算结果进行线性拟合，绘制出频率和相位关系曲线，并据此关系曲线算出待测光相干接收机的时延和相位差。

进一步的，还包括数据采集卡，从示波器取走拍频波形信息，传送给数据处理单元。

进一步的，所述本振信号源输出固定光波长1550nm；所述可调谐扫描信号源光波长扫描范围为1550.00nm至1550.04nm，扫描间隔为0.001nm。

本发明的有益效果为：利用拍频法测试光相干接收机各通道之间的时延和相位差，结构简单，可精确的测试通道之间的相位差和时延，克服了常规仪器无法直接测试25GHz高速信号通道之间的相位差和时延的困难，且测试数据的重复性好。

附图说明

图1为本发明测试方法流程图；

图2为两束频率相近的光信号合成后的光拍频波；

图3为理论上通道的相位与频率的关系曲线；

图4为拍频信号的频率直方图；

图5为拍频信号的相位直方图；

图6为实际拟合的相位和频率的线性关系图；

图7为本测试系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

根据波的叠加原理，两束传播方向相同、频率相差很小的简谐波相叠加，将会形成拍。如图1所示，本发明的光相干接收机时延和相位测试方法，包括如下步骤：

a)通过向待测光相干接收机输入与本振信号频率相近的扫描信号光，与本振信号形成系列拍频；

b)利用示波器同时连接待测光相干接收机的任意两个射频信号输出通道，检测采集在输入扫描信号光各个波长下的所有拍频的波形数据；

c)对采集的拍频波形数据进行消除噪声抖动处理，并计算出不同波长输入信号下采集的拍频的相位和频率；

d）通过线性拟合绘制出频率和相位关系曲线，并利用频率和相位关系曲线计算出示波器所连接的两个输出通道之间的时延和相位差。

设扫描信号光和本振信号的振幅都为E₀，频率分别为f₁和f₂，其振动方程如下：

其中，ω₁=2πf₁，ω₂=2πf₂为角频率；k₁=ω₁/c，k₂=ω₂/c为波矢；，分别为两信号光的相位，c为光速。两信号光叠加后

当ω₁>ω₂,且Δω=ω₁-ω₂较小时，合成的信号光带有低频调制的高频波，振幅为角频率为由于振幅以周期性地缓慢变化，可将合成的光波称为光拍频波，Δf为拍频频率，如图2所示为合成后的光拍频波。

在光相干接收机中，采用光电检测器接PD来接收光信号，将光信号转换为射频信号输出。PD所产生的光电流与接收到的光强成正比：

I=gE_s ²（式中g为光电转换系数）

由于光的频率极高（f₀>10¹⁴Hz），而PD只能对10⁸Hz以下的光强变化作出反应，因此实际得到的光电流I_c近似为响应时间内光电检测器接收到的光强平均值：

式中τ为光电检测器的响应时间，且Δf是拍频光的频率。Δω是与Δf相应的角频率，即等于两原信号光波的角频率之差，这个频率称为拍频。为初相，波矢

假设光相干接收机输出端RF射频信号输出的八个通道上的初始相位为φ₁，φ₂，φ₃……φ₈,通过安捷伦32G示波器模拟输出可以得到：

$\begin{array}{c}E\left(1\right)=\frac{1}{8}{\mathrm{gE}}_0^2[1+\cos (\mathrm{\Δ\ωt}-\mathrm{\Δkx}+{\mathrm{\φ}}_1)]\\ E\left(2\right)=\frac{1}{8}{\mathrm{gE}}_0^2[1+\cos (\mathrm{\Δ\ωt}-\mathrm{\Δkx}+{\mathrm{\φ}}_2)]\\ E\left(3\right)=\frac{1}{8}{\mathrm{gE}}_0^2[1+\cos (\mathrm{\Δ\ωt}-\mathrm{\Δkx}+{\mathrm{\φ}}_3)]\\ .\\ .\\ .\\ E\left(8\right)=\frac{1}{8}{\mathrm{gE}}_0^2[1+\cos (\mathrm{\Δ\ωt}-\mathrm{\Δkx}+{\mathrm{\φ}}_8)]\end{array}$

我们要测试射频输出信号CH1和CH2通道之间的相位Phase和延迟Skew，由以上公式可以得到：

$\mathrm{\Δ\φ}=\mathrm{\Δk}(x_2-x_1)+({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)=\frac{2\mathrm{\π}}{c}\mathrm{\Δd}*\mathrm{\Δf}+({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1).$

将本振信号设为固定波长1550nm；扫描信号光从波长1550nm开始至波长1550.04nm，以0.001nm的间隔进行扫描，其拍频频率从0.1GHz至10GHz。理论上通过描点绘图可以得到CH1和CH2的通道相位与频率的关系曲线，如图3所示，可得，CH1与CH2之间的相位差Phase=Δφ_Δf=0，CH1与CH2之间的其中，y为线性关系的直线斜率。

同理可以得到：CH1&CH3，CH2&CH3，CH3&CH4，CH5&CH6，CH7&CH8，CH5&CH7，CH6&CH8，XI&XQ，YI&YQ之间的相位差和延迟，其中XI=XIp-XIn，XQ=XQp-XQn，YI=YIp-YIn，YQ=YQp-YQn（XIp、XIn、XQp、XQn、YIp、YIn、YQp、YQn是待测光相干接收机中ICR模块的8个高频输出脚）。

该测试方法中，步骤c)所述消除噪声抖动处理、计算相位和频率的方法包括：首先，将采集的各个波长输入信号对应的拍频波形数据均分为N小段；然后，找出各小段幅值最高的单频信号，利用FFT算法返回各单频信号的频率fn和相位φ_n；最后，统计所有单频信号的频率和相位，分别列出频率直方图和相位直方图，两个直方图中各自计数最多的值对应的频率和相位即为该波长输入信号相应的频率与相位。其中，N为200-500的整数，本发明以300为例进行详解。

将示波器上检测到的拍频波形（如图2）通过数据采集卡采集波形信息给计算机，并将其均分为300段。输入波形信号，找出幅值最高的单频，单频信号可表示为：

$x\left(n\right)=A*\{\cos (\frac{2\mathrm{\π}{f}_n}{F_a}+\mathrm{\φ})+j*\sin (\frac{2\mathrm{\π}{f}_n}{F_a}+\mathrm{\φ})\},$

其中，A为单频的幅值，f为单频的频率，φ为单频的相位，Fa为输入波形信号的采样率。

然后，利用FFT算法，返回单频的频率和相位，如此可得到每段的频率f₁、f₂、f₃…f₃₀₀与相位φ₁、φ₂、φ₃…φ₃₀₀，将这两组数据分别存入堆栈f与堆栈φ中，再将堆栈f与φ内的数据列成直方图（如图4与图5），选出直方图中计数点最多的值作为该波长下光信号相应的频率与相位。如此逐步改变扫描信号光输入的光波长，不同波长下光拍频测试所得的频率与相位可拟合成一条直线（如图6所示的相位和频率的线性关系图），与上述理论结果一致。根据拟合的相位和频率线性关系图，可得出CH1与CH2之间的相位差和时延，CH1与CH2之间的相位差Phase=Δφ_Δf=0，CH1与CH2之间的时延其中，y为线性关系的直线斜率。

然后，再通过步骤e）更换示波器所连接的输出通道，重复步骤a)至d)，依次测试出待测光相干接收机各个通道之间的时延和相位差。即利用上述方法依次可测出光相干接收机输出端其他端口（如CH1与CH3，CH2与CH3，CH3与CH4……）之间的时延和相位差。

本发明提供的用于上述测试方法的光相干接收机时延和相位测试系统，包括本振信号源、可调谐扫描信号源、待测光相干接收机、示波器和数据处理单元；

本振信号源和可调谐扫描信号源分别连接待测光相干接收机的本振输入端和信号输入端；

所述可调谐扫描信号源向待测光相干接收机输入与本振信号源频率相近的扫描信号光；

所述示波器连接待测光相干接收机的任意两个射频信号输出通道，显示采集待测光相干接收机输出的拍频波形信息；

所述数据处理单元包括FFT运算消噪部和线性拟合运算部；其中，FFT运算消噪部对示波器采集的拍频波形信息进行消除噪声抖动和FFT运算处理，计算出不同波长输入信号下采集的拍频的相位和频率；线性拟合运算部，对FFT运算消噪部的计算结果进行线性拟合，绘制出频率和相位关系曲线，并据此关系曲线算出待测光相干接收机的时延和相位差，如图7所示。其中，测试时，将本振信号源设为固定光波长1550nm；可调谐扫描信号源光波长扫描范围为1550.00nm至1550.04nm，扫描间隔为0.001nm。

该系统还包括数据采集卡，从示波器取走拍频波形信息，传送给数据处理单元。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光相干接收机时延和相位差测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)通过向待测光相干接收机输入与本振信号频率相近的扫描信号光，与本振信号形成系列拍频；

b)利用示波器同时连接待测光相干接收机的任意两个射频信号输出通道，检测采集在输入扫描信号光各个波长下的所有拍频的波形数据；

c)对采集的拍频波形数据进行消除噪声抖动处理，并计算出不同波长输入信号下采集的拍频的相位和拍频波形的频率；

d）通过线性拟合绘制出频率和相位关系曲线，并利用频率和相位关系曲线计算出示波器所连接的两个输出通道之间的时延和相位差。

2.如权利要求1所述光相干接收机时延和相位差测试方法，其特征在于：还包括步骤e）更换示波器所连接的输出通道，重复步骤a)至d)，依次测试出待测光相干接收机各个通道之间的时延和相位差。

3.如权利要求1所述光相干接收机时延和相位差测试方法，其特征在于：步骤c)所述消除噪声抖动处理、计算相位和频率的方法包括：首先，将采集的各个波长输入信号对应的拍频波形数据均分为N小段；然后，找出各小段幅值最高的单频信号，利用FFT算法返回各单频信号的频率fn和相位；最后，统计所有单频信号的频率和相位，分别列出频率直方图和相位直方图，两个直方图中各自计数最多的值对应的频率和相位即为该波长输入信号相应的频率与相位。

4.如权利要求3所述光相干接收机时延和相位差测试方法，其特征在于：所述N为200-500的整数。

5.如权利要求1-4任一项所述光相干接收机时延和相位差测试方法，其特征在于：所述本振信号设为固定波长1550nm；所述扫描信号光从波长1550nm开始至波长1550.04nm，以0.001nm的间隔进行扫描。

6.一种光相干接收机时延和相位差测试系统，其特征在于：包括本振信号源、可调谐扫描信号源、待测光相干接收机、示波器和数据处理单元；

本振信号源和可调谐扫描信号源分别连接待测光相干接收机的本振输入端和信号输入端；

所述可调谐扫描信号源向待测光相干接收机输入与本振信号源频率相近的扫描信号光；

所述示波器连接待测光相干接收机的任意两个射频信号输出通道，显示采集待测光相干接收机输出的拍频波形信息；

所述数据处理单元包括FFT运算消噪部和线性拟合运算部；其中，FFT运算消噪部对示波器采集的拍频波形信息进行消除噪声抖动和FFT运算处理，计算出不同波长输入信号下采集的拍频的相位和频率；线性拟合运算部，对FFT运算消噪部的计算结果进行线性拟合，绘制出频率和相位关系曲线，并据此关系曲线算出待测光相干接收机的时延和相位差。

7.如权利要求6所述光相干接收机时延和相位差测试系统，其特征在于：还包括数据采集卡，从示波器取走拍频波形信息，传送给数据处理单元。

8.如权利要求6或7所述光相干接收机时延和相位差测试系统，其特征在于：所述本振信号源输出固定光波长1550nm；所述可调谐扫描信号源光波长扫描范围为1550.00nm至1550.04nm，扫描间隔为0.001nm。