CN113452438B - 一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法及装置，涉及光通信技术领域，本发明通过在多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；在波分复用系统的任意节点处，通过一个光电探测器接收所有通道的光信号，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，实现同时监测WDM系统中每个波长上光信号的OSNR，降低OSNR监测的成本，计算过程简单且应用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法及装置。
背景技术
光纤通信系统的发展，对系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求，光性能监测的作用显得尤为重要。为保证光纤通信系统可靠稳定的运行，需要对信号的光功率、波长、光信噪比(OSNR)以及光纤链路中的色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)等光性能参数加以监测。OSNR是估计信道质量最重要的参数之一，基本可以直接反映接收信号的误码率，在光纤通信系统和网络的运营、管理和维护中发挥着极其重要的作用。
新一代高速光纤通信系统在系统架构和实现方式都有较大的变化和创新，OSNR的监测技术也经历了带外到带内的不断演进。针对传统的波分复用(WDM)系统，提出了线性插值的带外监测方法来同时监测多个通道的OSNR。该方法使用一台光谱仪，利用传统WDM信道中固定波道外的噪底信息来估计带内的噪声水平，从而实现OSNR的监测。但是，随着现代可重构网络中光分插复用器(ROADM)的广泛部署和以奈奎斯特波分复用(Nyquist-WDM)为代表的超级信道技术的应用，带外噪声将不能准确衡量带内噪声，传统基于线性插值的OSNR监测产品失效。与此同时，现有的低成本带内OSNR监测技术只能针对单一的波长信号，为了实现多通道光信号OSNR的监测，需要对多通道光进行滤波，这反而增加了OSNR监测的成本。因此在光纤通信网络的节点处，针对多通道情况下，快速有效的带内OSNR监测成为未来的重要需求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法及装置，实现同时监测WDM系统中每个波长上光信号的OSNR。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法，包括以下步骤：
在多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；
在波分复用系统的任意节点处，通过一个光电探测器接收所有通道的光信号，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号；
根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比。
在上述方案的基础上，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，具体包括以下步骤：
将长度为设定值L的随机QPSK信号映射到L个子载波上，对L个子载波上的数据作快速逆傅里叶变换得到OFDM信号，作为微扰信号。
在上述方案的基础上，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，具体包括以下步骤：
对生成的OFDM信号进行上变频处理，且每个通道上变频的频段之间没有重叠。
在上述方案的基础上，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号，具体包括以下步骤：
对各通道的光信号进行下变频和低通滤波处理，恢复出每个通道上的OFDM信号；
对OFDM信号进行频偏估计、快速正傅里叶变换、信道均衡、载波相位恢复处理，得到每个通道解调后的QPSK信号。
在上述方案的基础上，根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，具体包括以下步骤：
根据QPSK信号，采用如下的公式计算载噪比SNR：
其中，L为QPSK信号长度，yn为符号长度为L的QPSK信号值；
根据光信噪比OSNR与载噪比SNR的线性关系，计算光信噪比：
OSNR＝a×SNR+b；
其中，通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到公式中a和b的值。
本发明提供一种用于波分复用系统的光信噪比的监测装置，包括：
多个光信号调制模块，其用于：设于多通道的波分复用系统发射端，产生每个通道的双偏振光信号；
多个微扰信号生成器，其用于：设于多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号；
多个微扰信号调制器，其用于：每个微扰信号调制器分别连接一个光信号调制模块和一个微扰信号生成器，在每个通道的光信号调制模块产生的光信号上加载微扰信号生成器生成的OFDM信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；
一个光电探测器，其用于：设于波分复用系统的任意节点处，接收所有通道的光信号；
一个微扰信号解调器，其用于：对光电探测器接收的各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号；根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比。
在上述方案的基础上，所述微扰信号生成器采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，具体包括以下步骤：
将长度为设定值L的随机QPSK信号映射到L个子载波上，对L个子载波上的数据作快速逆傅里叶变换得到OFDM信号，作为微扰信号。
在上述方案的基础上，所述微扰信号调制器在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，具体包括以下步骤：
对生成的OFDM信号进行上变频处理，且每个通道上变频的频段之间没有重叠。
在上述方案的基础上，所述微扰信号解调器对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号，具体包括以下步骤：
对各通道的光信号进行下变频和低通滤波处理，恢复出每个通道上的OFDM信号；
对OFDM信号进行频偏估计、快速正傅里叶变换、信道均衡、载波相位恢复处理，得到每个通道解调后的QPSK信号。
在上述方案的基础上，所述微扰信号解调器根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，具体包括以下步骤：
根据QPSK信号，采用如下的公式计算载噪比SNR：
其中，L为QPSK信号长度，yn为符号长度为L的QPSK信号值；
根据光信噪比OSNR与载噪比SNR的线性关系，计算光信噪比：
OSNR＝a×SNR+b；
其中，通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到公式中a和b的值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过在多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；在波分复用系统的任意节点处，通过一个光电探测器接收所有通道的光信号，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，实现同时监测WDM系统中每个波长上光信号的OSNR，降低OSNR监测的成本，计算过程简单且应用范围较广。
附图说明
图1为本发明实施例的用于波分复用系统的光信噪比的监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的各通道微扰信号的频段分布图；
图3为本发明实施例的微扰信号产生的数字信号处理流程图；
图4为本发明实施例的微扰信号在接收端的频谱图；
图5为本发明实施例的微扰信号解调的数字信号处理流程图；
图6为本发明实施例的恢复后QPSK信号星座图；
图7为本发明实施例的估计OSNR值与实际OSNR值的关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
本发明实施例提供一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法，包括以下步骤：
在多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；
在波分复用系统的任意节点处，通过一个光电探测器接收所有通道的光信号，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，正交频分复用)信号，进而得到每个通道解调后的QPSK(Quadrature Phase Shift Keyin，正交相移键控)信号；
根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比。
作为优选的实施方式，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，具体包括以下步骤：
将长度为设定值L的随机QPSK信号映射到L个子载波上，对L个子载波上的数据作快速逆傅里叶变换得到OFDM信号，作为微扰信号。
作为优选的实施方式，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，具体包括以下步骤：
对生成的OFDM信号进行上变频处理，且每个通道上变频的频段之间没有重叠。
作为优选的实施方式，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号，具体包括以下步骤：
对各通道的光信号进行下变频和低通滤波处理，恢复出每个通道上的OFDM信号；
对OFDM信号进行频偏估计、快速正傅里叶变换、信道均衡、载波相位恢复处理，得到每个通道解调后的QPSK信号。
作为优选的实施方式，根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，具体包括以下步骤：
根据QPSK信号，采用如下的公式计算载噪比SNR：
其中，L为QPSK信号长度，yn为符号长度为L的QPSK信号值；
根据光信噪比OSNR与载噪比SNR的线性关系，计算光信噪比：
OSNR＝a×SNR+b；
其中，通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到公式中a和b的值。
本发明实施例还提供一种用于波分复用系统的光信噪比的监测装置，包括：
多个光信号调制模块，其用于：设于多通道的波分复用系统发射端，产生每个通道的双偏振光信号；
多个微扰信号生成器，其用于：设于多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号；
多个微扰信号调制器，其用于：每个微扰信号调制器分别连接一个光信号调制模块和一个微扰信号生成器，在每个通道的光信号调制模块产生的光信号上加载微扰信号生成器生成的OFDM信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；
一个光电探测器，其用于：设于波分复用系统的任意节点处，接收所有通道的光信号；
一个微扰信号解调器，其用于：对光电探测器接收的各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号；根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比。
作为优选的实施方式，该光信噪比的监测装置可用于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1所示，假设WDM系统中通道数为80，各个通道之间的波长间隔为50GHz。其中，光信号调制模块主要用来产生双偏振光信号，应用于目前的骨干网络中，其标准速率为100Gb/s、200Gb/s和400Gb/s。由光信号调制模块出来的双偏振光信号，再进入到对应的微扰信号调制器中。微扰信号调制器可以是可调谐光衰减器或者半导体光放大器。经过微扰信号调制器后，各个通道波长的光信号通过波分复用光耦合器复用到一起，然后进入光纤链路进行传输。在经过一段光纤链路传输后，将波分复用后的光信号经过一个99：1的光分束器。其中99％端口输出的光信号将继续在光纤链路中进行传输，而1％端口输出的光信号将直接进入光电探测器，并进入微扰信号解调器。
在各个波长通道上，产生的微扰信号的频段分布如图2所示，假定针对80个波长的情况，每个波长使用32个子载波。从频段分布情况来看，每个波长使用的子载波所占有的频率都不重叠。与此同时，为了克服在长距离光纤传输过程中，拍频噪声的影响，需要将从基频开始的一段频段空出来。为了避免通道间子载波的串扰，在各个通道间的子载波间留有一定的频域间隔。
微扰信号产生的数字信号处理流程图如图3所示。微扰信号采用的是OFDM信号，每个OFDM信号由若干个子载波所组成。本发明实例中，假设子载波的个数是32。对于每个通道而言，长度为32的随机QPSK信号映射到相对应的32个子载波上，然后对32个子载波上的数据作快速逆傅里叶变换，从而生成对应的基带OFDM信号。然后针对不同的通道，将产生的基带OFDM信号上变频到对应的频段，保证每个通道对应相应的频段，而且每个通道的频段之间没有重叠。假设每个通道的基带OFDM信号所占用的频带均为B。通道1的上变频频率为f1，通道2的上变频频率为f2。为了保证每个通道的频段之间没有重叠，需要满足f2-f1>B。每个频段的信号重复发射，因此不需要加载循环前缀。本发明通过计算接收端每个通道OFDM信号的信噪比，从而得到每个通道的OSNR。
对于微扰信号解调方面，图4给出了经过光电探测器后，微扰信号的频谱图。从图4中可以看出，各个通道之间的频谱没有相互交叠，因此从理论上是可以实现无串扰的解调。
微扰信号解调的数字信号处理流程如图5所示。经过采样后的数字信号首先与对应的载频相乘作下变频和低通滤波，将对应的频段变到基带。比如数字信号与频率为f1的载波相乘并作下变频和低通滤波后，得到通道1的基带OFDM信号。数字信号与频率为f2的载波相乘并作下变频和低通滤波后，得到通道2的基带OFDM信号。然后再分别对每个通道的基带OFDM信号作解调。需要指出的是，由于这里传输的OFDM-QPSK信号只用来监测OSNR，而不是用来传递信息。由于每个频段的信息是重复发射的，因此对接收信号的处理会有所不同，本方案不需要时钟同步和去掉循环前缀的步骤。
对接收信号的处理步骤包括频偏估计、信道均衡和载波相位恢复，最终得到每个通道相对应的星座图，如图6所示。根据恢复出的QPSK星座图，采用传统的统计矩方式计算信号的信噪比SNR。而这个计算的信噪比与OSNR呈线性关系，即OSNR＝a×SNR+b。在实际工程中，可以通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到对应的a和b的值。
图7给出了实施例中，背靠背情况下(光纤传输距离为0)，对通道1进行测试，估计出的OSNR值与实际OSNR值的关系。
电SNR计算方法：
星座图是由QPSK符号组成的；
针对QPSK符号，可以采用如下的公式计算电SNR：
其中，针对符号长度为L的QPSK信号yn，其二阶矩和四阶矩可以表示为：
OSNR计算方法：
理论上说，OSNR与电SNR存在一个很简单的线性关系，即OSNR＝a×SNR+b。在实际工程中，可以通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到对应的a和b的值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种用于波分复用系统的光信噪比的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；所述微扰信号为OFDM信号；
在波分复用系统的任意节点处，通过一个光电探测器接收所有通道的光信号，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号；
根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比；
根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，具体包括以下步骤：
根据QPSK信号，采用如下的公式计算载噪比SNR：
其中，L为QPSK信号长度，yn为符号长度为L的QPSK信号值；
根据光信噪比OSNR与载噪比SNR的线性关系，计算光信噪比：
OSNR＝a×SNR+b；
其中，通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到公式中a和b的值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，具体包括以下步骤：
将长度为设定值L的随机QPSK信号映射到L个子载波上，对L个子载波上的数据作快速逆傅里叶变换得到OFDM信号，作为微扰信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，具体包括以下步骤：
对生成的OFDM信号进行上变频处理，且每个通道上变频的频段之间没有重叠。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号，具体包括以下步骤：
对各通道的光信号进行下变频和低通滤波处理，恢复出每个通道上的OFDM信号；
对OFDM信号进行频偏估计、快速正傅里叶变换、信道均衡、载波相位恢复处理，得到每个通道解调后的QPSK信号。
5.一种用于波分复用系统的光信噪比的监测装置，其特征在于，包括：
多个光信号调制模块，其用于：设于多通道的波分复用系统发射端，产生每个通道的双偏振光信号；
多个微扰信号生成器，其用于：设于多通道的波分复用系统发射端，采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号；所述微扰信号为OFDM信号；
多个微扰信号调制器，其用于：每个微扰信号调制器分别连接一个光信号调制模块和一个微扰信号生成器，在每个通道的光信号调制模块产生的光信号上加载微扰信号生成器生成的OFDM信号进行调制，将调制后的光信号送入光纤链路传输；
一个光电探测器，其用于：设于波分复用系统的任意节点处，接收所有通道的光信号；
一个微扰信号解调器，其用于：对光电探测器接收的各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号；根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比；
所述微扰信号解调器根据每个通道解调后的QPSK信号，计算每个通道上的载噪比，根据载噪比计算出每个通道上的光信噪比，具体包括以下步骤：
根据QPSK信号，采用如下的公式计算载噪比SNR：
其中，L为QPSK信号长度，yn为符号长度为L的QPSK信号值；
根据光信噪比OSNR与载噪比SNR的线性关系，计算光信噪比：
OSNR＝a×SNR+b；
其中，通过多次测量已知情况下OSNR和SNR的值，采用线性拟合的方式得到公式中a和b的值。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微扰信号生成器采用长度为设定值的随机QPSK信号生成微扰信号，具体包括以下步骤：
将长度为设定值L的随机QPSK信号映射到L个子载波上，对L个子载波上的数据作快速逆傅里叶变换得到OFDM信号，作为微扰信号。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微扰信号调制器在每个通道的光信号上加载微扰信号进行调制，具体包括以下步骤：
对生成的OFDM信号进行上变频处理，且每个通道上变频的频段之间没有重叠。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述微扰信号解调器对各通道的光信号进行微扰信号解调，恢复出每个通道上的OFDM信号，进而得到每个通道解调后的QPSK信号，具体包括以下步骤：
对各通道的光信号进行下变频和低通滤波处理，恢复出每个通道上的OFDM信号；
对OFDM信号进行频偏估计、快速正傅里叶变换、信道均衡、载波相位恢复处理，得到每个通道解调后的QPSK信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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