CN108702208B - 利用扩频导频音的光信道监测 - Google Patents

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Abstract

一种监测光网络中的光链路的光性能的系统。该系统包括：具有扩频导频音调制器的光发射机，该扩频导频音调制器用于将扩频导频音调制到高速数据信号上以生成扩频光信号；以及光接收机，该光接收机用于接收上述扩频光信号，并对上述扩频导频音进行检测和解码，以监测光链路的光性能。

Description

利用扩频导频音的光信道监测
技术领域
本公开一般地涉及光通讯技术，尤其涉及一种利用导频音的光性能监测。
背景技术
在密集波分复用(dense wavelength division multiplex，DWDM)系统中，导频音用于进行光性能监测。导频音是一种应用于高速光信道的、小而低频的调制(例如，kHz到MHz)，因此，其提供了用于性能监测的带内辅助信道。导频音可以用于携带波长信息和其他链路特性信息。如图1所描述的，光网络可以具有多个节点，每个节点包括可重构光分插复用器(reconfigurable optical add-drop multiplexer，ROADM)。该网络还可以包括在光网络的不同位置的多个导频音检测器以监测信道信息，例如波长、功率、调制格式、波特率、和/或其他性能特性。每一个导频音检测器(pilot tone detector，PTD)通常包括低速光电二极管和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)。
然而，由于诸如前向纠错(forward error correction，FEC)和DSP帧结构等因素，特别是当负载包含报警指示信号(alarm indication signal，AIS)、开放连接指示(openconnection indication，OCI)、或锁定状态(locked status，LCK)时，在高速数据信道中存在强离散音(“干扰音”)。这些干扰音可能与导频音频率一致，从而使得导频音检测非常具有挑战性。
图2和图3分别为绘制AIS负载和伪随机比特序列(pseudo random bit sequence，PRBS)负载的频谱图。离散音取决于负载和发射机波特率等。在实践中，特别是对于携带了AIS、OCI、和LCK负载的信号，通过选择无干扰的导频音(pilot tone，PT)频率来避免这些离散音是极其困难的，这是因为，存在太多不同的波特率(包括时钟漂移)、FEC码字、以及DSP帧结构等。
为了提供用于监测光网络的性能的低成本、高效率的解决方案，需要一种克服了由离散干扰引起的问题的改进的调制和检测技术。
发明内容
为了提供对本发明的基本理解，以下给出本发明某些方面或实施例的简化概述。该概述不是对本发明的广泛综述。该概述并非旨在确定本公开的核心要素或关键要素，也并非旨在划出本发明的保护范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些实施例，作为之后更详细描述的序言。
本说明书公开了一种利用抗干扰扩频导频音的光性能监测技术。
本公开的一个方面为一种监测光网络中的光信道的系统。该系统包括光发射机和光接收机。光发射机具有扩频导频音调制器，该扩频导频音调制器用于将扩频导频音调制到高速数据信号上以生成扩频光信号；光接收机用于接收上述扩频光信号，并用于检测上述导频音以监测该光信道。
本公开的另一个方面为一种监测光网络中的光信道的方法。该方法需要将扩频导频音调制到高速数据信号上以生成扩频信号，通过光链路发送该扩频信号，接收该扩频信号，并在该扩频信号中检测上述导频音来监测光信道。
本公开的又一个方面为一种光发射机，该光发射机具有用于接收数据信号的输入端、用于将扩频导频音调制到上述数据信号上从而生成数字扩频数据信号的导频音调制器、用于将上述数字扩频数据信号转换为模拟扩频数据信号的数-模转换器、以及用于将上述模拟扩频数据信号转换为用于传输的光扩频数据信号的电-光转换器。
本公开的再一个方面为一种光接收机，该光接收机具有用于接收光扩频数据信号的输入端、光电二极管、模-数转换器、以及具有用于执行相关计算以检测数据信号中的导频音的相关模块(correlation module)的检测器。可利用预定义的扩频编码函数(例如，由光发射机用于将扩频导频音调制到数据信号上的编码函数)来执行该相关计算。
附图说明
参考以下附图的描述，本公开的这些特征和其它特征将变得更加明显。
图1描绘了具有用于监测光网络的光链路的光性能的多个导频音检测器的光网络。
图2为示出在AIS负载中的连续波导频音的频谱图。
图3为示出在PRBS负载中的连续波导频音的频谱图。
图4为示出监测光性能的方法的流程图。
图5为连续波导频音的频谱图的示例。
图6为扩频导频音的频谱图的示例。
图7为恢复的导频音的频谱图的示例。
图8为示出m1*m1相关性的图，其中m1表示27-1位的伪随机比特序列。
图9为示出m1*m2相关性的图，其中m1和m2表示两个27-1位的伪随机比特序列。
图10为示出具有显著干扰音的扩频导频音的频谱图。
图11为示出恢复后的导频音的频谱图，其中，干扰音的频谱已被分布到本底噪声中。
图12示出了扩频导频音调制技术中的各种形式的信号的六个垂直对齐的图形表示。
图13描绘了具有扩频导频音调制器的光发射机。
图14为示出了九个信道的九个相邻导频音的频谱图。
图15示出了作为第一种实施方式和第二实施方式的信道间隔的函数的串扰的图，在第一种实施方式中，PRBS全部相同，在第二种实施方式中，PRBS均不相同。
图16描绘了用于检测和解码导频音的光接收机。
具体实施方式
为了说明的目的，以下详细描述包含许多具体实施例、实施方式、示例以及细节，以提供对本发明的深入理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节或在具有等同安排的情况下实施上述实施例。在其他情况下，以框图形式示出了一些众所周知的结构和设备，以避免不必要地模糊本发明的实施例。该描述不应限于以下阐述的说明性的实施方式、附图、以及技术，包括本文所示出和描述的示例性设计和实施方式，而是可以在所附权利要求的范围及其等同物的全部范围内被修改。
本文公开了一种使用扩频导频音执行光性能监测的方法和一种使用扩频导频音执行光性能监测的系统。使用超过连续波导频音带宽的带宽来发送扩频导频音。在大带宽上扩展(或“分布”)上述导频音可以使得生成的扩频导频音更能抵抗干扰。因此，扩频导频音更容易被光网络中的导频音检测器检测。
图4描绘了流程图，其大体上阐述了光性能监测的方法。该方法通常涉及将扩频编码函数应用于连续波导频音，以便在不易受干扰的扩展频带上分布导频音。随后由导频音检测器检测(可选地，还解码)上述导频音。如图4所示，该方法包括：将扩频导频音调制100到高速数据信号上以生成扩频信号，通过光网络发送110该扩频信号，接收120该扩频信号，检测130该扩频信号中的上述扩频导频音。可选地，该方法可以包括对上述导频音进行解码140以监测光信道的另一步骤。需要强调的是，可同时接收120多于一个扩频信号。波长(每个都携带其自己的导频音)可以来自光网络中的相同节点或不同节点。
对于具有给定角频率ωPT、调制深度m、以及带内二进制数据(即导频音数据d(t))的常规连续波导频音，上述高速光数据信号的电场E0(t用上述导频音调制如下，以提供由以下关系式给出的调制信号的电场EPT(t)：EPT(t)＝E0(t)(1+d(t)msin(ωPTt))。图5示出了连续波导频音的频谱图的一个具体示例。
对于扩频导频音，通过运用扩频码fESC(t)来调制信号。换句话说，通过如下将扩频码fESC(t)运用于导频音来完成调制：EPT(t)＝E0(t)(1+d(t)fESC(t)msin(ωPTt))。在一个实施例中，fESC(t)是，或包括伪随机比特序列(PRBS)，但是应当理解，可以使用其他等效或合适的码字。还要注意的是，fESC(t)的带宽通常远大于d(t)，但远小于E0(t)。图6示出了扩频导频音的频谱图的一个具体示例。图7示出了恢复的导频音的频谱图的一个具体示例。具有时变电场EPT(t)的调制信号之后通过光网络的一个或多个光链路被发送到网络的一个或多个节点。在网络中的各个位置，可以放置导频音检测器(PTD)来测量和监测光性能。在一个实施例中，导频音检测器实施了平方律检测技术来检测导频音。由于导频音是比高速数据信号频率低的信号，导频音检测器可以使用低速光电二极管来检测导频音。时变电流I(t)由关系式I(t)＝|E0(t)|2(1+2d(t)fESC(t)msin(ωPTt)+|d(t)fESC(t)msin(ωPTt)|2)给出。由于E0(t)对于低速光电二极管来说过于快速，因此上述电流可以由I(t)≈I0(1+2d(t)fESC(t)msin(ωPTt))表示。由于只保留了包含调制的项，因此该关系式可以表示为I(t)≈I0 2d(t)fESC(t)msin(ωPTt)。
通过使用相关器或相关模块执行相关运算来完成解码，相关器或相关模块如下使用相同的扩频码fESC(t)：I0 2d(t)fESC(t)msin(ωPTt)*fESC(t)，其中，*是相关运算符。然而，由于fESC(t)*fESC(t)的峰值是强且已知的，因此该相关性峰值与I0(t)2d(t)fESCmsin(ωPTt)成比例。如果没有信号，则相关性峰值要小得多。例如，考虑从27-1位的PRBS派生出的如下两个序列m1和m2：m1:-1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1-1 1 1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -11 1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 1 -1 -1 1-1 1 -1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1
m2:-1 -1 -1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 1 1 1-1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 11 1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 -11 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 1-1 -1 1 -1 -1 -1 1
图8为示出了m1*m1相关性的图。值得注意的是，在0延迟处存在强峰，其峰值振幅为127。图9为示出了m1*m2相关性的图，图中没有强峰。
通过使用这种扩频方法，可以在显著干扰的条件下检测导频音，否则，使用现有技术在显著干扰的条件下检测导频音是非常困难的。本文公开的扩频方法使得导频音更容易恢复，从而有助于光网络中的光性能监测。例如，图10描绘了示出具有显著干扰音的扩频导频音的频谱图。如图11中的示例所示，在解码之后，导频音被恢复，而干扰音的频谱被分布到本底噪声中。
图12示出了可用于光性能监测的扩频导频音调制技术的具体示例。图12示出了各种形式的信号的六个垂直对齐的图形表示。顶部是由函数d(t)表示的导频音(PT)比特序列。在该示例中，d(t)为101101。导频音比特序列d(t)例如可以为识别或表征信道的数据。通过运用扩频码fESC(t)来调制函数d(t)，在该实例中，扩频码fESC(t)为PRBS，例如1111100110100100001010111011000。在本例中，PRBS的长度为25-1。在其他实施例中，PRBS的长度可以变化。图12还在顶部起第三个表示示出了具有形式sin(ωPTt)的连续波(continuous wave，CW)PT。该CW PT可以具有调制深度m，在这种情况下，CW PT可以表示为msin(ωPTt)。如图12中的箭头所示，PT比特序列d(t)、扩频码fESC(t)、和CW PT被混合在一起，以提供图12所示的由顶部起第五个信号，其在数学上被描述为这三个信号的乘积，即，d(t)fESC(t)sin(ωPTt)。第六个信号表示，即图12底部的表示，即，fESC(t)sin(ωPTt)，是通过仅混合扩频码fESC(t)和CW PT产生的，即省略了PT比特序列d(t)。由顶部起的第四个信号表示示出了高速数据和叠加在高速数据上的扩频导频音。
在通过图13中的示例描绘的实施例中，光发射机200包括承载高速数据信号E0(t)的高速数据信号输入端210、扩频导频音调制器220、数-模(digital-to-analog，DAC)转换器230以及电-光(electrical-to-optical，E/O)转换器240。光发射机通过光链路250发送调制后的光信号。对于基于正交的调制方案，将存在四个这样的单元。在图13中，变量m表示调制深度，ωPT(t)表示导频音角频率，以及fESC(t)表示扩频编码函数。在一个实施例中，该编码函数可以是具有值为1,0或1,-1的PRBS。函数d(t)表示导频音数据，在本实施例中为二进制数据(1，0)。在图13所示的实施例中，调制器220包括连续波(CW)导频音发生器260、扩频码函数发生器270、以及用于将CW导频音与编码函数混合以生成调制后的扩频导频音的第一混频器275。调制器220还包括PT数据发生器280以及用于将PT数据d(t)与上述调制后的扩频导频音混合的第二混频器285。调制器220还包括加法模块290，用于将函数加常数值1。调制器220还包括用于将导频音调制到高速数据信号上的第三混频器225。需要注意的是，在发射机200中，可能存在不止一条高速数据/DAC路径，例如，在典型的相干发射机中，存在四条路径，在这种情况下，上述扩频导频音可应用于所有四条路径。
如图14中的示例所示，在具有多个信道的实施方式中，这些信道的扩展频谱可能部分地彼此重叠，这可能引入串扰。例如，在图14所示的示例中，存在九个相邻导频音，每个信道一个导频音。尽管在图14中示出了九个导频音，但是应当理解，导频音的数量是可以改变的。应当注意的是，图14中的信道不是光信道，而是调制后的导频音的频谱。为了减少相邻信道干扰，即减轻串扰，不同的码字(例如，不同的PRBS码)可用于相邻信道。例如，通过使用两倍于扩频码率(即，2fc)的信道间隔，并且通过使用不同的PRBS码，如图15所示，举例来说，可以抑制大约14dB的串扰。还可以理解的是，用于各个信道的不同扩频码可以是异步的。此外，应当理解，窄带扩频是理想的，这是因为，已经发现窄带扩频减少了信道串扰。在图14中，九个信道上的九个导频音可以具有例如ΔfPT＝100kHz的信道间隔，以及具有例如f＝50kHz的信道带宽。因为f<ΔfPT，因此这是一个窄带扩频的示例。
在图16的实例所示的实施例中，光接收机300接收、检测、并解码上述导频音以恢复PT比特序列d(t)。光接收机300包括光输入端(光链路)302、光电二极管(photodiode，PD)304、互阻抗放大器(transimpedance amplifier，TIA)306、运算放大器(operationalamplifier，op-amp)308，即AC耦合的高增益电子电压放大器、用于数字化模拟电信号的模-数转换器(analog-to-digital converter，ADC)310、以及包括用于多个信道的多个检测器314的多信道检测单元312。在该实施例中，每个信道有一个检测器314。在图16的实施例中，每个检测器314包括混频器316，用于将来自ADC 310的信号与向下移位因子324混合以将信号频率下移至DC附近。每个检测器314还包括时域相关器(或“时域相关模块”)318和用于确定频率扫描是否已经完成的判定块320。如果扫描完成，则下一步将是提取PT功率。否则，该方法通过递增或递减向下移位因子324的角频率ω继续扫描频率。光接收机300包括PT功率处理模块322，该PT功率处理模块322用于在频率扫描完成之后，从最大相关峰值中提取光功率。
为了检测特定的扩频导频音，导频音频率和扩频码相位均必须匹配。这可以通过执行以下步骤来实现：在第一步中，在一个完整的ESC持续时间TESC收集数据。在第二步中，对于ω～ωPT，频率向下移动ω到DC附近。在第三步中，使用相同的ESC执行时域相关计算。记录相关性峰值。随后，以不同的频率ω重复第二步和第三步以找到最大峰值。应当注意的是，频率扫描范围由导频音发生器260和检测器314之间的最大时钟差和导频音频率决定。频率扫描的步长由TESC确定，使得步长远小于1/TESC以满足精度要求。
从上述可以理解，与连续波导频音相比，扩频导频音使DWDM系统中的光性能监测更耐强离散干扰。在本文公开的实施例中，每个波长信道具有唯一的导频音。
在一种实施方式中，导频音具有在大约1-100MHz范围内的频率ωPT，而扩频编码函数fESC(t)具有在1-100kHz范围内的频率。在更具体的实施方式中，导频音具有在约10-99MHz范围内的频率ωPT，而扩频编码函数fESC(t)具有在10-99kHz范围内的频率。在更具体的实施方式中，导频音具有在大约30-60MHz范围内的频率ωPT，而扩频编码函数fESC(t)具有在30-60kHz范围内的频率。
在另一种实施方式中，本文描述的扩频导频音技术可以与频分复用相结合，以进一步减少相邻PT信道之间的串扰。例如，第一信道的第一导频音可以在30MHz，第二信道的第二导频音在30MHz+100kHz，第三导频音在30MHz+200kHz，第四导频音在30MHz+300kHz，等。
虽然在本公开中已经提供了几个实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的系统和方法可以通过许多其它具体形式实施。本示例应当被认为是说明性的而不是限制性的，并且其意图不限于本文给出的细节。例如，各种元件或组件可以组合或集成在另一系统中，或者某些特征可以被省略或不被实施。
此外，在不脱离本公开的范围的情况下，在各种实施例中描述和示出为离散或分离的技术、系统、子系统以及方法可以与其他系统、模块、技术或方法组合或集成。示出或讨论为耦合或直接耦合或相连的其他项目可以通过某些接口、设备或中间组件以电连接、机械连接或是其他方式间接耦合或相连。本领域技术人员在不脱离本文公开的发明构思的情况下可以确定改变、替换、和变更的其它示例。

Claims (21)

1.一种监测光网络中的光信道的系统，包括：
光发射机，包括扩频导频音调制器，所述扩频导频音调制器用于将扩频导频音调制到所述光信道的高速数据信号上以生成扩频信号，通过所述光网络发送所述扩频信号，以使用超过连续波导频音带宽的带宽来发送扩频导频音；以及
光接收机，用于接收所述扩频信号，以及用于检测所述扩频导频音以监测所述光信道。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述扩频导频音调制器用于运用扩频编码函数fESC(t)来调制所述高速数据信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述扩频信号表示如下：
EPT(t)＝E0(t)(1+d(t)fESC(t)msin(ωPTt))
其中，m表示调制深度，ωPT表示导频音频率，d(t)表示导频音数据，E0(t)表示所述高速数据信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，fESC(t)包括伪随机比特序列(PRBS)。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述扩频导频音包括窄带扩频，所述窄带扩频使得所述扩频导频音的带宽小于所述光网络中相邻导频音的中心频率间隔，从而减少导频音间的串扰。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，对于相邻导频音，所述扩频编码函数fESC(t)不同，以减少所述相邻导频音之间的串扰。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述光信道包括多个密集波分复用(DWDM)信道的DWDM光信道，其中，每个导频音与所述多个DWDM信道中的一个DWDM信道相关联。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光接收机包括相关器，所述相关器通过使用所述扩频编码函数fESC(t)运用相关运算来解码所述导频音。
9.一种监测光网络中的光信道的方法，包括：
将扩频导频音调制到所述光信道的高速数据信号上以生成扩频信号；
通过所述光网络发送所述扩频信号，以使用超过连续波导频音带宽的带宽来发送扩频导频音；
接收所述扩频信号；以及
检测所述扩频信号中的所述扩频导频音。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：解码所述导频音以监测所述光信道。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述调制包括运用扩频编码函数fESC(t)来调制所述高速数据信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述扩频信号表示如下：
EPT(t)＝E0(t)(1+d(t)fESC(t)msin(ωPTt))
其中，m表示调制深度，ωPT表示导频音频率，d(t)表示导频音数据，E0(t)表示所述高速数据信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，fESC(t)包括伪随机比特序列(PRBS)。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述调制包括窄带扩展频谱，使得所述扩频导频音的带宽小于所述光网络中的相邻导频音的中心频率间隔，从而减少导频音串扰。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述调制包括对相邻导频音使用不同的扩频编码函数fESC(t)，从而减少相邻导频音之间的串扰。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光信道包括多个密集波分复用(DWDM)信道的DWDM光信道，其中每个导频音与所述多个DWDM信道中的一个DWDM信道相关联。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述解码所述导频音包括使用扩频编码函数fESC(t)来进行相关运算。
18.一种光发射机，包括：
输入端，用于接收高速数据信号；
导频音调制器，用于将扩频导频音调制到所述高速数据信号上，以生成数字扩频数据信号，以使用超过连续波导频音带宽的带宽来发送扩频导频音；
数-模转换器，用于将所述数字扩频数据信号转换为模拟扩频数据信号；以及
电-光转换器，用于将所述模拟扩频数据信号转换成用于传输的光扩频数据信号；
其中，所述光发射机用于通过光网络发送所述光扩频数据信号，以使光接收机接收所述光扩频数据信号，并检测所述扩频导频音。
19.根据权利要求18所述的发射机，其中，所述导频音调制器包括用于将连续波导频音与扩频编码函数fESC(t)混合的第一混频器。
20.根据权利要求19所述的发射机，其中，所述扩频编码函数fESC(t)包括对于相邻导频音不同的伪随机比特序列。
21.根据权利要求19所述的发射机，其中，所述导频音调制器包括第二混频器，所述第二混频器用于将所述连续波导频音和所述扩频编码函数fESC(t)与导频音数据d(t)进行混合。
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