CN108429580A - 一种光纤通信链路中任意点osnr的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统及方法，涉及光纤通信技术领域。该测量系统包括：线性调频调制的数据光信号发生器和接收机，接收机与线性调频调制的数据光信号发生器之间通过传输光纤连接，且传输光纤中设置有至少一个监测点，每个监测点可位于传输光纤中的任意位置处。其中，每个监测点处设置有耦合器、光探测器和数字信号处理器；耦合器，用于将混合光信号分成正常传输的光信号和检测信号；光探测器，用于接收检测信号；数字信号处理器，用于根据检测信号总功率值、检测信号中线性调频信号功率以及检测信号中数据信号功率，计算该监测点处的OSNR值。本发明可以灵活、准确的测量光纤通信链路中任意点的OSNR。

Description

一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体来讲是一种光纤通信链路中任意点OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)的测量系统及方法。

背景技术

随着光传输系统的不断发展，波分复用、频分复用、偏振复用技术以及高阶调制格式信号等多种技术被应用于提升光传输系统的通信容量。而随着光通信容量的不断增加，光传输系统对于光性能监测(Optical Performance Monitoring，OPM)的要求也越来越高。由于光性能检测中信号的误码率是接收端最关心的一个参数，而直接检测链路中信号的误码率需要的成本代价太大，所以通过检测链路中的信号的光信噪比再利用数学关系直接计算得到误码率是现行的主流方案。

主流的OSNR测量方法包括有内插法、偏振归零法、光学干涉法等测量方法。这些测量方法都对信号和噪声有特定的要求，而实际的传输链路中两者都是不可控的，相比之下，在数据中插入特定的探测信号进行测量的方案更具有可行性。

目前，常用的OSNR测量方法中，在噪声很大、OSNR很小的情况下，很难准确地测量。此外，由于目前的测量方法通常需要额外插入特定序列到数据信号中，占用了数据信号的通信带宽，所以存在着OSNR监测范围、频带利用率与调制格式无关等优势不能同时具备的问题，并且链路任意点OSNR检测也是现行方案的测量难点之一。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统及方法，旨在解决现有的OSNR测量方法中，因噪声很大，OSNR很小，而很难准确地测量以及存在的OSNR监测范围、频带利用率与调制格式无关等优势不能同时具备，且难以实现链路任意点OSNR测量的问题。

为达到以上目的，本发明提供一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，该测量系统包括线性调频调制的数据光信号发生器和接收机，接收机与线性调频调制的数据光信号发生器之间通过传输光纤连接，且所述传输光纤中设置有至少一个监测点，每个监测点可位于传输光纤中的任意位置处；其中，

线性调频调制的数据光信号发生器，用于产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输；

每个监测点处设置有耦合器、光探测器和数字信号处理器；耦合器，用于将混合光信号分成正常传输的光信号和检测信号；光探测器，用于接收检测信号；数字信号处理器，用于根据检测信号的总功率值P_T、检测信号中线性调频信号功率值P_L以及检测信号中数据信号功率值P_S，计算该监测点处光信号的OSNR值；

接收机，用于接收正常传输的光信号。

在上述技术方案的基础上，所述检测信号中线性调频信号功率值P_L通过分数阶傅里叶变换的方式得到；所述检测信号中数据信号的功率值P_S，通过检测信号中线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S，0＜k₂＜1，求解得到；所述数字信号处理器计算OSNR值的计算公式为

在上述技术方案的基础上，所述线性调频调制的数据光信号发生器所产生的光信号调制到数据信号上时，数据信号受到线性调频信号的调制，且线性调频调制的数据光信号发生器中线性调频信号功率P_L与数据信号功率P_S满足比值关系：P_L＝k₁P_S，0＜k₁＜1。

在上述技术方案的基础上，数字信号处理器所采用的系数k₂与线性调频调制的数据光信号发生器所产生的光信号中的系数k₁相等。

在上述技术方案的基础上，线性调频信号调制到数据信号的实现是直接相乘的方式，最后输出的混合光信号具有下述表达式形式：

E＝E_s{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}

其中，E_s表征数据光信号，{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}表征线性调频信号对数据信号的调制作用，m表征线性调频信号的调制深度，f₀表征线性调频信号的中心频率，f_m表征线性调频信号的调频斜率。

在上述技术方案的基础上，所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：线性调频电信号产生器、激光光源、数据电信号产生器和调制器；所述线性调频电信号产生器产生的线性调频电信号通过直接调制加载在激光光源上，所述数据电信号产生器产生的数据电信号通过调制器间接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

在上述技术方案的基础上，所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：激光光源、电信号产生器和调制器；所述电信号产生器直接产生线性调频调制数据的电信号，并通过调制器间接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

在上述技术方案的基础上，所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：电信号产生器和激光光源；所述电信号产生器直接产生线性调频调制数据的电信号，然后直接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

本发明还提供一种基于上述测量系统的光纤通信链路中任意点OSNR的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

A、线性调频调制的数据光信号发生器产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输；

B、混合光信号经过传输光纤中的任意监测点时，被该监测点处的耦合器分成正常传输的光信号和检测信号；正常传输的光信号被接收机接收，检测信号被该监测点处的光探测器接收；

C、监测点处的数字信号处理器根据检测信号的总功率值P_T、检测信号中线性调频信号功率值P_L以及检测信号中数据信号功率值P_S，计算该监测点处光信号的OSNR值。

在上述技术方案的基础上，步骤C具体包括以下操作：

C1、数字信号处理器计算所述光探测器接收到的检测信号的总功率值P_T；

C2、数字信号处理器采用分数阶傅里叶变换的方式，得到检测信号中线性调频信号功率值P_L；

C3、数字信号处理器通过检测信号中线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S,0＜k₂＜1，求解得到数据信号功率值P_S；

C4、数字信号处理器通过计算公式计算该监测点处光信号的OSNR值。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明主要从光网络中任意点的OSNR测量以及噪声较大情况下OSNR的准确测量这两个角度出发，设计了一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统及方法。本发明通过一个线性调频调制的数据光信号发生器在要传输的光信号上调制一个线性调频的光信号作为检测信号，然后在需要测量OSNR的任意测量点处通过耦合器提取混合光信号，再通过数字信号处理器提出线性调频信号的信息，利用线性调频信号的能量聚集性，可以较为精确的计算出数据信号的功率值，再通过总功率算出噪声的功率值，最终精确的算出监测端的数据信号的信噪比OSNR。

与现有技术相比，本发明可以应用于光纤通信系统传输链路中任意一处进行OSNR的测量；并且，本发明利用线性调频信号的能量聚集特性，将检测信号与噪声和信号进行有效的区分，提高了OSNR的测量准确度；同时，利用插入的线性调频信号只需要设计功率特性，从而简化了传输链路中的任意点OSNR的测量设备的需求。

(2)本发明中，可将线性调频调制的数据光信号发生器设计为多种结构形式，使用更加灵活，且可满足各种应用场景的需求，适用性好。

附图说明

图1为本发明实施例中光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统的结构框图；

图2为本发明实施例中一种线性调频调制的数据光信号发生器的结构示意图；

图3为本发明实施例中另一种线性调频调制的数据光信号发生器的结构示意图；

图4为本发明实施例中又一种线性调频调制的数据光信号发生器的结构示意图；

图5为本发明实施例中光纤通信链路中任意点OSNR的测量方法的流程图；

图6为一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统的具体应用实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，包括设于发射端的线性调频调制的数据光信号发生器和设于接收端的接收机，接收机与线性调频调制的数据光信号发生器之间通过传输光纤连接，且该传输光纤中设置有至少一个监测点，每个监测点可位于传输光纤中的任意位置处。如图1中所示，监测点1至监测点N代表传输光纤中任意位置的N个监测点(N为大于1的正整数)，实际应用中，监测点的个数N可根据具体监测需要而定，可在传输光纤中插入任意多个监测点，且可以在任意位置处，此处不做限定。

线性调频调制的数据光信号发生器，用于产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输。其中，所述线性调频调制的数据光信号发生器所产生的光信号调制到数据信号上时，数据信号受到线性调频信号的调制，且线性调频调制的数据光信号发生器中线性调频信号功率P_L与数据信号功率P_S满足比值关系：P_L＝k₁P_S，0＜k₁＜1。在此基础上，线性调频信号调制到数据信号的实现可以是直接相乘的方式，最后输出的混合光信号具有下述表达式形式：

E＝E_s{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}

其中，E_s表征数据光信号，{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}表征线性调频信号对数据信号的调制作用，m表征线性调频信号的调制深度，f₀表征线性调频信号的中心频率，f_m表征线性调频信号的调频斜率。

每个监测点处设置有耦合器、光探测器和数字信号处理器；耦合器，用于将混合光信号分成正常传输的光信号和检测信号；光探测器，用于接收检测信号，且线性调频调制的数据光信号发生器中线性调频信号的带宽不能超过该光探测器的带宽；数字信号处理器，用于根据检测信号的总功率值P_T、检测信号中线性调频信号功率值P_L以及检测信号中数据信号功率值P_S，计算该监测点处光信号的OSNR值，计算公式为其中，检测信号中线性调频信号功率值P_L，通过分数阶傅里叶变换的方式得到；检测信号中数据信号的功率值P_S，通过检测信号中线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S(0＜k₂＜1)，求解得到。并且，数字信号处理器所采用的系数k₂与线性调频调制的数据光信号发生器所产生的光信号中的系数k₁相等。

接收机，用于接收正常传输的光信号。

进一步的，参见图2所示，在一种实施方式中，所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：线性调频电信号产生器、激光光源、数据电信号产生器和调制器；其中，线性调频电信号产生器产生的线性调频电信号通过直接调制加载在激光光源上，而数据电信号产生器产生的数据电信号则通过调制器间接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

进一步的，参见图3所示，在另一种实施方式中，所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：激光光源、电信号产生器和调制器；其中，电信号产生器直接产生线性调频调制数据的电信号，然后通过调制器间接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

进一步的，参见图4所示，在又一种实施方式中，所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：电信号产生器和激光光源；其中，电信号产生器直接产生线性调频调制数据的电信号，然后直接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

参见图5所示，本发明实施例还提供一种基于上述测量系统的光纤通信链路中任意点OSNR的测量方法，包括以下步骤：

A、在发射端，线性调频调制的数据光信号发生器产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输；

B、混合光信号经过传输光纤中的任意监测点时，被该监测点处的耦合器分成正常传输的光信号和检测信号；正常传输的光信号在接收端被接收机接收，检测信号被该监测点处的光探测器接收，用于OSNR的测量。具体来说，混合光信号在监测点处经过耦合器被分成两路，两路功率不等分，大等分的一路作为正常传输信号，小等分的另一路被监测点的光探测器接收作为检测信号，用于OSNR的测量。

C、监测点处的数字信号处理器根据检测信号的总功率值P_T、检测信号中线性调频信号功率值P_L以及检测信号中数据信号功率值P_S，计算该监测点处光信号的OSNR值，计算公式为

进一步的，在一种实施方式中，步骤C具体包括以下操作：

C1、数字信号处理器计算所述光探测器接收到的检测信号的总功率值P_T；

C2、数字信号处理器采用分数阶傅里叶变换的方式，得到检测信号中线性调频信号功率值P_L；

C3、数字信号处理器通过检测信号中线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S,0＜k₂＜1，求解得到数据信号功率值P_S；

C4、数字信号处理器通过计算公式计算该监测点处光信号的OSNR值。

为了更清楚的理解本发明，下面通过具体实例对上述测量方法作进一步详细说明。

参见图6所示，该具体应用实例中发射端的线性调频调制的数据光信号发生器采用如图2所示的结构，即线性调频调制的数据光信号发生器包括：线性调频电信号产生器(AWG1)、激光光源、数据电信号产生器(AWG2)和调制器(I/Q调制器)；并且，该传输光纤的任意位置处设置有一个监测点S，该监测点S处的耦合器为95：5的耦合器。则本发明实现光纤通信链路中任意点OSNR的测量方法的详细步骤如下：

S1、发射端中，线性调频调制的数据光信号发生器产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输。实际应用中，传输光纤可以选用标准单模光纤，如SMF-28e；也可选用超低损耗光纤，如EX2000。

混合光信号的具体产生过程为：AWG1产生线性调频电信号，其表达式为：

U_LFM(t)＝1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]，m＝0.1

式中，f₀和f_m对应线性调频信号的中心频率和调频斜率，可根据实际信号带宽和光探测器的带宽进行设计；AWG1所产生的线性调频电信号对激光光源进行直接调制，得到线性调频调制的光载波输出，其表达式为：

E_c(t)＝E₀{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}

其中，E₀为激光光源正常输出的电场振幅；

AWG2产生数据电信号U_s(t)，数据信号可为任意调制格式，此处采用QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)调制格式；所产生的数据电信号通过I/Q调制器调制到光载波上，得到最终输出的线性调频调制的光信号，其电场表达式为：

E_tx(t)＝E_s(t){1+m cos[π(2f₀t+f_mt²)]}

实际应用中，AWG1和AWG2可以采用光迅科RTXM298-301收发模块中的发射模块。

S2、混合光信号到达传输光纤链路中的任意监测点S时，混合光信号经过95：5的耦合器进行分光；5％的部分作为检测信号用于监测点S的光信号OSNR的测量，检测信号进入光探测器并生成检测数据序列输入到数字信号处理器中；另外的95％部分作为正常传输的光信号正常向前传输，经过传输光纤抵达接收机进行正常通信。实际应用中，光探测器可以采用THORLABS所提供的APD130C；接收机可以采用光迅科技RTXM298-301收发模块中的接收端口。

S3、数字信号处理器采用分数阶傅里叶变换算法：首先计算检测信号的总功率值P_T；然后在变换阶数的预设值附近进行扫描得到线性调频信号的功率值P_L，预设值为AWG1所产生的电信号在进行分数阶傅里叶变换后，在分数阶傅里叶轴上峰值最高时所对应的变换阶数；再者，通过线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S(K₁＝k₂＝1％)，求解得到数据信号的功率值P_S；最后，通过公式计算得到所需要的该监测点处光信号的OSNR值。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：该测量系统包括线性调频调制的数据光信号发生器和接收机，接收机与线性调频调制的数据光信号发生器之间通过传输光纤连接，且所述传输光纤中设置有至少一个监测点，每个监测点可位于传输光纤中的任意位置处；

线性调频调制的数据光信号发生器，用于产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输；

每个监测点处设置有耦合器、光探测器和数字信号处理器；耦合器，用于将混合光信号分成正常传输的光信号和检测信号；光探测器，用于接收检测信号；数字信号处理器，用于根据检测信号的总功率值P_T、检测信号中线性调频信号功率值P_L以及检测信号中数据信号功率值P_S，计算该监测点处光信号的OSNR值；

接收机，用于接收正常传输的光信号。

2.如权利要求1所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：所述检测信号中线性调频信号功率值P_L通过分数阶傅里叶变换的方式得到；所述检测信号中数据信号的功率值P_S，通过检测信号中线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S，0＜k₂＜1，求解得到；所述数字信号处理器计算OSNR值的计算公式为

3.如权利要求2所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：所述线性调频调制的数据光信号发生器所产生的光信号调制到数据信号上时，数据信号受到线性调频信号的调制，且线性调频调制的数据光信号发生器中线性调频信号功率P_L与数据信号功率P_S满足比值关系：P_L＝k₁P_S，0＜k₁＜1。

4.如权利要求3所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：数字信号处理器所采用的系数k₂与线性调频调制的数据光信号发生器所产生的光信号中的系数k₁相等。

5.如权利要求3所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：线性调频信号调制到数据信号的实现是直接相乘的方式，最后输出的混合光信号具有下述表达式形式：

E＝E_s{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}

其中，E_s表征数据光信号，{1+mcos[π(2f₀t+f_mt²)]}表征线性调频信号对数据信号的调制作用，m表征线性调频信号的调制深度，f₀表征线性调频信号的中心频率，f_m表征线性调频信号的调频斜率。

6.如权利要求1至5中任一项所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：线性调频电信号产生器、激光光源、数据电信号产生器和调制器；所述线性调频电信号产生器产生的线性调频电信号通过直接调制加载在激光光源上，所述数据电信号产生器产生的数据电信号通过调制器间接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

7.如权利要求1至5中任一项所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：激光光源、电信号产生器和调制器；所述电信号产生器直接产生线性调频调制数据的电信号，并通过调制器间接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

8.如权利要求1至5中任一项所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量系统，其特征在于：所述线性调频调制的数据光信号发生器包括：电信号产生器和激光光源；所述电信号产生器直接产生线性调频调制数据的电信号，然后直接调制在激光光源上，最终形成混合光信号输出。

9.一种基于权利要求1所述测量系统的光纤通信链路中任意点OSNR的测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：

A、线性调频调制的数据光信号发生器产生光信号输出作为检测信号，并调制到数据信号上，形成混合光信号在传输光纤中传输；

B、混合光信号经过传输光纤中的任意监测点时，被该监测点处的耦合器分成正常传输的光信号和检测信号；正常传输的光信号被接收机接收，检测信号被该监测点处的光探测器接收；

C、监测点处的数字信号处理器根据检测信号的总功率值P_T、检测信号中线性调频信号功率值P_L以及检测信号中数据信号功率值P_S，计算该监测点处光信号的OSNR值。

10.如权利要求9所述的光纤通信链路中任意点OSNR的测量方法，其特征在于，步骤C具体包括以下操作：

C1、数字信号处理器计算所述光探测器接收到的检测信号的总功率值P_T；

C2、数字信号处理器采用分数阶傅里叶变换的方式，得到检测信号中线性调频信号功率值P_L；

C3、数字信号处理器通过检测信号中线性调频信号功率值P_L与数据信号功率值P_S之间的比值关系P_L＝k₂P_S,0＜k₂＜1，求解得到数据信号功率值P_S；

C4、数字信号处理器通过计算公式计算该监测点处光信号的OSNR值。