CN117639913A - 一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统。将超短脉冲光信号通过色散光纤，使超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号；将展宽脉冲光信号和采样脉冲信号输入光学混频器；将光学混频器的输出接入两个光电探测器，经由两个光电探测器生成第一电信号和第二电信号；将第一电信号和第二电信号输入模数转换器，生成数字信号；对数字信号进行峰值提取，并将数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。上述方案通过将待测超短脉冲光信号经过色散光纤，产生较大展宽，对展宽脉冲光信号进行采集，通过数字信号处理技术进行复原，恢复原始的超短脉冲光信号。由此，实现了有效采样，降低模数转换器的带宽，减少系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统。
背景技术
如今，随着我国各种宽带业务的蓬勃发展，虚拟现实、自动驾驶、物联网、远程医疗等各种新兴产业快速发展壮大。这些新兴的产业和应用背后，是光纤通信和光网络技术的发展在提供有力支撑。光纤通信系统朝着超大容量、超高速、超长距离方向发展，在数据传输中发挥关键作用。海量数据与业务对光通信系统提出更高要求，带来新的挑战。光纤系统超大容量，超高速的指标离不开高速信号测量技术，高速信号的测量是未来光纤通信发展的保障。
采样技术是信号测量与分析的重要一环，传统的电光采样由于电子瓶颈，制约了大容量超高速通信系统的发展。传统的光信号采样，将光信号转换为电信号后，再进行模数转换，光信号的速率很高，为满足采样定理无失真恢复，模数转换器的速率通常会是信号的数十倍，这要求模数转换器能够处理更高速的信号速率,这对模数转换器的要求更为苛刻。由于模数转换器的带宽无法无限提高，因此需要采取新的采样方式来应对高速信号测量的挑战。
线性采样技术可以克服电子瓶颈，降低模数转换器所需带宽，减少系统成本，相比电光采样具有显著优势，因此线性光采样技术越来越成为光信号检测的前沿技术。线性光采样是一种欠采样方法,可以有效地利用低速光脉冲采集高速信号,再通过数字信号处理算法,对信号进行较高程度监测和恢复。然而线性光采样方法对于含有短脉冲信号恢复较为困难，这是由于短脉冲信号占空比非常小，采样脉冲的速率又远低于信号速率，如果短脉冲信号归零的部分比较多，采样脉冲采集的全是零，提取不到待测信号的主瓣，光电探测器的输出是无效信号，无法进行后续数字信号处理。
因此，提供一种全新的基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方案，解决现有的线性光采样问题，成为行业亟待解决的事情。
发明内容
鉴于此，本申请实施例提供了一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统，能够基于线性光采样实现超短脉冲光信号的有效采样。
本发明的第一方面，提供了一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法，该采样方法包括：将超短脉冲光信号通过色散光纤，使该超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号；将该展宽脉冲光信号和采样脉冲信号输入光学混频器；将该光学混频器的输出接入两个光电探测器，经由两个光电探测器生成第一电信号和第二电信号；将该第一电信号和该第二电信号输入模数转换器，生成数字信号；对该数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。
在本发明一些实施例中，对该数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号，包括：对该数字信号进行峰值提取，得到峰值点序列；对该峰值点序列执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号。
在本发明一些实施例中，对该峰值点序列执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号，包括：对该峰值点序列中的每一个峰值点确定归一化时间，绘制重构脉冲信号散点图，根据该散点图恢复的信号，生成色散展宽信号；对该色散展宽信号进行色散补偿，恢复原始的超短脉冲光信号。
在本发明一些实施例中，该光学混频器是90度光学混频器。
在本发明一些实施例中，将该光学混频器的输出接入相应的光电探测器，生成第一电信号和第二电信号，包括：将该90度光学混频器的0度相位偏移输出口和180度相位偏移输出口接入第一光电探测器；将该90度光学混频器的90度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口接入第二光电探测器；该第一光电探测器和该第二光电探测器分别生成第一电信号和第二电信号。
在本发明一些实施例中，该超短脉冲光信号的重复频率为几十兆至几百兆赫兹，脉宽为几皮秒至几十皮秒。
在本发明一些实施例中，该色散光纤的色散系数是500ps/nm.km。
在本发明一些实施例中，该色散补偿为时域补偿。
本发明的第二方面，提供了一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样系统，该系统包括：色散光纤、光学混频器、光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块；该色散光纤，用于使通过其传输的超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号；该光学混频器，用于输入该展宽脉冲光信号和采样脉冲信号；该光电探测器，用于接入该光学混频器的相应的输出，生成第一电信号和第二电信号；该模数转换器，用于输入该第一电信号和该第二电信号，生成数字信号；该数字信号处理模块，用于对该数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。
在本发明一些实施例中，该数字信号处理模块进一步用于：对该数字信号进行峰值提取，得到峰值点序列；对该峰值点序列中的每一个峰值点确定归一化时间，绘制重构脉冲信号散点图，根据该散点图恢复的信号，生成色散展宽信号；对该色散展宽信号进行色散补偿，恢复原始的超短脉冲光信号。
在本发明一些实施例中，该光学混频器是90度光学混频器；该光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器；该90度光学混频器的0度相位偏移输出口和180度相位偏移输出口接入该第一光电探测器；该90度光学混频器的90度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口接入该第二光电探测器。
本发明实施例提供的基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统，通过将待测超短脉冲光信号经过色散光纤，使该待测超短脉冲光信号产生较大展宽，生成展宽脉冲光信号，然后使用线性光采样方法对该展宽脉冲光信号进行采集，接着通过数字信号处理技术对该展宽脉冲光信号进行复原，恢复原始的超短脉冲光信号。由于展宽脉冲光信号的脉冲主瓣有效部分占信号周期的绝大部分，因此能很容易地提取到脉冲主瓣，实现有效脉冲采样，由此降低模数转换器的带宽，减少系统成本。
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样示意性流程图；
图2为本申请实施例提供的一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样系统的示意性框图；
图3为本申请实施例提供的一种基于线性光采样的光-光采样仿真图；
图4为本申请实施例提供的超短脉冲光信号周期和采样脉冲信号周期对比图；
图5为本申请实施例提供的光电探测器的输出信号示例图；
图6为本申请实施例提供的模数转换器对光电探测器输出信号采样示例图；
图7为本申请实施例提供的峰值提取结果示例图；
图8为本申请实施例提供的的傅里叶变换求解S图；
图9为本申请实施例提供的恢复超短脉冲光信号与原始超短脉冲光信号对比图；以及
图10为本申请实施例提供的一种时域色散补偿滤波器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请的实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图1为本申请实施例提供的一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样示意性流程图。如图1所示，通过下述步骤进行超短脉冲光信号采样。
步骤S101，将超短脉冲光信号通过色散光纤，使该超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号。
可选的，超短脉冲光信号的重复频率为几十兆赫兹(MHz)至几百兆赫兹，脉宽为皮秒(ps)级别。
可选的，色散光纤长度为几百米(m)至几千米(km)，色散系数为几十ps/nm.km至几百ps/nm.km。
步骤S103，将该展宽脉冲光信号和采样脉冲信号输入光学混频器。
在一个实施例中，光学混频器是90度光学混频器，90度光学混频器的端口一输入展宽脉冲光信号，端口二输入采样脉冲信号。90度光学混频器包括四个输出口：0度相位偏移输出口、90度相位偏移输出口、180度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口。90度光学混频器的输入输出关系如下述公式所示：
其中：
E1in是输入脉冲展宽脉冲光信号；E2in是采样脉冲信号；
E1out是包含待测脉冲信息的采样信号；E2out是包含待测脉冲信息的采样信号；
后续的数字信号处理针对E1out，E2out；
E3out不包含待测脉冲信息；E4out不包含待测脉冲信息，
E3out和E4out因不包含有效信息，不进行数字信号处理。
步骤S105，将该光学混频器的输出接入两个光电探测器，经由两个光电探测器生成第一电信号和第二电信号。
在一个实施例中，90度光学混频器的0度相位偏移输出口和180度相位偏移输出口接入第一光电探测器；90度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口接入第二光电探测器。第一光电探测器和第二光电探测器生成第一电信号和第二电信号。图5示例性示出了光电探测器输出的电信号。
步骤S107，将第一电信号和第二电信号输入模数转换器，生成数字信号。图6示出了模数转换器对光电探测器输出信号采样示例。
在一个实施例中，超短脉冲光信号的重复频率为90兆赫兹，周期为11.11ns，脉宽为30ps。色散光纤长度为500m，60ps/nm.km。采样脉冲的重复频率为3.47兆赫兹，脉宽为1ps。模数转换器速率为34.7MSPS。
在一个实施例中，超短脉冲光信号的重复频率为120兆赫兹，周期为8.33ns，脉宽为40ps。色散光纤长度为400m，80ps/nm.km。采样脉冲的重复频率为3.24兆赫兹，脉宽为1ps。模数转换器速率为32.4MSPS。
步骤S109，对该数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。
在一个实施例中，对该数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号，包括：对数字信号进行峰值提取，得到峰值点序列；对该峰值点序列执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号。
在一个实施例中，采用下述峰值提取算法进行峰值提取。
示例性的，采样脉冲信号频率为1.7MHz，模数转换器的速率是17MSPS,理论上模数转换器对采样脉冲信号一个周期内采了10个点,须从10个点中寻找最大点,来代表一个采样脉冲信号的采样值。
步骤S11：寻找第一个峰值点X；
步骤S12：在步骤S11找到第一个峰值点位置后，在此位置上加10，记Y为第二个峰值点，Y＝X+10则为理论的第二个峰值点；
步骤S13：在步骤S12的基础上，生成搜索范围[Y-3,Y+3],在这一范围内继续寻找最大值,如果最大值发生变化,则更新Y；
步骤S14：依据步骤S12和步骤S13的算法，寻找第三个峰值点位置和第四个峰值点位置；
直到采样序列被搜索完成，得到峰值点序列。
如图7所示，示例性示出了一种峰值提取结果。
为了更清晰地解释如何执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号，下面介绍一些相关的数学公式。
假设超短脉冲光信号的周期为T,超短脉冲光信号的频率为B,采样脉冲信号的频率记为fs,采样脉冲信号的频率小于超短脉冲光信号的频率,他们之间的关系为：
Δf＝B-M·fs
Δf是等效频差,M是使Δf最小的最大整数。Δf不能为零，如果Δf为零，则变成采样脉冲信号以超短脉冲光信号脉冲周期的整倍数进行采样，是无效采样，当Δf不为零时，采样脉冲信号可以尽可能地搜集超短脉冲光信号的全部信息。
Δt是采样脉冲信号周期与超短脉冲光信号周期的等效差值：
n为超短脉冲光信号周期在一次扫描中的扫描点数量,n越大越好,这样恢复出的信号会更清晰。
如图4所示，超短脉冲光信号的周期为T，采样脉冲信号的周期为2T+Δt，第一个采样脉冲信号的时刻为0，第二个采样脉冲信号所采的点可以等效为在Δt时刻采的点，同理第三个采样脉冲信号所采的点可以等效为在2Δt时刻采的点，随着采样点的增加，第k个采样点等效时间为(k-1)Δt，若(k-1)Δt超过了T，则实际采样时刻tk为：
tk＝mod((k-1)Δt,T)；
在接收端恢复信号时，采样脉冲信号的频率是已知的。但超短脉冲光信号的周期未知，导致Δt也是未知的，无法求得tk。对上述公式除以T,可以实现对超短脉冲光信号周期透明。
这样就转化为对的求解。
在峰值提取后，采样点等效为以Δt的间隔对超短脉冲光信号进行采样。对峰值点进行N点傅里叶变换，N为峰值点数量,幅度最大的频谱对应的横坐标记为S，S对应的频率为由于超短脉冲光信号是周期的，S对应的频率为超短脉冲光信号的频率/>整理得到/>t′k的表达式可以重写为：
如图8所示，示例性示出了傅里叶变换求解S图。
在一个实施例中，对该峰值点序列执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号进一步包括：对该峰值点序列中的每一个峰值点确定归一化时间t'k，绘制重构脉冲信号散点图，根据散点图恢复的信号，生成色散展宽信号；对色散展宽信号进行色散补偿，恢复原始的超短脉冲光信号。
如图9所示，示例性示出了恢复超短脉冲光信号与原始超短脉冲光信号对比图。
在一个实施例中，色散补偿采用时域补偿。示例性而非限制性，设计滤波器抽头系数ak与抽头数量N满足下述等式：
为方便滤波器设计，抽头数量N应为奇数：
图10示例性示出了一种时域色散补偿滤波器结构。
图2为本申请实施例提供的一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样系统的示意性框图。
如图2所示，超短脉冲光信号采样系统包括：色散光纤205、光学混频器207、光电探测器208、模数转换器213和数字信号处理模块215。
色散光纤205，用于使通过其传输的超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号.
在一个实施例中，色散光纤205长度为25km，色散系数为500ps/nm·km，色散光纤205使超短脉冲光信号发生展宽，产生展宽脉冲光信号，脉宽占周期的绝大部分。
在一个实施例中，由第一脉冲激光器201输出超短脉冲光信号。第一脉冲激光器201输出重复脉冲，调整其参数，使重复脉冲频率为80MHz，周期为12.5ns，脉宽为30ps，这个重复脉冲信号用作超短脉冲光信号。
光学混频器207，用于输入展宽脉冲光信号和采样脉冲信号。
在一个实施例中，由第二脉冲激光器203输出采样脉冲信号。第二脉冲激光器203输出重复脉冲，调整其参数，使重复脉冲频率为1.7MHz，脉宽为1ps，这个重复脉冲信号用作采样脉冲信号。
在一个实施例中，光学混频器207为90度光学混频器，包括0度相位偏移输出口、90度相位偏移输出口、180度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口，分别输出0度相位偏移光信号、90度相位偏移光信号、180度相位偏移光信号和270度相位偏移光信号。
光电探测器208，用于接入光学混频器207的相应的输出，生成第一电信号和第二电信号。
如图2所示，光电探测器208包括第一光电探测器209和第二光电探测器211。在一个实施例中，第一光电探测器209用于接入光学混频器207的0度相位偏移输出口和180度相位偏移输出口，接收0度相位偏移光信号和180度相位偏移光信号。第二光电探测器211用于接入光学混频器207的90度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口，接收90度相位偏移光信号和270度相位偏移光信号。第一光电探测器209和第二光电探测器211将光信号转变为第一电信号和第二电信号，会带来轻微的脉冲展宽。
模数转换器213，用于输入第一电信号和第二电信号，生成数字信号。在一个实施例中，模数转换器213是低带宽转换器，带宽为170M，将第一电信号和第二电信号转变为数字信号，便于数字信号处理。
数字信号处理模块215，用于对数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。
在一个实施例中，数字信号处理模块215采用上文所描述的步骤109，对数字信号进行峰值提取，并将该数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号，在此不再赘述。
图3示例性示出了一种基于线性光采样的光-光采样仿真图。通过图3，可以更清晰地理解如何基于线性光采样进行光-光采样。
本发明通过将待测超短脉冲光信号经过色散光纤，使该待测超短脉冲光信号产生较大展宽，生成展宽脉冲光信号，然后使用线性光采样方法对该展宽脉冲光信号进行采集，接着通过数字信号处理技术对该展宽脉冲光信号进行复原，恢复原始的超短脉冲光信号。由于展宽脉冲光信号的脉冲主瓣有效部分占信号周期的绝大部分，因此能很容易地提取到脉冲主瓣，实现有效脉冲采样，由此降低模数转换器的带宽，减少系统成本。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。所有上述的公开内容的描述，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法，其特征在于，包括：
将超短脉冲光信号通过色散光纤，使所述超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号；
将所述展宽脉冲光信号和采样脉冲信号输入光学混频器；
将所述光学混频器的输出接入两个光电探测器，经由两个光电探测器生成第一电信号和第二电信号；
将所述第一电信号和所述第二电信号输入模数转换器，生成数字信号；
对所述数字信号进行峰值提取，并将所述数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。
2.根据权利要求1所述的采样方法，其特征在于，所述对所述数字信号进行峰值提取，并将所述数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号，包括：
对所述数字信号进行峰值提取，得到峰值点序列；
对所述峰值点序列执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号。
3.根据权利要求2所述的采样方法，其特征在于，所述对所述峰值点序列执行软件同步算法，恢复原始的超短脉冲光信号，包括：
对所述峰值点序列中的每一个峰值点确定归一化时间，绘制重构脉冲信号散点图，根据所述散点图恢复的信号，生成色散展宽信号；
对所述色散展宽信号进行色散补偿，恢复原始的超短脉冲光信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的采样方法，其特征在于，
所述光学混频器是90度光学混频器；
所述将所述光学混频器的输出接入两个光电探测器，经由两个光电探测器生成第一电信号和第二电信号，包括：
将所述90度光学混频器的0度相位偏移输出口和180度相位偏移输出口接入第一光电探测器；
将所述90度光学混频器的90度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口接入第二光电探测器；
所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别生成第一电信号和第二电信号。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的采样方法，其特征在于，所述超短脉冲光信号的重复频率为几十兆至几百兆赫兹，脉宽为几皮秒至几十皮秒。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的采样方法，其特征在于，所述色散光纤的色散系数是500ps/nm.km。
7.根据权利要求3所述的采样方法，其特征在于，所述色散补偿为时域补偿。
8.一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样系统，其特征在于，所述系统包括：色散光纤、光学混频器、光电探测器、模数转换器和数字信号处理模块；
所述色散光纤，用于使通过其传输的超短脉冲光信号发生展宽，生成展宽脉冲光信号；
所述光学混频器，用于输入所述展宽脉冲光信号和采样脉冲信号；
所述光电探测器，用于接入所述光学混频器的相应的输出，生成第一电信号和第二电信号；
所述模数转换器，用于输入所述第一电信号和所述第二电信号，生成数字信号；
所述数字信号处理模块，用于对所述数字信号进行峰值提取，并将所述数字信号恢复为原始的超短脉冲光信号。
9.根据权利要求8所述的采样系统，其特征在于，所述数字信号处理模块进一步用于：
对所述数字信号进行峰值提取，得到峰值点序列；
对所述峰值点序列中的每一个峰值点确定归一化时间，绘制重构脉冲信号散点图，根据所述散点图恢复的信号，生成色散展宽信号；
对所述色散展宽信号进行色散补偿，恢复原始的超短脉冲光信号。
10.根据权利要求8或9所述的采样系统，其特征在于，
所述光学混频器是90度光学混频器；
所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器；
所述90度光学混频器的0度相位偏移输出口和180度相位偏移输出口接入所述第一光电探测器；
所述90度光学混频器的90度相位偏移输出口和270度相位偏移输出口接入所述第二光电探测器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311458137.7A CN117639913A (zh) | 2023-11-05 | 2023-11-05 | 一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311458137.7A CN117639913A (zh) | 2023-11-05 | 2023-11-05 | 一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117639913A true CN117639913A (zh) | 2024-03-01 |
Family
ID=90032942
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311458137.7A Pending CN117639913A (zh) | 2023-11-05 | 2023-11-05 | 一种基于线性光采样的超短脉冲光信号采样方法及系统 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117639913A (zh) |
-
2023
- 2023-11-05 CN CN202311458137.7A patent/CN117639913A/zh active Pending
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