CN105871456A - 基于延迟采样的信号质量监测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤通信领域的一种基于延迟采样的信号质量监测方法及系统。系统包括光放大器，光滤波器，可调色散补偿器TDC，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转换器，以及主控模块。主控模块驱动TDC产生一系列一定步长间隔色散值，待测光信号在通过TDC后由3dB分光器分成两路，主控模块驱动TOD对其中一路产生一系列1ps为单位的步进延时，并利用光探测和模数转换器获取的两路采样信号计算光信号的自相关函数ACF的振幅PPA，TDC每个色散值对应一个PPA，其中最大的PPA所对应的TDC的色散可以指示待测信号所受色散大小。此最大PPA的值与光信噪比(OSNR)呈正相关，可以指示待测信号的OSNR。本发明具有工作波段宽，对信号速率透明的优点。

Description

基于延迟采样的信号质量监测

技术领域

本发明涉及光纤通信，信号识别和数字信号处理技术领域，特别涉及光信号质量监测。

背景技术

近年来为了满足不断增长的带宽需求，光纤通信网络发展迅速。单信道40Gb/s的WDM系统已经实现商用，而100Gb/s以上WDM系统的部署也势在必行。传输速率的提升使得系统对信号传输质量有了更高的要求。色度色散和光信噪比(OSNR)是衡量信号传输质量的两个关键指标参数。色散会引起信号波形的失真，而OSNR的降低意味着噪声功率的增加。为了实现对信号损伤的自适应补偿和光网络的智能化管理，确保光传输网络稳定正常的工作，必须对色散和OSNR进行准确的在线监测。

目前已经提出了许多光信号质量在线监测方法。这些监测方法可以分为三大类：一大类是基于光信号的电域分析；第二大类基于插入探测信号的分析；第三大类是全光色散监测法；第一大类以电信号的处理为主，例如信号射频频谱分析法，异步直方图评估法，电色散均衡法等等。一般需要首先对信号进行需要光电转换，再进行时钟提取，射频频谱分析，或者高速模数转换，其系统较为复杂，且对信号的调制格式和信号速率不透明。第二大类是通过在信号发射端插入探测信号，如幅度或相位调制的副载波，或者幅度调制的宽带自发辐射波，或者一不同于信号波长的连续探测光，通过在接收端监测这些附加信号的变化，实现对光信号传输质量的监测。这类方法需要修改发射机的设计，因此与现有系统的兼容性较差。此外某些探测信号，如宽带自发辐射探测光的插入对光信号本身的传输也会造成影响。第三大类基于超快非线性效应，以全光信号分析处理为主，因此也称为全光信号质量监测技术。全光信号质量监测技术相对于前两类技术，具有结构简单，成本低，兼容性好，不影响信号传输，适应不同信号速率和调制格式的优点。这类非线性效应具有超快的响应时间，可以克服电子器件速率瓶颈的问题。目前提出的全光信号质量监测技术一般基于光纤中的自相位调制(SPM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(Cascaded FWM)效应，以及半导体光探测器中的双光子吸收效应(TPA)等等。但是目前的全光信号质量监测方法也存在一些缺陷，如基于半导体双光子吸收的对于光信号质量参数的变化不够敏感，输出信号对比度低；基于FWM效应的需要较高的信号功率或者较长的介质光纤，造成系统功耗和体积较大；基于SPM和XPM效应的则需要针对不同的信号速率调整输出光滤波器中心波长，因此对信号速率不透明。而且全光监测器件还存在性能不够稳定，工作波段受限的问题。为解决以上问题需要开发一种工作波段宽，结构简单，对信号速率透明的信号质量监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出适用于各种常用光调制格式和速率的光信号质量监测方法及系统，它具有工作波段宽，集成度高，性能稳定，结构简单，对信号速率和调制格式透明的优点。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于延迟采样的信号质量监测方法，该方法涉及光放大器，光滤波器，可调色散补偿器TDC，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转换器，以及主控模块，包括以下步骤：

待识别光信号首先进入所述光放大器放大至一定功率，再经所述光滤波器滤除带外噪声，通过所述TDC后输入3dB分光器，按功率平均分为L1、L2两路；

所述L1路光信号作为参考信号输入所述光探测器PD1，L2路光信号进入所述TOD经过一定延时后输入所述光探测器PD2；

所述光探测器PD1、PD2分别将光信号转变为电信号后分别输入模数转换器ADC1、ADC2，所述模数转换器ADC1、ADC2分别以低于信号码元速率的速率进行异步采样得到采样序列X₁、X₂，并将采样序列X₁、X₂输入到所述主控模块；

所述主控模块驱动TDC产生M个一定步长间隔色散值c₁,c₂,…,c_M，M为大于3的自然数。在每个色散值下，主控模块驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时，N为大于3的自然数，并利用每个延时下记录的所述采样序列X₁、X₂计算光信号的自相关函数ACF。利用正弦函数拟合得到ACF的振幅PPA。TDC的每个色散值对应一个PPA，取其中最大的PPA，此时TDC对应色散的相反数约为待测信号所受色散大小。

PPA大小与光信噪比(OSNR)呈正相关，根据上述待测信号的PPA可以指示待测信号的OSNR。

本发明同时提出了基于延迟采样的信号质量监测系统，包括光放大器，光滤波器，可调色散补偿器TDC，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转换器ADC，以及主控模块；

所述光放大器，用于将光信号放大至一定功率以适合于光探测探测；

所述光滤波器，用于滤除光信号带外噪声；

所述TDC，用于以特定色散大小对输入光信号进行色散补偿；

所述3dB分光器，用于将光信号按功率平均分配到两个支路中；

所述TOD，对一个支路光信号进行延时，并在主控模块控制下产生N个间隔为1ps的步进延时；

所述光探测器，用于将两个支路输出的光信号转换为电信号；

所述模数转换器ADC用于对光探测器输出电流进行采样和量化后转换为数字信号；

所述主控模块，用于驱动TDC产生M个一定步长间隔色散值c₁,c₂,…,c_M。并在每个色散值下，主控模块驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时，计算光信号的自相关函数ACF及其振幅PPA。TDC的每个色散值对应一个PPA，其中最大的PPA所对应的TDC的色散可以指示待测信号所受色散大小。此最大PPA的值与光信噪比(OSNR)呈正相关，可以指示待测信号的OSNR。

所述可调光延时线用可调电延时线替代，并放置于该路光探测的输出端。

所述光探测器为高速光探测器。

所述模数转换器为异步采样模式，采样速率低于信号速率。

所述ACF按照以下几种方法计算

或

或

或

$ACF=E\[\frac{(X_1^{\′2}-{\mathrm{\μ}}_{X_1^{\′2}})(X_2^{\′2}-{\mathrm{\μ}}_{X_2^{\′2}})}{{\mathrm{\σ}}_{X_1^{\′2}}{\mathrm{\σ}}_{X_2^{\′2}}}\]---\left(4\right)$

其中E表示计算期望，μ_1,2和分别代表X_1,2(t)的均μ_1,2和分别代表X_1,2(t)的均值和标准差，和分别代表的均值和标准差。

本发明采用低速异步采样，无需进行时钟恢复，适用于各种速率的光信号和不同格式光信号，而且降低了对模数转换器ADC采样速率的要求，减少了器件成本和系统复杂度。普通光探测器的工作波段能够覆盖50nm以上的波长范围，适用于各个波长光信号的检测。系统中ADC和主控模块易于实现电路集成，而且对信号的数字化处理保证了系统性能的稳定。

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信号质量监测系统结构示意图。

图2为波特率为10GBaud的NRZ-OOK、67％RZ-OOK、33％RZ-OOK三种调制格式信号利用公式(2)计算ACF得到的PPA随色散的变化关系对比图。

图3为波特率为10GBaud的NRZ-BPSK、67％RZ-BPSK、33％RZ-BPSK三种调制格式信号利用公式(4)计算ACF得到的PPA随色散的变化关系对比图。

图4为波特率为10GBaud的NRZ-QPSK、67％RZ-QPSK、33％RZ-QPSK三种调制格式信号利用公式(1)计算ACF得到的PPA随色散的变化关系对比图。

图5为波特率为10GBaud的NRZ-OOK、67％RZ-OOK、33％RZ-OOK三种调制格式信号利用公式(1)计算ACF得到的PPA随OSNR变化的关系对比图。

图6为波特率为10GBaud的NRZ-BPSK、67％RZ-BPSK、33％RZ-BPSK三种调制格式信号利用公式(2)得到的PPA随OSNR变化的关系对比图。

图7为波特率为10GBaud的NRZ-QPSK、67％RZ-QPSK、33％RZ-QPSK三种调制格式信号利用公式(3)得到的PPA随OSNR变化的关系对比图。

具体实施方式

如图1所示的光信号码元速率识别系统包括：光放大器(OA)1，光滤波器2，可调色散补偿器(TDC)3，3dB分光器4，可调光延时线(TOD)5，高速光探测器6、7，低速模数转换器8、9，以及主控模块10。

本发明具体实施的调制格式自适应光信号速率识别方法具体包括如下步骤：

待识别光信号首先进入所述光放大器放大至一定功率，再经所述光滤波器滤除带外噪声，通过所述TDC后输入3dB分光器，按功率平均分为L1、L2两路；

所述L1路光信号作为参考信号输入所述光探测器PD1，L2路光信号进入所述TOD经过一定延时后输入所述光探测器PD2；

所述光探测器PD1、PD2分别将光信号转变为电信号后分别输入模数转换器ADC1、ADC2，所述模数转换器ADC1、ADC2分别以低于信号码元速率的速率进行异步采样得到采样序列X₁、X₂，并将采样序列X₁、X₂输入到所述主控模块；

主控模块驱动TDC产生M个一定步长间隔色散值c₁,c₂,…,c_M，M为大于3的自然数。在每个色散值下，主控模块驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时，N为大于3的自然数，并利用每个延时下记录的所述采样序列X₁、X₂计算光信号的自相关函数ACF，ACF可以按照以下几种方法计算

或

或

或

$ACF=E\[\frac{(X_1^{\′2}-{\mathrm{\μ}}_{X_1^{\′2}})(X_2^{\′2}-{\mathrm{\μ}}_{X_2^{\′2}})}{{\mathrm{\σ}}_{X_1^{\′2}}{\mathrm{\σ}}_{X_2^{\′2}}}\],---\left(4\right)$

其中E表示计算期望，μ_1,2和分别代表X_1,2(t)的均μ_1,2和分别代表X_1,2(t)的均值和标准差，和分别代表的均值和标准差。利用正弦函数拟合得到ACF的振幅PPA。TDC的每个色散值对应一个PPA，其中最大的PPA所对应的TDC的色散可以指示待测信号所受色散大小。

从图2、3、4可以看出，67％RZ-OOK、67％RZ-BPSK等信号很好地符合上述规律，而NRZ-OOK、33％RZ-BPSK等信号PPA最大值位于色散大概为500ps/nm的地方。如图5、6、7看出，最大PPA的值与光信噪比(OSNR)呈正相关，可以指示待测信号的OSNR。

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)

1.一种基于延迟采样的信号质量监测方法，其特征在于，涉及光放大器，光滤波器，可调色散补偿器TDC，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转换器，以及主控模块，包括以下步骤：

待识别光信号首先进入所述光放大器放大至一定功率，再经所述光滤波器滤除带外噪声，通过所述TDC后输入3dB分光器，按功率平均分为L1、L2两路；

所述L1路光信号作为参考信号输入所述光探测器PD1，L2路光信号进入所述TOD经过一定延时后输入所述光探测器PD2；

所述光探测器PD1、PD2分别将光信号转变为电信号后分别输入模数转换器ADC1、ADC2，所述模数转换器ADC1、ADC2分别以低于信号码元速率的速率进行异步采样得到采样序列X₁、X₂，并将采样序列X₁、X₂输入到所述主控模块；

主控模块驱动TDC产生M个一定步长间隔色散值c₁,c₂,…,c_M，M为大于3的自然数；在每个色散值下，主控模块驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时，N为大于3的自然数，并利用每个延时下记录的所述采样序列X₁、X₂计算光信号的自相关函数ACF，利用正弦函数拟合得到ACF的振幅PPA；TDC的每个色散值对应一个PPA，其中最大的PPA所对应的TDC的色散能指示待测信号所受色散大小；此最大PPA的值与光信噪比OSNR呈正相关，能够指示待测信号的OSNR。

2.一种采用权利要求1所述基于延迟采样的信号质量监测方法的系统，其特征在于包括光放大器，光滤波器，可调色散补偿器TDC，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转换器ADC，以及主控模块；

所述光放大器，用于将光信号放大至一定功率以适合于光探测探测；

所述光滤波器，用于滤除光信号带外噪声；

所述TDC，用于以特定色散大小对输入光信号进行色散补偿；

所述3dB分光器，用于将光信号按功率平均分配到两个支路中；

所述TOD，对一个支路光信号进行延时，并在主控模块控制下产生N个间隔为1ps的步进延时；

所述光探测器，用于将两个支路输出的光信号转换为电信号；

所述模数转换器，ADC用于对光探测器输出电流进行采样和量化后转换为数字信号；

所述主控模块，用于驱动TDC产生M个一定步长间隔色散值c₁,c₂,…,c_M；并在每个色散值下，主控模块驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时，计算光信号的自相关函数ACF及其振幅PPA；TDC的每个色散值对应一个PPA，其中最大的PPA所对应的TDC的色散能指示待测信号所受色散大小；此最大PPA的值与光信噪比OSNR呈正相关，能够指示待测信号的OSNR。

3.根据权利要求2所述的基于延迟采样的信号质量监测方法的系统，其特征在于，所述可调光延时线用可调电延时线替代，并放置于该路光探测的输出端。

4.根据权利要求2所述的基于延迟采样的信号质量监测方法的系统，其特征在于，所述光探测器为高速光探测器。

5.根据权利要求2所述的基于延迟采样的信号质量监测方法的系统，其特征在于，所述模数转换器为异步采样模式，采样速率低于信号速率。

6.根据权利要求2所述的基于延迟采样的信号质量监测方法的系统，其特征在于，所述ACF按照以下几种方法计算

或

或

或

$ACF=E\[\frac{(X_1^{\′2}-{\mathrm{\μ}}_{X_1^{\′2}})(X_2^{\′2}-{\mathrm{\μ}}_{X_2^{\′2}})}{{\mathrm{\σ}}_{X_1^{\′2}}{\mathrm{\σ}}_{X_2^{\′2}}}\]---\left(4\right)$

其中E表示计算期望，μ_1,2和分别代表X_1,2(t)的均μ_1,2和分别代表X_1,2(t)的均值和标准差，和分别代表的均值和标准差。