CN114019234A - 一种发射机iq两路时延差和频率响应的测量方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量方法和系统，属于通信领域。本发明在发射端使用两个满足特定关系的信号，在接收端使用一个低带宽光电探测器(PD)接收信号，利用低带宽的特性，提取出包含时延信息的低频信号，实现低成本测量发射机频率响应和IQ两路时延差。而且，接收端只需对信号使用已知频率的单音信号进行简单的相关和期望运算，而无需采用复杂的DSP均衡算法求得发射端的时延，从而降低了接收端信号处理的复杂度。

Description

一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量方法和系统
技术领域
本发明属于通信领域，更具体地，涉及一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量方法和系统。
背景技术
为了支撑现代光通信系统中业务量的快速增长，高阶调制格式和更高的符号速率正在逐步部署中。但随着调制阶数和符号速率的增加，光相干系统对收发机的缺陷越发敏感。其中一个明显影响高速传输系统的因素是发射机同相/正交(IQ)支路间的时延差，除此之外还有系统使用电子器件如任意波形发生器、光电探测器等的带宽限制等不理想因素。
截至目前，已经有包括通过在相干系统中传输特定信号和通过接收端数字信号处理(DSP-Digital Signal Processing)算法均衡等方式来应对损伤。其中前者通过接收发射的多音信号对发射机IQ时延进行测量，但由于此方法每次都需要用到相干接收机，价格在上千甚至上万美元，实现成本较高，不利于大规模采用；而后者基于DSP处理算法求得传输矩阵，并将发射端和接收端系数分离，从而计算出发射端IQ时延的方式对于均衡参数的选取较为复杂，因而在实际应用上还存在问题，除此之外，此方法的测量稳定性也需要提升。
由此可见，研究一种低成本、高精度、易实现的时延差和频率响应测量方法具有重要意义。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量方法和系统，旨在解决现有技术中测量成本高、稳定性差、实现复杂的问题。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量方法，包括以下步骤：
发送IQ两路多音信号；其中，所述IQ两路多音信号分别加载有调制信号
Figure BDA0003316114260000021
Figure BDA0003316114260000022
其中dt表示IQ两路的时延差，
Figure BDA0003316114260000023
为初始相位，n是IQ各支路发出信号所包含的单音信号个数，ω是单音信号间的频率间隔，dωi用于标定带宽范围内各个频点的对应信息；
使用特定偏置点对多音信号进行传输；
对数据进行接收，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应。
进一步地，使用特定偏置点对多音信号进行传输包括：
使用偏置点控制器将IQ两路的子马赫泽德调制器(MZM)的偏置点稳定在线性点；
将母马赫泽德调制器(MZM)中的相位φ设定为0°；
调制后的信号表示为：
Figure BDA0003316114260000024
Figure BDA0003316114260000025
Figure BDA0003316114260000026
aI(ω)和aQ(ω)分别为IQ两路的频率响应。
进一步地，对数据进行接收具体包括：
对接收到的光信号利用低带宽光电探测器进行平方探测，并提取出包含时延信息的信号。
进一步地，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应包括：
用不同dωi(i＝1～n)频率的余弦、正弦信号分别与接收到的信号做相关运算并求平均，分别得到
Figure BDA0003316114260000031
Figure BDA0003316114260000032
利用θ(iω)＝arg(rI+jrQ)式计算得到的角度θ(iω)，再进行线性拟合求得斜率，即可求得IQ两路的时延差
Figure BDA0003316114260000033
利用AdB(ω)＝5log10(|rl|2+|rQ|2)计算频率响应，得到扫描频段内的幅度谱。
本发明的另一方面还提供了一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量系统，包括：
发送单元，用于发送IQ两路多音信号；其中，所述IQ两路多音信号分别加载有调制信号
Figure BDA0003316114260000034
Figure BDA0003316114260000035
其中dt表示IQ两路的时延差，
Figure BDA0003316114260000036
为初始相位，n是IQ各支路发出信号所包含的单音信号个数，ω是单音信号间的频率间隔，dωi用于标定带宽范围内各个频点的对应信息；
偏置单元，使用特定偏置点对多音信号进行传输；
处理单元，对数据进行接收，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应。
进一步地，所述偏置单元中使用特定偏置点对多音信号进行传输包括：
使用偏置点控制器将IQ两路的子马赫泽德调制器(MZM)的偏置点稳定在线性点；
将母马赫泽德调制器(MZM)中的相位φ设定为0°；
调制后的信号表示为：
Figure BDA0003316114260000041
Figure BDA0003316114260000042
Figure BDA0003316114260000043
aI(ω)和aQ(ω)分别为IQ两路的频率响应。
进一步地，所述处理单元中对数据进行接收具体包括：
对接收到的光信号利用低带宽光电探测器进行平方探测，并提取出包含时延信息的信号。
进一步地，所述处理单元中基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应包括：
用不同dωi(i＝1～n)频率的余弦、正弦信号分别与接收到的信号做相关运算并求平均，分别得到
Figure BDA0003316114260000044
Figure BDA0003316114260000051
利用θ(iω)＝arg(rI+jrQ)式计算得到的角度θ(iω)，再进行线性拟合求得斜率，即可求得IQ两路的时延差
Figure BDA0003316114260000052
利用AdB(ω)＝5log10(|rl|2+|rQ|2)计算频率响应，得到扫描频段内的幅度谱。
本发明通过设计两个满足特定关系的多音信号在IQ两路进行发射，并且使用特定偏置点对信号进行传输，再在接收端使用低带宽光电探测器进行信号接收，并采用简单的算法对数据进行计算即可求得IQ时延和频率响应曲线。本发明相对现有技术，具有以下优点：
1)在基于发射多音信号测量发射机时延差方法中引入低带宽PD测量的方式，利用PD平方探测和低带宽的特性，提取出包含时延信息的低频信号，相较于现有的采用相干接收机进行时延差测量的方式，极大程度降低了测量成本，拓宽了应用场景。
2)接收端只需对信号使用已知频率的单音信号进行简单的相关和期望运算，而无需采用复杂的DSP均衡算法通过计算传输矩阵进而求得发射机的时延差，降低了计算复杂度，提升了可行性。
3)采用多个单音信号组合发射的方式，同时扫描多个频点的时延和频响信息，实现一次性将发射机时延和频率响应测量，避免引入多次扫描的不稳定性和繁琐。
附图说明
图1是本发明的方案流程图；
图2为发射IQ两路多音信号频谱图；
图3为IQ时延测量原理图；
图4为仿真系统中使用带宽为1GHz低通滤波器时接收到的信号频谱图；
图5为仿真系统中经计算拟合得到的时延测量曲线图；
图6为系统测量的频响曲线图。
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。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。
下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
本发明实施例提供了一种测量发射机IQ两路时延差和频率响应的方法，包括：
1、设计发射端两个特定关系的多音信号，包括：
设计IQ两路发射信号形式：
Figure BDA0003316114260000061
Figure BDA0003316114260000062
其中aI(ω)和aQ(ω)分别为IQ两路的频率响应，设计中需要根据所需要扫描的带宽范围ωmeasure确定相应的n和ω，满足ωmeasure＝nω。再根据这几个参数设计相应的频率差dωn以适配用于测量的光电探测器带宽ωbandwidth；
首先，确定扫描带宽范围ωmeasure；
其次，根据ωmeasure＝nω和n·dω0＜＜ω两式确定n ω dω0三个参数；
紧接着根据
Figure BDA0003316114260000063
确定合适的Tsignal。
其中n是IQ各支路发出信号所包含的单音信号个数，ω是单音信号间的频率间隔，dω0是微小频率差的基础间隔，Nsignal是最小频率差信号周期Tsignal是符号的持续时间；
最后在上述参数确定后，需要对加载的每个单音信号加上一个随机的初始相位
Figure BDA0003316114260000071
需要选取合适的相位值降低峰值平均功率比(PAPR)，以保证测量精度。(PAPR＝10*log10[max(Tx2)/mean(Tx2)])
参数设计方法在于，需要着重注意n和ω的权衡，对于固定设置的扫描范围ωmeasure，n取值越大，则扫描频点数量越多，计算精度越高，但此时ω需要适当减小，这对于ω＞＞n·dω0条件的满足是不利的，也会影响时延测量的准确度；
2、使用偏置点控制器将IQ两路的子马赫泽德调制器(MZM)的偏置点稳定在线性点，接着再将母MZM中的相位φ设定为0°，最后调制器调制后的信号可表示为：
Figure BDA0003316114260000072
Figure BDA0003316114260000073
Figure BDA0003316114260000074
3、在接收端使用低带宽光电探测器进行信号接收：对接收到的光信号通过一个光电探测器(PD-Photodetector)进行平方探测，并提取出包含时延信息的信号，具体步骤如下：
使用PD对接收信号进行平方探测，得到电信号：
Figure BDA0003316114260000075
得到包含直流分量和许多ω的倍频成分，以及前述所设计的dωi(i＝1～n)低频分量
由于采用低带宽PD，因而高频部分的信号被滤除，再经过隔直流处理后，剩余低频信号可表示为：
Figure BDA0003316114260000081
4、使用设计算法基于已知的发射多音信号处理接收数据，得到发射时延和频率响应，具体步骤如下：
先使用已知的不同dωi(i＝1～n)频率的余弦、正弦信号分别与接收到的信号做相关运算并求平均，分别得到
Figure BDA0003316114260000082
Figure BDA0003316114260000083
对于发射时延，需要使用θ(iω)＝arg(rI+jrQ)式计算得到的角度θ(iω)，再进行线性拟合求得斜率，即可求得IQ两路的时延差
Figure BDA0003316114260000084
除此之外，使用AdB(ω)＝5log10(|rl|2+|rQ|2)计算频率响应，得到扫描频段内的幅度谱；
本发明实施例的另一方面还提供了一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量系统，包括：
发送单元，用于发送IQ两路多音信号；其中，所述IQ两路多音信号分别加载有调制信号
Figure BDA0003316114260000085
Figure BDA0003316114260000091
其中dt表示IQ两路的时延差，
Figure BDA0003316114260000092
为初始相位，n是IQ各支路发出信号所包含的单音信号个数，ω是单音信号间的频率间隔，dωi用于标定带宽范围内各个频点的对应信息；
偏置单元，使用特定偏置点对多音信号进行传输；
处理单元，对数据进行接收，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应。
具体每个单元的功能可参见前述方法实施例中的介绍，在此不再赘述。
下面，基于下面几组仿真数据与实验结果对本发明提出的方法进行验证。下表为仿真系统参数。
表1
Figure BDA0003316114260000093
图4为在仿真系统中使用带宽为1GHz低通滤波器时接收到的信号频谱图。可以看到，接收到对应的25个单音信号。
图5为仿真系统中拟合得到的时延测量曲线图，图6为系统测量的频响曲线图。经拟合得到曲线的斜率为1.2585e-10，经t_skew＝slope/2π换算后测得时延等于20.03ps，与仿真中设置的20ps相吻合。
本发明在保证测量精度并实现一次性测量的情况下，降低了测量成本并且降低了计算复杂度，提升了测量效率。
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 (8)

1.一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
发送IQ两路多音信号；其中，所述IQ两路多音信号分别加载有调制信号
Figure FDA0003316114250000011
Figure FDA0003316114250000012
其中dt表示IQ两路的时延差，
Figure FDA0003316114250000013
为初始相位，n是IQ各支路发出信号所包含的单音信号个数，ω是单音信号间的频率间隔，dωi用于标定带宽范围内各个频点的对应信息；
使用特定偏置点对多音信号进行传输；
对数据进行接收，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，使用特定偏置点对多音信号进行传输包括：
使用偏置点控制器将IQ两路的子马赫泽德调制器(MZM)的偏置点稳定在线性点；
将母马赫泽德调制器(MZM)中的相位φ设定为0°；
调制后的信号表示为：
Figure FDA0003316114250000014
Figure FDA0003316114250000015
Figure FDA0003316114250000016
aI(ω)和aQ(ω)分别为IQ两路的频率响应。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，对数据进行接收具体包括：
对接收到的光信号利用低带宽光电探测器进行平方探测，并提取出包含时延信息的信号。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应包括：
用不同dωi(i＝1～n)频率的余弦、正弦信号分别与接收到的信号做相关运算并求平均，分别得到
Figure FDA0003316114250000021
Figure FDA0003316114250000022
利用θ(iω)＝arg(rI+jrQ)式计算得到的角度θ(iω)，再进行线性拟合求得斜率，即可求得IQ两路的时延差
Figure FDA0003316114250000023
利用
Figure FDA0003316114250000024
计算频率响应，得到扫描频段内的幅度谱。
5.一种发射机IQ两路时延差和频率响应的测量系统，其特征在于，包括：
发送单元，用于发送IQ两路多音信号；其中，所述IQ两路多音信号分别加载有调制信号
Figure FDA0003316114250000025
Figure FDA0003316114250000026
其中dt表示IQ两路的时延差，
Figure FDA0003316114250000031
为初始相位，n是IQ各支路发出信号所包含的单音信号个数，ω是单音信号间的频率间隔，dωi用于标定带宽范围内各个频点的对应信息；
偏置单元，使用特定偏置点对多音信号进行传输；
处理单元，对数据进行接收，基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应。
6.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述偏置单元中使用特定偏置点对多音信号进行传输包括：
使用偏置点控制器将IQ两路的子马赫泽德调制器(MZM)的偏置点稳定在线性点；
将母马赫泽德调制器(MZM)中的相位φ设定为0°；
调制后的信号表示为：
Figure FDA0003316114250000032
Figure FDA0003316114250000033
Figure FDA0003316114250000034
aI(ω)和aQ(ω)分别为IQ两路的频率响应。
7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述处理单元中对数据进行接收具体包括：
对接收到的光信号利用低带宽光电探测器进行平方探测，并提取出包含时延信息的信号。
8.如权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述处理单元中基于所述多音信号对接收到的数据进行算法处理，获取所述时延差和频率响应包括：
用不同dωi(i＝1～n)频率的余弦、正弦信号分别与接收到的信号做相关运算并求平均，分别得到
Figure FDA0003316114250000041
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利用θ(iω)＝arg(rI+jrQ)式计算得到的角度θ(iω)，再进行线性拟合求得斜率，即可求得IQ两路的时延差
Figure FDA0003316114250000043
利用AdB(ω)＝5log10(|rl|2+|rQ|2)计算频率响应，得到扫描频段内的幅度谱。
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