CN114024603A - 一种基于脉冲积分的光采样分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于脉冲积分的光采样分析系统，包括：脉冲激光器，产生脉冲激光和与其对应的电采样时钟；相干混频模块，对待测信号光与所述脉冲激光进行相干混频，得到混合光信号；平衡探测模块，对所述混合光信号进行提取，得到模拟电信号；脉冲积分模块，基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行积分，得到数字电信号；信号处理模块，基于所述数字电信号得到所述待测信号光的性能指数。本发明提高了采样数据处理的速度和提高数据处理的精度，进而提高了系统性能，同时降低了噪声的影响，提高了系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信数字信号处理技术领域，特别是涉及一种基于脉冲积分的光采样分析系统。
背景技术
近年来随着光通信技术的不断发展，不断增大的信道容量和不断提高的传输速率逐渐使得电域的数字信号处理越来越不能满足人们对信号的检测需求，在此背景下全光数字信号处理技术逐渐发展起来。传统数字信号采样需满足奈奎斯特定理，采样速率必须大于等于两倍的载波频率，但随着高频段的不断开发利用，电子技术很难到达这么高精度，其所固有的“电子瓶颈”问题越来越明显。但全光数字信号处理技术是将信号的处理从电域转移到光域进行，将高频信号转变为低频信号之后再进行低频数字信号处理，采用光子前端加上电子后端这样的架构，同时将光子技术的高性能和电子技术的便捷性结合起来。
线性光采样技术的基本原理是利用超短采样光脉冲控制采样门的打开与关闭，对待检测高速的光信号进行采样，将高速的光信号转变为低速的采样信号之后，再用低速的光电探测器将采样信号由光域转移到电域，之后用数据采集卡对电信号进行模数转换变得到数字信号，之后再将数字信号进行数字算法处理。但由于数据采集卡的采样率受限且高采样率、高稳定、高精度的产品价格很高，而且其后续软件处理和界面开发也要用相关指定的开发软件，整套系统很难集成，组装起来也有难度。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于脉冲积分的光采样分析系统，提高了采样数据处理速度和提高数据处理精度，从而能够在同等条件下检测更高速的信号，提高系统性能；同时降低了噪声对系统的影响，增强系统的稳定性，提高系统性能，降低了集成难度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于脉冲积分的光采样分析系统，包括：
脉冲激光器，产生脉冲激光和与其对应的电采样时钟；
相干混频模块，对待测信号光与所述脉冲激光进行相干混频，得到混合光信号；
平衡探测模块，对所述混合光信号进行提取，得到模拟电信号；
脉冲积分模块，基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行积分，得到数字电信号；
信号处理模块，基于所述数字电信号得到所述待测信号光的性能指数。
优选地，所述相干混频模块包括：
偏振片，将所述待测信号光进行过滤得到待测X偏振光和待测Y偏振光；
50/50偏振分束器，将所述脉冲激光进行分束得到功率相同的第一束脉冲本振光和第二束脉冲本振光；
第一90°混频器，将所述待测X偏振光和所述第一束脉冲本振光进行相干混频，得到第一混合光、第二混合光、第三混合光和第四混合光；
第二90°混频器，将所述待测Y偏振光和所述第二束脉冲本振光进行相干混频，得到第五混合光、第六混合光、第七混合光和第八混合光；所述混合光信号包括所述第一混合光、所述第二混合光、所述第三混合光、所述第四混合光、所述第五混合光、所述第六混合光、所述第七混合光和所述第八混合光。
优选地，所述混合光信号包括第一混合光、第二混合光、第三混合光、第四混合光、第五混合光、第六混合光、第七混合光和第八混合光；
所述平衡探测模块包括：
第一平衡探测器，基于所述第一混合光得到第一电信号，基于所述第二混合光得到第二电信号，并对所述第一电信号和所述第二电信号进行相减得到第一相干信号；
第二平衡探测器，基于所述第三混合光得到第三电信号，基于所述第四混合光得到第四电信号，并对所述第三电信号和所述第四电信号进行相减得到第二相干信号；
第三平衡探测器，基于所述第五混合光得到第五电信号，基于所述第六混合光得到第六电信号，并对所述第五电信号和所述第六电信号进行相减得到第三相干信号；
第四平衡探测器，基于所述第七混合光得到第七电信号，基于所述第八混合光得到第八电信号，并对所述第七电信号和所述第八电信号进行相减得到第四相干信号；所述模拟电信号包括所述第一相干信号、所述第二相干信号、所述第三相干信号和所述第四相干信号。
优选地，所述脉冲积分模块包括：
同步采样电路，读取所述模拟电信号，并基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行时钟同步，得到同步电信号；
脉冲积分电路，对所述同步电信号进行脉冲积分，得到峰值数字电信号；
读取电路，读取所述峰值数字电信号中的各峰值点数据，得到采样点数据集，并对所述采样点数据集进行存储；所述采样点数据集即为所述数字电信号。
优选地，所述信号处理模块包括：
去直流单元，对所述数字电信号去直流处理，得到去直流数据；
幅度功率归一化单元，对所述去直流数据进行幅度功率归一化处理，得到功率归一化数据；
正交归一化单元，对所述功率归一化数据进行正交归一化处理，得到正交归一化数据；
数据处理单元，基于所述正交归一化数据得到所述待测信号光的性能指数。
优选地，所述信号处理模块还包括：
解偏振单元，对所述正交归一化信号进行解偏振复用，得到解偏振数据；
频偏补偿单元，对所述解偏振数据进行频偏补偿，得到第一补偿数据；所述数据处理单元基于所述第一补偿数据得到所述待测信号光的性能指数。
优选地，信号处理模块还包括：
相偏补偿单元，对所述第一补偿数据进行相偏补偿，得到第二补偿数据；所述数据处理单元基于所述第二补偿数据得到所述待测信号光的性能指数。
优选地，所述性能指数包括误差矢量幅度值、星座图和眼图。
优选地，所述频偏补偿单元基于M次方频偏估计方法对所述解偏振数据进行频偏补偿，得到所述第一补偿数据。
优选地，所述相偏补偿单元基于V-V相位估计方法对所述第一补偿数据进行相偏补偿，得到所述第二补偿数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种基于脉冲积分的光采样分析系统，包括：脉冲激光器，产生脉冲激光和与其对应的电采样时钟；相干混频模块，对待测信号光与所述脉冲激光进行相干混频，得到混合光信号；平衡探测模块，对所述混合光信号进行提取，得到模拟电信号；脉冲积分模块，基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行积分，得到数字电信号；信号处理模块，基于所述数字电信号得到所述待测信号光的性能指数。本发明提高了采样数据处理的速度和提高数据处理的精度，进而提高了系统性能，同时降低了噪声的影响，提高了系统的稳定性。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于脉冲积分的光采样分析系统结构图；
图2为本发明相干混频模块和平衡探测模块原理图；
图3为理想混频时的采样点示意图；
图4为实际混频时的采样点示意图；
图5为脉冲积分模块结构图；
图6为信号处理模块结构图。
符号说明：1-脉冲激光器，2-相干混频模块，3-平衡探测模块，4-脉冲积分模块，5-信号处理模块，21-偏振片，22-50/50偏振分束器，23-第一90°混频器，24-第二90°混频器，31-第一平衡探测器，32-第二平衡探测器，33-第三平衡探测器，34-第四平衡探测器，41-同步采样电路，42-脉冲积分电路，43-读取电路，51-去直流单元，52-幅度功率归一化单元，53-正交归一化单元，54-解偏振单元，55-频偏补偿单元，56-相偏补偿单元，57数据处理单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于脉冲积分的光采样分析系统，提高了采样数据处理速度和提高数据处理精度，从而能够在同等条件下检测更高速的信号，提高系统性能；同时降低了噪声对系统的影响，增强系统的稳定性，提高系统性能，降低了集成难度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于脉冲积分的光采样分析系统结构图。如图所示，本发明提供了一种基于脉冲积分的光采样分析系统，包括：脉冲激光器1、相干混频模块2、平衡探测模块3、脉冲积分模块4和信号处理模块5。
所述脉冲激光器1产生脉冲激光和所述脉冲激光对应的电采样时钟。
所述相干混频模块2对待测信号光与所述脉冲激光进行相干混频，得到混合光信号。本实施例中，所述待测信号光为32GBaud左右的正交相移键控(Quadrature PhaseShift Keying，简称QPSK)调制信号或多进制正交幅度调制信号。
所述平衡探测模块3对所述混合光信号进行提取，得到模拟电信号。
具体地，如图2所示，所述相干混频模块2为2×890°光混合器，具体包括：偏振片21、50/50偏振分束器22、第一90°混频器23和第二90°混频器24。
所述平衡探测模块3包括：第一平衡探测器31、第二平衡探测器32、第三平衡探测器33和第四平衡探测器34。
所述偏振片21将所述待测信号光进行过滤得到待测X偏振光和待测Y偏振光。
所述50/50偏振分束器22将所述脉冲激光进行分束得到功率相等的第一束脉冲本振光和第二束脉冲本振光。所述第一束脉冲本振光和所述第二束脉冲本振光的功率均为所述脉冲激光的功率的一半。
所述第一90°混频器23将所述待测X偏振光和所述第一束脉冲本振光进行相干混频，得到第一混合光、第二混合光、第三混合光和第四混合光。
所述第一混合光为
以其相位为0°参照；所述第二混合光为
与所述第一混合光相位差为90°；所述第三混合光为
与所述第一混合光相位差为180°；所述第四混合光为
与所述第一混合光相位差为270°。所述第一混合光与所述第三混合光的直流分量相等，所述第二混合光与所述第四混合光的直流分量相等。
其中：
为待测X偏振光，
为第一束脉冲本振光，K1为第一混合光和第二混合光中待测X偏振光的相对强度，K2为第一混合光和第二混合光中第一束脉冲本振光的相对强度，K3为第三混合光和第四混合光中待测X偏振光的相对强度，K4为第三混合光和第四混合光中第一束脉冲本振光的相对强度，exp为以常数e为底的指数函数，i为虚数单位。
所述第二90°混频器24将所述待测Y偏振光和所述第二束脉冲本振光进行相干混频，得到第五混合光、第六混合光、第七混合光和第八混合光。
所述第五混合光为
以其相位为0°参照；所述第六混合光为
与所述第五混合光相位差为90°；所述第七混合光为
与所述第五混合光相位差为180°；所述第八混合光为
与所述第五混合光相位差为270°。所述第五混合光与所述第七混合光的直流分量相等，所述第六混合光与所述第八混合光的直流分量相等。
其中：
为待测Y偏振光，
为第二束脉冲本振光，K5为第五混合光和第六混合光中待测Y偏振光的相对强度，K6为第五混合光和第六混合光中第二束脉冲本振光的相对强度，K7为第七混合光和第八混合光中待测Y偏振光的相对强度，K8为第七混合光和第八混合光中第二束脉冲本振光的相对强度。
所述混合光信号包括所述第一混合光、所述第二混合光、所述第三混合光、所述第四混合光、所述第五混合光、所述第六混合光、所述第七混合光和所述第八混合光。
所述第一平衡探测器31包括第一二极管D1、第二二极管D2和第一减法器S1；所述第一二极管D1基于所述第一混合光得到第一电信号，所述第二二极管D2基于所述第二混合光得到第二电信号，所述第一减法器S1对所述第一电信号和所述第二电信号进行相减得到第一相干信号Ix。
所述第一相干信号为所述待测信号光的同相分量，具体为
其中：t为时间参数，ψ(t)为第一相干信号的相位随时间变化的函数。
所述第二平衡探测器32包括第三二极管D3、第四二极管D4和第二减法器S2；所述第三二极管D3基于所述第三混合光得到第三电信号，所述第四二极管D4基于所述第四混合光得到第四电信号，所述第二减法器S2对所述第三电信号和所述第四电信号进行相减得到第二相干信号Iy。
所述第二相干信号为所述待测信号光的正交分量，具体为
所述第一相干信号和所述第二相干信号的相对强度为K1K2/K3K4。
所述第三平衡探测器33包括第五二极管D5、第六二极管D6和第三减法器S3，所述第五二极管D5基于所述第五混合光得到第五电信号，所述第六二极管D6基于所述第六混合光得到第六电信号，所述第三减法器S3对所述第五电信号和所述第六电信号进行相减得到第三相干信号Qx。
所述第四平衡探测器34包括第七二极管D7、第八二极管D8和第四减法器S4，所述第七二极管D7基于所述第七混合光得到第七电信号，所述第八二极管D8基于所述第八混合光得到第八电信号，所述第四减法器S4对所述第七电信号和所述第八电信号进行相减得到第四相干信号Qy。
所述模拟电信号包括所述第一相干信号、所述第二相干信号、所述第三相干信号和所述第四相干信号。
所述相干混频模块2和所述平衡探测模块3不仅能提高光的有效利用率、减去两路的直流分量而且能抵消掉一部分噪声。
所述脉冲积分模块4基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行积分，得到数字电信号。
假设数据采集卡的采样率fs，脉冲信号的重复频率为Fs，则每个采样脉冲的采样点数为n＝fs/Fs，由于数据采集卡采样率的限制和激光脉冲存在的时间抖动由于数据采集卡采样率的限制和激光脉冲存在的时间抖动，在采样过程中很难保证每个脉冲的采样点数n恒为正整数，这就导致了相邻的不同的采样脉冲周期内的采样点会存在两三个点的误差。假设混频过程是理想状态，其采样过程如图3所示，可以看到采样点也存在采不到脉冲最高点的情况，即有可能采到采样脉冲的上升沿或者下降沿，即使后面峰值提取算法能够将采样点中最高点提取出来但是那个最高点也并不是实际采样脉冲所采集的待测信号的采样点。而信号在传输过程中噪声影响是不可避免一定存在的，其实际混频后的脉冲采样如图4所示，每个采样点可能很杂乱并均有相应的幅值，同时当采样深度较深时，即采样脉冲幅度很小甚至低于噪声幅值，那其峰值提取后的采样点很有可能实际上是噪声而不是待测信号
基于此，如图5所示，所述脉冲积分模块4包括：同步采样电路41、脉冲积分电路42和读取电路43。
所述同步采样电路41读取所述模拟电信号，并基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行时钟同步，得到同步电信号。
所述脉冲积分电路42对所述同步电信号进行脉冲积分，得到峰值数字电信号。所述脉冲积分电路42是输出电压与输入电压的时间积分值成比例的电路，主要是利用电容充放电的过程来达到想要实现的效果。所述脉冲积分电路42不仅能有效地降低噪声对信号的影响，而且可以降低对模数转换器采样率的要求。
所述读取电路43读取所述峰值数字电信号中的各峰值点数据，得到采样点数据集，并对所述采样点数据集进行存储；所述采样点数据集即为所述数字电信号。
所述信号处理模块5，基于所述数字电信号得到所述待测信号光的性能指数。本实施例中，所述性能指数包括误差矢量幅度值、星座图和眼图。
具体地，如图6所示，所述信号处理模块5包括：去直流单元51、幅度功率归一化单元52、正交归一化单元53、解偏振单元54、频偏补偿单元55、相偏补偿单元56和数据处理单元57。
首先对所述数字电信号进行去直流和幅度功率归一化处理，为了减少在光电转换数据时可能会出现的偏置电流、功率不匹配和噪声等情况对数据处理造成的影响。
基于此，所述去直流单元51对所述数字电信号去直流处理，得到去直流数据。
所述幅度功率归一化单元52对所述去直流数据进行幅度功率归一化处理，得到功率归一化数据。
在相干信号进行转换时，可能会因为二极管响应率不匹配、I路和Q路的偏置点的设置点不正确和偏振态失调等情况导致I路和Q路两路正交性被破坏，所述正交归一化单元53采用格拉姆-施密特(Gram-Schmidt，简称GSOP)正交化方法，对所述功率归一化数据进行正交归一化处理，得到正交归一化数据，以对所述功率归一化数据进行正交纠正和正交补偿。
由于光纤在制造过程中很难达到理想情况，会因为应力不均匀和偏心等因素造成光纤的各向异性，使得光信号在传输过程中发生随机的双折射效应，这种效应会导致我们所采集的信号发生畸形从而影响信号监测结果，因此需要对畸形信号进行纠正。
所述解偏振单元54采用盲均衡恒模算法对所述正交归一化数据进行偏振解复用；当待测信号光和脉冲激光的光谱发生混叠时，待测信号光载波频率与相邻的脉冲激光的频率之间的偏差会使得采样点的相位随时间发生偏移，因此会导致待测信号光的星座图产生误差，因此要想准确恢复出待测信号光的星座图，需要对信号进行频偏补偿，所述频偏补偿单元55采用M次方频偏估计算法对对所述解偏振数据进行频偏补偿，得到第一补偿数据。
由所述脉冲激光器1的线宽引起的随机相位变化会使信号的相位偏离理想的相位点，在星座图上表现为不是一个单独的点而是在理想星座点附近的一个圆，这会导致码元判决和误差矢量幅度值发生误差，因此需要进行相偏补偿。
基于此，所述相偏补偿单元56基于维特比-维特比(Viterbi-Viterbi，简称V-V)相位估计方法对所述第一补偿数据进行相偏补偿，得到所述第二补偿数据。
所述数据处理单元57基于所述第二补偿数据得到所述待测信号光的所述性能指数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，包括：
脉冲激光器，产生脉冲激光和与其对应的电采样时钟；
相干混频模块，对待测信号光与所述脉冲激光进行相干混频，得到混合光信号；
平衡探测模块，对所述混合光信号进行提取，得到模拟电信号；
脉冲积分模块，基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行积分，得到数字电信号；
信号处理模块，基于所述数字电信号得到所述待测信号光的性能指数。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述相干混频模块包括：
偏振片，将所述待测信号光进行过滤得到待测X偏振光和待测Y偏振光；
50/50偏振分束器，将所述脉冲激光进行分束得到功率相同的第一束脉冲本振光和第二束脉冲本振光；
第一90°混频器，将所述待测X偏振光和所述第一束脉冲本振光进行相干混频，得到第一混合光、第二混合光、第三混合光和第四混合光；
第二90°混频器，将所述待测Y偏振光和所述第二束脉冲本振光进行相干混频，得到第五混合光、第六混合光、第七混合光和第八混合光；所述混合光信号包括所述第一混合光、所述第二混合光、所述第三混合光、所述第四混合光、所述第五混合光、所述第六混合光、所述第七混合光和所述第八混合光。
3.根据权利要求1所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述混合光信号包括第一混合光、第二混合光、第三混合光、第四混合光、第五混合光、第六混合光、第七混合光和第八混合光；
所述平衡探测模块包括：
第一平衡探测器，基于所述第一混合光得到第一电信号，基于所述第二混合光得到第二电信号，并对所述第一电信号和所述第二电信号进行相减得到第一相干信号；
第二平衡探测器，基于所述第三混合光得到第三电信号，基于所述第四混合光得到第四电信号，并对所述第三电信号和所述第四电信号进行相减得到第二相干信号；
第三平衡探测器，基于所述第五混合光得到第五电信号，基于所述第六混合光得到第六电信号，并对所述第五电信号和所述第六电信号进行相减得到第三相干信号；
第四平衡探测器，基于所述第七混合光得到第七电信号，基于所述第八混合光得到第八电信号，并对所述第七电信号和所述第八电信号进行相减得到第四相干信号；所述模拟电信号包括所述第一相干信号、所述第二相干信号、所述第三相干信号和所述第四相干信号。
4.根据权利要求1所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述脉冲积分模块包括：
同步采样电路，读取所述模拟电信号，并基于所述电采样时钟对所述模拟电信号进行时钟同步，得到同步电信号；
脉冲积分电路，对所述同步电信号进行脉冲积分，得到峰值数字电信号；
读取电路，读取所述峰值数字电信号中的各峰值点数据，得到采样点数据集，并对所述采样点数据集进行存储；所述采样点数据集即为所述数字电信号。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述信号处理模块包括：
去直流单元，对所述数字电信号去直流处理，得到去直流数据；
幅度功率归一化单元，对所述去直流数据进行幅度功率归一化处理，得到功率归一化数据；
正交归一化单元，对所述功率归一化数据进行正交归一化处理，得到正交归一化数据；
数据处理单元，基于所述正交归一化数据得到所述待测信号光的性能指数。
6.根据权利要求5所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括：
解偏振单元，对所述正交归一化信号进行解偏振复用，得到解偏振数据；
频偏补偿单元，对所述解偏振数据进行频偏补偿，得到第一补偿数据；所述数据处理单元基于所述第一补偿数据得到所述待测信号光的性能指数。
7.根据权利要求6所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，信号处理模块还包括：
相偏补偿单元，对所述第一补偿数据进行相偏补偿，得到第二补偿数据；所述数据处理单元基于所述第二补偿数据得到所述待测信号光的性能指数。
8.根据权利要求1所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述性能指数包括误差矢量幅度值、星座图和眼图。
9.根据权利要求6所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述频偏补偿单元基于M次方频偏估计方法对所述解偏振数据进行频偏补偿，得到所述第一补偿数据。
10.根据权利要求7所述的基于脉冲积分的光采样分析系统，其特征在于，所述相偏补偿单元基于V-V相位估计方法对所述第一补偿数据进行相偏补偿，得到所述第二补偿数据。
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