CN108449134B - 啁啾z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法，属于光纤通信领域中的色散测量技术。本装置包括平衡探测器单元,模数转换单元,傅立叶变换功率自相关函数计算及脉冲峰值搜索单元,啁啾Z变换功率自相关函数计算及脉冲峰值搜索单元和光纤累积色散计算单元。本方法包括：1.光纤链路传输信号通过平衡探测器单元得到连续基带信号；2得到离散数字序列；3计算傅立叶变换功率自相关函数；4搜索并计算傅立叶变换功率自相关函数中脉冲峰值对应的时刻；5计算啁啾Z变换功率自相关函数；6搜索并计算啁啾Z变换功率自相关函数中脉冲峰值对应的时刻；7计算光纤链路累积色散值。本发明所述装置及方法具有很好的鲁棒性。

Description

啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法

技术领域

本发明涉及啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法，属于光纤通信领域中的色散测量技术。

背景技术

光纤通信系统中的色散是由于光脉冲信号的不同频率分量在光纤中传输时速率不同引起信号脉冲的展宽，导致码间串扰，降低光纤通信系统的性能。色散补偿技术或色散均衡技术可以克服光纤色散对通信系统性能的降低，这两种技术都需要对光纤链路色散进行准确测量。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，这些方法无法对实际运行的光纤通信链路进行无干扰地色散测量。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。

由于数字信号处理技术在相干光通信系统的普遍应用，采用延时采样、基于误差函数或均衡滤波器都可以通过数字信号处理技术从光纤链路传输的信号中提取色散特征量，实现对光通信链路累积色散的测量。其中延时采样需要通过多次迭代查找色散参数和累积色散的对应关系，迭代的色散步长与测量时间必须进行折衷，并且能测量的累积色散达到一定阈值后准确性严重下降。基于误差函数的色散估计算法需要进行粗、精两次迭代扫描以找到误差函数的最小值；光纤链路累积色散越大，扫描的时间越长，复杂度越高。动态光网络中路由变化使得色散随时间变化，导致基于最佳匹配搜索或FIR滤波的均衡滤波算法收敛时间变长，且能测量的色散范围受滤波器内存长度的限制。

啁啾Z变换是线性调频Z变换，可以用于细化信号的局部特征，在数字信号处理领域有广泛的应用。序列长度为N的数组通过FFT(或IFFT)变换，在变换域(获得的分辨率为2π/N，如果想将分辨率提升到2π/(MN)，则需要做MN点的FFT(或IFFT)，运算复杂度为MNlog(MN)。在信号变换域的局部使用啁啾Z变换，可以在增加较小计算量的条件下，提高变换域的分辨率。

功率自相关函数法通过计算相干接收信号的功率自相关函数提取光纤链路的累积色散信息，在计算过程中用到一次离散傅立叶变换与一次离散逆傅立叶变换，受限于数字信号处理精度，色散测量误差受到影响；尤其是光纤距离较短时，色散测量误差较大。

发明内容

本发明的目的在于克服较短光纤链路累积色散测量误差较大的问题，提出了啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法。

啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法包括一种啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置，简称本装置，以及一种啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的方法。

其中，本装置包括平衡探测器单元，模数转换单元，傅立叶变换功率自相关函数计算单元，傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元，啁啾Z变换功率自相关函数计算单元，啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元，光纤累积色散计算单元。

本装置的各单元连接关系如下：

平衡探测器单元与模数转换单元相连，模数转换单元与傅立叶变换功率自相关函数计算单元，傅立叶变换功率自相关函数计算单元与傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元，傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元与啁啾Z变换功率自相关函数计算单元相连，啁啾Z变换功率自相关函数计算单元与啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元相连，啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元与光纤累积色散计算单元相连。

一种啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的方法，具体为：

步骤一、光纤链路传输信号通过平衡探测器单元得到连续基带信号，记为r(t)；

步骤二、将步骤一得到的连续基带信号通过模数转换单元，得到离散数字序列，记为r[n]；

步骤三、对步骤二输出的离散数字序列计算傅立叶变换功率自相关函数，具体为：

步骤3.1计算离散数字序列与其延时序列的差值；

步骤3.2对差值的模平方进行傅立叶变换得到频谱；

步骤3.3对频谱的模平方进行逆傅立叶变换及模运算，得到傅立叶变换功率自相关函数，记为R'[n,m]，步骤3.1到步骤3.3的计算过程，如公式(1)所示：

R'[n,m]＝|IFFT{|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²}|；(1)

步骤四、搜索步骤三输出的傅立叶变换功率自相关函数中脉冲的峰值，计算脉冲峰值对应的时刻，记为τ'₀；

步骤五、计算啁啾Z变换功率自相关函数，具体为：在傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值对应的时刻点τ'₀对频谱进行局部啁啾Z变换、模运算，得到啁啾Z变换功率自相关函数，记为R[n,m]，用公式(2)表示：

R[n,m]＝|CZT{|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²}|；(2)

其中，m为离散序列的延时，CZT为局部啁啾Z变换；

步骤六、搜索啁啾Z变换功率自相关函数中脉冲的峰值，计算脉冲峰值对应的时刻，记为τ₀；

步骤七、根据啁啾Z变换功率自相关函数中脉冲峰值对应的时刻τ₀计算光纤链路累积色散值；

其中，光纤链路累积色散值具体通过如下公式(3)计算：

其中，Dz为光纤链路累积色散值，c表示真空光速，T为光纤链路传输信号的符号周期，λ为光信号的波长。

有益效果

本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法，与其他测量光纤通信链路累积色散的装置和方法相比，具有如下有益效果：

1.通过本发明的装置和方法测量光纤通信链路累积色散，能有效减小光纤链路累积色散测量误差，并且和光纤通信数字相干接收系统兼容，不需要对发射端进行改变，也不需要训练序列；

2.通过本发明的装置和方法测量光纤通信链路累积色散，对光纤通信系统中的激光器相位噪声、光纤传输链路中光放大器噪声以及光纤的非线性效应具有很好的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例1中的本装置示意图；

图2为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例1中的本方法实现步骤图；

图3为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例1中的傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值点附近局部分布图；

图4为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例1中的啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值点附近局部分布图；

图5为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中应用本发明测量光纤通信传输链路累积色散的系统图；

图6为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中28GBaud QPSK信号传输不同光纤距离时，通过傅立叶变换功率自相关函数方法测量的色散误差和通过啁啾Z变换功率自相关函数方法测量的色散误差对比图；

图7为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中利用啁啾Z变换功率自相关函数方法对28GBaud QPSK信号传输不同距离的光纤链路测量色散的标准方差；

图8为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中28GBaud 16QAM信号传输不同距离光纤链路时，利用傅立叶变换功率自相关函数方法和啁啾Z变换功率自相关函数方法测量累积色散的标准方差对比图；

图9为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中随着激光器线宽的改变，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的标准方差的变化图；

图10为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中随着光信噪比的改变，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的标准方差的变化图；

图11为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法及实施例2中随着输入光纤光信号功率的改变，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的标准方差的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法进行详细说明。

实施例1

本发明实施例1叙述了本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法的测量原理和实施步骤。

图1为本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法的系统组成，其测量光纤链路累积色散的原理和步骤如图2所示：光纤链路传输信号经平衡探测器相干接收后，得到连续带信号r(t)，再经模数转换成离散数字序列r[n]。

通过傅立叶变换和逆变换，得到离散数字序列r[n]的傅立叶变换功率自相关函数为R'[n,m]＝|IFFT{|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²}|，其中m为离散序列的延时；然后搜索傅立叶变换功率自相关函数的脉冲峰值，确定脉冲峰值对应的时刻τ'₀。

在时刻τ'₀，对频谱函数|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²进行M点啁啾Z变换，得到啁啾Z变换功率自相关函数R[n,m]＝|CZT{|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²}|；然后搜索啁啾Z变换功率自相关函数的脉冲峰值，确定脉冲峰值对应的时刻τ₀。

根据啁啾Z变换功率自相关函数中脉冲峰值对应的时刻计算光纤链路累积色散，计算公式为

符号率为28GBaud的光QPSK信号沿标准单模光纤传输100km，光纤色散系数为16ps/nm/km。传输的光QPSK信号经相干接收和数字化，再进行数字信号处理得到的傅立叶变换功率自相关函数、啁啾Z变换功率自相关函数如图3、图4所示。对比图3和图4可以看出，啁啾Z变换功率自相关函数的脉冲峰值位置的分辨率比傅立叶变换功率自相关函数的脉冲峰值位置的分辨率更精细，因此测量的光纤色散更准确。

实施例2

本发明实施例2叙述了应用本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法测量光纤链路累积色散的结果。

图5为应用本发明测量光纤通信传输链路累积色散的系统图：发射端使用长度为2¹⁵-1的伪随机比特序列(PRBS)生成同相和正交(IQ)的两路电信号，用一个连续波形激光器产生中心频率为193.1THz的光载波信号，通过光IQ调制器(IQ MOD)将电信号携带的信息调制到光载波上。在接收端利用平衡探测器单元进行相干检测，利用数模转换器对平衡探测器单元检测到的电信号进行采样。最后将采样得到的离散数字序列送啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置进行色散的测量。

为验证本发明啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置和方法，本实施例分别对调制格式为QPSK和16QAM的光纤传输通信系统进行了测量，光纤的每个跨段距离为100km，总的跨段数为20，传输距离从100km到2000km。激光器线宽为100kHz。在发射端，选取80个不同的伪随机比特序列进行独立测试。

图6为28GBaud QPSK信号传输不同距离的光纤链路时，通过傅立叶变换功率自相关函数方法测量的色散误差和通过啁啾Z变换功率自相关函数方法测量的色散误差，可以看出由于啁啾Z变换功率自相关函数计算的脉冲峰值位置更准确，光纤累积色散的测量误差均匀分布在准确值两边；而傅立叶变换计算的脉冲峰值位置不准确，导致傅立叶变换功率函数法所测量的累积色散偏大。

图7为28GBaud QPSK信号传输不同距离的光纤链路后，利用啁啾Z变换功率自相关函数方法测量累积色散的标准方差。从图中可以看出当传输距离小于2000km时，啁啾Z变换功率自相关函数方法测量光纤累积色散的标准方差不超过30ps/nm。当光纤链路传输距离小于1200km时，相比于傅立叶变换功率自相关函数方法测量光纤累积色散，啁啾Z变换功率自相关函数方法测量光纤累积色散有更高的准确度。

图8为28GBaud16QAM信号传输不同距离光纤链路时，利用傅立叶变换功率自相关函数方法和啁啾Z变换功率自相关函数方法测量累积色散的标准方差比较，可以看出相比傅立叶变换功率自相关函数测量光纤累积色散的方法，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的方法有更高的准确度。

为分析激光器相位噪声对啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的影响，固定光纤链路传输距离为1000km，如图9所示，随着激光器线宽的改变，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的标准方差几乎不变。因此，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的方法对激光器的相位噪声有很好的鲁棒性。

为分析光纤传输链路中光放大器噪声对啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的影响，固定光纤链路传输距离为1000km，如图10所示，随着光信噪比(OSNR)的改变，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的标准方差几乎不变。因此，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的方法对光纤传输链路中光放大器噪声有很好的鲁棒性。

为分析光纤传输链路中光纤非线性效应声对啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的影响，固定光纤链路传输距离为1000km，如图11所示，随着输入光纤光信号功率的改变，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的标准方差几乎不变。因此，啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤累积色散的方法对光纤传输链路中光纤非线性效应有很好的鲁棒性。以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置，其特征在于：包括平衡探测器单元，模数转换单元，傅立叶变换功率自相关函数计算单元，傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元，啁啾Z变换功率自相关函数计算单元，啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元，光纤累积色散计算单元；

本装置的各单元连接关系如下：

平衡探测器单元与模数转换单元相连，模数转换单元与傅立叶变换功率自相关函数计算单元相连，傅立叶变换功率自相关函数计算单元与傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元相连，傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元与啁啾Z变换功率自相关函数计算单元相连，啁啾Z变换功率自相关函数计算单元与啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元相连，啁啾Z变换功率自相关函数脉冲峰值搜索单元与光纤累积色散计算单元相连；

所述啁啾Z变换功率自相关函数测量光纤色散的装置依托的测量光纤色散的方法，具体为：

步骤一、光纤链路传输信号通过平衡探测器单元得到连续基带信号，记为r(t)；

步骤二、将步骤一得到的连续基带信号通过模数转换单元，得到离散数字序列，记为r[n]；

步骤三、对步骤二输出的离散数字序列计算傅立叶变换功率自相关函数，具体为：

步骤3.1计算离散数字序列与其延时序列的差值；

步骤3.2对差值的模平方进行傅立叶变换得到频谱；

步骤3.3对频谱的模平方进行逆傅立叶变换及模运算，得到傅立叶变换功率自相关函数，记为R'[n,m]，步骤3.1到步骤3.3的计算过程，如公式(1)所示：

R'[n,m]＝|IFFT{|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²}|； (1)

其中，m为离散序列的延时；

步骤四、搜索步骤三输出的傅立叶变换功率自相关函数中脉冲的峰值，计算脉冲峰值对应的时刻，记为τ'₀；

步骤五、计算啁啾Z变换功率自相关函数，具体为：在傅立叶变换功率自相关函数脉冲峰值对应的时刻点τ'₀对频谱进行局部啁啾Z变换、模运算，得到啁啾Z变换功率自相关函数，记为R[n,m]，用公式(2)表示：

R[n,m]＝|CZT{|FFT{|r[n]-r[n-m]|²}|²}|； (2)

其中，CZT为局部啁啾Z变换；

步骤六、搜索啁啾Z变换功率自相关函数中脉冲的峰值，计算脉冲峰值对应的时刻，记为τ₀；

步骤七、根据啁啾Z变换功率自相关函数中脉冲峰值对应的时刻τ₀计算光纤链路累积色散值；

其中，光纤链路累积色散值具体通过如下公式(3)计算：

其中，Dz为光纤链路累积色散值，c表示真空光速，T为光纤链路传输信号的符号周期，λ为光信号的波长。