CN104467969A - 分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法，属于光通信技术领域。本发明方法对光纤链路输出的光脉冲信号进行相干解调，得到光脉冲信号的复数场，再对复数场进行分数阶傅里叶变换，根据啁啾信号分数谱的能量聚焦效应，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，再由最优分数阶次计算出光纤链路的色散；本方法能用于不同种类光纤组成的光通信链路系统，进行光纤链路色散的监测。

Description

分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法

技术领域

本发明涉及一种分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法，属于高速光通信技术领域。本方法能应用于不同种类光纤组成的光通信链路系统，进行光纤链路色散的监测。

背景技术

单色光经过数据调制之后，光信号的频谱展宽，不同频率成分的传输速度不同，导致不同频率的光到达的时间不同，即色散效应。在光纤数字通信系统中，色散效应导致脉冲展宽，限制了系统可传输信号的最高速率。系统的调制格式和光信号的符号速率对色散容限的影响都很大。例如对于10Gbps系统，标准单模光纤的无补偿传输距离约为60km，而40Gbps系统的传输距离仅为3.5km。因此，在光纤通信系统和网络中，需要对光纤链路的色散进行实时监测和均衡。传统光纤色散测量方法主要有频谱分析法、残留边带滤波法、非线性光谱分析法等。

频谱分析法主要有射频导频法和时钟频率法。射频导频法采用射频导频为监测对象，在发射机中加入一个射频导频，其带宽小于信号带宽，在光纤传输中，导频与信号经历相同的色散。无色散状态下，导频的上下边带相位相同，接收功率最大；存在色散时，其上下边带产生相位差，在接收端出现射频功率的衰减，通过测量导频功率测量色散。导频频率高，则监测的灵敏度大，但可监测范围变小，反之则监测范围大，灵敏度低，二者为一对矛盾。同时加载高频和低频两种导频，可以改善色散监测的动态范围和灵敏度。以导频调制进行色散监测的局限性在于无法区分色散的正负，而且需要对发射机进行改造。时钟频率法通过提取被测光信号的时钟频率成分，监测时钟频谱功率的变化来测量色散。提取时钟频率分量测量光纤色散虽然无需改造发射机，但是仍然无法区分色散的正负。

残留边带滤波法使用带通滤波器将光信号分别进行上、下边带的滤波，通过检测两个残留边带信号的时延差，可以测量光纤的色散。在光电变换之后，将两路残留边带信号进行相位检测，可以得到两路信号的相位差，间接测量光纤色散。残留边带滤波法无需对发射机进行改动，灵敏度高，能够区分色散的正负，同时不受偏振模色散，非线性双折射和啁啾的影响。但其带通滤波器的带宽等于信号的比特率，对信号速率不透明。

非线性光谱分析法的原理是：色散导致光信号时域脉冲展宽，峰值功率下降，使光纤产生的非线性效应降低，通过带通滤波器的光功率将减小，因此通过测量滤波器之后的光功率变化可以监测色散的变化。此方法的局限在于无法分辨色散的正负，并且色散和非线性的相互作用会影响色散监测的准确性。

以上方法各有其缺点，无法对实际运行的光纤链路进行无干扰、调制格式透明、信号速率透明的色散监测。因此如何对超高速光纤通信链路的色散进行无扰、实时准确地测试是当前的难题，亟需解决。

发明内容

发明的目的是为解决超高速光纤链路色散无扰、实时准确测试的难题，提出了一种分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法，能准确测量光纤链路的色散。

发明的目的是通过下述技术方案实现的。

分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法中心思想为光纤链路的色散使光脉冲信号变成啁啾信号，根据啁啾信号在分数阶傅里叶变换中具有能量聚焦效应，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，再由最优分数阶次计算出光纤链路的色散；

具体包括如下步骤：

步骤一、对光纤传输后的光脉冲信号进行相干解调，得到光脉冲信号电场的实部E_I和虚部E_Q，再计算复数电场E＝E_I+jE_Q，其中，j是虚数单位；

步骤二、对步骤一得到的光脉冲信号的复数场进行分数阶傅里叶变换，根据啁啾信号分数谱的能量聚焦效应，搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次ρ_optimum，搜索最优分数阶次的方法包括分数阶频谱熵、最优滤波算子、零中心归一化瞬时幅度谱密度最大、分数阶幅度谱方差最大。

步骤三、计算光脉冲信号的啁啾；

具体方法为：根据步骤二得到的最优分数阶次ρ_optimum，计算光脉冲信号的啁啾系数S为分数阶傅里叶变换中的尺度因子，其取值为N是信号的采样点数；

步骤四、计算光纤链路的色散为其中λ₀为光脉冲信号的中心波长。

搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次ρ_optimum，可以采用的方法包括分数阶幅度谱方差最大；其方法为，计算不同分数阶次傅里叶变换得到的分数谱幅度的方差，分数谱幅度方差的最大值对应的分数阶次为最优分数阶次ρ_optimum；具体为，分数阶次ρ_i按照固定的步长Δ在[0,2]范围内变化ρ_i＝ρ_i-1+Δ对每个分数阶次分别进行分数阶傅里叶变换，计算每一个分数阶次傅里叶变换的幅度谱的方差σ_i，再计算所有幅度谱方差的最大值，得到幅度谱方差最大值对应的分数阶次为最优分数阶次ρ_optimum。

有益效果

1.依据本发明方法设计的光纤链路色散测量系统能够准确测量色散，测量范围宽，测量误差低；

2.依据本发明方法设计的光纤链路色散测量系统结构简单，易于实现，无需对发射机进行改变。

3.本发明可适用于多种调制格式和不同传输速率，包括OOK、QPSK，QAM等；

4.依据本发明方法设计的光纤链路色散测量系统测量方法简单，测量参数容易确定。

因此，本发明符合高速光纤通信链路、光网络对色散的监测要求，能够用于高速光纤通信系统中对色散进行监测和均衡。

本发明方法应用于光纤通信链路，进行光纤色散监测；适用于不同种类光纤、多种调制格式、多种符号速率的光纤通信链路。本发明简单易集成，满足光纤通信链路在线、无扰实时监测的要求，对色散进行便捷准确的测量。

附图说明

图1为本发明权利要求1中分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法的流程图；

图2为本发明权利2中最优分数阶次搜索方法的流程图；

图3为具体实施方式中分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的系统结构示意图；

图4为具体实施方式中分数傅里叶变换色散计算模块的结构图；

图5为具体实施方式中光纤输出的光脉冲经过不同阶次分数阶傅里叶变换得到的分数谱幅度图；

图6为具体实施方式中不同长度光纤输出的光脉冲经分数阶傅里叶变换的最优分数阶次与相应测量的光纤色散值；

图7为具体实施方式中光脉冲经不同长度的标准单模光纤传输后，分数阶傅里叶变换方法测量的色散结果。

图8为载波波长为1550nm的10Gbit/s OOK光信号经不同长度标准单模光纤传输后，分数阶傅里叶变换方法测量的色散值与实际色散值的对比。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对发明内容做进一步说明。

本发明方法的分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的流程如图1所示。

具体实施中，使用分数阶傅里叶变换光纤链路色散测试系统，可以进行无扰光纤链路色散测试。测量的效果与光纤类型、光纤链路信号的调制格式、速率无关，更适用于现今高速光纤链路色散的实时监测。

本实施例提出一种分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的系统，如图3所示，包括本振激光器，光学混频器，平衡探测器，模数变换器，分数阶傅里叶变换色散测量模块。其中，分数阶傅里叶变换色散测量模块如图4所示，包括存储单元，复数场计算单元、分数阶傅里叶变换信号处理单元和色散计算单元，

上述各模块间的连接关系为：本振激光器的输出端连接到光学混频器的一个输入端，光学混频器的四路输出连接平衡探测器，平衡探测器的两路输出连接模数转换器，模数转换器的两路输出连接分数阶傅里叶变换色散测量模块。

光纤链路输出的光脉冲信号与本振激光器的输出在光学混频器混波，通过平衡探测器得到光脉冲信号电场的实部E_I和虚部E_Q，经模/数变换后进入分数阶傅里叶变换色散测量模块，计算得到光纤色散。

在分数阶傅里叶变换色散测量模块，复数场计算单元得到光脉冲信号的复数场为：

E＝E_I+jE_Q

其中j为虚数单位。

在分数阶傅里叶变换信号处理单元，分数阶次ρ_i在[0,2]范围内按固定的步长Δ变化ρ_i＝ρ_i-1+Δ，对应每个分数阶次对光脉冲信号的复数场进行分数阶傅里叶变换，得到每一个分数阶次傅里叶变换的幅度谱的方差σ_i，再计算所有幅度谱方差的最大值，得到幅度谱方差最大值对应的分数阶次为最优分数阶次ρ_optimum。如图5所示为光脉冲复数场的分数傅里叶变换幅度谱，能量聚焦的分数谱其幅度谱方差最大，对应的分数阶次则为最优分数阶次ρ_optimum。由最优分数阶次计算光脉冲信号的啁啾系数

$C=-\frac{\cot \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{optimum}}\right)}{2\mathrm{\π}{S}^2}$

其中S为分数阶傅里叶变换中的尺度因子，取值为N是信号的采样点数。

在色散计算模块，得到光纤链路的总色散为

$\mathrm{Dl}=-\frac{2\mathrm{\π}\×3.0\×{10}^8\×C}{{{\mathrm{\λ}}_0}^2}$

其中λ₀为光脉冲信号的中心波长。

图6为脉冲宽度为100皮秒的光脉冲在不同长度的标准单模光纤传输后，输出的光脉冲经分数阶傅里叶变换的最优分数阶次与测量的光纤色散值。图7中，X轴为光纤实际的色散值，作为参考值，左侧Y轴为依据本发明方法设计的分数阶傅里叶变换光纤色散测量系统测量的色散值，实线为参考线，右侧Y轴为测量误差。图8中，载波波长为1550nm的10Gbit/sOOK光信号经不同长度标准单模光纤传输后，分数阶傅里叶变换方法测量的色散值与实际色散值的对比。由图7和图8的结果可以看出，本发明方法能准确测量不同长度光纤链路的色散值。

本发明主要技术优势：

以上对本发明“分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法”进行了详细的说明，但本发明的具体实施形式并不局限于此。该实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法，其特征在于：光纤链路的色散使光脉冲信号变成啁啾信号，根据啁啾信号在分数阶傅里叶变换中具有能量聚焦效应，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，再由最优分数阶次计算出光纤链路的色散；

具体包括如下步骤：

步骤一、对光纤传输后的光脉冲信号进行相干解调，得到光脉冲信号电场的实部E_I和虚部E_Q，再计算复数电场E＝E_I+jE_Q，其中，j是虚数单位；

步骤二、对步骤一得到的光脉冲信号的复数场进行分数阶傅里叶变换，根据啁啾信号分数谱的能量聚焦效应，搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次ρ_optimum，搜索最优分数阶次的方法包括分数阶频谱熵、最优滤波算子、零中心归一化瞬时幅度谱密度最大、分数阶幅度谱方差最大；

步骤三、计算光脉冲信号的啁啾；具体方法为：根据步骤二得到的最优分数阶次ρ_optimum，计算光脉冲信号的啁啾系数S为分数阶傅里叶变换中的尺度因子，其取值为N是信号的采样点数；

步骤四、计算光纤链路的色散为其中λ₀为光脉冲信号的中心波长。

2.根据权利要求1所述的分数阶傅里叶变换测量光纤链路色散的方法，其特征在于：搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次ρ_optimum，采用的方法包括分数阶幅度谱方差最大；其方法为，计算不同分数阶次傅里叶变换得到的分数谱幅度的方差，分数谱幅度方差的最大值对应的分数阶次为最优分数阶次ρ_optimum；具体为，分数阶次ρ_i按照固定的步长Δ在[0,2]范围内变化ρ_i＝ρ_i-1+Δ，对每个分数阶次分别进行分数阶傅里叶变换，计算每一个分数阶次傅里叶变换的幅度谱的方差σ_i，再计算所有幅度谱方差的最大值，得到幅度谱方差最大值对应的分数阶次为最优分数阶次ρ_optimum。