CN114499667B - 单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化装置与方法 - Google Patents

单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化装置与优化方法。该装置由主端模块和远端模块组成,分别连接到被优化单纤双向光纤链路的两端。本发明以单纤双向光纤链路两端接收信号信噪比的倒数之和作为目标函数,通过预设条件下测量获得单纤双向光纤链路的参数,可以有效提高获取双向光放大器最佳增益值的效率,该装置和方法避免了对光纤链路相关的散射和衰减系数的单独的逐段测量,尤其在双向光放大器数量较多的情况下,仍能快速求解各双向光放大器最佳增益。

Description

单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化装置与方法
技术领域
本发明涉及光纤链路信号的双向传输,特别是一种单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化装置与优化方法。
背景技术
配有双向光放大器的光纤链路是长距离时间频率传递、光纤通信等应用常用的信号传输通道。光信号的功率在光纤中传播时不可避免地发生衰减,因此使用双向光放大器放大衰减的光信号。但是,光信号在光纤链路传播的过程中,将不可避免地产生多种噪声,主要有二次瑞利散射噪声和双向光放大器的自发辐射噪声,这两种噪声将恶化接收信号的信噪比,导致信号传输的不准确。为了降低两种噪声的影响,有学者建立了描述该装置的数学模型(参见[1]Sliwczynski,Kolodziej J.Bidirectional Optical Amplification inLong-Distance Two-Way Fiber-Optic Time and Frequency Transfer Systems[J].IEEETransactions on Instrumentation&Measurement,2013,62(1):253-262.),基于该模型可以计算出给定双向光放大器增益下的光纤链路信噪比,但当双向光放大器的数量增多时(如数量超过5个),求解各双向光放大器最佳增益计算的复杂性和计算时间急剧增加。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化装置与优化方法。该装置和方法首先避免了对光纤链路相关的散射和衰减系数的单独的逐段测量,尤其在双向光放大器数量较多的情况下,仍能够快速求解各双向光放大器最佳增益。
本发明的技术解决方案如下:
一种单纤双向光纤链路的双向光放大器增益优化装置,其特点在于,该装置由主端模块、远端模块和待优化的单纤双向光纤链路组成,所述的主端模块和远端模块分别与所述的待优化的单纤双向光纤链路的两端连接,所述的主端模块的连接端记为主端,所述的远端模块的连接端记为远端,所述的待优化的单纤双向光纤链路由从主端至远端依次通过第1光纤段到第N+1光纤段分别与第1双向光放大器到第N双向光放大器连接而成,待优化的参数为第1双向光放大器到第N双向光放大器的增益;
所述的主端模块由第一光发射单元、第一光接收单元、第一信噪比分析单元、主处理控制单元和第一分光单元组成,所述的第一光发射单元与所述的第一分光单元的1端口相连,所述的第一分光单元的2端口与待优化的单纤双向光纤链路的主端相连,所述的第一分光单元的3端口与所述的第一光接收单元的信号输入端口相连,所述的第一光接收单元的信号输出端口与所述的第一信噪比分析单元的信号输入端口相连,所述的第一信噪比分析单元的输出端口与所述的主处理控制单元的控制端相连;
所述的远端模块由第二光发射单元、第二分光单元、第二光接收单元和第二信噪比分析单元组成,所述的第二光发射单元的输出端与所述的第二分光单元的1端口相连,所述的第二分光单元的2端口与待优化的单纤双向光纤链路的远端相连,所述的第二分光单元的3端口与所述的第二光接收单元的信号输入端口相连,所述的第二光接收单元的信号输出端口与所述的第二信噪比分析单元的输入端相连,所述的第二信噪比分析单元的输出端与所述的主端模块中的所述的主处理控制单元相连,用于数据处理。
上述单纤双向光纤链路的双向光放大器增益装置的优化方法,该优化方法优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的目标函数为:
Figure GDA0004223382980000021
其中,SNRl和SNRr分别为主端模块和远端模块的接收信号的信噪比,通过最小化g得到待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值,该方法的具体步骤如下:
1)将所述的主端模块和所述的远端模块分别连接到待优化的单纤双向光纤链路的两端;
2)预设双向光放大器增益矩阵[Gi,j](i=1,…,M;j=1,…,N),其中,N为待优化单纤双向光纤链路中的双向光放大器的数目,
Figure GDA0004223382980000022
Gi,j表示第j个双向光放大器在第i组增益组合中的预设值;
3)根据预设增益矩阵[Gi,j]中的每一行配置待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的增益值Gi,j(在第i次配置时,第j个双向光放大器的增益值设置为Gi,j,其中,待优化的单纤双向光纤链路中从主端到远端双向光放大器的分别编号为第1,2,…,N个),测量主端和远端接收信噪比,计算保存对应的gi(i=1,…,M);
4)根据步骤2)中设置的各组双向光放大器的增益值及步骤3)中测量得到的函数gi的值,构建如下线性方程组:
Figure GDA0004223382980000031
其中,
Figure GDA0004223382980000032
求解方程组式(2),得到hi
5)基于步骤4)得到的系数hi,计算光纤链路相关的散射和衰减系数:
cm,n=hi,且
Figure GDA0004223382980000033
其中,m=1,…N,n=m+1,…,N+1;
dk=hi,且
Figure GDA0004223382980000034
ek=hi,且
Figure GDA0004223382980000035
6)构建单纤双向光纤链路中双向光放大器增益优化目标函数如下:
Figure GDA0004223382980000036
求解使式(4)中g最小时各双向光放大器的增益值
Figure GDA0004223382980000037
并以此作为待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值。
本发明的技术效果:
实验表明,本发明首先避免了对光纤链路相关的散射和衰减系数的单独的逐段测量,并且即使双向光放大器数量较多,求解单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值耗时也较短。
附图说明
图1是本发明优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益装置的结构示意图;
图2是本发明优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的实施例示意图。
图3给出了在不同双向光放大器数量时,本发明所提的求解单纤双向光纤链路中各双向光放大器最佳增益值的计算时长和传统的遍历法求解的计算时长比较图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明,本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和和具体的工作流程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1为本发明优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益装置的结构示意图,图2为本发明优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的实施例示意图。由图1可见,本发明优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的装置包括主端模块1和远端模块2组成。由图2可见,在使用中,本发明优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的装置的主端模块1和远端模块2分别连接到待优化的单纤双向光纤链路的主端和远端。此外,由图2可见,待优化单纤双向光纤链路由从主端至远端分别为1到N+1的光纤段和分别为1到N的双向光放大器连接而成。
所述的主端模块1由第一光发射单元3、第一光接收单元4、第一信噪比分析单元5、主处理控制单元6和第一分光单元7组成。所述的第一光发射单元3与所述的第一分光单元7的1端口相连,所述的第一分光单元7的2端口与待优化的单纤双向光纤链路的主端相连,所述的第一分光单元7的3端口与所述的第一光接收单元4的信号输入端口相连,所述的第一光接收单元4的信号输出端口与所述的第一信噪比分析单元5的信号输入端口相连,所述的第一信噪比分析单元5的输出信号接入至所述的主处理控制单元6。
所述的远端模块2由第二光发射单元8、第二分光单元9、第二光接收单元10和第二信噪比分析单元11组成。所述的第二光发射单元8与所述的第二分光单元9的1端口相连,所述的第二分光单元9的2端口与待优化的单纤双向光纤链路的远端相连,所述的第二分光单元9的2端口与所述的第二光接收单元10的信号输入端口相连,所述的第二光接收单元10的信号输出端口与所述的第二信噪比分析单元11相连。所述的第二信噪比分析单元11输出的远端信噪比分析结果将被发送至所述的主端模块1中的所述的主处理控制单元6,用于数据处理。
根据上述优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的装置,本发明还提供了一种优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的方法,其特点在于,该方法优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的目标函数为:
Figure GDA0004223382980000041
其中,SNRl和SNRr分别为主端和远端接收信号信噪比。通过最小化g得到待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值;
利用上述优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的装置的优化方法,该方法具体步骤如下:
1)将所述的主端模块1和远端模块2分别连接到待优化单纤双向光纤链路的主端和远端;
2)预设双向光放大器增益矩阵[Gi,j](i=1,…,M;j=1,…,N),其中N为待优化单纤双向光纤链路中双向光放大器的数目,
Figure GDA0004223382980000051
Gi,j表示第j个双向光放大器在第i组增益组合中的预设值;
3)根据预设增益矩阵[Gi,j]中的每一行设置待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的增益值(在第i次设置时,第j个双向光放大器的增益值设置为Gi,j,其中,待优化的单纤双向光纤链路中从主端到远端的双向光放大器的编号分别为第1,2,…,N个),使用信噪比测量设备测量主端和远端接收信噪比,根据公式(1)计算保存对应的gi(i=1,…,M);
4)根据步骤2)中设置的各组双向光放大器的增益值及步骤(3)中测量得到的函数gi的值,构建如下线性方程组:
Figure GDA0004223382980000052
其中,
Figure GDA0004223382980000053
求解方程组式(2),得到hi
5)基于步骤4)得到的系数hi,计算光纤链路相关的散射和衰减系数:
cm,n=hi,且
Figure GDA0004223382980000054
Figure GDA0004223382980000055
dk=hi,且
Figure GDA0004223382980000056
ek=hi,且
Figure GDA0004223382980000057
6)构建单纤双向光纤链路中双向光放大器增益优化目标函数如下:
Figure GDA0004223382980000061
求解使式(4)中g最小时各双向光放大器的增益值
Figure GDA0004223382980000062
并以此作为待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值。
传统求解单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值的方法为遍历各双向光放大器的增益值并计算主端模块和远端模块的接收信号的信噪比,当主端模块和远端模块的接收信号的信噪比达到最大时,记录下此时各双向光放大器的增益值作为最佳增益。在单纤双向光纤链路中双向光放大器数量较多时,该传统求解方法计算时间随双向光放大器的数量成指数增长,遍历过程耗时较长。此外,在实际应用中,传统的放大需要对光纤链路相关的散射和衰减系数进行单独地逐段测量,但当双向光放大器数量较多时,测量过程繁琐且复杂。
而本发明所提出的方法首先避免了对光纤链路相关的散射和衰减系数的单独的逐段测量,并且即使双向光放大器数量较多,求解单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值耗时也较短。
图3给出了在不同双向光放大器数量时,本发明所提的求解单纤双向光纤链路中各双向光放大器最佳增益值的计算时长和传统的遍历法求解的计算时长,从图中可以看出,当双向光放大器数量超过5个时,传统的遍历法求解的计算时长将呈现指数增加。而本发明所提的求解方法计算时长增长较小。

Claims (2)

1.单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化方法,其特征在于,该优化方法优化单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的目标函数为:
Figure FDA0004193834270000011
其中,SNRl和SNRr分别为主端模块(1)和远端模块(2)的接收信号的信噪比,通过最小化g得到待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值,该方法的具体步骤如下:
1)将所述的主端模块(1)和所述的远端模块(2)分别连接到待优化的单纤双向光纤链路的两端;
2)预设双向光放大器增益矩阵[Gi,j](i=1,…,M;j=1,…,N),
其中,N为待优化单纤双向光纤链路中的双向光放大器的数目,
Figure FDA0004193834270000012
Gi,j表示第j个双向光放大器在第i组增益组合中的预设值;
3)根据预设增益矩阵[Gi,j]中的每一行配置待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的增益值Gi,j(在第i次配置时,第j个双向光放大器的增益值设置为Gi,j,其中,待优化的单纤双向光纤链路中从主端到远端双向光放大器的分别编号为第1,2,…,N个),测量主端和远端接收信噪比,计算保存对应的gi(i=1,…,M);
4)根据步骤2)中设置的各组双向光放大器的增益值及步骤3)中测量得到的函数gi的值,构建如下线性方程组:
Figure FDA0004193834270000013
其中,
Figure FDA0004193834270000014
求解方程组式(2),得到hi
5)基于步骤4)得到的系数hi,计算光纤链路相关的散射和衰减系数:
cm,n=hi,且
Figure FDA0004193834270000021
其中,m=1,…N,n=m+1,…,N+1;
dk=hi,且
Figure FDA0004193834270000022
ek=hi,且
Figure FDA0004193834270000023
6)构建单纤双向光纤链路中双向光放大器增益优化目标函数如下:
Figure FDA0004193834270000024
求解使式(4)中g最小时各双向光放大器的增益值
Figure FDA0004193834270000025
并以此作为待优化的单纤双向光纤链路中各双向光放大器的最佳增益值。
2.实施权利要求1所述单纤双向光纤链路中双向光放大器增益的优化方法的装置,其特征在于,该装置由主端模块(1)、远端模块(2)和待优化的单纤双向光纤链路组成,所述的主端模块(1)和远端模块(2)分别与所述的待优化的单纤双向光纤链路的两端连接,所述的主端模块(1)的连接端记为主端,所述的远端模块(2)的连接端记为远端,所述的待优化的单纤双向光纤链路由从主端至远端依次通过第1光纤段到第N+1光纤段分别与第1双向光放大器到第N双向光放大器连接而成,待优化的参数为第1双向光放大器到第N双向光放大器的增益;
所述的主端模块(1)由第一光发射单元(3)、第一光接收单元(4)、第一信噪比分析单元(5)、主处理控制单元(6)和第一分光单元(7)组成,所述的第一光发射单元(3)与所述的第一分光单元(7)的1端口相连,所述的第一分光单元(7)的2端口与待优化的单纤双向光纤链路的主端相连,所述的第一分光单元(7)的3端口与所述的第一光接收单元(4)的信号输入端口相连,所述的第一光接收单元(4)的信号输出端口与所述的第一信噪比分析单元(5)的信号输入端口相连,所述的第一信噪比分析单元(5)的输出端口与所述的主处理控制单元(6)的控制端相连;
所述的远端模块(2)由第二光发射单元(8)、第二分光单元(9)、第二光接收单元(10)和第二信噪比分析单元(11)组成,所述的第二光发射单元(8)的输出端与所述的第二分光单元(9)的1端口相连,所述的第二分光单元(9)的2端口与待优化的单纤双向光纤链路的远端相连,所述的第二分光单元(9)的3端口与所述的第二光接收单元(10)的信号输入端口相连,所述的第二光接收单元(10)的信号输出端口与所述的第二信噪比分析单元(11)的输入端相连,所述的第二信噪比分析单元(11)输出端与所述的主端模块(1)中的所述的主处理控制单元(6)相连,用于数据处理。
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