CN104967480A - 采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，属于光通信技术领域。光纤链路的色散使光脉冲信号变成频域啁啾信号，光纤的非线性效应使光脉冲信号变成时域啁啾信号，根据啁啾信号在分数阶傅里叶变换中具有能量聚焦效应，先计算频域信号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，再对信号进行色散补偿，再对色散补偿后的时域信号计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，由最优分数阶次计算出光纤链路的啁啾系数，根据其绝对值定量监测光纤链路的非线性效应。本发明可用于不同种类光纤组成的光通信链路系统进行链路非线性效应的定量监测。

Description

采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法

技术领域

本发明涉及采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，尤其涉及一种采用分数阶傅里叶变换定量表征光纤链路非线性效应的方法，属于高速光通信技术领域。

背景技术

限制光纤通信系统性能的两个基本因素是光纤的色散和非线性效应。例如对于10Gbps系统，入纤功率为0.0dBm时，标准单模光纤的无色散补偿传输距离约为60km，而40Gbps系统无色散补偿的传输距离仅为3.5km。当入纤功率高于0.0dBm时，非线性效应产生的信号畸变使得光纤通信系统的传输距离更短。因此，在光纤通信系统和链路中，需要对光纤链路的色散和非线性效应进行实时监测与均衡。

测量光纤色散的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。这些方法不能对实际运行的光纤链路进行无干扰、调制格式透明、信号透明的色散监测，难以满足实际运行光链路实时监测的要求。而光纤非线性效应的测量则是世界难题，目前尚没有定量测量的方法提出来。随着光通信系统速率越来越高、信道间隔越来越小，对光纤的色散和非线性效应进行估计和均衡变得越来越重要。因此，如何对超高速光纤通信链路的色散和非线性效应进行无干扰、实时、准确地监测则是当前光通信领域的难题，亟需解决。

在光纤通信系统和网络中，传统的光纤非线性测量方法主要有全光预处理法、频谱分析法、二值化法、非线性光谱分析法等。(见“光纤检测中数据处理方法研究”，红外语激光工程，第30卷第3期，刘艳格等，2001年6月)。上述传统的基于傅里叶变换识别和测量光脉冲的非线性效应，虽然速度快，但分辨率及准确率低，不适合高速及不同种类光纤组成的光通信系统。

经过检索，国内外文献和专利都没有基于分数阶傅里叶变换来监测光线链路的非线性效应的。而如何无干扰、实时而准确监测光纤链路中非线性效应是超高速光纤领域亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是为解决超高速光纤链路中非线性效应无干扰、实时而准确监测的难题，提出了一种采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法。

本发明的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其中心思想为：光纤链路的色散使光脉冲信号变成频域啁啾信号，光纤的非线性效应使光脉冲信号变成时域啁啾信号，根据啁啾信号在分数阶傅里叶变换中具有能量聚焦效应，先计算频域信号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，再对信号进行色散补偿，再对色散补偿后的时域信号计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，由最优分数阶次计算出色散补偿后的时域信号的啁啾系数，用啁啾系数的绝对值大小监测光纤链路的非线性效应。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，具体步骤如下：

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傅里叶变换，得到频域复数场ω是光脉冲信号的角频率；

步骤三、对步骤二得到的频域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。

步骤四、由步骤三得到的最优分数阶次计算光纤链路的色散；

具体方法为：根据步骤三得到的最优分数阶次ρ_optimum，计算光纤链路的色散为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；

步骤五、由步骤四得到的光纤链路的色散对步骤二得到的频域复数场进行色散补偿，得到色散补偿后的频域复数场

具体方法为：将步骤二得到的频域复数场乘以色散函数为：

${\tilde{E}}_{Comp}\left(\mathrm{\ω}\right)=\tilde{E}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{-jCD\×{\mathrm{\ω}}^2};$

步骤六、对步骤五得到的频域复数场进行逆傅里叶变换，得到时域复数场E_Comp；

步骤七、对步骤六得到的时域复数场E_Comp进行分数阶傅里叶变换，计算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。

步骤八、由步骤七得到的最优分数阶次ρ'_optimum，计算时域复数场E_Comp的啁啾系数为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；

步骤九、步骤八得到的时域复数场E_Comp啁啾系数的绝对值|C|与光纤非线性效应引起的非线性相移成正比，因此时域复数场E_Comp啁啾系数的绝对值|C|可以用来监测光纤非线性效应的大小；

其中，步骤三及步骤七中的搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，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；具体为，分数阶次ρ_i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。

有益效果

本发明采用分数阶傅里叶变换定量表征光纤链路非线性效应的方法与系统，具有如下有益效果：

1.依据本发明方法设计的光纤链路非线性效应监测系统结构简单，易于实现，无需对发射机进行改变；

2.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；

3.依据本发明方法设计的光纤链路非线性效应监测系统监测方法简单，监测参数可以定量表征；

4.本发明方法设计的光纤链路非线性效应的监测系统能够准确监测非线性效应，监测范围宽；

5.本发明符合高速光纤通信链路、光网络对非线性效应的监测要求，能够用于不同种类光纤组成的光通信链路系统，尤其可以应用于高速光纤通信系统中对非线性效应进行准确的监测和均衡；

6.本发明简单易集成，满足光纤通信链路在线、无扰且实时监测的要求，对光纤非线性效应进行便捷准确的监测。

附图说明

图1为本发明及实施例中采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法的流程图；

图2为本发明及实施例中最优分数阶次搜索方法的流程图；

图3为本发明及实施例中采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的系统结构示意图；

图4为本发明及实施例中分数阶傅里叶变换处理模块的结构图；

图5为本发明实施例中光纤输出的10Gbit/s OOK调制格式的光脉冲经色散补偿后，其时域信号经过不同阶次分数阶傅里叶变换得到的分数阶幅度谱图,其中横坐标p和u分别为分数傅里叶变换的两个参数,纵坐标为幅度谱值；

图6为本发明实施例中不同长度光纤输出的10Gbit/s OOK调制格式的光脉冲经色散补偿后，对其时域信号采用分数阶傅里叶变换得到的啁啾系数与标称的光纤链路最大非线性相移的关系曲线；

图7为本发明实施例中不同峰值功率的20Gbit/s QPSK调制格式的光脉冲经标准单模光纤传输后，采用分数阶傅里叶变换方法监测色散补偿后时域信号的啁啾系数与标称的光纤链路最大非线性相移的关系曲线。

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。

实施例

本发明采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其流程如图1所示，具体实施时,步骤如下：

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傅里叶变换，得到频域复数场ω是光脉冲信号的角频率；

步骤三、对步骤二得到的频域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。

步骤四、由步骤三得到的最优分数阶次计算光纤链路的色散；

具体方法为：根据步骤三得到的最优分数阶次ρ_optimum，计算光纤链路的色散为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；

步骤五、由步骤四得到的光纤链路的色散对步骤二得到的频域复数场进行色散补偿，得到色散补偿后的频域复数场

具体方法为：将步骤二得到的频域复数场乘以色散函数为：

${\tilde{E}}_{Comp}\left(\mathrm{\ω}\right)=\tilde{E}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{-jCD\×{\mathrm{\ω}}^2};$

步骤六、对步骤五得到的频域复数场进行逆傅里叶变换，得到时域复数场E_Comp；

步骤七、对步骤六得到的时域复数场E_Comp进行分数阶傅里叶变换，计算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。

步骤八、由步骤七得到的最优分数阶次ρ'_optimum，计算时域复数场E_Comp的啁啾系数为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；

步骤九、步骤八得到的时域复数场E_Comp啁啾系数的绝对值|C|与光纤非线性效应引起的非线性相移成正比，因此时域复数场E_Comp啁啾系数的绝对值|C|可以用来监测光纤非线性效应的大小；

其中，步骤三及步骤七中的搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，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；具体为，分数阶次ρ_i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。

步骤三及步骤七(分别对应第三个及第七个箭头所指示的灰色加粗框)的“计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次”的最优分数阶次搜索方法的流程如图2所示。

具体实施中，采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的系统，可以无干扰地监测光纤链路非线性效应。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，解决现今高速光纤链路非线性效应的实时监测。

本实施例的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法依据的系统(后续简称“系统”)，无需进行发射机改变，且具有结构简单和易于实现的特点。系统组成如图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，分数阶傅里叶变换处理模块；其中，分数阶傅里叶变换处理模块如图4所示，包括存储单元、复数场计算单元、傅里叶变换信号处理单元、分数阶傅里叶变换信号处理单元1、色散计算单元、色散补偿单元、傅里叶逆变换信号处理单元、分数阶傅里叶变换信号处理单元2、啁啾系数计算单元；

系统中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处理模块。

系统的工作过程如下：

首先，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；

其次，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处理模块中的存储单元进行存储，再计算得到定量监测光纤非线性效应的啁啾系数，具体来说，啁啾系数的计算过程如下：

1)在分数阶傅里叶变换处理模块中的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；

2)在傅里叶变换信号处理单元将复数场信号E进行傅里叶变换得到频域复数场

3)再经分数阶傅里叶变换信号处理单元1将频域复数场进行分数傅里叶变换，得出最优分数阶次ρ_optimum，其中，ρ_optimum得出的具体方法为：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；

4)再在色散计算单元计算光纤链路的色散：其中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；

5)在色散补偿单元对频域复数场进行色散补偿，得出:

${\tilde{E}}_{Comp}\left(\mathrm{\ω}\right)=\tilde{E}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{-jCD\×{\mathrm{\ω}}^2};$

6)在傅里叶逆变换信号处理单元对频域复数场进行逆傅里叶变换，得到时域复数场E_Comp；

7)时域复数场E_Comp再次进入分数阶傅里叶变换信号处理单元2，得出分数阶傅里叶变换的最优分数阶次ρ'_optimum；

其中，搜索最优分数阶次ρ'_optimum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；

8)在啁啾系数计算单元计算时域复数场E_Comp的啁啾系数：

$C=-\frac{\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{\mathrm{\ρ}}_{optimum}^{\′}\right)}{2{\mathrm{\πS}}^2},$

其中，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；

最后，对上述啁啾系数C取绝对值|C|，此绝对值即为定量表征光纤非线性效应的数值。

本实施例中的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法与系统分别如图1和图3所示；且由图3可以看出本实施例简单易集成，满足光纤通信链路在线、无干扰且实时监测的要求；其中，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和虚部，再经模/数变换，模/数变换的采样点数N为8192。

模/数变换后进入分数阶傅里叶变换处理模块，计算得到定量监测光纤非线性效应的啁啾系数，其计算流程如图4所示：

其中，分数阶傅里叶变换信号处理单元2中的最优分数阶次的搜索流程如图2所示，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。

图5所示为色散补偿后光脉冲序列信号时域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色散补偿后光脉冲信号时域复数场的啁啾系数为：

$C=-\frac{\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{\mathrm{\ρ}}_{optimum}^{\′}\right)}{2{\mathrm{\πS}}^2}$

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，为8192。色散补偿后光脉冲序列信号时域复数场的啁啾系数的绝对值|C|与定量表征光纤非线性效应的非线性相移成正比，因此可以用|C|定量表征光纤非线性效应。

图6为本实施例的当光脉冲峰值功率分别为8.0dBm和18dBm时，脉冲宽度为100皮秒的光脉冲序列信号在不同长度的标准单模光纤传输后，输出的光脉冲序列经分数阶傅里叶变换处理模块得到的啁啾系数与标称的非线性相移的关系。

图7为本实施例的不同脉冲峰值功率的光脉冲序列信号在长度分别为10km和50km的光纤传输后，分数阶傅里叶变换处理模块得到的啁啾系数与标称的非线性相移的关系。由此图7可以看出，依据本发明及实施方式设计的光纤链路非线性效应监测系统能通过啁啾系数定量表征光纤非线性效应，且具有便捷、准确监测的特点。

由图6和图7的结果可以看出，分数阶傅里叶变换处理模块得到的啁啾系数能定量监测和表征光纤非线性效应的大小。其中，图6中峰值功率为18dBm的10Gbit/s OOK调制格式的光脉冲在传输80km的单模光纤后，累积的非线性相移为1.2弧度；图7中20Gbit/s QPSK调制格式的光脉冲峰值功率从0dBm到65dBm变化，在光纤中传输50km后，非线性相移也为1.2弧度。表明了，本发明及实施例涉及的监测光纤链路非线性效应的系统具有监测范围宽且测量准确的特点。同时也表明，本发明及实施例符合高速光纤通信链路、光网络对非线性效应的监测要求，能够用于不同种类光纤组成的、不同调制格式的光通信链路系统，尤其可以应用于高速光纤通信系统中对非线性效应进行准确的监测和均衡。

以上对本发明“采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法与系统”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。实施例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 (4)

1.采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其特征在于：光纤链路的色散使光脉冲信号变成频域啁啾信号，光纤的非线性效应使光脉冲信号变成时域啁啾信号，根据啁啾信号在分数阶傅里叶变换中具有能量聚焦效应，先计算频域信号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，再对信号进行色散补偿，再对色散补偿后的时域信号计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，由最优分数阶次计算出光纤链路的非线性效应；

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傅里叶变换，得到频域复数场；

步骤三、对步骤二得到的频域复数场进行分数阶傅里叶变换，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次；

步骤四、由步骤三得到的最优分数阶次计算光纤链路的色散；

步骤五、由步骤四得到的光纤链路的色散进行色散补偿，得到色散补偿后的信号；

步骤六、对步骤五得到的色散补偿后的信号进行逆傅里叶变换，得到时域复数场；

步骤七、对步骤六得到的时域复数场进行分数阶傅里叶变换，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次；

步骤八、由步骤七得到的最优分数阶次计算时域附属长的啁啾系数；

步骤九、由步骤八得到的啁啾系数取绝对值，即为定量监测的光纤链路的非线性效应。

2.根据权利要求1所述的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其特征在于：所述步骤三及步骤七中的搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，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；具体为，分数阶次ρ_i照固定的步长△在[0,2]范围内变化ρ_i＝ρ_i-1+△，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。

3.根据权利要求1所述的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其特征在于：所述步骤五中，将步骤二得到的频域复数场乘以色散函数为 ${\tilde{E}}_{Comp}\left(\mathrm{\ω}\right)=\tilde{E}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{-jCD\×{\mathrm{\ω}}^2},$ 其中ω表示频率。

4.根据权利要求1所述的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其特征在于：所述步骤四中，由步骤三得到的最优分数阶次计算光纤链路的色散具体方法为：根据步骤三得到的最优分数阶次ρ_optimum，计算光纤链路的色散为：

$CD=-\frac{\cot \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}{\mathrm{\ρ}}_{optimum}\right)}{2{\mathrm{\πS}}^2},$

其中，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。