CN113206703B - 一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，提供了一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法及装置。方法包括采用偏振复用光传输信号，并在发射端两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号，方法包括：在接收端，进行偏振解复用后，分别计算两路信号的功率，得到色度色散值；根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值。本发明通过光标记系统不仅能实现传统光标记信号的功能，同时也能有效监控光传输信号经历的色度色散以及偏振模色散而不相互干扰。

Description

一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法及装置

【技术领域】

本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法及装置。

【背景技术】

近年来，随着大量高速(>100Gbit/s)信道的使用，波分复用(WavelengthDivision Multiplexing，简写为：WDM)网络的容量得到了显著的提升。在这样的高速网络中，色散测量(Chromatic Dispersion Measure，简写为：CD) 和偏振模色散测量(Polarization Mode Dispersion Measure，PMD)成为了限制其性能发展的主要因素之一。为了克服这些限制，人们提出并论证了各种色散补偿器/算法。然而在动态网络，只要重新进行网络配置，WDM信道就可能经历不同的CD和PMD。此外，CD和PMD都对环境温度极为敏感。因此，为了有效地补偿CD和PMD，我们需要对它们进行实时准确的监测。

通常情况下可以通过设置导频信号对色度色散进行监控，由于导频信号的功率与色度色散相关因此可以通过该方法估计得到色度色散，然而由于偏振模色散的存在，并且其具有统计特性和时变特性，因此采用导频来监测色散的方法不仅对色度色散敏感，而且对偏振模色散敏感，仅仅通过监控导频信号的功率很难区别两种不同的色散。因此，如何对CD和PMD同时进行有效的监控是光信号监控技术需要面对的重要技术挑战。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是通常情况下可以通过设置导频信号对色度色散进行监控，由于导频信号的功率与色度色散相关因此可以通过该方法估计得到色度色散，然而由于偏振模色散的存在，并且其具有统计特性和时变特性，因此采用导频来监测色散的方法不仅对色度色散敏感，而且对偏振模色散敏感，仅仅通过监控导频信号的功率很难区别两种不同的色散。

本发明采用如下技术方案：

一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，采用偏振复用光传输信号，并在发射端两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号，方法包括：

在接收端，进行偏振解复用后，分别计算两路信号的功率，得到色度色散值；

根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值。

优选的，发射端两个偏振方向包括光传输信号X和光传输信号Y，功率值和色度色散正相关，所述光传输信号X的光功率P_x的关系式为：

其中k表示相关系数，c表示光速，λ表示波长，m表示调制指数，f表示子载波频率，D表示色散系数，L表示光纤长度；

根据所述P_x查表得到相应的光纤色度色散CD值C_x。

优选的，所述光功率P_x的计算方法为：

对于光传输信号X，将其接收得到的数字信号采用n点FFT运算恢复到频域信息，设定检测得到该波长的子载波分别为S_x1,S_x2,...,S_xm，计算得到其功率为：

光纤色度色散CD值同接收到的子载波功率正相关，在查表已知色度色散CD 值的条件下，根据所述关系式和

得到子载波功率同色度色散值之间的对应关系。

优选的，以X偏振或Y偏振任一作为色度色散值。

优选的，所述根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值，具体包括：

设定光传输信号X和光传输信号Y之上的色度色差CD的差值为z；

设定偏振模色散PMD值y同CD差值z关系如下：

y＝a₀+a₁z+a₂z²+…+a_nzⁿ；

A＝[a₀,a₁,a₂,…,a_n]；

其中，A为n次多项式的系数向量；

设定M次采用数据集为：

T＝[(z₁,y₁),(z₂,y₂),…,(z_M,y_M)]；

其中，z_i∈R是输入z的测量值，y_i∈R是相应的输出y的测量值，i＝1,2,…,M；

y_i＝a₀+a₁z_i+a₂z_i ²+…+a_nz_i ⁿ，i＝1,2,…,M；

采用最小二乘法计算M测量的平方误差为：

当误差最小是，其偏导为零，

设

得到方程Z^T·Z·A＝Z·Y求解得到A；

从而确定PMD值y和测量CD差值z的关系，通过测量CD差值即可得到估计的PMD值。

优选的，所述光标记信号采离散傅里叶逆变换IDFT的调制方式，光标记信号由一个或者多个频率组成。

优选的，在WDM系统中，每个通道波长的光信号中的一个或者多个光信号中添加所述光标记信号，其中，每个通道波长的光信号是由两个偏振方向的信号合成，所述两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号。

优选的，用于光标记功能，从两路信号之一进行信号解调实现。

优选的，所述方法具体包括：

在接收端，光信号通过分波器，第一比例的端口输出的光信号将继续在光纤链路中进行传输或者进行解调，第二比例的端口输出的光信号将进行光标记信号解调。

第二方面，本发明还提供了一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测装置，用于实现第一方面所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，所述装置包括：

至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，用于执行第一方面所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法。

第三方面，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，用于完成第一方面所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法。

本发明通过光标记系统不仅能实现传统光标记信号的功能，同时也能有效监控光传输信号经历的色度色散以及偏振模色散而不相互干扰。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种实施色度色散以及偏振模色散监测的系统的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种标记信号频谱示意图；

图4是本发明实施例提供的一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测装置结构示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前现有技术所采用的光标记系统可以看成是一种多波长多频点的导频系统，他不仅具有原有导频系统的一些特性如电功率同色散相关，而且具备一些其他光标记特性，如能通过不同频率区别不同波长，同时每波长能够独立的传输所需的波长标记信息比特。

由于导频的电功率同色散相关，包括色度色散和偏振模 色散，如果直接对信号进行强度检测，是无法区分两者对所检测到的电功率的影响。因此，本发明在所采用的标记系统中在接收端在偏振解复用后分别检测其对应的标签信号的功率，这样其功率值仅仅同色度色散相关，而同偏振模 色散无关，其两个偏振方向CD差值仅仅同偏振模 色散相关，所以可以通过我们所提供的光标记调制以及解调的方案很好对两者进行区别，而不会产生相互干扰。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，如图1所示，包括：

在步骤201中，采用偏振复用光传输信号，并在发射端两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号。

其中，作为可选的实现方式之一，所述光标记信号采离散傅里叶逆变换IDFT 的调制方式，光标记信号由一个或者多个频率组成。

在步骤202中，在接收端，进行偏振解复用后，分别计算两路信号的功率，得到色度色散值。

例如：在光纤传输系统的待测节点处，将所需色度色散CD测量和/或偏振模色散PMD测量的波长信号进行光标记信号的提取。

在步骤203中，根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值。

例如：根据提取到的光标记信号，通过预设公式换算得到两偏振方向的色度色散CD，和/或根据两偏振方向色度色散的差值得到其偏振模色散PMD。

本发明实施例通过光标记系统不仅能实现传统光标记信号的功能，同时也能有效监控光传输信号经历的色度色散以及偏振模色散而不相互干扰。

在本发明实施例中，在步骤201中涉及的发射端两个偏振方向包括光传输信号X和光传输信号Y，相应的在步骤203中涉及的所述预设公式具体为：

功率值和色度色散正相关，所述预设公式为：

其中k表示相关系数，c表示光速，λ表示波长，m表示调制指数，f表示子载波频率，D表示色散系数，L表示光纤长度；

根据所述P_x查表得到相应的光纤色度色散CD值C_x；

对于光传输信号Y，以与光传输信号X同样原理，查表对应得到其光纤色度色散CD值为C_y；此处的查表为现有技术，并非我们的实质性改进点，在此不过多赘述。在具体实现过程中，以X偏振或Y偏振任一作为色度色散值即可。

本发明实施例还提供了所述光功率P_x的计算方法为：对于光传输信号X，将其接收得到的数字信号采用n点FFT运算恢复到频域信息，设定检测得到该波长的子载波分别为S_x1,S_x2,...,S_xm，计算得到其功率为：

光纤色度色散CD值同接收到的子载波功率正相关，在查表已知色度色散CD 值的条件下，根据所述预设公式和

得到子载波功率同色度色散值之间的对应关系。

作为本发明实施例除了色度色散CD测量以外，另一需要测量的偏振模色散 PMD，也提供了一种具体的实现方式，其中，所述根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值，具体包括：

设定光传输信号X和光传输信号Y之上的色度色差CD的差值为z；

设定偏振模色散PMD值y同CD差值z关系如下：

y＝a₀+a₁z+a₂z²+…+a_nzⁿ；

A＝[a₀,a₁,a₂,…,a_n]；

其中，A为n次多项式的系数向量；

设定M次采用数据集为：

T＝[(z₁,y₁),(z₂,y₂),…,(z_M,y_M)]；

其中，z_i∈R是输入z的测量值，y_i∈R是相应的输出y的测量值，i＝1,2,…,M；

y_i＝a₀+a₁z_i+a₂z_i ²+…+a_nz_i ⁿ，i＝1,2,…,M；

采用最小二乘法计算M测量的平方误差为：

当误差最小时，其偏导为零，

设

得到方程Z^T·Z·A＝Z·Y求解得到A；

从而确定PMD值y和测量CD差值z的关系，通过测量CD差值即可得到估计的PMD值。

在本发明实施例中，提出了分偏振检测到的CD值同功率相关，不受PMD影响，这样差值就只和PMD相关而与CD无关。

作为本发明实施例的一种实例场景，在WDM系统中，每个通道波长的光信号中的一个或者多个光信号中添加所述光标记信号，其中，每个通道波长的光信号是由两个偏振方向的信号合成，所述两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号。

在本发明实施例中，在具体实现过程中，所述方法还包括：

在光纤传输系统的待测节点处，将所需测量CD和/或PMD的波长信号进行提取，分光后通过偏振控制器将偏振复用的两传输光信号进行分离，对两路光信号分别通过光电探测器进行接收，然后将模拟电信号转换为数字信号。

实施例2:

本发明实施例用于提供一种CD以及PMD监测装置可以用于运行如实施例1 所述的方法过程，该CD和PDM监测装置可用于WDM光纤通信系统的节点端和接收终端。该实施方式的装置图如图2所示，假设WDM系统中通道数为N，各个通道之间的波长间隔为50/100GHz，通常情况下，骨干中多为传输的偏振复用的光信号，因此，假定对于波长1设其传输的偏振复用信号为单偏振光传输信号X 和单偏振光传输信号Y。将这两路独立的已调制的光信号，进行偏振合束之前分别进行光标记调制，即将光标记信号通过一个强度调制装置加载到光传输信号上去。

具体来说，该光标记信号类似于OFDM调制，首先将要调制光标记信号进行符号映射，使其分布在对应的频域区域内，由于采用WDM系统，不同波长将分布处于不同的频率窗口内，如图3所示，波长标签所需传输的比特首先需要进行符合映射转换为所需传输的符号，然后将其排布在不同的频率位置，其对应的频率点为1,2，…,i,i+1…,m-k+1,m-k+2,…m，而λ1，λ2，λ3，λn分别对应的频率窗户为图上所显示。之后将已映射好的数据符号采用n点的IDFT变换使其变换为时域信号，并通过强度调制装置加载到光传输信号上去(这部分调制技术主要参考OFDM调制方案，其传输符号，调制强度，调制频率可以参考OFDM 调制技术根据不同的应用环境进行设置，不属于本发明的实质改进点，在此不过多赘述)。最后将两偏振已加载光标记信号的光传输信号进行偏振合束，形成波长信号1，对应其他的波长信号都采用同样的方法使得其产生对应的光标记信号，之后将所有波长信号进行合波输入到光纤链路中进行传输。

参见图3所示，在本发明实施例中，划定用于标签调制的频带为从低频f_L到高频f_H，带宽为B，离散傅里叶变换的长度为N，采样率为Sa，可以得到相邻两个多子载波间的频率间隔Δf＝Sa/N，多子载波数量为m，则m＝(f_H-f_L)/Δf，且这m个多子载波的序列号分别记为1～m。

当需要加载波长标签信号的波长数量为n时，波长分别记为λ1～λn，将 m个多子载波对应分配给n个波长，则波长λ1对应的多子载波的序列号分别为1，2……i；波长λ2对应的多子载波的序列号分别为i，i+1……i+j；依次类推，波长λn对应的多子载波的序列号为m-k+1，m-k+2，……，m，将该序列号作为该波长标签信号的地址编码。

当波长为λ1的光信号需要加载标签信号时，则将地址编码为1～i的多子载波进行填充，如均填充为1，之后再生成标签调制信号，加载到该光信号上，以此类推，在此不再赘述。

在接收端，光信号首先通过分波器进行分波，之后提取对应波长的信号，以波长信号1为例，该波长信号1输出后对其进行分光处理，99％端口输出的光信号将继续在光纤链路中进行传输或者进行解调，1％端口输出的光信号将进行光标记信号解调。由于该方案是同光标签系统相兼容的(详见申请号为 CN201911398511.2，专利名称为“一种基于多载波技术的波长标签的传输方法及装置”的在先专利，本发明可以理解是在其实现基础上的在特定应用实例下的进一步改进方案)，如果仅仅检测标签信号信息而不检测CD以及PDM的值可以同原有光标记系统一样，如图2，波长信号2所示，仅通过一个PD检测其分光信号，之后通过ADC采用以及数字信号处理器处理，以解调光标记信号中所传输的信息。对本专利而言，为了进行检测CD和PMD的信息，首先将分光后的 1％的信号利用偏振控制器进行偏振分束，分离两独立且携带光标记的光传输信号X和光传输信号Y，然后通过光电探测器(PD)，将两路光信号分别转换为电信号，之后再通过ADC进行采样将模拟信号转换为数字信号，最后通过数字信号处理器进行计算得到CD以及PMD的值。而相应的计算方法在实施例1中已经详尽阐述，在此不再赘述。

实施例3:

如图4所示，是本发明实施例的波分复用的色度色散和偏振模色散监测装置的架构示意图。本实施例的波分复用的色度色散和偏振模色散监测装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图4中以一个处理器21为例。

处理器21和存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。

存储器22作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序和非易失性计算机可执行程序，如实施例1中的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法。处理器21通过运行存储在存储器22中的非易失性软件程序和指令，从而执行波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法。

存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器22可选包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器21。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述程序指令/模块存储在所述存储器22中，当被所述一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1中的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，例如，执行以上描述的图1所示的各个步骤。

值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，采用偏振复用光传输信号，并在发射端两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号，方法包括：

在接收端，进行偏振解复用后，分别计算两路信号的功率，得到色度色散值；

根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值；

所述根据两路信号光的色度色差差值，计算出偏振色散值，具体包括：

设定两路信号光的色度色差CD的差值为z；

设定偏振模色散PMD值y同CD差值z关系如下：

y＝a₀+a₁z+a₂z²+…+a_nzⁿ；

A＝[a₀，a₁，a₂，...，a_n]；

其中，A为n次多项式的系数向量；

设定M次采用数据集为：

T＝[(z₁，y₁)，(z₂，y₂)，...，(z_M，y_M)]；

其中，z_i∈R是输入z的测量值，y_i∈R是相应的输出y的测量值，i＝1，2，…，M；

y_i＝a₀+a₁z_i+a₂z_i ²+…+a_nz_i ⁿ，i＝1，2，…，M；

采用最小二乘法计算M测量的平方误差为：

当误差最小时 ，其偏导为零，

设

得到方程Z^T·Z·A＝Z·Y求解得到A；

从而确定PMD值y和测量CD差值z的关系，通过测量CD差值即可得到估计的PMD值。

2.根据权利要求1所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，发射端两个偏振方向包括光传输信号X和光传输信号Y，功率值和色度色散正相关，所述光传输信号X的光功率P_x的关系式为：

其中k表示相关系数，c表示光速，λ表示波长，m表示调制指数，f表示子载波频率，D表示色散系数，L表示光纤长度；

根据所述P_x查表得到相应的光纤色度色散CD值C_x。

3.根据权利要求2所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，所述光功率P_x的计算方法为：

对于光传输信号X，将其接收得到的数字信号采用n点FFT运算恢复到频域信息，设定检测得到该波长的子载波分别为S_x1，S_x2，...，S_xm，计算得到其功率为：

光纤色度色散CD值同接收到的子载波功率正相关，在查表已知色度色散CD值的条件下，根据所述关系式和

得到子载波功率同色度色散值之间的对应关系。

4.根据权利要求1-3任一所述波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，以X偏振或Y偏振任一作为色度色散值。

5.根据权利要求1-3任一所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，所述光标记信号采离散傅里叶逆变换IDFT的调制方式，光标记信号由一个或者多个频率组成。

6.根据权利要求1所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，在WDM系统中，每个通道波长的光信号中的一个或者多个光信号中添加所述光标记信号，其中，每个通道波长的光信号是由两个偏振方向的信号合成，所述两个偏振方向上同时添加相同的光标记信号。

7.根据权利要求1所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，用于光标记功能，从两路信号之一进行信号解调实现。

8.根据权利要求1所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法，其特征在于，所述方法具体包括：

在接收端，光信号通过分波器，第一比例的端口输出的光信号将继续在光纤链路中进行传输或者进行解调，第二比例的端口输出的光信号将进行光标记信号解调。

9.一种波分复用的色度色散和偏振模色散监测装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，用于执行权利要求1-8任一所述的波分复用的色度色散和偏振模色散监测方法。

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