CN105515666B - 一种光信号码元速率识别方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤通信领域的一种光信号码元速率识别方法及系统。系统包括光放大器(OA)，光滤波器和数字相干光接收机。通过数字相干光接收机内采样频率为Rs的模数转换器(ADC)和数字信号处理(DSP)获取信号在X、Y偏振方向的N个采样点序列，进而通过DSP进行快速傅立叶变换(FFT)得到rx(m)和ry(m)，并计算rx,y(m)的自相关和互相关函数，将两种相关函数取模相加，得到混合相关函数HCF(Ω)，该函数在正半轴存在一个明显的脉冲峰值，通过搜索峰值位置ΩCT即可计算信号的码元速率B＝Rs(1‑ΩCT/N)。本发明适用于多种调制格式信号，对色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)和光信噪比(OSNR)劣化等损伤有较大容限，具备精度高和抗干扰强的优点。

Description

一种光信号码元速率识别方法及系统
技术领域
本发明涉及光纤通信，光信号识别和数字信号处理技术领域，特别涉及光信号码元速率识别及系统。
背景技术
随着光纤通信技术的发展特别是光调制/解调技术的发展，光网络中可能同时传输多种调制格式和速率的光信号。这些光信号具有不同的谱效率，能够容忍的信道损伤和噪声大小也各不相同，因此以满足不同数据传输业务和应用场景的需求。在这种条件下不能够再预设某一个节点或光接收机处光信号的调制格式和速率是一定的。为了有效对光网络进行监测管理，对接收到的光信号进行正确的解调，首先需要识别光信号的码元速率。因此需要研发一种适用信号类型广，对各种信道损伤和噪声容限大，并且准确可靠的光信号码元识别技术与系统。
目前提出的码元速率识别方案中，有一些是基于直接探测的，利用一阶自相关方程曲线的中心宽度对OOK格式信号的码元速率进行识别，原理简单，但结果受信号损伤影响较大。另有一种方案利用二阶自相关方程曲线的周期性实现对OOK信号和NRZ-DPSK信号的码元速率识别，这种方法抗损伤性能有所提高，但是使用范围有限，不能正确识别RZ-DPSK等信号的码元速率。也有研究机构提出利用异步采样强度直方图采用人工神经网络(ANN)等方法识别光信号，但是这种方法需要对ANN进行大量的训练，并只能针对一些确定的码元速率和调制格式信号，对CD和PMD的容限较低，因此这种方法使用不便，应用范围有限，识别精度也不够高。
为解决上述方法需要研究一种适用于多种调制格式信号，对CD、PMD和OSNR劣化等损伤有较大容限，具备精度高和抗干扰强优点的码元速率识别方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于数字相干光接收机的光信号码元速率识别方法与系统，克服现有技术所存在的识别精度低，对损伤容限小，适用的信号类型少和使用不便等缺陷。
为解决上述技术问题，本发明首先提出一种光信号码元速率识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
待识别光信号首先进入光放大器，所述光放大器将光信号放大至一定功率后经光滤波器输入数字相干光接收机；
所述数字相干光接收机通过模数转换以大于信号实际码元速率的采样率Rs分别获得信号X、Y偏振方向的长度为N的采样序列，记为rx(n)和ry(n)，并将其输入数字信号处理模块，所述N的取值为512，1024，2048，4096，…，N越大速率估计精度越高，但计算量越大；
所述数字信号处理模块首先通过快速傅立叶变换计算采样序列rx(n)、ry(n)的频谱rx(m)、ry(m)，然后计算rx(m)的自相关函数ACFx(Ω)，Ω代表频谱位移大小，计算rx(m)与ry(m)的互相关函数XCFx,y(Ω)；将自相关函数、互相关函数取模相加得到混合相关函数HCF(Ω)，该混合相关函数在正半轴上存在一个明显的脉冲峰值，搜索该混合函数在正半轴的脉冲峰值位置ΩCT，计算得到信号的码元速率B＝Rs(1-ΩCT/N)。
作为一种替代方案，所述HCF(Ω)在负半轴也存在同样的一个脉冲峰值，利用这个负半轴的脉冲峰值位置代替码元速率计算公式中的ΩCT，计算得到光信号符号速率。
作为又一种替代方案，计算ry(m)的自相关函数ACFy(Ω)，用自相关函数ACFy(Ω)替代所述ACFx(Ω)计算混合相关函数HCF(Ω)。
在偏振模色散PMD损伤不大的情况下，所述HCF(Ω)能够用ACFx(Ω)或ACFy(Ω)的模值取代。
本发明同时还提出了一种实现所述光信号码元速率识别方法的系统，其特征在于，包括光放大器OA，光滤波器，数字相干光接收机和数字信号处理模块；
所述OA，用于放大光信号至一定功率，然后将光信号输入所述光滤波器；
所述光滤波器，用于滤除输入光信号中的信道外噪声；
所述数字相干接收机，用于接收所述光滤波器的输出信号，还包括模数转换器，所述模数转换器用于获得待测光信号在X、Y偏振方向的N个采样点序列rx(n)和ry(n)；
所述数字信号处理模块，用于计算所述采样序列rx(n)、ry(n)的FFT频谱rx(m)、ry(m)，然后计算rx(m)的自相关函数，rx(m)和ry(m)的互相关函数；将两相关函数取模相加得到混合相关函数，最后通过搜索混合相关函数的脉冲峰值位置计算出信号的码元速率。
优选的，所述数字信号处理模块集成在所述数字相干光接收机内部。
本发明无需任何先验信息，适用于多种调制格式信号，对CD、PMD和OSNR劣化等损伤有较大容限，具备精度高和抗干扰强的优点。
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为本发明具体实施的码元速率识别系统结构示意图。
图2为10 GBaud偏振复用正交相移键控(DP-QPSK)信号的HCF(Ω)曲线图。
图3分别为10 GBaud NRZ(非归零)DP-QPSK信号在PMD造成的差分群速延迟(DGD)和偏振角变化时位于ΩCT处归一化脉冲峰值强度的仿真结果。
图4为10 GBaud NRZ-DP-QPSK信号在不同损伤下HCF(Ω)脉冲峰值相对于其均值的峰均值比(PAR)变化图。
图5为10 GBaud NRZ-DP-QPSK信号的HCF(Ω)在不同采样速率和参数运算点数N时的ΩCT处归一化脉冲峰值强度的变化图。
图6左图为NRZ、33％-RZ和67％-RZ的10 GBaud DP-QPSK信号的码元速率识别误差分布直方图；右图为上述样本的码元速率识别结果误差的标准差随着运算点数N的变化图。
图7左图为NRZ、33％-RZ和67％-RZ的10 GBaud DP-16QAM信号的码元速率识别误差分布直方图，右图为码元速率识别结果误差的标准差随着运算点数N的变化图。
具体实施方式
如图1所示的码元速率识别系统包括：光放大器(OA)1，光滤波器2，数字相干光接收机3。数字相干光接收机3内部组成包括光学前端4，模数转换器(ADC)5和数字信号处理器(DSP)6。
下面进一步描述光信号码元速率识别的具体实施方式和系统的工作流程如下：
待识别光信号首先进入光放大器1，光放大器1将光信号放大至一定功率后经光滤波器2输入数字相干光接收机3的光学前端4；
数字相干光接收机通过其内部的采样速率为Rs的ADC模块5以大于信号实际码元速率的采样率分别获得信号X、Y偏振方向的长度为N的采样序列，记为rx(n)和ry(n)，并将其输入到其内部的DSP模块6；
DSP模块首先计算两路采样序列rx(n)和ry(n)的FFT频谱rx(m)和ry(m)
其中p＝x,y代表X和Y偏振方向信号。然后分别计算rx(m)的自相关函数ACFx，rx(m)和ry(m)的互相关函数XCFx,y
ACFx(Ω)＝∑rx *(n)rx(n+Ω), (2)
XCFx,y(Ω)＝∑rx *(n)ry(n+Ω) (3)
其中Ω代表频谱位移点数，*表示取复共轭。将两种相关函数取模相加得到混合相关函数HCF
HCF(Ω)＝|ACFx(Ω)|+|XCFx,y(Ω)|, (4)
HCF(Ω)存在一个明显的时钟脉冲，脉冲位置记为ΩCT，在相干接收机采样速率不变的情况下，ΩCT与码元速率成正比，有
Ω＝ΩCT＝±N·(1-B/Rs), (5)
HCF(Ω)在ΩCT的脉冲峰值强度记为HCTM，
HCTM＝HCF(ΩCT)＝|ACFx(ΩCT)|+|XCFx,y(ΩCT)|. (6)
HCTM结合了|ACFx(ΩCT)|和|XCFx,y(ΩCT)|的优势，在任何PMD损伤影响下，HCTM均可以保证较大的强度，且是HCF(Ω)序列中的最大值的位置，即可根据公式(5)推算出待测光信号的码元速率B＝Rs(1-ΩCT/N)。
作为一种等效方法HCF(Ω)在负半轴也存在同样的一个脉冲峰值，利用这个脉冲峰值位置也可以确定光信号符号速率。作为一种等效方法ACFx(Ω)可以用ry(m)自相关函数ACFy(Ω)替代。此外在PMD损伤不大的情况下作为一种等效方法HCF(Ω)可用ACFx(Ω)或ACFy(Ω)的模值取代。
图2为10 GBaud偏振复用正交相移键控(DP-QPSK)信号的HCF(Ω)曲线，ADC采样率为2倍码元速率，参与运算点数N为2048，无CD和PMD损伤。
图3分别为10 GBaud NRZ(非归零)DP-QPSK信号在PMD造成的差分群速延迟(DGD)和偏振角变化时位于ΩCT处归一化脉冲峰值强度的仿真结果。可以看出PMD对HCTM几乎没有影响。
图4为10 GBaud NRZ-DP-QPSK信号在不同损伤下HCF(Ω)脉冲峰值相对于其均值的峰均值比(PAR)变化，可以看出在较强的损伤下PAR仍然维持较高的水平，说些对信号损伤容限较大。
图5为10 GBaud NRZ-DP-QPSK信号的HCF(Ω)在不同采样速率和参数运算点数N时的ΩCT处归一化脉冲峰值强度的变化。
图6左图为NRZ、33％-RZ和67％-RZ的10 GBaud DP-QPSK信号的码元速率识别误差分布直方图，由32220个样本的计算结果构成。运算点数N设为1024。色散(CD)范围0-100ps/nm，光信噪比(OSNR)范围15-35dB，偏振角θ从0变到90°，DGD从0到100ps，信号采样率为1.3-3倍码元速率。右图为上述样本的码元速率识别结果误差的标准差随着运算点数N的变化，可以看到当N>768时，误差的标准差已经小于信号码元速率的0.02％。
图7左图为NRZ、33％-RZ和67％-RZ的10 GBaud DP-16QAM信号的码元速率识别误差分布直方图，由32220个样本的计算结果构成，样本构成与图6相同。右图为码元速率识别结果误差的标准差随着运算点数N的变化，可以看到当N>768时，误差的标准差已经小于信号码元速率的0.02％。
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，尽管参照较佳实施示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 (6)

1.一种光信号码元速率识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
待识别光信号首先进入光放大器，所述光放大器将光信号放大至一定功率后经光滤波器输入数字相干光接收机；
所述数字相干光接收机通过模数转换以大于信号实际码元速率的采样率Rs分别获得信号X、Y偏振方向的长度为N的采样序列，记为rx(n)和ry(n)，并将其输入数字信号处理模块，所述N的取值为512，1024，2048，4096，…，N越大速率估计精度越高，但计算量越大；
所述数字信号处理模块首先通过快速傅立叶变换计算采样序列rx(n)、ry(n)的频谱rx(m)、ry(m)，然后计算rx(m)的自相关函数ACFx(Ω)，Ω代表频谱位移大小，计算rx(m)与ry(m)的互相关函数XCFx,y(Ω)；将自相关函数、互相关函数取模相加得到混合相关函数HCF(Ω)，该混合相关函数在正半轴上存在一个明显的脉冲峰值，搜索该混合相关函数在正半轴的脉冲峰值位置ΩCT，计算得到信号的码元速率B＝Rs(1-ΩCT/N)。
2.根据权利要求1所述的光信号码元速率识别方法，其特征在于，所述HCF(Ω)在负半轴也存在同样的一个脉冲峰值，利用这个负半轴的脉冲峰值位置代替码元速率计算公式中的ΩCT，计算得到光信号符号速率。
3.根据权利要求1或2所述的光信号码元速率识别方法，其特征在于，计算ry(m)的自相关函数ACFy(Ω)，用自相关函数ACFy(Ω)替代所述ACFx(Ω)计算混合相关函数HCF(Ω)。
4.根据权利要求3所述的光信号码元速率识别方法，其特征在于，在偏振模色散PMD损伤不大的情况下，所述HCF(Ω)能够用ACFx(Ω)或ACFy(Ω)的模值取代。
5.一种实现权利要求1所述光信号码元速率识别方法的系统，其特征在于，包括光放大器OA，光滤波器，数字相干光接收机和数字信号处理模块；
所述OA，用于放大光信号至一定功率，然后将光信号输入所述光滤波器；
所述光滤波器，用于滤除输入光信号中的信道外噪声；
所述数字相干光接收机，用于接收所述光滤波器的输出信号，还包括模数转换器，所述模数转换器用于获得待测光信号在X、Y偏振方向的N个采样点序列rx(n)和ry(n)；
所述数字信号处理模块，用于计算所述采样序列rx(n)、ry(n)的FFT频谱rx(m)、ry(m)，然后计算rx(m)的自相关函数，rx(m)和ry(m)的互相关函数；将两相关函数取模相加得到混合相关函数，最后通过搜索混合相关函数的脉冲峰值位置计算出信号的码元速率。
6.根据权利要求5所述的实现权利要求1所述光信号码元速率识别方法的系统，其特征在于，所述数字信号处理模块集成在所述数字相干光接收机内部。
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