CN111585657A - 基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案 - Google Patents
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Abstract
基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，它涉及光通讯技术领域。它用于实现在0‑50kHz偏振态旋转速度下对光信号轨迹的跟踪，所述偏振跟踪系统包括：光发射机；用于接收所述光发射机产生的单偏振光信号，且对单偏振光信号进行相干检测的窄带宽相干接收机，所述窄带宽相干接收机输出的x、y偏振电信号为Rx(t)、Ry(t)；用于对所述窄带宽相干接收机输出的四路光电流进行采样以得到四路电信号拼接成两路复数信号的模数变换器；以及，用于对四路数字信号进行分析、处理，以得到偏振信息，并根据偏振信息追踪光纤传输后管信号的偏振态旋转轨迹的数字信号处理模块。采用上述技术方案，具有兼容性强，计算复杂度低，结构简单的优势。
Description
技术领域
本发明涉及光通讯技术领域，具体涉及一种基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案。
背景技术
偏振态旋转(Rotation of State of Polarization，RSOP)是偏振复用(PolarizationDivision Multiplexing，PDM)相干光通信中不容忽视的信道损伤，会使得x、y两路偏振正交的信号发生串扰，接收端对信号进行检测后必须通过数字信号处理(Digital Signal Process，DSP)算法对其旋转矩阵进行正确的估计。因此偏振态旋转与色散、偏振模色散和噪声共同影响着光传输网络的性能，限制了光信号的传输速率与距离。
实际中，光纤的旋转矩阵是随时间渐变的，且在外部应力或极端气候条件下会出现较大的变化。而快速的偏振态旋转不仅会引起偏振模色散矢量方向的剧烈变化，还会造成偏振解复用算法失效，无法正确跟踪传输矩阵的变化，从而无法分离两路偏振正交的光信号，造成系统的比特误码率上升。据报道，机械扰动造成的最快偏振态旋转速度45krad/s；而闪电可造成光纤复合架空地线(Optical Ground Wire，OPGW)中几百krad/s至5.1Mrad/s的偏振态旋转速度。因此在极端气候条件下对光信号偏振态旋转轨迹的跟踪是近年来国际上的研究重点。
恒模算法(Constant Modulus Algorithm，CMA)、多模算法(Multiple ModulusAlgorithm，MMA)以及基于卡尔曼滤波器的各种算法是常见的偏振均衡方案，能够有效的估计和跟踪旋转矩阵的变化，但这些算法的目的大多是解除偏振态旋转引入的串扰，因此运算都较为复杂且收敛速度较慢，甚至极端条件下会出现算法无法收敛的情况。而传统光性能监测技术主要是对光传输网络中光通信设备老化、光纤链路故障以及大风及闪电等极端气候的实时定位监测，而这些光性能监测样机需要分布在电力光网络中大部分节点以及所有终端处，因此要求监测算法简单以及能够用较为便宜的光电器件来完成，而现有的RSOP轨迹跟踪技术都是基于大带宽、高速率模数变换器的，并需要上位机辅助完成。
因此在光传输网络节点以及终端处对偏振态旋转轨迹的跟踪成为了必要，对于保障下一代高速率、大容量光纤通信系统的可靠运行和早日实现动态可重构的弹性光网络系统具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，能够实现在0-50kHz偏振态旋转速度下对光信号轨迹的跟踪，偏振跟踪方案计算复杂度低、结构简单，使用的均为窄带宽、低采样率器件，且兼容其他光性能监测技术，具有兼容性强，计算复杂度低，结构简单的优势。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其用于实现在0-50kHz偏振态旋转速度下对光信号轨迹的跟踪，所述偏振跟踪系统包括：用于产生单偏振光信号的光发射机；用于接收所述光发射机产生的单偏振光信号，且对单偏振光信号进行相干检测以得到四路光电流，并通过相干接收机数学模型将四路电信号拼接成两路复数信号的窄带宽相干接收机，所述窄带宽相干接收机输出的x、y偏振电信号为Rx(t)、Ry(t)；用于对所述窄带宽相干接收机输出的四路光电流进行采样以得到四路电信号拼接成两路复数信号的模数变换器；以及，用于对四路数字信号进行分析、处理，以得到偏振信息，并根据偏振信息追踪光纤传输后管信号的偏振态旋转轨迹的数字信号处理模块。
进一步地，所述光发射机产生的单偏振光信号在时域上可以表示为公式1。
进一步地，去除色散、偏振模色散和放大器自发辐射噪音的效应，经光纤传输后受RSOP效应影响的光信号可以表示为公式2。
进一步地，公式2中的T为任意形的琼斯矩阵，且该琼斯矩阵满足：
其中实数a、b、c和d满足a2+b2+c2+d2＝1。
进一步地，光信号的偏振态可以表示为公式3。
进一步地，两路复数信号能够用一个琼斯矢量表示为公式4。
该方案还包括仿真验证方法，该方法基于偏振态跟踪系统和仿真系统，所述仿真系统包括：光发射机、光传输链路、光接收机及数字信号处理模块；所述方法包括以下步骤：
S1、光发射机产生一束激光，所述激光通过单偏光IQ调制器调制到发射端激光器产生的光载波上得到发射光信号；
S2、发射光信号经过光传输链路之后由偏振控制器对偏振进行矫正，然后通过偏振旋转器调整光纤的偏振旋转速度加入不同的RSOP轨迹；
S3、光接收机接收到发射光信号后对光信号进行相干检测，输出四路光电流，且采用模数变换器对其采样、并输出四路数字信号，四路数字信号分别为x、y偏振态的同相、正交分量Rix、Rqx、Riy、Rqy；
S4、通过数字信号处理模块对数字信号进行分析处理，并将处理结果在庞加莱球上画出经光纤传输后光信号的偏振态旋转轨迹
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：
(1)本发明提出了一种基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案方案，包含了一个本振光源、一台窄带宽相干接收机、4路模数变换器和一个数字信号处理器，能够实现在0-50kHz偏振态旋转速度下对光信号轨迹的跟踪。
(2)偏振跟踪方案对发射信号调制格式和脉冲成型滤波器滚降系数透明，在发射信号波特率较大时也有很好的监测性能，且对噪声有很高的容忍度。
(3)偏振跟踪方案计算复杂度低、结构简单，使用的均为窄带宽、低采样率器件，且兼容其他光性能监测技术方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是光信号的偏振态旋转轨迹在庞加莱球上的示意图；
图2是偏振态旋转轨迹跟踪方案仿真系统结构示意图；
图3是偏振态旋转轨迹跟踪方案仿真结果在庞加莱球上的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
本实施例涉及一种基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其用于实现在0-50kHz偏振态旋转速度下对光信号轨迹的跟踪，偏振跟踪系统包括：用于产生单偏振光信号的光发射机；用于接收光发射机产生的单偏振光信号，且对单偏振光信号进行相干检测以得到四路光电流，并通过相干接收机数学模型将四路电信号拼接成两路复数信号的窄带宽相干接收机，窄带宽相干接收机输出的x、y偏振电信号为Rx(t)、Ry(t)；用于对窄带宽相干接收机输出的四路光电流进行采样以得到四路电信号拼接成两路复数信号的模数变换器；以及，用于对四路数字信号进行分析、处理，以得到偏振信息，并根据偏振信息追踪光纤传输后管信号的偏振态旋转轨迹的数字信号处理模块。
进一步地，光发射机产生的单偏振光信号在时域上可以表示为：
其中，Esx(t)为x偏振光信号；sx(t)为x偏振光信号的调制信号；f0为发射光载波的中心频率。
假设不考虑色散、偏振模色散和放大器自发辐射噪声等效应，经光纤传输后受RSOP效应影响的光信号可以表示为：
Er(t)＝T·Es(t) (2)
其中，T为任意形如
的琼斯矩阵，其中实数a、b、c和d满足a2+b2+c2+d2＝1。此时光信号的偏振态为：
实际中，光纤传输矩阵T的参数并不是固定不变的，因此信号的偏振态在庞加莱球上的位置也是随时间渐变的，甚至在极端气候条件下会出现较大的抖动，如图1所示。
光信号经窄带宽相干接收机相干检测后，可以得到四路光电流。由相干接收机数学模型，四路电信号可以拼接成两路复数信号，并用一个琼斯矢量表示：
其中，Rx(t)、Ry(t)为窄带宽相干接收机输出的x、y偏振电信号；fIF为发射光载波和本振光的频率差；g(t)为窄带宽相干接收机的单位冲激响应，该单位冲激响应可以看作是一个低通滤波器。
可以看到，光信号的偏振信息通过窄带宽相干检测恢复了出来，并根据得到的偏振信息可以追踪经光纤传输后光信号的偏振态旋转轨迹，即还原光纤传输矩阵T的变化轨迹。
本实施例还提供一种仿真验证方法，该方法基于上述所述的偏振跟踪系统和仿真系统，其中，如图2所示，仿真系统包括：光发射机、光传输链路、光接收机及数字信号处理模块；该方法包括以下步骤：
S1、光发射机产生一束激光，激光通过单偏光IQ调制器调制到发射端激光器产生的光载波上得到发射光信号；
S2、发射光信号经过光传输链路之后由偏振控制器对偏振进行矫正，然后通过偏振旋转器调整光纤的偏振旋转速度加入不同的RSOP轨迹；
S3、光接收机接收到发射光信号后对光信号进行相干检测，输出四路光电流，且采用模数变换器对其采样、并输出四路数字信号，四路数字信号分别为x、y偏振态的同相、正交分量Rix、Rqx、Riy、Rqy；
S4、通过数字信号处理模块对数字信号进行分析处理，并将处理结果在庞加莱球上画出经光纤传输后光信号的偏振态旋转轨迹
具体该系统方案的仿真验证如下：
仿真中使用MATLAB数学软件和VPItransmission光学仿真平台搭建如图2所示的偏振态旋转轨迹跟踪方案仿真系统，该系统由光发射机、光传输链路、光接收机和数字信号处理四个模块组成。其中光接收机模块和数字信号处理模块共同构成基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案。
1.光发射机模块
一路脉冲成型滤波器滚降系数为0.35的10G波特率16QAM射频基带信号通过单偏光IQ调制器调制到发射端激光器产生的光载波上，其中心频率f0为193.55THz；光功率为13dBm；线宽为100kHz；频率漂移在正负100MHz以内。
2.光传输链路模块
通过调整光纤的偏振旋转速度加入不同的RSOP轨迹。另外该系统中还加入了放大器自发辐射噪声，整个系统的光信噪比设置为10dB。
3.光接收机模块
本振光源的中心频率为193.55THz；光功率为13dBm；线宽为100kHz；频率漂移在正负100MHz以内。带宽为1GHz的相干接收机对信号光进行检测，输出四路光电流，并用采样率为2.5GSa/s的模数变换器(ADC)对其采样。该模块共输出四路数字信号，分别为x、y偏振态的同相、正交分量Rix、Rqx、Riy、Rqy。
4.数字信号处理模块
首先，通过拼接处理可以得到两路复数信号，即x、y偏振窄带宽时域信号：
Rx＝Rix+jRqx (5)
Ry＝Riy+jRqy (6)
并可用琼斯矢量Rj表示该信号：
其中，N为采样点数。
接下来，由斯托克斯理论，琼斯矢量Rj可以转换为斯托克斯矢量Rs：
最后对Rs分块求平均处理并进行矢量归一化，即可在庞加莱球上画出经光纤传输后光信号的偏振态旋转轨迹。
偏振态旋转轨迹跟踪方案仿真结果如图3所示，该结果表明在快速偏振态旋转下仍能实现对其轨迹的跟踪。
以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，其用于实现在0-50kHz偏振态旋转速度下对光信号轨迹的跟踪，所述偏振跟踪系统包括：
用于产生单偏振光信号的光发射机；
用于接收所述光发射机产生的单偏振光信号，且对单偏振光信号进行相干检测以得到四路光电流，并通过相干接收机数学模型将四路电信号拼接成两路复数信号的窄带宽相干接收机，所述窄带宽相干接收机输出的x、y偏振电信号为Rx(t)、Ry(t)；
用于对所述窄带宽相干接收机输出的四路光电流进行采样以得到四路电信号拼接成两路复数信号的模数变换器；以及，
用于对四路数字信号进行分析、处理，以得到偏振信息，并根据偏振信息追踪光纤传输后管信号的偏振态旋转轨迹的数字信号处理模块。
2.根据权利要求1所述的基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，所述光发射机产生的单偏振光信号在时域上可以表示为公式1。
3.根据权利要求1所述的基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，去除色散、偏振模色散和放大器自发辐射噪音的效应，经光纤传输后受RSOP效应影响的光信号可以表示为公式2。
4.根据权利要求3所述的基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，公式2中的T为任意形的琼斯矩阵，且该琼斯矩阵满足：
其中实数a、b、c和d满足a2+b2+c2+d2＝1。
5.根据权利要求4所述的基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，光信号的偏振态可以表示为公式3。
6.根据权利要求5所述的基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，两路复数信号能够用一个琼斯矢量表示为公式4。
7.根据权利要求6所述的基于低速窄带宽相干接收机的偏振态跟踪系统方案，其特征在于，该方案还包括仿真验证方法，该方法基于偏振态跟踪系统和仿真系统，所述仿真系统包括：光发射机、光传输链路、光接收机及数字信号处理模块；所述方法包括以下步骤：
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