CN113472448B - 一种基于相干光通信系统的色散监测方法 - Google Patents

一种基于相干光通信系统的色散监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，包括：S1、将两频率不同的射频信号通过马赫曾德调制器分别调制在XI路和YI路或XQ和YQ路，将两路信号合并输出为相干光信号；S2、相干光信号经过光纤链路到达相干接收机；S3、在相干接收机处将信号解调为XI，XQ，YI，YQ四路信号并采集调制了RF的两路信号，求出两路信号中两种频率的RF信号的功率比；S4、改变两RF信号的频率，重复步骤S1到步骤S3；S5、根据已测功率比值，计算得到光纤通信系统的色度色散值。本发明方案所依赖的系统结构简单，仅需在发射机部分加入两组低频射频信号，并且不需要额外的测量支路，利用接收机内建的窄带光电探测器即可完成监测。

Description

一种基于相干光通信系统的色散监测方法
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种基于相干光通信系统的色散监测方法。
背景技术
随着现今社会的高速发展及科技的进步，人们对各类信息服务的要求越来越高，现有的光纤通信系统及网络正面临着非常严峻的挑战。
光信号在光纤中经过长距离传输后，光纤中累积的色度色散(ChromaticDispersion，CD)会不可避免的对信号的传输质量造成一定的影响。比如脉冲展宽，造成光信号畸变，或峰值功率降低，从而造成系统误码，同样也会影响传输距离的长短，以及系统速率的大小。随着相干光通信技术的发展，光纤传输距离越来越远，光纤链路中累积的色散也越来越大，现有的色散监测技术无法满足低复杂度的同时监测范围大的实际需求。
在相干接收机的数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)模块中采用时域均衡(Time Domain Equalization，TDE)的方法可以实现色散的自适应补偿，但补偿范围比较小，适用于补偿色散管理系统中的剩余色散。频域均衡(Frequency DomainEqualization，FDE)的方法虽然补偿范围大，但需要事先知道大致的色散大小，因此相干通信系统中的色散监测是必要的。现有的相干光通信系统的色度色散监测技术有许多，比如利用接受信号采样序列的峰值功率与均值功率之比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)找到色散值，这种方法在色散范围较大时计算复杂度较高。以及一种信号功率自相关波形(Auto-Correlation of Signal Power Waveform，ACSPW)的方法，通过对接受信号采样作自相关，得到色散的大小。但过多的采样点作快速傅里叶变换(Fast FourierTransform，FFT)会导致计算复杂度较高。以及此方法的改进，信号上下频谱叠加后作自相关，虽然采样点数量减少，但复杂度还是很高，同时无法分辨色散的符号。均衡滤波器抽头系数估计色散的方法复杂度较高，收敛速度较慢。传统的利用射频导频监测CD的方法虽然结构简单，但监测范围不够大，不适用于长距离的相干光通信系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相干光通信系统的色散监测方法，本方法在传统的利用射频导频监测CD的方法上进行了改进，利用不同频率组合的导频实现大范围的色散监测，同时计算复杂度低。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于相干光通信系统的色散监测方法，包括：
S1、将两频率不同的射频信号通过马赫曾德调制器分别调制在XI路和YI路或XQ和YQ路，将两路信号合并输出为相干光信号；
S2、相干光信号经过光纤链路到达相干接收机；
S3、在相干接收机处将信号解调为XI，XQ，YI，YQ四路信号并采集调制了RF的两路信号，求出两路信号中两种频率的RF信号的功率比；
S4、改变两RF信号的频率，重复步骤S1到步骤S3；
S5、根据已测功率比值，计算得到光纤通信系统的色度色散值。
优选地，所述步骤S1具体为：
发射机部分包括XI，XQ，YI，YQ四路信号输入，由两个I/Q(In-phase/Quadrature，同向/正交)调制器组成，每个I/Q调制器又由两个马赫曾德调制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)组成；首先PBS(Polarizing Beam Splitter，偏振分光棱镜)将激光分为X、Y两路不同的偏振光，X路偏振光通过一分二的分光器按1：1的功率比例分为两路，通过两个MZM分别将XI和XQ信号调制成为正交的光信号；同时Y路偏振光以同样的方式将YI和YQ信号调制成为光信号；将频率为f1的余弦RF信号与某一路信号同时通过MZM调制进光路，将频率为f2的余弦RF信号与另一路信号同时通过MZM调制进光路，再将两路信号合并输出为相干光信号。
优选地，频率为f1的余弦RF信号和频率为f2的余弦RF信号需要调制在不同的偏振上，同时在相同的正交分量上。
优选地，相干光信号选择为PM-QPSK信号，CD值设定在0到15000ps/nm之间，间隔60ps。
优选地，所述步骤S2中的光纤链路包括依次连接的色散模拟器、功率放大器、OSNR设置模块和滤波器，其中：
所述色散模拟器，用于模拟光纤链路中的总体色散值，确定模拟色散的范围与间隔；
所述功率放大器，用于放大光纤链路中由于光纤损耗而降低的信号光功率；
所述OSNR设置模块，用于测试该系统在不同OSNR下的性能，以确定能够应用的OSNR范围；
所述滤波器，用于滤掉部分噪声得到噪声较小的目标待监测光信号。
优选地，所述步骤S3具体为：
经过光纤链路的目标待监测光信号与本振光一同进入相干接收机，在相干接收机内部，目标待监测光信号经过解调与光电探测器，输出为XI，XQ，YI，YQ四路电信号；记录调制了RF信号的XI路信号中f1频率的功率大小
Figure BDA0003166549140000031
以及YI路信号中f2频率的功率大小
Figure BDA0003166549140000032
并求出
Figure BDA0003166549140000033
优选地，所述步骤S4具体为：
将步骤S1中的f1改为f3，f2改为f4，重复步骤S1到S3，得到目标待监测光信号中频率分别为f1、f2、f3、f4的四组RF导频功率的大小，
Figure BDA0003166549140000034
Figure BDA0003166549140000035
优选地，所述步骤S5具体为：
将步骤S4中得到的R1，R2代入下式，获得色散监测范围内的所有解，取R1，R2的重复解作为所测色度色散值：
Figure BDA0003166549140000041
其中λ为光载波波长，c为光速，Dacc为光纤链路累积色散。
优选地，当两组RF导频功率比无法求出具体色散值时，则增加第三组RF导频并求出其功率比，将三组功率比分别带入各自的关系曲线中，得到确定的色散值。
优选地，所述步骤S5具体为：
以0.1ps/nm为精度计算出色散监测范围内的全部点对应的功率比，分别代入步骤S4中求出的R1和R2后利用排序法获得若干可能零点，然后将两组可能的零点作对比，即两两作差并取模，模最小的一对零点作为所测出的色度色散值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明方案所依赖的系统结构简单，仅需在发射机部分加入两组低频射频信号，并且不需要额外的测量支路，利用接收机内建的窄带光电探测器即可完成监测；
(2)本发明拥有较大的色散测量范围，可以满足15000ps/nm范围内的色散监测；
(3)本发明具有可调的监测范围，可以根据所需求的监测范围与监测精度调整射频信号的频率，比如降低监测范围以获得更高的监测精度；
(4)本发明的计算复杂度低，仅需将接收机处测量得到的射频信号的功率比与理论计算出的色散关系表作对比即可得到系统色散；
(5)本发明适用于多种相干调制格式，对于正交相移键控调制格式以及更高阶的正交幅度调制格式均有较好的应用。
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：
图1是本发明实施例中一种基于相干光通信系统的色散监测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种基于相干光通信系统的色散监测方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中一种较优的实施方式获得的关系曲线。
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。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。
图1为本发明实施例所提供的一种相干光通信系统的色散监测系统的结构示意图，包括如下结构：
信号光发生器产生已调制信号与RF(射频，Radio Frequency)导频的相干光信号，作为待测光信号经过色散模拟器，功率放大器，例如EDFA(掺铒光纤放大器，Erbium DopedFiber Amplifier)，与OSNR(光信噪比，Optical Signal Noise Ratio)设置模块以及滤波器得到待测相干光信号，到达相干接收机，本振光发生器产生的本振光与待测相干光信号一同进入相干接收机进行解调与光电转换，得到经历光纤链路整体色散的RF导频功率比，从而计算出整个光纤链路的色散值。
图2为本发明实例提供的相干光色度色散监测方法流程示意图，所述方法包括：
步骤S1，将两频率不同的射频信号通过马赫曾德调制器分别调制在XI路和YI路或XQ和YQ路；
在相干光信号发射机部分。以PM-QPSK(偏振复用正交相移键控，Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying)系统为例，发射机部分包括XI，XQ，YI，YQ四路信号输入，由两个I/Q(In-phase/Quadrature，同向/正交)调制器组成，每个I/Q调制器又由两个马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)组成。首先PBS(PolarizingBeam Splitter，偏振分光棱镜)将激光分为X，Y两路不同的偏振光，X路偏振光通过一分二的分光器按1：1的功率比例分为两路，通过两个MZM分别将XI和XQ信号调制成为正交的光信号。同时Y路偏振光以同样的方式将YI和YQ信号调制成为光信号。将频率为f1的余弦RF信号与某一路信号同时通过MZM调制进光路，将频率为f2的余弦RF信号与另一路信号同时通过MZM调制进光路，再将两路信号合并输出为相干光信号。
需要注意的是，两组余弦信号，即频率为f1的余弦RF信号和频率为f2的余弦RF信号需要调制在不同的偏振上，同时在相同的正交分量上，作为一种可选的方法，将f1和f2分别调制在XI和YI路上，或者XQ和YQ路上。
该相干光信号经过光纤链路传输后的到达信号作为目标待监测光信号，光纤链路是包括色散模拟模块光纤链路的，设定光纤链路的长度，使色散模拟模块的色散值根据需要而改变。作为一种可选的方案，相干光信号可以选择为PM-QPSK信号。CD值设定在0到15000ps/nm之间，间隔60ps，用以在后续的步骤中得到与之对应的功率比值。
其中，作为一种可选的方案，PM-QPSK光信号的中心频率为193.1THz，系统波特率为56G baud/s，采样率为112GHz，发射机输出光功率设置为2dBm。
步骤S2，相干光信号经过光纤链路到达相干接收机；
光纤链路部分。发射的相干光信号经过光纤链路到达接收机。光纤链路可以包括依次连接的色散模拟器，功率放大器比如EDFA，OSNR(光信噪比，Optical Signal NoiseRatio)设置模块，滤波器等，各个模块按顺序依次连接。
其中，色散模拟器的作用为模拟光纤链路中的总体色散值，确定模拟色散的范围与间隔，测试本系统对于不同色散值的测量准确度；
EDFA的作用为放大光纤链路中由于光纤损耗而降低的信号光功率；
OSNR设置模块的作用为测试该系统在不同OSNR下的性能，以确定本系统能够应用的OSNR范围。
另外，信号光在光纤通信系统中的传输过程中会受到噪声的影响，因此，为了减小噪声对后续步骤的影响，在光纤通信系统接收到待监测信号光之前，可以利用滤波器滤掉部分噪声，从而得到噪声较小的目标待监测光信号。
由于噪声是随机的，具有不确定性，因此滤波器的中心频率与带宽需要根据待监测光信号的光频率与带宽确定。其中，滤波器的中心频率设置为目标待监测光信号的中心频率；滤波器的带宽设置在待监测信号光的带宽附近，可以大于待监测信号光带宽，也可以小于待监测信号光的带宽，其中，滤波器的带宽与目标信号带宽之比在0.5到2之间，可以根据实际效果进行选择，本发明实施例对带宽设置不做具体规定。
步骤S3，在相干接收机处将信号解调为XI，XQ，YI，YQ四路信号并采集调制了RF的两路信号，求出两路信号中两种频率的RF信号的功率比；
经过光纤链路的目标待监测光信号与本振光一同进入相干接收机。在相干接收机内部，目标待监测光信号经过解调与光电探测器，输出为XI，XQ，YI，YQ四路电信号。记录调制了RF信号的XI路信号中f1频率的功率大小
Figure BDA0003166549140000071
以及YI路信号中f2频率的功率大小
Figure BDA0003166549140000072
并求出
Figure BDA0003166549140000073
步骤S4，改变两RF信号的频率，重复步骤S1到步骤S3；
将步骤S1中的f1改为f3，f2改为f4，重复步骤S1到S3。得到目标待监测光信号中频率分别为f1、f2、f3、f4的四组RF导频功率的大小，
Figure BDA0003166549140000081
Figure BDA0003166549140000082
步骤S5，根据已测功率比值，计算得到光纤通信系统的色度色散值；
当RF调制的信号沿着一条光链路传播时，CD会使上下边带之间产生相位差。在平方律光电检测器处，它将在两个边带之间产生破坏性干扰，从而导致RF功率衰减。
接收端RF功率和CD的关系由下式给出：
Figure BDA0003166549140000083
Figure BDA0003166549140000084
其中作为可选的方案，f1、f2、f3、f4的四组RF导频频率需要根据所需要的色散测量范围和测量精度决定。由式(2)可以看出，R随系统整体的色散变化而变化，在仿真测试中发现，色散测量范围在接近
Figure BDA0003166549140000085
也就是第二个极大值时，色散定位准确。同时为了使色散定位更加准确，两组R的变化趋势要尽可能不同，因此需要将利用式(2)得到的两组数据的峰值均匀分布在所需要的色散测量范围内。因此通过所需色散测量的范围大小可以确定使用的RF频率。在本实例中选择f1＝2.7GHz、f2＝3.26GHz、f3＝3GHz、f4＝3.63GHz。
其中PRF为探测到的射频的电信号功率，H是光电探测器在频率f下的幅度响应，α是强度调制器的啁啾参数，m是调制指数，等于峰值光功率除以平均光功率，K是一个未知常数，受光信号所经历的损耗或增益的影响，fRF表示入射端加载的射频频率大小，λ为光载波波长，c为光速，Dacc为光纤链路累积色散。R为两频率的RF信号在接收端的功率比。
Figure BDA0003166549140000091
为CD为0时R的值。
利用步骤S4中得到的R1，R2代入式(2)得到式(3)，可以获得色散监测范围内的所有解，取R1，R2的重复解作为所测色度色散值。
Figure BDA0003166549140000092
具体地，预设的RF导频功率比值与色度色散值的关系曲线图是通过式(3)得到的。在该关系曲线图中，色度色散值与功率差值并不是一一对应的，也就是说，每一个功率比值对应着一个或多个色度色散值，因此要确定具体的色散位置，就需要两组或两组以上的RF导频功率比来确定具体的色散值。需要说明的是，当两组RF导频功率比无法求出具体色度色散值时，则需要增加第三组RF导频并求出其功率比，将三组功率比分别带入各自的关系曲线中，得到确定的色度色散值。
同样的，预设的功率比值与色度色散值的函数关系表达式也是通过计算得到的。该函数关系表达式通过多组仿真实验验证为准确功率比值与色度色散值的关系，与关系曲线图一样，在函数关系表达式中，功率比值与色度色散值不是一一对应的，因此需要两组或两组以上的RF导频功率比来确定具体的色散值，将两组或两组以上目标功率比值代入函数关系表达式中即可求得色度色散值，从而达到有效监测光纤通信系统的色度色散的目的。
作为可选的方法，首先通过式(3)，以0.1ps/nm为精度计算出色散监测范围内的全部点对应的功率比。分别代入步骤S4中求出的R1和R2后利用排序法获得若干可能零点，然后将两组可能的零点作对比，即两两作差并取模，模最小的一对零点作为所测出的色度色散值。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案，监测装置简单，对调制格式不敏感，装置成本较低，计算复杂度较低，也有较好的实时性。
下面我们对本发明的一个较优实施例进行说明。
如图2所示，信号光发生器产生已调制信号与RF导频的PM-QPSK格式的相干光信号，经过色散模拟器，EDFA，与设置OSNR模块，以及滤波器，到达相干接收机，记录经历光纤链路整体色散的RF导频功率比。
在如前面所述的步骤S1中，目标待监测光信号是PM-QPSK光信号，中心频率为193.1THz，系统波特率为56G baud/s，采样率为112GHz，发射机输出光功率设置为2dBm。设置光纤链路的长度，使色散设定在0到15000ps/nm之间，间隔60ps。噪声是基于EDFA的ASE噪声，通过目标待监测光信号与ASE噪声耦合使得目标待监测光信号的信噪比在15dB。
在步骤S3和S4中，RF导频的频率可以设置为f1＝2.7GHz、f2＝3.26GHz、f3＝3GHz、f4＝3.63GHz。
在步骤E中，作为计算标准的式(3)中，Dacc的变化精度为0.1ps/nm。
完成如前面所述的步骤S5后，获得如图3所示的实际CD值与测量误差的关系曲线。
如图3所示，图中为实际CD值与测量误差的关系曲线，明显可以看出，本发明提供的方法可以实现对色度色散值从0-15000ps/nm的监测。
之后在实际的CD监测中，输入待监测信号到光纤链路中，通过步骤S2到S4，可以得到该待监测信号光对应的两组功率比值，在步骤S5中可以计算出与该功率比值对应的CD值，从而实现对CD的监测。同时，对于不同的监测范围和监测灵敏度的要求，可以通过改变f1、f2、f3、f4的四组RF导频的频率来实现。不可避免地是，监测范围越大，灵敏度越小，监测范围越小，灵敏度越大，要根据具体的要求选择合适的频率组合。根据本发明，实现在光域中CD的监测，同时可以满足不同条件的监测范围和灵敏度。
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)

1.一种基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，包括：
S1、将两频率不同的射频信号通过马赫曾德调制器分别调制在XI路和YI路或XQ和YQ路，将两路信号合并输出为相干光信号；
S2、相干光信号经过光纤链路到达相干接收机；
S3、在相干接收机处将信号解调为XI，XQ，YI，YQ四路信号并采集调制了RF的两路信号，求出两路信号中两种频率的RF信号的功率比；具体为：经过光纤链路的目标待监测光信号与本振光一同进入相干接收机，在相干接收机内部，目标待监测光信号经过解调与光电探测器，输出为XI，XQ，YI，YQ四路电信号；记录调制了RF信号的XI路信号中f1频率的功率大小
Figure FDA0003544676420000011
以及YI路信号中f2频率的功率大小
Figure FDA0003544676420000012
并求出
Figure FDA0003544676420000013
S4、改变两RF信号的频率，重复步骤S1到步骤S3；具体为：将步骤S1中的f1改为f3，f2改为f4，重复步骤S1到S3，得到目标待监测光信号中频率分别为f1、f2、f3、f4的四组RF导频功率的功率比，
Figure FDA0003544676420000014
Figure FDA0003544676420000015
S5、根据已测功率比值，计算得到光纤通信系统的色度色散值；具体为：
将步骤S4中得到的R1，R2代入下式，获得色散监测范围内的所有解，取R1，R2的重复解作为所测色度色散值：
Figure FDA0003544676420000016
其中λ为光载波波长，c为光速，Dacc为光纤链路累积色散；
或者，以0.1ps/nm为精度计算出色散监测范围内的全部点对应的功率比，分别代入步骤S4中求出的R1和R2后利用排序法获得若干可能零点，然后将两组可能的零点作对比，即两两作差并取模，模最小的一对零点作为所测出的色度色散值。
2.如权利要求1所述的基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
发射机部分包括XI，XQ，YI，YQ四路信号输入，由两个I/Q(In-phase/Quadrature，同向/正交)调制器组成，每个I/Q调制器又由两个马赫曾德调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)组成；首先PBS(Polarizing Beam Splitter，偏振分光棱镜)将激光分为X、Y两路不同的偏振光，X路偏振光通过一分二的分光器按1：1的功率比例分为两路，通过两个MZM分别将XI和XQ信号调制成为正交的光信号；同时Y路偏振光以同样的方式将YI和YQ信号调制成为光信号；将频率为f1的余弦RF信号与某一路信号同时通过MZM调制进光路，将频率为f2的余弦RF信号与另一路信号同时通过MZM调制进光路，再将两路信号合并输出为相干光信号。
3.如权利要求2所述的基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，频率为f1的余弦RF信号和频率为f2的余弦RF信号需要调制在不同的偏振上，同时在相同的正交分量上。
4.如权利要求1或2所述的基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，相干光信号选择为PM-QPSK信号，CD值设定在0到15000ps/nm之间，间隔60ps。
5.如权利要求1或2所述的基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，所述步骤S2中的光纤链路包括依次连接的色散模拟器、功率放大器、OSNR设置模块和滤波器，其中：
所述色散模拟器，用于模拟光纤链路中的总体色散值，确定模拟色散的范围与间隔；
所述功率放大器，用于放大光纤链路中由于光纤损耗而降低的信号光功率；
所述OSNR设置模块，用于测试该系统在不同OSNR下的性能，以确定能够应用的OSNR范围；
所述滤波器，用于滤掉部分噪声得到噪声较小的目标待监测光信号。
6.如权利要求1所述的基于相干光通信系统的色散监测方法，其特征在于，当两组RF导频功率比无法求出具体色散值时，则增加第三组RF导频并求出其功率比，将三组功率比分别带入各自的关系曲线中，得到确定的色散值。
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