CN113381809B - 一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法：在发射端信号中插入串扰探针，对信号做预编码的预处理，并对经过预编码的信号进行离散多音频调制，并添加循环前缀；将调制后信号经过电光调制器加载到光载波上，将加载了调制后信号的光载波通过多芯光纤传输；对接收的光信息进行采样并进行帧同步后进行解离散多音频调制和信道均衡，并解预编码得到串扰探针值，提取传输的信号；分别在预热状态和工作状态下监测系统工作状态。本发明实现了串扰监测与信号传输同时进行，使得利用多芯光纤进行空分复用信号传输时对信道中出现的串扰现象的监测成为可能。本发明还提供了相应的基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知系统。

Description

一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法与系统

技术领域

本发明属于光纤通信系统领域，更具体地，涉及一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法与系统。

背景技术

光通信网络包括了广大的应用场景区域，覆盖传送、接入、数通等产品线。其中短距互联场景主要涵盖数据中心光连接和80km以下的互联场景。近年来，随着智能终端的普及和新型网络业务的发展，网络流量呈爆炸式增长，给通信系统的容量带来了巨大的压力。为了满足海量的数据传输需求，多种复用方式被提出，其中最容易实现的方式是空分复用，通过多个信道并行地传输，在单路条件不变的前提下利用空间维度进一步提高数据中心内部及数据中心间的数据传输能力，成倍地增长传输容量。

多芯光纤为在共同包层中包含多个单模纤芯，每个纤芯为一个传输通道，实现传输容量快速增长。但是由于较小的纤芯间距致使不同纤芯光脉冲相互耦合，会产生严重的芯间串扰现象，引起系统传输质量的下降，具体表现为误码率的随机大幅度波动。因此对芯间串扰的监测对于利用多芯光纤做空分复用大容量传输的系统而言，对实时的芯间串扰大小的监测显得尤为重要。而目前已有的芯间串扰监测方案无法做到信号传输和串扰监测同时进行，并且普遍的串扰监测都要求较长时间的信号功率平均(>100ms)，对于越来越高波特率的信号来说损失太大。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于DMT的多芯光纤传输感知方法，该方案基于预编码离散多音频调制(Discrete Multi-Tone，DMT)格式实现实时多芯光纤串扰监测传输感知一体化，能够同时实现信号传输和芯间串扰实时监测，并根据监测到的芯间串扰大小对系统的传输性能进行评估。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，包括：

(1)在发射端信号中插入串扰探针，对信号做预编码的预处理，并对经过预编码的信号进行离散多音频调制，并添加循环前缀；

(2)将步骤(1)得到的调制后信号经过电光调制器加载到光载波上，将加载了调制后信号的光载波通过多芯光纤传输；

(3)对接收的光信息进行采样并进行帧同步后进行解离散多音频调制和信道均衡，并解预编码得到串扰探针值，提取传输的信号；

(4)分别在预热状态和工作状态下监测系统工作状态。

本发明的一个实施例中，所述步骤(1)包括：

(1.1)在发射端信号中插入串扰探针用以作为串扰监测；

(1.2)对插入了串扰探针的每一帧信号进行预编码操作；

(1.3)将经过了预编码操作得到的序列进行离散多音频调制，得到经过离散多音频调制的实数序列；

(1.4)在得到的实数序列前添加循环前缀，用以避免同步错位对信号恢复带来的影响。

本发明的一个实施例中，所述步骤(2)包括：

(2.1)将步骤(1)得到的调制后的数字信号使用任意信号发生器变成模拟电信号输出；

(2.2)通过任意信号发生器产生的电信号连接到马赫曾德强度调制器的射频口；马赫曾德强度调制器的偏置电压设置操作如下：先通过增大偏置电压使得通过马赫曾德强度调制器的光功率达到最大，再逐渐降低偏置电压使输出光功率为最大光功率的一半，此时的偏置电压点为马赫曾德强度调制器的偏置电压；

(2.3)将经过马赫曾德强度调制器调制了电信号的光载波通过多芯光纤传输。

本发明的一个实施例中，所述步骤(3)包括：

(3.1)使用集成光电二极管将光信号转换为电信号；

(3.2)将模拟的电信号通过采样得到数字信号；

(3.3)对数字信号进行帧同步；

(3.4)对同步后的信号解离散多音频调制和信道均衡；

(3.5)将经过均衡的信号进行解预编码；

(3.6)从解预编码后的信号中得到串扰探针值；

(3.7)从解预编码后的信号中提取传输的信号。

本发明的一个实施例中，所述步骤(4)包括：

(4.1)系统工作在预热状态：预热状态下步骤(3.7)中得到的比特序列在发送的时候是已知的，将接收到的与发送的时候对比，得到误码率；将系统误码率以软硬判决门限为标准划分为三个误码率级别；根据得到的各误码率级别对应的串扰探针值的概率分布情况计算不同串扰探针值对应系统处于各误码率级别的概率；根据得到的概率分布情况将不同串扰探针值下的系统状态划分为4个等级；

(4.2)系统运行在工作状态：依据系统的串扰探针值与系统传输性能的关系标准，根据实时监测到的该系统的串扰探针值对该系统的系统传输性能进行评估。

本发明的一个实施例中，在所述步骤(1.1)中：

串扰探针插入在每一帧信号中，插入的位置可以在除了0号子载波以外的任意位置，插入的数量取决于希望达到的系统抗白噪声能力，插入数目越多，抗白噪声能力越强。

本发明的一个实施例中，在所述步骤(1.3)中：首先对该序列进行复共轭操作，得到的新的序列逆序接在该序列之后；然后对拼接而成的新序列进行快速傅里叶逆变换操作，得到经过离散多音频调制的实数序列。

本发明的一个实施例中，在所述步骤(3.4)中：从最佳时刻起将接收信号分割为训练序列与信号，对信号进行串并转换，将信号分割成并行的帧序列，对每一帧序列做快速傅里叶变换；将接收到的训练序列与发送的训练序列相除，采用迫零算法进行频域的信道计算，使用计算得到的信道逆响应对快速傅里叶变换后的信号相乘，进行频域均衡。

本发明的一个实施例中，在所述步骤(3.5)中：从解预编码后的信号中对应串扰探针子载波中出找到串扰探针，计算所有串扰探针的平均功率，并将其与所有信号的平均功率相除，得到相对串扰探针值；根据不同的信号调制格式对噪声的抗干扰能力不同，为了统一串扰探针值与系统误码率级别的关系引入调整因子与相对串扰探针值相乘，得到串扰探针值。

按照本发明的另一方面，还提供了一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知系统，包括发送端、传输链路和接收端，其中：

在发送端中，采用工作在C-波段的可调激光器作为光源，待发送信号经插入串扰探针、预编码、离散多音频调制、添加循环前缀和训练序列后，由任意波形发生器完成数模转换得到模拟信号，经电放大器放大后，驱动调制器产生调制后的光信号，并由耦合器耦合入多芯光纤构成的传输链路；采用工作在C-波段的可调激光器作为串扰芯光源，经由耦合器耦合入多芯光纤构成的传输链路，用于模拟实际传输中的串扰来源；

在接收端首先对接收信号进行预处理，利用帧同步取出完整的数据，然后去除循环前缀，进行解离散多音频调制和解预编码；一方面提取出串扰探针并计算串扰探针值；另一方面信号符号经过判决后与发送端信号序列比较计算误码率，用以得到系统性能与串扰探针值的关系；

在得到系统性能与串扰探针值的关系后，该系统在工作状态下，根据获得的串扰探针值对系统性能进行评估。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明实现了串扰监测与信号传输同时进行，使得利用多芯光纤进行空分复用信号传输时对信道中出现的串扰现象的监测成为可能；

(2)本发明的串扰监测方案实现的串扰监测频率取决于传输的信号的波特率与人为选取的用于抗系统噪声干扰的平均信号帧帧数，在20G波特率、FFT点数为1024、CP长度为10的信号结构下，取100帧信号用于抗系统噪声平均，获得每个串扰探针值所需时间小于10微秒，远小于传统监测串扰所需的100毫秒时间长度；

(3)本发明提供的基于获取的串扰探针值的系统传输性能监测方法可以较为简单和快速准确地提供对于串扰引起的系统传输性能下降的监测，预防故障的发生。

附图说明

图1是本发明提供的基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法的原理示意图；

图2是本发明实施例中串扰探针插入的示意图；

图3是本发明提供的一种多芯光纤传输的示意图；

图4是本发明实施例中不同误码率等级的串扰探针值分布概率图；

图5是本发明实施例中不同串扰探针值对应误码率等级的概率图。

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。

如图1所示，本发明提供了一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，包括：

(1)在发射端信号中插入串扰探针，对信号做预编码的预处理，并对经过预编码的信号进行离散多音频调制，并添加循环前缀，包括：

(1.1)在发射端信号中适当位置插入串扰探针用以作为串扰监测；

具体地，如图2所示，串扰探针插入在每一帧信号中，插入的位置可以在除了0号子载波以外的任意位置，插入的数量取决于希望达到的系统抗白噪声能力。插入数目越多，抗白噪声能力越强。具体的插入方式体现为对应位置的符号置0。

在本步骤中，串扰探针插在子载波序号为251～255的位置。

随机产生一组二进制符号序列作为测试的信号。

本步骤中，信号符号采用16正交幅度相位调制的形式，用于计算误码率的数据帧选取为100帧；

(1.2)对插入了串扰探针的每一帧信号进行预编码操作；

具体地，用一个N乘N的正交归一可逆的矩阵对该帧信号进行相乘，N取决于该帧信号设定的长度，在本步骤中，N取512；

优选地，在本步骤中，优先采用离散傅里叶变换矩阵作为该矩阵，由于该矩阵实现起来更快；

(1.3)将经过了预编码操作得到的序列进行离散多音频调制，得到经过离散多音频调制的实数序列；

具体地，首先对该序列进行复共轭操作，得到的新的序列逆序接在该序列之后。然后对拼接而成的新序列进行快速傅里叶逆变换操作，得到经过离散多音频调制的实数序列。

(1.4)在得到的实数序列前添加循环前缀，用以避免同步错位对信号恢复带来的影响；

具体地，在信号帧前面添加适当数目个训练序列帧，用于接收端信道均衡操作。在本步骤中，循环前缀个数选取为10个，训练序列帧选取为20个。

(2)将步骤(1)得到的调制后信号经过电光调制器加载到光载波上，将加载了调制后信号的光载波通过多芯光纤传输，包括：

(2.1)将步骤(1)得到的调制后的数字信号使用任意信号发生器变成模拟电信号输出。

(2.2)通过任意信号发生器产生的电信号连接到马赫曾德强度调制器的射频口；马赫曾德强度调制器的偏置电压设置操作如下：先通过增大偏置电压使得通过马赫曾德强度调制器的光功率达到最大，再逐渐降低偏置电压使输出光功率为最大光功率的一半，此时的偏置电压点为马赫曾德强度调制器的偏置电压。

(2.3)将经过马赫曾德强度调制器调制了电信号的光载波通过多芯光纤传输。

如图3所示，步骤(1.4)中得到的实数序列使用任意信号发生器输出，通过调制器调制到光载波上，经由耦合器注入到多芯光纤中。在接收端对应纤芯处用光电探测器接收后使用示波器采样，进行接收端的数字信号处理。同时，串扰芯光源产生的激光经由耦合器注入到多芯光纤的另一个纤芯中用于产生芯间串扰。在接收端对应纤芯处通过光功率计监测其功率。

本步骤中，任意波形发生器产生的信号的符号速率为20G波特。

本步骤中，信号芯光源产生的激光波长为1550nm，串扰芯光源产生的激光波长分别设定为1550nm、1550.01nm、1550.05nm、1550.08nm用以比较不同波长差的串扰对本发明的影响。所用的多芯光纤为3.5km长的弱耦合七芯光纤，芯间距为41.5微米，包层直径150微米，对应的相邻纤芯间的串扰大约为-11dB每100km。

(3)对接收的光信息进行采样并进行帧同步后进行解离散多音频调制和信道均衡，并解预编码得到串扰探针值，提取传输的信号；包括：

(3.1)使用集成光电二极管将光信号转换为电信号。

(3.2)将模拟的电信号通过采样得到数字信号。

(3.3)对数字信号进行帧同步。

具体地，得到的信号使用Schmidl-Cox同步算法进行同步，确定离散多音信号接收开始的最佳时刻。

(3.4)对同步后的信号解离散多音频调制和信道均衡。

具体的，从最佳时刻起将接收信号分割为训练序列与信号，对信号进行串并转换，将信号分割成并行的帧序列，对每一帧序列做快速傅里叶变换；将接收到的训练序列与发送的训练序列相除，采用迫零算法进行频域的信道计算，使用计算得到的信道逆响应对快速傅里叶变换后的信号相乘，进行频域均衡。

(3.5)将经过均衡的信号进行解预编码。

具体地，使用发射端预编码矩阵的逆矩阵与每一帧经过均衡的信号相乘，得到的序列即为解预编码后的信号。

(3.6)从解预编码后的信号中得到串扰探针值。

具体的，从解预编码后的信号中对应串扰探针子载波中出找到串扰探针，计算所有串扰探针的平均功率，并将其与所有信号的平均功率相除，得到相对串扰探针值。根据不同的信号调制格式对噪声的抗干扰能力不同，为了统一串扰探针值与系统误码率级别的关系引入调整因子与相对串扰探针值相乘，得到串扰探针值。

本步骤中，调整因子取3。

(3.7)从解预编码后的信号中提取传输的信号。

具体的，从解预编码后的信号中对应信号子载波中提取出符号，对其进行判决，恢复出接收端的二进制比特序列，完成信号传输。

(4)分别在预热状态和工作状态下监测系统工作状态；包括：

(4.1)系统运行在预热状态。

具体的，预热状态下步骤(3.7)中得到的比特序列在发送的时候是已知的，将其与发送的时候对比，得到误码率。将系统误码率以软硬判决门限为标准划分为三个误码率级别。

根据步骤(3.6)得到的串扰探针值和对应得到的系统误码率级别的统计情况绘制各误码率级别对应的串扰探针值的概率分布情况，结果如图4所示。

根据得到的各误码率级别对应的串扰探针值的概率分布情况计算不同串扰探针值对应系统处于各误码率级别的概率；

具体地，在预热状态下；

(1)收集不同系统链路条件(信号光的入纤光功率、信号光的接收光功率、串扰光的入纤光功率)下的串扰探针值以及对应的系统传输误码率；

(2)将获得的系统传输误码率根据标准软硬判决门限(2.2e-2，3.8e-3)划分为三个级别：低误码率(<3.8e-3)，中误码率(>3.8e-3并且<2.2e-2)，高误码率(>2.2e-2)；

(3)统计不同误码率级别条件下串扰探针值的分布概率函数；

(4)根据(3)中得到的分布概率函数得出串扰探针值对应系统误码率出现在不同级别的概率；

(5)根据(4)中得到的概率分布情况将不同串扰探针值下的系统状态划分为4个等级，分别为：正常(该状态下系统误码率为低误码率的概率为100％)，弱警告(该状态下系统误码率为中误码率的概率在50％以下)，强警告(该状态下系统误码率为中误码率的概率在50％以上，但是系统误码率为高误码率的概率为0)，中断(该状态下系统误码率为高误码率的概率>0)；结果如图5所示。

(4.2)系统运行在工作状态。

具体的，以图5为该系统的串扰探针值与系统传输性能的关系标准，根据实时监测到的该系统的串扰探针值对该系统的系统传输性能进行评估。

实施例

如图3所示，实施例提供了一种典型的多芯光纤传输系统示意图，包括发送端、传输链路和接收端三部分。

在发送端中，采用工作在C-波段的可调激光器作为光源，待发送信号经插入串扰探针、预编码、离散多音频调制、添加循环前缀和训练序列后，由任意波形发生器完成数模转换得到模拟信号，经电放大器放大后，驱动调制器产生调制后的光信号，并由耦合器耦合入多芯光纤构成的传输链路的1号纤芯；

采用工作在C-波段的可调激光器作为串扰芯光源，经由耦合器耦合入多芯光纤构成的传输链路的2号纤芯，用于模拟实际传输中的串扰来源；

传输链路为3.5km长的弱耦合七芯光纤，芯间距为41.5微米，包层直径150微米，对应的相邻纤芯间的串扰大约为-11dB每100km；

在接收端，光信号经光电探测器接收转换成电信号，并经示波器进行显示和存储，在接收端数字信号处理模块中进行离线处理。

在接收端首先需要对接收信号进行预处理，利用帧同步取出完整的数据，然后去除循环前缀，进行解离散多音频调制和解预编码。一方面提取出串扰探针并计算串扰探针值。另一方面，信号符号经过判决后与发送端信号序列比较计算误码率，用以得到系统性能与串扰探针值的关系。

在得到系统性能与串扰探针值的关系后，该系统可以工作在工作状态下，根据获得的串扰探针值对系统性能进行评估。

本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，其特征在于，包括：

（1）在发射端信号中插入串扰探针，对信号做预编码的预处理，并对经过预编码的信号进行离散多音频调制，并添加循环前缀；串扰探针插入在每一帧信号中，插入的位置可以在除了0号子载波以外的任意位置，具体的插入方式体现为对应位置的符号置0；

（2）将步骤（1）得到的调制后信号经过电光调制器加载到光载波上，将加载了调制后信号的光载波通过多芯光纤传输；

（3）对接收的光信息进行采样并进行帧同步后进行解离散多音频调制和信道均衡，并解预编码得到串扰探针值，提取传输的信号；包括：（3.1）使用集成光电二极管将光信号转换为电信号；（3.2）将模拟的电信号通过采样得到数字信号；（3.3）对数字信号进行帧同步；（3.4）对同步后的信号解离散多音频调制和信道均衡；（3.5）将经过均衡的信号进行解预编码；（3.6）从解预编码后的信号中得到串扰探针值；包括：从解预编码后的信号中对应串扰探针子载波中出找到串扰探针，计算所有串扰探针的平均功率，并将其与所有信号的平均功率相除，得到相对串扰探针值；根据不同的信号调制格式对噪声的抗干扰能力不同，为了统一串扰探针值与系统误码率级别的关系引入调整因子与相对串扰探针值相乘，得到串扰探针值；（3.7）从解预编码后的信号中提取传输的信号；

（4）分别在预热状态和工作状态下监测系统工作状态；包括：（4.1）系统工作在预热状态：预热状态下步骤（3.7）中得到的比特序列在发送的时候是已知的，将接收到的与发送的时候对比，得到误码率；将系统误码率以软硬判决门限为标准划分为三个误码率级别；根据得到的各误码率级别对应的串扰探针值的概率分布情况计算不同串扰探针值对应系统处于各误码率级别的概率；根据得到的概率分布情况将不同串扰探针值下的系统状态划分为4个等级；（4.2）系统运行在工作状态：依据系统的串扰探针值与系统传输性能的关系标准，根据实时监测到的该系统的串扰探针值对该系统的系统传输性能进行评估。

2.根据权利要求1所述的基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，其特征在于，所述步骤（1）包括：

（1.1）在发射端信号中插入串扰探针用以作为串扰监测；

（1.2）对插入了串扰探针的每一帧信号进行预编码操作；

（1.3）将经过了预编码操作得到的序列进行离散多音频调制，得到经过离散多音频调制的实数序列；

（1.4）在得到的实数序列前添加循环前缀，用以避免同步错位对信号恢复带来的影响。

3.根据权利要求1或2所述的基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，其特征在于，所述步骤（2）包括：

（2.1）将步骤（1）得到的调制后的数字信号使用任意信号发生器变成模拟电信号输出；

（2.2）通过任意信号发生器产生的电信号连接到马赫曾德强度调制器的射频口；马赫曾德强度调制器的偏置电压设置操作如下：先通过增大偏置电压使得通过马赫曾德强度调制器的光功率达到最大，再逐渐降低偏置电压使输出光功率为最大光功率的一半，此时的偏置电压点为马赫曾德强度调制器的偏置电压；

（2.3）将经过马赫曾德强度调制器调制了电信号的光载波通过多芯光纤传输。

4.根据权利要求2所述的基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，其特征在于，在所述步骤（1.3）中：首先对该序列进行复共轭操作，得到的新的序列逆序接在该序列之后；然后对拼接而成的新序列进行快速傅里叶逆变换操作，得到经过离散多音频调制的实数序列。

5.根据权利要求1所述的基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知方法，其特征在于，在所述步骤（3.4）中：从最佳时刻起将接收信号分割为训练序列与信号，对信号进行串并转换，将信号分割成并行的帧序列，对每一帧序列做快速傅里叶变换；将接收到的训练序列与发送的训练序列相除，采用迫零算法进行频域的信道计算，使用计算得到的信道逆响应对快速傅里叶变换后的信号相乘，进行频域均衡。

6.一种基于离散多音频调制的多芯光纤传输感知系统，其特征在于，包括发送端、传输链路和接收端，其中：

在发送端中，采用工作在C-波段的可调激光器作为光源，待发送信号经插入串扰探针、预编码、离散多音频调制、添加循环前缀和训练序列后，由任意波形发生器完成数模转换得到模拟信号，经电放大器放大后，驱动调制器产生调制后的光信号，并由耦合器耦合入多芯光纤构成的传输链路；采用工作在C-波段的可调激光器作为串扰芯光源，经由耦合器耦合入多芯光纤构成的传输链路，用于模拟实际传输中的串扰来源；串扰探针插入在每一帧信号中，插入的位置可以在除了0号子载波以外的任意位置，具体的插入方式体现为对应位置的符号置0；

在接收端首先对接收信号进行预处理，利用帧同步取出完整的数据，然后去除循环前缀，进行解离散多音频调制和解预编码；一方面提取出串扰探针并计算串扰探针值；另一方面信号符号经过判决后与发送端信号序列比较计算误码率，用以得到系统性能与串扰探针值的关系；

在得到系统性能与串扰探针值的关系后，该系统在工作状态下，根据获得的串扰探针值对系统性能进行评估。

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