CN109951228B - 一种基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法。接收光信号经平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块的前置信道估计模块及光通信系统接收机端的载波相位恢复模块后，分析载波相位恢复后的信号相位的概率特征，构建激光器线宽估计模型，然后采集并分析载波相位恢复模块的样本输出信号，统计实际信号相位的样本概率特征值，最后将得到的样本概率特征值代入构建的激光器线宽估计模型中，计算估计待测激光器线宽。本发明通过分析信道估计和噪声补偿之后电信号的相位数据特征，实现了对发端激光器线宽的直接检测，测量简单精确、不增加硬件、不修改通信系统结构、不影响数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及光通信系统性能检测领域，特别涉及一种激光器线宽检测方法。
背景技术
随着互联网技术的发展，互联网通信数据量日益增高。为了满足现代互联网对通信数据量的要求，高速动态相干光通信网络技术受到广泛关注。其中，用于辅助动态光网络管理的实时光性能检测，作为核心技术之一，开始吸引越来越多人的注意。在众多系统检测参数中，针对发端激光器线宽的估计尤为迫切。除光通信系统外，单频激光器被广泛应用于激光雷达、高分辨率光谱测量及量子光学等研究领域。激光器线宽是衡量光源单色性的关键参数，因此，激光器线宽的精确测量尤为关键。
硕士论文“激光器线宽测量及腔外性能改善研究”(参见中国硕士论文电子期刊库2014年第6版，第I135-34页第2章)中涉及了激光器线宽测量的基本原理和常用方法，并提出了一种基于马赫曾德调制器的延时自外差线宽测量法，对实验室的半导体DFB激光器进行了线宽测量，并与传统的声光调制器测量的结果进行了对比，验证了该方法有效性。
中国专利(CN102100024A)公开了一种相位噪声统计特性监控装置和方法、相干光通信接收机，其监控装置包括取幅角单元、解包单元、延迟单元、差分单元等，还包括激光器线宽影响抑制单元，用于测量激光器线宽的大小，并抑制所述相位差分信号均方值序列中的激光器线宽的影响。
韩国专利(KR10-19980025575)公开了一种利用受激布里渊散射的激光线宽测量装置，利用受激布里渊散射测量激光线宽的装置包括激光器、光耦合器、光放大器、光学循环器、光纤、光探测器、射频放大器和射频频谱分析仪，所述光耦合器将待测光信号分为两个光信号，光学放大器放大输入光的频率，然后通过受激布里渊散射改变频率，光学循环器使光的方向恒定，同时使输出到原激光束相反方向的频率偏移光的光损耗最小，分析仪接收原始激光束和频率偏移光诱发拍频，然后分析拍频谱。
如上现有激光器线宽的测量或检测其通常是采用干涉仪或延时自外差法测量激光器线宽。然而，此类方法通常需要额外的激光器检测系统，因此无法广泛使用于光通信系统中。
发明内容
基于此，针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种测量简单精确、不增加硬件、不修改通信系统结构、不影响数据传输的基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法；该方法可以在不影响数据传输的情况下，通过分析信道估计和噪声补偿之后电信号的相位数据特征，实现对发端激光器线宽的直接检测。本发明提供的技术方案在于：
一种基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，包括以下步骤：
(1)接收光信号依次经平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块的前置信道估计模块及光通信系统接收机端的载波相位恢复模块；
(2)分析载波相位恢复后的信号相位的概率特征，构建激光器线宽估计模型；
(3)采集并分析载波相位恢复模块的样本输出信号，统计实际信号相位的样本概率特征值；
(4)将步骤(3)中得到的所述样本概率特征值代入步骤(2)中构建的所述激光器线宽估计模型中，估计待测激光器线宽。
优选地，所述步骤(1)～(3)中所述的载波相位恢复模块为DAML(Decision-aidedMaximum Likelihood)载波相位恢复模块，通过分析DAML相位恢复后的信号相位概率特征建立激光器线宽估计模型。
优选地，所述步骤(2)中构建激光器线宽估计模型的方法包括：分析DAML相位补偿性能，建立待测激光器线宽与相位补偿后信号的幅度及相位之间的理论模型，过程如下：
为方便理论模型的构建，首先引入了信号模型，即
r(k)＝|r(k)|ejθ(k)+φ(k)+∈(k) (1)
其中，r(k)第k个时刻的DAML载波相位恢复模块的输入信号，|r(k)|表示输入信号的幅值,φ(k)表示相位调制,θ(k)＝θ(k-1)+v(k)表示载波相位，v(k)表示载波相位噪声，服从均值为0方差为
的正态分布，Δv为待测激光器的3-dB线宽，T为接收信号的周期，j为复数单位；
∈(k)为高斯白噪声对r(k)的相位影响，∈(k)近似服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中γs表示信号信噪比；
DAML相位估计方法利用当前信号前L个时刻的硬判决结果计算当前时刻载波相位，定义为：
其中，
表示k时刻载波相位估计，
为l时刻的信号硬判决，L表示DAML相位估计的窗长；
分析导频信号DAML载波相位补偿的性能，建立待测激光器线宽估计模型，定义：
其中，
表示k时刻相位估计误差；θe(k)近似服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中
根据式(3)可知，w(k)服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中
由式(5)可知，待测激光器线宽与w(k)的方差相关，即
优选地，所述步骤(3)和(4)包括：在建立激光器线宽估计模型后，根据模块采集到的样本信号，计算样本信号的概率特征值，带入理论估计模型，估计激光器线宽；
相位补偿后，采集相位补偿后的导频信号，取相位信息并按照式(3)所给模型计算样本信号的误差w′(k)；然后利用采样信号的样本方差模拟实际方差
代入式(6)可知，待测激光器的线宽可以估计为：
其中var[w′(k)]表示w′(k)的样本方差。
另外，本发明还要求保护一种具有激光器线宽检测功能的光通信系统，包括平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块、载波相位恢复模块及激光器线宽检测模块，所述激光器线宽检测模块位于所述平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块及载波相位恢复模块之后，并且所述激光器线宽检测模块能够按照本发明所述的基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，对光通信系统的激光器线宽进行检测；在该光学通信系统中，通过分析信道估计和噪声补偿之后电信号的相位数据特征，实现对发端激光器线宽的直接检测。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明解决了现有光通信系统常用的测量激光器线宽的方法需要额外的激光器检测系统，而提出了一种基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，相对于传统的基于延时自外差的激光器线宽测量方法，本发明的该激光器线宽检测方法不增加硬件、不修改通信系统结构，且能够在实现准确估计激光器线宽的同时保持通信系统收发机的完整性以及稳定性，确保数据通信不受影响；
(2)本发明的激光器线宽检测方法中通过分析载波相位恢复后样本信号的相位概率特征，构建激光器线宽估计模型，实现对发端激光器线宽的直接检测，该方法简单，测试精确，且具有较大的动态监测范围，并对系统信噪比有较高的容忍度；
(3)本发明的载波相位恢复模块以DAML载波相位恢复模块为基础，通过分析DAML相位恢复后的信号相位概率特征建立激光器线宽估计模型，实现准确的激光器线宽估计。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是相干光通信系统中相干接收机数据处理的基本框架图。
图2是本发明DAML相位估计算法基本原理框架图。
图3是本发明基于信道估计的激光器线宽检测方法的流程框图。
图4中(a)是一个具体示例中不同信噪比对激光器线宽检测效果影响示意图。
图4中(b)是一个具体示例中在同一信噪比情况下不同激光器线宽对激光器线宽估计性能的影响。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
可以理解的是，下文所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。当操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种光通信系统中激光器线宽的检测的方法，根据DAML相位估计算法的性能分析，将待测激光器线宽与信号数据特征相结合。因此，相比较于传统基于延时自外差的检测方法，本发明模块能够在实现准确估计激光器线宽的同时保持通信系统收发机的完整性以及稳定性，确保数据通信不受影响。
本实施例以相干光通信系统为例，如图1所示，经典相干接收机的信号处理过程大致包括：光电转换与采样、时钟恢复、色散补偿、偏振解复用、频偏补偿、相位恢复以及信号解调。本实施例的激光器线宽检测方法或模块以DAML相位恢复方法为基础，其结构框图如图2所示。通过分析相位恢复后信号的概率特征，实现准确的激光器线宽估计。
本实施例提出的基于DAML相位估计的激光器线宽检测方法具体实时方案如下：
接收DAML相位恢复信号后，如图3所示，通过分析接收信号的数据特征，构建激光器线宽估计的理论模型，方便理论模型的构建，引入了信号模型，即
r(k)＝|r(k)|ejθ(k)+φ(k)+∈(k) (1)
其中，r(k)为DAML载波相位恢复模块的输入信号，|r(k)|表示输入信号的幅值,φ(k)表示相位调制,θ(k)＝θ(k-1)+v(k)表示载波相位，v(k)表示载波相位噪声并被证明服从均值为0方差为
的正态分布，Δv为待测激光器的3-dB线宽，T为接收信号的周期，j为复数单位；
∈(k)为高斯白噪声对r(k)的相位影响。可以证明∈(k)近似服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中γs表示信号信噪比。
DAML相位估计方法利用当前信号前L个时刻的硬判决结果计算当前时刻载波相位，可被描述为
其中，
表示k时刻载波相位估计，
为l时刻的信号硬判决，L表示DAML相位估计的窗长。
通过分析，导频信号DAML载波相位补偿的性能，建立待测激光器线宽检测模型。这里，定义
由式(1)可知，
其中，
表示k时刻相位估计误差。可以证明，θe(k)近似服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中
根据式(3)可知，w(k)服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中
由式(5)可知，待测激光器线宽与w(k)的方差相关，即
建立激光器线宽估计模型后，根据模块采集到的样本信号，取相位信息并按照式(3)所给模型计算样本信号的误差w′(k)。利用采样信号的样本方差模拟实际方差
代入式(6)可知，待测激光器的线宽可以估计为：
其中var[w′(k)]表示w′(k)的样本方差。
本发明的另一实施例，还提供一种具有激光器线宽检测功能的光通信系统，包括平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块、载波相位恢复模块及激光器线宽检测模块，所述激光器线宽检测模块位于所述光电探测器、信号时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块及载波相位恢复模块之后，并且所述激光器线宽检测模块能够按照上述实施例的基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，对光通信系统的激光器线宽进行直接检测。
如图4所示，图4中(a)示出了50GS/s 8PSK，激光器线宽5MHz，相位估计窗长L＝10时一个具体示例中不同信噪比对对激光器线宽估计相对误差的绘制曲线图；图4中(b)示出了50GS/s 8PSK，信噪比20dB，相位估计窗长L＝10时一个具体示例中在同一信噪比情况下不同激光器线宽与激光器线宽估计相对误差的曲线图。得益于对DAML相位估计算法性能的准确分析，通过该图4所示具体示例亦可知本发明提供的激光器线宽估计方法有较大的动态监测范围，并对系统信噪比有较高的容忍度。
本文所示的实施例提供了足够详细地描述以使本领域技术人员能够实践公开的教导。根据本发明所示的实施例还可以派生出其它实施例，并在不脱离本发明的范围的条件下进行逻辑替换以及改变。因此，具体实施方式不应被视为具有限制意义，并且各种实施例的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求所享有的等同物的全部范围来限定；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接收光信号依次经平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块的前置信道估计模块及光通信系统接收机端的载波相位恢复模块；所述的载波相位恢复模块为DAML(Decision-aided Maximum Likelihood)载波相位恢复模块，通过分析DAML相位恢复后的信号相位概率特征建立激光器线宽估计模型；
(2)分析载波相位恢复后的信号相位的概率特征，构建激光器线宽估计模型；
(3)采集并分析所述载波相位恢复模块的样本输出信号，统计实际信号相位的样本概率特征值；
(4)将步骤(3)中得到的所述样本概率特征值代入步骤(2)中构建的所述激光器线宽估计模型中，估计待测激光器线宽。
2.根据权利要求1所述的基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中构建激光器线宽估计模型的方法包括：分析DAML相位补偿性能，建立待测激光器线宽与相位补偿后信号的幅度及相位之间的理论模型，过程如下：
为方便理论模型的构建，首先引入了信号模型，即
r(k)＝|r(k)|ejθ(k)+φ(k)+∈(k) (1)
其中，r(k)第k个时刻的DAML载波相位恢复模块的输入信号，|r(k)|表示输入信号的幅值,φ(k)表示相位调制,θ(k)＝θ(k-1)+v(k)表示载波相位，v(k)表示载波相位噪声，服从均值为0方差为
的正态分布，Δv为待测激光器的3-dB线宽，T为接收信号的周期，j为复数单位；
∈(k)为高斯白噪声对r(k)的相位影响，∈(k)近似服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中γs表示信号信噪比；
DAML相位估计方法利用当前信号前L个时刻的硬判决结果计算当前时刻载波相位，定义为：
其中，
表示k时刻载波相位估计，
为l时刻的信号硬判决，L表示DAML相位估计的窗长；
分析导频信号DAML载波相位补偿的性能，建立待测激光器线宽估计模型，定义：
其中，
表示k时刻相位估计误差；θe(k)近似服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中
根据式(3)可知，w(k)服从均值为0，方差为
的高斯分布，其中
由式(5)可知，待测激光器线宽与w(k)的方差相关，即
3.根据权利要求2所述的基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，其特征在于，所述步骤(3)和(4)包括：在建立激光器线宽估计模型后，根据模块采集到的样本信号，计算样本信号的概率特征值，带入理论估计模型，估计激光器线宽；
相位补偿后，采集相位补偿后的导频信号，取相位信息并按照式(3)所给模型计算样本信号的误差w′(k)；然后利用采样信号的样本方差模拟实际方差 
代入式(6)可知，待测激光器的线宽可以估计为：
其中var[w′(k)]表示w′(k)的样本方差。
4.一种具有激光器线宽检测功能的光通信系统，其特征在于，包括平衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块、载波相位恢复模块及激光器线宽检测模块，所述激光器线宽检测模块位于所述平 衡光电探测器、时钟恢复模块、色散补偿模块、偏振解复用模块、频率偏移补偿模块及载波相位恢复模块之后，并且所述激光器线宽检测模块能够按照权利要求1-3任一项所述的基于光通信系统信道估计的激光器线宽检测方法，对光通信系统的激光器线宽进行检测。
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