CN108494480A - 一种检测高速光通信发射设备的装置和方法 - Google Patents

一种检测高速光通信发射设备的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种检测高速光通信发射设备的装置和方法，属于光通信领域中光发射设备与信号检测技术。本装置包括高速光电探测器单元，低速模数转换器单元，均衡滤波处理单元，软件同步处理单元和显示单元；本方法包括：1光发射设备输出调制后的光发射光信号；2将光发射设备输出的光发射信号转变为基带模拟电信号；3对基带模拟电信号采样得到离散数字序列；4进行数字均衡滤波处理得均衡数字序列；5进行啁啾Z变换软件同步处理，得到均衡数字序列的等效同步时间；6将均衡数字序列进行眼图重构和显示；再与预置的眼图模板进行对比，判断光发射设备是否合格。本发明有效降低实现难度和成本；可开发小型化、便携式分析仪，满足快速及便捷检验产品的需求。

Description

一种检测高速光通信发射设备的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种检测高速光通信发射设备的装置和方法，属于光通信领域中光发射设备与信号检测技术。
背景技术
随着用户对接入网络带宽的提高和用户数的增多，光纤传输网络的容量进一步加大，这就需要更高的码元速率、更高阶的调制格式和更高的频谱效率。目前，光通信系统中单波长的比特率由向百G比特甚至更高速率演化，单波长码元速率为28G波特的光通信发射设备已经获得规模商用。如何快速便捷地检验高速光通信发射模块是否合格是光通信发射模块生产企业需要解决的问题。目前，采用高性能电示波器对光通信发射模块产生的光发射信号进行眼图测量，根据眼图是否符合规定的眼图模板来确定发射模块是否合格。
高性能电示波器测量高速光发射信号，首先通过宽带的光电探测器把强度调制光发射信号转化为电信号，时钟同步电路产生与光发射信号同步的时钟触发模数转换器对电信号进行时域采样。时域采样包括实时采样和等效时间采样两大类。实时采样需要满足奈奎斯特采样定理，采样频率必须高于信号频谱的最高频率至少两倍，实际应用多为5-10倍，这样才可以完整保留原始信号信息，但这经常受到模数转换器采样速率不足的限制。等效采样可以降低对高速模数转换器采样率的要求，但仍然需要与光发射信号同步的时钟电路。随着光发射信号速率的不断提高，时钟同步电路实现的难度和复杂度都大幅提高，因此无论是实时采样示波器还是等效采样示波器，随着测量带宽的增加，示波器的成本和价格越来越昂贵。
高性能电示波器测量高速光发射信号，是对发射信号的眼图和BER、Q值等进行测量以反映发射信号的质量，从而确定发射设备是否合格。这些测量本质上是对信号进行统计分析，只要实现对信号的统计遍历，测量光发射信号的眼图和BER、Q值，就可以检验光发射模块是否合格。
为解决现有高性能电示波器受限于复杂的时钟同步电路、且存在码元速率不透明的问题，本发明提出一种检测高速光通信发射设备的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服高性能电示波器受限于复杂的时钟同步电路、且存在码元速率不透明的问题，提出了一种检测高速光通信发射设备的装置和方法。
一种检测高速光通信发射设备的装置和方法包括一种检测高速光通信发射设备的装置，简称本装置，以及一种检测高速光通信发射设备的方法。
其中，被检测的高速光通信发射设备简称光发射设备，主要包括强度调制和高阶调制格式的两种光发射设备；光发射设备包含激光器；光发射设备具有对光进行调制的功能；
其中，本装置包括高速光电探测器单元，低速模数转换器单元，均衡滤波处理单元，软件同步处理单元和显示单元；
本装置中各单元的连接关系如下：
高速光电探测器单元与低速模数转换器单元相连，低速模数转换器单元与均衡滤波处理单元相连，均衡滤波处理单元与软件同步处理单元相连；软件同步处理单元和显示单元相连。
一种检测高速光通信发射设备的方法，具体为：
步骤一、采用伪随机序列基带信号对光发射设备中的激光器进行调制，光发射设备输出调制后的光发射光信号；
步骤二、利用高速光电探测器单元将光发射设备输出的光发射信号转变为基带模拟电信号，记为r(t)；
步骤三、利用低速模数转换器单元对基带模拟电信号采样，得到离散数字序列，记为r[n]；
步骤四、对步骤三的离散数字序列r[n]进行数字均衡滤波处理，得到均衡数字序列，记为req[n]；如果是对强度调制光发射设备进行检测，数字均衡滤波采用时域均衡处理；如果是对高阶调制格式的光发射设备进行检测，采用频域均衡处理；
其中，时域均衡处理步骤为：离散数字序列r[n]与数字均衡滤波冲击响应heq[n]卷积，得到均衡数字序列req[n]；
其中，数字均衡滤波冲击响应heq[n]是把本装置中低速模数转换器单元的传递函数H[n]的逆H-1[n]进行离散反傅里叶变换得到heq[n]；
其中频域均衡处理步骤为：对离散数字序列r[n]进行离散傅里叶变换得到频谱R[n]，频谱与低速模数转换器单元的传递函数H[n]的逆H-1[n]相乘，得到Req[n]，再对Req[n]进行离散反傅里叶变换，得到均衡数字序列req[n]；
步骤五、对均衡数字序列req[n]进行啁啾Z变换软件同步处理，得到均衡数字序列req[n]的等效同步时间，记为Δt；
其中，啁啾Z变换软件同步处理，又包括如下子步骤：
步骤5.1对均衡数字序列req[n]进行方差变换和离散傅立叶变换，所得频谱中幅度值最大点、次最大值点对应横坐标分别记为S0、S1；
步骤5.2在S0、S1两点横坐标所构成的闭区间做M点啁啾Z变换，所得频谱峰值点对应的横坐标记为S；
步骤5.3计算均衡数字序列req[n]的等效同步时间，记为Δt；
其中，等效同步时间的计算公式为Δt＝S/(BN)，其中B是光发射信号的码元速率，N是均衡数字序列req[n]的长度；
步骤六、将均衡数字序列req[n]按照步骤五得到的等效同步时间Δt进行眼图重构和显示；
步骤七、由步骤六重构的眼图就可以与预置的眼图模板进行对比，判断光发射设备是否合格；
步骤八、在步骤七基础上，进一步计算光发射信号的Q值、误码率(BER)以及误差矢量幅度(EVM)为主的系统参数，定量判断光发射设备的性能；
其中，步骤八依据实际测量需要选择执行，具体为：
如果是对强度调制光发射设备进行检测，计算光发射信号的Q值、BER；如果是对高阶调制格式的光发射设备进行检测，计算光发射信号的误码率BER和EVM。
有益效果
本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法，与高性能电示波器测量高速光通信设备相比，具有如下有益效果：
1.本发明通过软件同步对不同符号率的光发射信号都能同步，不需要与高速光发射信号同步的时钟电路，也不需要高速模数转换器，有效降低实现难度和成本；
2.通过本发明可以开发小型化、便携式的高速光发射信号分析仪，满足光通信发射模块、光通信发射设备生产线快速、便捷检验产品的需求。
附图说明
图1为本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法及实施例1中的装置示意图；
图2为本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法及实施例1的实施步骤；
图3为本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法及实施例2中对强度调制光发射机产生的10Gbit/s光发射信号测量的实验系统示意图；
图4为实施例2中低速模数转换器单元输出的采样数据示意图；
图5为实施例2中低速模数转换器输出的采样数据经过数字均衡滤波、啁啾Z变换软件同步处理后重构的光发射信号眼图；
图6为本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法及实施例3中对四进制相移键控调制的光发射机产生的10G波特光发射信号测量的实验系统示意图；
图7为实施例3中对四进制相移键控调制光发射机产生的具有π/6相位偏移的10G波特光发射信号测量的I路信号眼图；
图8为实施例3中对四进制相移键控调制光发射机产生的具有π/6相位偏移的10G波特光发射信号测量的星座图。
具体实施方式
实施例1
本实施例1叙述了本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法检测高速光通信发射设备的原理及装置组成与功能。如图1和图2所示，伪随机序列调制光发射设备中的激光器，输出光发射信号，高速光电探测器将光发射设备输出的光发射信号转变为基带模拟电信号，低速模数转换器单元对基带模拟电信号采样，得到离散数字序列；再经过数字均衡滤波处理，得到均衡数字序列。均衡数字序列经过啁啾Z变换软件同步处理，得到其等效同步时间。根据等效同步时间，对均衡数字序列进行眼图重构，得到光发射信号的眼图。得到光发射信号眼图与预置的眼图模板进行对比，就可以判断光发射设备是否合格，同时也可以计算光发射信号的Q值、BER或其它参数。
实施例2
本实施例2叙述了应用本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法检测强度调制光发射机产生的10Gbit/s光发射信号眼图。本实施例中，实验系统如图3所示，连续激光器、马赫曾德尔强度调制器以及伪随机序列发生器模拟光通信发射设备：激光器的光功率为3.0dBm，伪随机序列发生器产生速率为10Gbit/s的伪随机序列，经脉冲整形和放大后驱动马赫曾德尔强度调制器，对连续激光进行强度调制，输出强度调制的光发射信号。
光电探测器带宽为10GHz，模数转换器采样率为80MHz。如图4所示，模数变换器输出的离散数字序列是杂乱的，经过数字均衡滤波和啁啾Z变换软件同步处理后，重构的光发射信号眼图如图5所示，与用安捷伦宽带电示波器测量的眼图相同。本实施例验证了应用本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法检测强度调制光发射机的功能。
实施例3
本实施例3叙述了应用本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法检测四进制相移键控(QPSK)调制的光发射机产生的10G波特QPSK光发射信号眼图、星座图。本实施例中，实验系统如图6所示，连续激光器、I-Q调制器以及任意波形发生器模拟QPSK调制格式光通信发射设备：激光器的光功率为3.0dBm，任意波形发生器产生速率为10G波特的伪随机序列，经脉冲整形和放大后驱动I-Q调制器。I路调制器和Q路调制器分别产生两路二进制相移键控光信号。调整I路调制器和Q路调制器的相位，使两路调制器产生π/2的相对相移，使I路调制器和Q路调制器产生的两路二进制相移键控光信号相互正交，再把两路相互正交的二进制相移键控光信号合波就输出标准的QPSK调制格式光发射信号。
光电探测器带宽为10GHz，模数转换器采样率为80MHz。实验中使QPSK发射机的两个臂产生相对的相位偏移为π/6，产生不标准的QPSK光发射信号。光发射信号经过高速光电探测器分别输出I路和Q路两路模拟基带信号，经模数变换器变换后，输出的两路离散数字序列是杂乱的，经过数字均衡滤波和啁啾Z变换软件同步处理后，重构的光发射信号I路信号眼图如图7所示，星座图如图8所示。图7和图8的检测结果说明I路调制器和Q路调制器的相对相位偏移不是π/2，根据所测得的眼图和星座图可以对I-Q调制器的相位偏移进行实时调节，直到所检测到的眼图和星座图是标准的QPSK眼图和星座图。这验证了本发明一种检测高速光通信发射设备的装置和方法能够检测高速光通信发射设备的特征，其测量结果可以实时对光发射设备进行调节。
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 (3)

1.一种检测高速光通信发射设备的装置，其特征在于：被检测的高速光通信发射设备简称光发射设备，主要包括强度调制和高阶调制格式的两种光发射设备；光发射设备包含激光器；光发射设备具有对光进行调制的功能；
本装置包括高速光电探测器单元，低速模数转换器单元，均衡滤波处理单元，软件同步处理单元和显示单元；
本装置中各单元的连接关系如下：
高速光电探测器单元与低速模数转换器单元相连，低速模数转换器单元与均衡滤波处理单元相连，均衡滤波处理单元与软件同步处理单元相连；软件同步处理单元和显示单元相连。
2.一种检测高速光通信发射设备的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、采用伪随机序列基带信号对光发射设备中的激光器进行调制，光发射设备输出调制后的光发射光信号；
步骤二、利用高速光电探测器单元将光发射设备输出的光发射信号转变为基带模拟电信号，记为r(t)；
步骤三、利用低速模数转换器单元对基带模拟电信号采样，得到离散数字序列，记为r[n]；
步骤四、对步骤三的离散数字序列r[n]进行数字均衡滤波处理，得到均衡数字序列，记为req[n]；如果是对强度调制光发射设备进行检测，数字均衡滤波采用时域均衡处理；如果是对高阶调制格式的光发射设备进行检测，采用频域均衡处理；
其中，时域均衡处理步骤为：离散数字序列r[n]与数字均衡滤波冲击响应heq[n]卷积，得到均衡数字序列req[n]；
其中，数字均衡滤波冲击响应heq[n]是把本装置中低速模数转换器单元的传递函数H[n]的逆H-1[n]进行离散反傅里叶变换得到heq[n]；
其中频域均衡处理步骤为：对离散数字序列r[n]进行离散傅里叶变换得到频谱R[n]，频谱与低速模数转换器单元的传递函数H[n]的逆H-1[n]相乘，得到Req[n]，再对Req[n]进行离散反傅里叶变换，得到均衡数字序列req[n]；
步骤五、对均衡数字序列req[n]进行啁啾Z变换软件同步处理，得到均衡数字序列req[n]的等效同步时间，记为Δt；
步骤六、将均衡数字序列req[n]按照步骤五得到的等效同步时间Δt进行眼图重构和显示；
步骤七、由步骤六重构的眼图就可以与预置的眼图模板进行对比，判断光发射设备是否合格；
步骤八、在步骤七基础上，进一步计算光发射信号的Q值、误码率(BER)以及误差矢量幅度(EVM)为主的系统参数，定量判断光发射设备的性能；
其中，步骤八依据实际测量需要选择执行，具体为：
如果是对强度调制光发射设备进行检测，计算光发射信号的Q值、BER；如果是对高阶调制格式的光发射设备进行检测，计算光发射信号的误码率BER和EVM。
3.一种检测高速光通信发射设备的方法，其特征在于：步骤五中的啁啾Z变换软件同步处理，又包括如下子步骤：
步骤5.1对均衡数字序列req[n]进行方差变换和离散傅立叶变换，所得频谱中幅度值最大点、次最大值点对应横坐标分别记为S0、S1；
步骤5.2在S0、S1两点横坐标所构成的闭区间做M点啁啾Z变换，所得频谱峰值点对应的横坐标记为S；
步骤5.3计算均衡数字序列req[n]的等效同步时间，记为Δt；
其中，等效同步时间的计算公式为Δt＝S/(BN)，其中B是光发射信号的码元速率，N是均衡数字序列req[n]的长度。
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