CN115622843A - 一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，属于数字信号处理领域。用于实现本发明的采样系统包括光纤频率梳、光纤延迟线、光耦合器、90°混频器、四个平衡探测器、四通道模数转换器和采样脉冲数字信号处理模块。本发明利用光纤延迟线和光耦合器来增加本振光的重复频率，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，再借助协同峰值提取算法识别得到混频信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，通过归一化和正交化以消除峰值序列的符号间干扰，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度，优化对应的数字信号处理过程，进而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
Description
技术领域
本发明属于数字信号处理领域，特别是涉及基于双脉冲混频的线性光采样方法。
背景技术
目前，随着长距离光传输和数据中心互联中数据传输速率的提高，光信号的有效表征加速了光网络的维护、管理和发展。由于使用高速光电探测器和模数转换器，传统的电采样技术可能会在可测量范围、精度和资本支出方面陷入瓶颈。低成本的光采样技术移除了高速设备。通常，光采样技术可分为非线性光学采样和线性光学采样。然而由于非线性效应的高泵浦功率和固有的低能量效率，非线性光采样的灵敏度较差。此外，非线性光采样无法获得光信号的相位信息，这限制了光采样的应用范围。
线性光采样通过将短脉冲的门控功能与信号结合，利用相干零差混频进行采样来实现线性光学过程。通过90°混频器和平衡探测器完成待测光的相干采样，在线性过程之后，可以配备低速平衡光电探测器进行光电转换和分析，再与数字信号处理模块相结合实现高速光信号的信息的采集。数字信号处理模块对脉冲周期内峰值点进行提取，通过归一化和正交化以消除符号间干扰，然后经由偏振分复用、频偏估计和载波相位恢复来恢复信号，最后对信号进行精确的周期估计，包括粗周期计算和软件时钟同步。
现有的线性光采样方法是将待测信号与采样脉冲通过90°混频器进行相干混频，再通过平衡探测器完成待测光的相干采样。线性光采样方法中首选锁模光纤激光器技术，由分离装置组成的锁模光纤激光器限制了重复频率，从而在振荡环中保留了几米长的单模光纤，这增加了待测信号的测量时间。又由于待测信号的频率偏移，采样脉冲的重复频率限制了测量范围。此外，定时偏差和信号线宽对实时眼图恢复有重大影响，尤其是对于高速信号和高级调制格式，因而重复频率同时限制了基于锁模光纤激光器的线性光采样系统的表征性能。因此，迫切需要一种同时提高测量范围和缩短测量时间的线性光采样方法。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，利用光纤延迟线和光耦合器来增加本振光的重复频率，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，再借助协同峰值提取算法识别得到混频信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度，优化对应的数字信号处理过程，进而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，包括如下步骤：
步骤一：将光纤频率梳作为本振光，利用光纤延迟线和光耦合器来增加本振光的重复频率，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，混频信号再经由相干检测、模数转换得到对应的数字信号。
将光纤频率梳作为本振光，本振光由1:n光耦合器分隔开，每一段通过一条具有唯一长度的光纤延迟线，然后与另一段光纤延迟线相结合，确保混合的脉冲时域不会重叠，并与待测信号在90°混频器中混频，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，混频信号再通过平衡探测器进行相干检测，经由模数转换器转换得到对应的数字信号。
步骤二：通过协同峰值提取算法识别得到步骤一得到的信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度。
通过协同峰值提取算法识别步骤一采样后信号，在第一个周期中找到两个峰值的位置，找到第一个峰值及其位置，位置用X表示。为了消除该脉冲峰值对另一个脉冲峰值的影响，通过协同峰值提取算法删除间隔之间的点[X-W/2,X+W/2]。再找到另一个峰值及其位置，位置用Y表示。
根据X和Y的大小决定协同峰值提取算法的搜索顺序，如果Y>X，协同峰值提取算法将以两个不同的间隔交叉搜索峰值，将按照Δt，T–Δt的顺序搜索识别。相反，如果Y<X,然后，协同峰值提取算法将按照T-Δt，Δt的顺序搜索识别，其中Δt表示时间偏差，T表示一个脉冲周期。按照上述搜索顺序提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度。
步骤三：对步骤二提取的两个峰值序列分别进行归一化、正交化、偏振解复用、频率估计、相位恢复和周期估计的预处理。对峰值序列首先进行归一化、正交化，通过归一化和正交化以消除符号间干扰。再经由恒模算法均衡消除双折射效应带来的信号畸变进行偏振解复用。之后进行频偏估计和相位估计实现载波恢复。再利用基于线性调频z变换的软件同步算法精确估计峰值序列的信号周期，以消除线性光采样系统引起的定时误差。将处理后得到的脉冲序列进行整合绘制精确眼图，从而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
本发明还公开一种基于双脉冲混频的线性光采样系统，用于实现所述一种基于双脉冲混频的线性光采样方法，所述一种基于双脉冲混频的线性光采样系统包括光纤频率梳、光纤延迟线、光耦合器、90°混频器、四个平衡探测器、四通道模数转换器和采样脉冲数字信号处理模块。
光纤频率梳作为本振光。将光纤频率梳作为本振光，本振光由1:n光耦合器分隔开，每一段通过一条具有唯一长度的光纤延迟线，然后与另一段光纤延迟线相结合，确保混合的脉冲时域不会重叠，并与待测信号在90°混频器中混频，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，混频信号再通过四个平衡探测器进行相干检测，经由四通道模数转换器转换得到对应的数字信号。
在采样脉冲数字信号处理模块中，通过协同峰值提取算法识别采样后信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度。在采样脉冲数字信号处理模块的后续部分中，根据协同峰值提取算法识别的峰值顺序，将两个峰值序列用序列1和序列2表示。再对峰值序列进行归一化、正交化、偏振解复用频率估计、相位恢复和周期估计的预处理。通过归一化和正交化以消除符号间干扰，再经由恒模算法均衡消除双折射效应带来的信号畸变进行偏振解复用。之后进行频偏估计和相位估计实现载波恢复。再利用基于线性调频z变换的软件同步算法精确估计峰值序列的信号周期，以消除线性光采样系统引起的定时误差。将处理后得到的脉冲序列进行整合绘制精确眼图，从而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，利用光纤延迟线和光耦合器来增加本振光的重复频率，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，利用协同峰值提取算法识别步骤一得到的信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度，优化对应的数字信号处理过程，进而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
2、本发明公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，采用光纤延迟线和光耦合器来增加本振光的重复频率，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，提高采样质量。
3、本发明公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，该方法识别得到混频信号中同一周期的两个峰值，并根据峰值位置按一定的搜索顺序提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度
4、本发明公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，通过归一化和正交化以消除峰值序列的符号间干扰。再经由恒模算法均衡进行偏振解复用消除双折射效应带来的信号畸变。通过频偏估计和相位估计实现载波恢复。再利用基于线性调频z变换的软件同步算法精确估计峰值序列的信号周期，消除线性光采样系统引起的定时误差。通过整合处理后得到的脉冲序列进行精确眼图的绘制，从而实现快速的眼图构建和精确的信号表征。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法的流程示意图。
图2为本发明提供的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法的系统结构图。
图3为本发明提供的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法流程示意图。
图4为本发明提供的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法流程示意图。
具体实施方式
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，所述实施例仅为本发明的一部分实施例而非全部。基于本发明中的实施例，本领域普通人员未做出创造性劳动的前提下所获得其他所有实施例，均属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例公开的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，具体实现步骤如下：
S1，利用被动锁模激光器产生宽带光纤频率梳，作为本振光源产生脉冲本振光。通过光耦合器将本振光分隔，并分别通过一段光纤延迟线，确保混合的脉冲时域不会重叠，然后与另一段结合，进而提高脉冲本振光的重复频率。增加重复频率后的脉冲本振光与待测信号进行双脉冲混频，通过1.5m的光纤延迟线及50：50光耦合器的本振光与待测信号在90°混频器中相干混频，并通过四个平衡光电探测器进行光电转换和分析，再经由四通道模数转换器进行模数转换。
该线性光采样方法的系统结构如图2所示，包括一台定制的工作频率99.945MHz(增益频谱宽度20nm)的被动锁模激光器，一台可调的光学带通滤波器，多段长度1.5m的单模光纤，一部50：50光耦合器，一部四通道模数转换器，一台任意波形信号发生装置，一部90°混频器，四部低速平衡探测器以及一台示波器。被动锁模激光器输出1560nm的频率稳定可调的脉冲激光，单模光纤作为光纤延迟线，结合光耦合器提高脉冲重复频率。滤波器滤除脉冲光谱中多余的光谱成分，提升脉冲相干性。通过90°混频器将待测信号与提高重复频率后的脉冲本振光相干混频，经过平衡探测器得到四路信号。四通道模数转换器对四路信号进行模数转换后，进行数字信号处理。
S2，对模数转换后的混频信号进行峰值提取。峰值提取方法的流程示意如图3所示。通过图3所示的峰值提取方法完成峰值序列识别以及提取，具体包括：
在第一个周期中找到两个峰值的位置。找到第一个峰值及其位置，位置用X表示。同时为了消除该脉冲对另一个脉冲峰值的影响，峰值提取算法删除间隔之间的点[X-W/2.X+
W/2]，W为脉冲宽度。再找到另一个峰值及其位置，位置用Y表示。
根据X和Y的大小决定峰值提取算法的搜索顺序。如果Y>X,峰值提取算法将以两个不同的间隔交叉搜索峰值，将按照Δt，T–Δt的顺序搜索识别，其中Δt表示时间偏差，T表示一个脉冲周期。相反，如果Y<X,然后，峰值提取算法将按照T-Δt，Δt的顺序搜索识别。根据峰值提取算法识别的顺序，将两个峰值序列用序列1和序列2表示并分别提取。
S3，对数字信号处理模块提取出的两个峰值序列分别进行归一化、正交化、偏振解复用、频偏估计、载波相位恢复，通过整合处理后得到的脉冲序列进行精确眼图的绘制，从而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。基于双脉冲混频的数字信号处理流程示意如图4所示，具体包括：
由数字信号处理模块分别提取峰值序列1和峰值序列2。由于通常的90°混频器会有一定的相位失配，信号输出并非完全正交，因此峰值提取之后，分别对两个峰值序列进行归一化、正交化。通过归一化和正交化以消除符号间干扰，再经由恒模算法均衡进行偏振解复用消除双折射效应带来的信号畸变。之后进行频偏估计和相位估计实现载波恢复。再利用基于线性调频z变换的软件同步算法精确估计峰值序列的信号周期，以消除线性光采样系统引起的定时误差。将处理后得到的脉冲序列进行整合，绘制精确眼图，从而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：将光纤频率梳作为本振光，利用光纤延迟线和光耦合器来增加本振光的重复频率，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，混频信号再经由相干检测、模数转换得到对应的数字信号；
步骤二：通过协同峰值提取算法识别得到步骤一得到的信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度；
步骤三：对步骤二提取的两个峰值序列分别进行归一化、正交化、偏振解复用、频率估计、相位恢复和周期估计的预处理；对峰值序列首先进行归一化、正交化，通过归一化和正交化以消除符号间干扰；再经由恒模算法均衡消除双折射效应带来的信号畸变进行偏振解复用；之后进行频偏估计和相位估计实现载波恢复；再利用基于线性调频z变换的软件同步算法精确估计峰值序列的信号周期，以消除线性光采样系统引起的定时误差；将处理后得到的脉冲序列进行整合绘制精确眼图，从而实现快速的眼图构建和精确的信号测量。
2.如权利要求1所述的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
将光纤频率梳作为本振光，本振光由1:n光耦合器分隔开，每一段通过一条具有唯一长度的光纤延迟线，然后与另一段光纤延迟线相结合，确保混合的脉冲时域不会重叠，并与待测信号在90°混频器中混频，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，混频信号再通过平衡探测器进行相干检测，经由模数转换器转换得到对应的数字信号。
3.如权利要求2所述的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，其特征在于：步骤二实现方法为，
通过协同峰值提取算法识别步骤一采样后信号，在第一个周期中找到两个峰值的位置，找到第一个峰值及其位置，位置用X表示；为了消除该脉冲峰值对另一个脉冲峰值的影响，通过协同峰值提取算法删除间隔之间的点[X-W/2.X+W/2]；再找到另一个峰值及其位置，位置用Y表示；
根据X和Y的大小决定协同峰值提取算法的搜索顺序，如果Y>X，协同峰值提取算法将以两个不同的间隔交叉搜索峰值，将按照Δt，T–Δt的顺序搜索识别；相反，如果Y<X,然后，协同峰值提取算法将按照T-Δt，Δt的顺序搜索识别，其中Δt表示时间偏差，T表示一个脉冲周期；按照上述搜索顺序提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度。
4.如权利要求1、2或3所述的一种基于双脉冲混频的快速光信号表征方法，其特征在于：基于一种基于双脉冲混频的线性光采样系统实现，所述一种基于双脉冲混频的线性光采样系统包括光纤频率梳、光纤延迟线、光耦合器、90°混频器、四个平衡探测器、四通道模数转换器和采样脉冲数字信号处理模块；
光纤频率梳作为本振光；将光纤频率梳作为本振光，本振光由1:n光耦合器分隔开，每一段通过一条具有唯一长度的光纤延迟线，然后与另一段光纤延迟线相结合，确保混合的脉冲时域不会重叠，并与待测信号在90°混频器中混频，通过将增加重复频率后的本振光与待测信号混合进行相干混频来增加采样点的数量，混频信号再通过四个平衡探测器进行相干检测，经由四通道模数转换器转换得到对应的数字信号；
在采样脉冲数字信号处理模块中，通过协同峰值提取算法识别采样后信号中同一周期的两个峰值，并提取出对应的峰值序列，避免间隔窄的双脉冲对峰值提取过程的影响，从而提高采样速度；在采样脉冲数字信号处理模块的后续部分中，根据协同峰值提取算法识别的峰值顺序，将两个峰值序列用序列1和序列2表示；再对峰值序列进行归一化、正交化、偏振解复用频率估计、相位恢复和周期估计的预处理；通过归一化和正交化以消除符号间干扰，再经由恒模算法均衡消除双折射效应带来的信号畸变进行偏振解复用；之后进行频偏估计和相位估计实现载波恢复；再利用基于线性调频z变换的软件同步算法精确估计峰值序列的信号周期，以消除线性光采样系统引起的定时误差；将处理后得到的脉冲序列进行整合绘制精确眼图，从而实现快速的眼图构建和精确的信号表征。
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Legal Events
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| 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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