CN110086532B - 通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法及装置，该方法为：对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，得第一光信号；对第一光信号进行延时自相干处理，得第二光信号；将第二光信号转换为电信号，并进行采样；对采样结果进行分布统计分析，绘制干涉光强度的频率直方图；对频率直方图的特征进行提取分析，根据提取的特征参数区分信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态。本发明不仅在光信号进入相干接收机之前即可实现非线性噪声和/或自发辐射噪声限制状态告警，为是否在相干接收机中采用非线性补偿算法提供依据，且实现简单，成本低。

Description

通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法及装置
技术领域
本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法及装置。
背景技术
随着高速光纤通信技术的发展，光信号在通信系统中传输时所采用的调制格式由以OOK、QPSK为主，转变为以更高阶的16QAM、32QAM、64QAM等调制格式。高阶调制格式的信号恢复一般需要更高的光信噪比，而更高的光信噪比一般需要通过提高入纤光功率和缩短跨段间距来实现，这会导致光纤非线性效应的加重。光纤非线性效应引起的光噪声成为限制高阶调制格式信号传输性能的重要因素。因此，有效的区分光纤非线性噪声和自发辐射噪声，对补偿光纤非线性效应引起的信号损伤，提高信号传输的整体性能十分重要。
现有的评估非线性噪声强度的方法，一般是在相干接收机数字信号处理恢复出星座图之后进行，而且方法比较复杂、成本较高。
有鉴于此，急需对现有的非线性噪声与自发辐射噪声的区分方案进行改进，以简化系统，降低成本，并为在相干接收机中是否采用非线性补偿算法提供依据。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的非线性噪声与自发辐射噪声的区分方案一般在相干接收机数字信号处理恢复出星座图以后进行，不仅无法通过数字信号处理算法对部分非线性噪声进行补偿，而且实现过程复杂、成本较高的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法，包括以下步骤：
步骤S10、对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，获得第一光信号；
步骤S20、对所述第一光信号进行延时自相干处理，得到第二光信号；
步骤S30、将所述第二光信号转换为电信号，并进行采样；
步骤S40、对采样结果进行分布统计分析，绘制干涉光强度的频率直方图；
步骤S50、对干涉光强度的频率直方图的特征参数进行提取分析，根据提取到的所述特征参数，区分信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态。
在上述方法中，在步骤S20中，对所述第一光信号进行延时自相干处理采用延时自相干干涉仪实现，其中：
所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间。
在上述方法中，步骤S40包括以下步骤：
对采样电路输出的采样值进行统计分析；
根据采样值的最大值和最小值，把采样值范围等分成若干段；
统计采样值落在每一个分段上的频率，从而得到延时相干信号强度分布的频率直方图。
在上述方法中，对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，采用基于色散补偿光栅或基于色散补偿光纤的光学色散补偿模块实现；且，在通过所述光学色散补偿模块进行色散补偿得到的第一光信号中，残余色散值在±800ps/nm的范围内。
在上述方法中，所述延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离或者基于硅基集成的光学器件实现。
在上述方法中，所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差为固定值或者可调谐值。
在上述方法中，还包括步骤S60，根据系统受限状态的区分结果输出标识系统受限状态的电信号，显示系统所处的受限状态；其中：
当信号性能正常时输出“0”；
当信号处在自发辐射噪声受限状态时输出“1”；
当信号处在非线性噪声受限状态时输出“2”；
当信号处在综合受限状态时输出“3”。
本发明还提供了一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分装置，包括：
色散补偿模块，用于对输入光信号在光纤通信系统中的传输过程中产生的光纤色散进行补偿，获得第一光信号；
延时自相干干涉仪，用于对所述第一光信号进行延时自相干干涉处理，得到第二光信号；
光探测器，用于将所述第二光信号转换为电信号；
放大电路，用于将所述光探测器输出的光电流转换为电压信号，并对电压信号进行放大，使电压值与模数转换器的工作电压范围匹配；
采样电路，用于对所述电压信号进行采样；
信号强度分布统计模块，用于对所述采样的采样结果进行分布统计分析；
频率直方图特征提取与分析模块：用于根据所述信号强度分布统计模块的统计分析结果绘制频率直方图，并提取频率直方图中与非线性噪声和自发辐射噪声区分相关的特征参数；
非线性噪声和自发辐射噪声区分模块：用于根据从频率直方图中提取出来的特征参数，区分信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态。
在上述装置中，还包括输出标识系统受限状态的电信号模块，用于根据所述非线性噪声和自发辐射噪声区分模块得到的系统受限状态的区分结果，输出标识系统受限状态的电信号，显示系统所处的受限状态。
在上述装置中，所述光探测器、放大电路和采样电路的最小带宽大于信号波特率的一半。
与现有技术相比，本发明通过一个延时自相干干涉仪，对色散补偿后的光信号进行延时自相干干涉处理，额外引入了反映调制信号与噪声、光源线宽和延时自相干干涉仪引起的相位差对光强度的影响的三项指标；因为延时自相干干涉仪引起的相位差是固定的，光源相位噪声引起的光强度变化慢于调制信号与噪声，所以光探测器实际检测到的是调制信号与噪声延时自相干后的光强变化，根据非线性噪声与信号相关，自发辐射噪声与信号无关的特性，就可以通过后续的数字信号处理将非线性噪声和自发辐射噪声进行区分，与传统基于相干检测的调制格式识别方法，只需要一个光探测器对相干光信号进行强度检测，不需要对采样后的信号进行IQ正交化、载波恢复等复杂的数字信号处理，具有系统简单，实现成本低的优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法的流程图；
图2为本发明中当延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离的光学器件时的实现框图；
图3为本发明提供的一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分装置的结构框图。
具体实施方式
本发明提供了一种通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法及装置，可用于光纤通信系统中光自发辐射噪声与非线性光噪声的区分和估计，以及光传输性能监测OPM，能够进行精确的噪声区分，而且只通过一个光探测器对相干光信号进行强度检测即可实现，不需要对采样后的信号进行IQ正交化、载波恢复等复杂的数字信号处理，具有系统简单，实现成本低的优点。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细地说明。
如图1所示，在光信号进入相干接收机之前，为了给是否在相干接收机中采用非线性补偿算法提供依据，可以采用本发明提供的一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法，实现非线性噪声和/或自发辐射噪声限制状态告警，本发明方法具体包括以下步骤：
步骤S10、对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，获得第一光信号。
步骤S20、对所述第一光信号进行延时自相干处理，得到第二光信号；其中，对所述第一光信号进行延时自相干处理采用延时自相干干涉仪完成。
该延时自相干干涉仪的两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源的相干时间，所以，在预先不知道光信号速率的情况下，可以选择略小于光源相干时间的延时差，从而保证系统的正常工作。
步骤S30、将该第二光信号通过光探测器转换为电信号，并进行采样。在本发明中，在进行采样前，需要通过放大电路将光探测器输出的光电流转换为电压信号，并对电压信号进行放大，使电压值与模数转换器的工作电压范围匹配，以便进行采样，将模拟信号转换为数字信号，此时采样结果反映了干涉光强度的变化。
步骤S40、对采样结果进行分布统计分析，绘制出干涉光强度的频率直方图。
步骤S50、对干涉光强度的频率直方图进行特征参数提取分析，根据频率直方图的特征参数，来区分出信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态。
其中，信号性能处于白噪声受限状态时，频率直方图的3dB带宽最窄；处于非线性噪声受限状态时，频率直方图的3dB带宽最宽；处于综合受限状态时，频率直方图的3dB带宽处于两者之间。不同受限状态下，频率直方图的二阶导数也不同。首先，白噪声状态的频率直方图的二阶导数只有一个极大值和一个极小值，随着信号过渡到非线性受限状态，频率直方图二阶导数的极大值和极小值的数量也在上升。
因此，可根据综合带宽和二阶导数的极值个数和大小，判断系统的受限状态。
在步骤S10中，对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，采用基于色散补偿光栅或基于色散补偿光纤的光学色散补偿模块实现。在通过光学色散补偿模块进行色散补偿得到的第一光信号中，残余色散值应该保持在±800ps/nm的范围内，才符合检测要求。
在步骤S20中，延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离或者基于硅基集成的光学器件实现。延时自相干干涉仪两臂之间的延时差可以设定为固定值，也为可以调谐值，利用可调谐延时差，可以收集多组数据进行非线性噪声和自发辐射噪声的区分，能够提高调制格式区分的准确度。延时自相干干涉仪两臂之间的延时差无论是固定值还是可调谐值，延时差的取值范围都需要在光信号的码元周期和光源的相干时间之间。
另外，每当完成一次延时调节后，需要固定当前的延时差一段时间，以保证系统完成后续数据采集。
如图2所示，当延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离的光学器件时，假设进入第一个3dB耦合器的光信号的光场表示为：
Figure BDA0002030980870000071
其中，S(t)为调制信号和噪声引起的光场变化；
Figure BDA0002030980870000072
表示光源线宽等因素的慢变相位变化；j是单位虚数；t是时间自变量；经过第一个3dB耦合器之后，两路光信号的光场分别表示为：
Figure BDA0002030980870000073
Figure BDA0002030980870000074
其中，E1(t)为自相干干涉仪的上臂光信号的光场，E2(t)为自相干干涉仪的下臂光信号的光场，
Figure BDA0002030980870000075
和
Figure BDA0002030980870000076
分别表示第一个3dB耦合器在自相干干涉仪上、下两臂上引起的相位变化；经过码元延时模块后，两路光信号到达第二个3dB耦合器后的光场分别表示为：
Figure BDA0002030980870000081
Figure BDA0002030980870000082
其中，τ表示码元延时模块引起的延时差，
Figure BDA0002030980870000083
和
Figure BDA0002030980870000084
表示自相干干涉仪的上臂和下臂所在链路的其他部分引起的相位变化，S(t-τ)为延时τ时间后的调制信号和噪声引起的光场包络变化；那么，到达光探测器的合光强I0(t)可以表示为：
Figure BDA0002030980870000085
其中，I(t)为入射光强度随时间的变化，I(t-τ)为延时τ之后的信号光强度随时间的变化；
Figure BDA0002030980870000086
为延时τ之后的光场固有相位变化。
与直接检测相比，基于延时自相干的检测引入了额外的项，即
Figure BDA0002030980870000087
其中，第一个中括号中的项，反映了调制信号和噪声对光强度的影响；第二个中括号中的项表示光源线宽对光强度的影响；第三个中括号中的项表示延时自相干干涉仪中两个3dB耦合器引起的相位差对光强度的影响。
一般说来，3dB耦合器引起的相位差是固定的，光源相位噪声引起的光强度变化慢于调制信号和噪声，因此，实际检测到的是调制信号和噪声延时自相干后的光强变化。则于非线性噪声是与信号相关的，自发辐射噪声与信号无关，因此可以根据这一特性，通过后续的数字信号处理将非线性噪声和自发辐射噪声区分开。
在本发明中，步骤S40具体为：
对采样电路输出的采样结果进行统计分析；
根据采样结果的最大值和最小值，把采样结果范围等分成若干段；
统计采样结果落在每一个分段上的频率，从而得到延时相干信号强度分布的频率直方图。
需要说明的是，本发明采用的光探测器、放大电路和采样电路的最小带宽(3dB)应当大于信号波特率的一半。
在本发明中，还包括步骤S60，根据系统受限状态的区分结果输出标识系统受限状态的电信号，显示系统所处的受限状态。例如，当信号性能正常时输出“0”，当信号处在自发辐射噪声受限状态时输出“1”，当信号处在非线性噪声受限状态时输出“2”，当信号处在综合受限状态时输出“3”。
如图3所示，本发明还提供了一种通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分装置，包括：
色散补偿模块10，用于对输入光信号在光纤通信系统中的传输过程中产生的光纤色散进行补偿，获得第一光信号；
延时自相干干涉仪20，用于对第一光信号进行延时自相干干涉处理，得到第二光信号(干涉光信号)；
光探测器30，用于将延时自相干干涉仪20输出的第二光信号转换为电信号；
放大电路40，用于将光探测器30输出的光电流转换为电压信号，并对电压信号进行放大，使电压值与模数转换器的工作电压范围匹配；
采样电路50，用于对放大电路40的电压信号进行采样，输出采样结果，将模拟信号转换为数字信号；
信号强度分布统计模块60，用于对采样结果进行分布统计分析，即根据数字信号的大小范围，将采样值分为若干段，统计每一个分段上采样值的频率；
频率直方图特征提取与分析模块70：用于根据信号强度分布统计模块60的统计分析结果绘制干涉光强度的频率直方图，并提取频率直方图中与非线性噪声和自发辐射噪声区分相关的特征参数；
非线性噪声和自发辐射噪声区分模块80：用于根据从频率直方图中提取出来的特征参数，区分信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态。
在本发明中，还包括输出标识系统受限状态的电信号模块90，用于根据系统受限状态的区分结果输出标识系统受限状态的电信号，显示系统所处的受限状态。
本发明与传统的基于相干检测的非线性噪声和自发辐射噪声区分识别方法相比，只需要一个光探测器对相干光信号进行强度检测，不需要对采样后的信号进行IQ正交化、载波恢复等复杂的数字信号处理，具有系统简单，实现成本低的优点。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10、对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，获得第一光信号；
步骤S20、对所述第一光信号进行延时自相干处理，得到第二光信号；
对所述第一光信号进行延时自相干处理采用延时自相干干涉仪实现，其中：
所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间；
步骤S30、将所述第二光信号转换为电信号，并进行采样；
步骤S40、对采样结果进行分布统计分析，绘制出干涉光强度的频率直方图；
步骤S50、对干涉光强度的频率直方图的特征参数进行提取分析，根据提取到的所述特征参数，区分信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态：
当信号性能处于自发辐射噪声受限状态时，频率直方图的3dB带宽最窄；当信号性能处于非线性噪声受限状态时，频率直方图的3dB带宽最宽；当信号性能处于综合受限状态时，频率直方图的3dB带宽处于两者之间；且
当信号性能处于自发辐射噪声受限状态时,频率直方图的二阶导数只有一个极大值和一个极小值，随着信号性能从自发辐射噪声受限状态过渡到非线性噪声受限状态，频率直方图的二阶导数的极大值和极小值的数量也在上升；
根据频率直方图的3dB带宽以及二阶导数的极大值和极小值的个数来判断系统的受限状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S40包括以下步骤：
对采样结果进行统计分析；
根据采样结果的最大值和最小值，把采样结果范围等分成若干段；
统计采样结果落在每一个分段上的频率，从而得到延时相干信号强度分布的频率直方图。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对光纤通信系统的输入光信号在传输过程中引入的色散进行补偿，采用基于色散补偿光栅或基于色散补偿光纤的光学色散补偿模块实现；且，在通过所述光学色散补偿模块进行色散补偿得到的第一光信号中，残余色散值在±800ps/nm的范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离或者基于硅基集成的光学器件实现。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差为固定值或者可调谐值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤S60，根据系统受限状态的区分结果输出标识系统受限状态的电信号，显示系统所处的受限状态；其中：
当信号性能正常时输出“0”；
当信号处在自发辐射噪声受限状态时输出“1”；
当信号处在非线性噪声受限状态时输出“2”；
当信号处在综合受限状态时输出“3”。
7.一种光纤通信系统中非线性噪声与自发辐射噪声的区分装置，其特征在于，包括：
色散补偿模块，用于对输入光信号在光纤通信系统中的传输过程中产生的光纤色散进行补偿，获得第一光信号；
延时自相干干涉仪，用于对所述第一光信号进行延时自相干干涉处理，得到第二光信号；所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间；
光探测器，用于将所述第二光信号转换为电信号；
放大电路，用于将所述光探测器输出的光电流转换为电压信号，并对电压信号进行放大，使电压值与模数转换器的工作电压范围匹配；
采样电路，用于对所述电压信号进行采样；
信号强度分布统计模块，用于对所述采样的采样结果进行分布统计分析；
频率直方图特征提取与分析模块：用于根据所述信号强度分布统计模块的统计分析结果绘制干涉光强度的频率直方图，并提取频率直方图中与非线性噪声和自发辐射噪声区分相关的特征参数；
非线性噪声和自发辐射噪声区分模块：用于根据从频率直方图中提取出来的特征参数，区分信号性能是处在自发辐射噪声受限的状态、非线性噪声受限的状态或者非线性和自发辐射噪声综合受限的状态：
当信号性能处于自发辐射噪声受限状态时，频率直方图的3dB带宽最窄；当信号性能处于非线性噪声受限状态时，频率直方图的3dB带宽最宽；当信号性能处于综合受限状态时，频率直方图的3dB带宽处于两者之间；且
当信号性能处于自发辐射噪声受限状态时,频率直方图的二阶导数只有一个极大值和一个极小值，随着信号性能从自发辐射噪声受限状态过渡到非线性噪声受限状态，频率直方图的二阶导数的极大值和极小值的数量也在上升；
根据频率直方图的3dB带宽以及二阶导数的极大值和极小值的个数来判断系统的受限状态。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括输出标识系统受限状态的电信号模块，用于根据所述非线性噪声和自发辐射噪声区分模块得到的系统受限状态的区分结果，输出标识系统受限状态的电信号，显示系统所处的受限状态。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述光探测器、放大电路和采样电路的最小带宽大于信号波特率的一半。
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