CN1787405A - 使用数据时钟采样的基于外差的光谱分析 - Google Patents
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Abstract
与被随机数据调制(26)的载波信号(40)相关的复光谱被测量为数据时钟的函数，从而可以忽略由随机数据的调制所带来的随机性。在一个实施例中，仅仅在载波频率处以及离开载波信号为时钟频率的整数倍大小的频率处对以光谱振幅和光谱相位表示的复光谱进行采样(76)。这种采样方法将复光谱减少为仅仅是特征化调制载波信号的平均脉冲波形所需的那些数据点。
Description
技术领域
本发明涉及使用数据时钟采样的基于外差的光谱分析。
背景技术
基于外差的光谱分析仪(OSA)提供了对光纤通信系统中所使用的光信号的高分辨率分析。在一种应用中，基于外差的OSA可以被用来测量具有周期性调制的载波信号的光谱相位。载波信号的周期性调制导致光谱上可分辨的离散边带，并且每个边带的相位通常是相对于其最邻近的边带而被测量的，以获得整个信号光谱的相对相位。光谱振幅α(ν)和光谱相位(ν)定义了复光谱α(ν)exp(j(ν))，其中ν是光频。复光谱也可以表示为复相位差光谱α(ν)exp(jΔ(ν))，其中Δ(ν)代表两个光频ν-f/2和ν+f/2之间的相位差，其中f代表选定频率。根据复光谱，可以通过简单的积分变换(例如，反傅立叶变换)来获得感兴趣的信号的时域表示。
虽然已经知道在周期性调制应用于载波信号时如何来测量光谱振幅和相位，但是已知的技术不能用于载波信号被调制来携带随机数据的情形。如果载波信号被调制来携带随机数据，则光谱变为连续，并且对于大多数选定频率f而言相位差Δ(ν)变为随机的。尽管如此，还是希望通过光谱分析来恢复载波信号的底层(underlying)脉冲形状。
发明内容
与被随机数据调制的载波信号相关的光谱信息被测量为数据时钟的函数，从而可以忽略由随机数据的调制所带来的随机性。在一个实施例中，仅仅在载波频率处以及离开载波信号的频率每间隔数据时钟大小处对以复光谱进行采样。这种采样方法将数据减少为仅仅是特征化载波信号的脉冲波形所需的那些数据点。
根据本发明的一种用于特征化载波信号的方法包括：将数据调制载波信号和本地振荡器信号组合为组合信号，其中数据调制载波信号携带了速率以数据时钟为定时的随机数据；和从组合信号生成复光谱作为数据时钟的函数。复光谱然后可以被用来特征化数据调制载波信号的脉冲形状。
根据本发明的一种用于特征化载波信号的系统包括耦合器和接收器。耦合器被配置为将数据调制载波信号和本地振荡器信号组合为组合信号，其中数据调制载波信号携带了速率以数据时钟为定时的随机数据。接收器被配置为从组合光信号生成复光谱。该系统还可以包括采样器，该采样器被配置为从复光谱获得采样作为数据时钟的函数。
结合用于图示本发明原理的示例的附图，从下面的详细描述中，本发明的其他方面和优点将变得清楚起来。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的基于外差的光谱分析仪，其被配置为将光谱信息测量为进入数据的时钟速率的函数。
图2A示出了在时域中观察到的以周期性速率(periodic rate)被调制的振幅调制载波信号的示例。
图2B示出了频域中的图2A的调制载波信号。
图3A示出了在时域中观察到的以周期性速率被调制的相位调制载波信号的示例。
图3B示出了频域中的图3A的载波信号。
图4A示出了被随机数据调制的振幅调制信号的光谱振幅。
图4B示出了与图4A相同的振幅调制载波信号的光谱相位。
图5A示出了根据本发明实施例在中央峰处以及离开中央峰每间隔数据时钟大小处对图4A的光谱振幅进行采样所得到的采样光谱振幅的示例。
图5B示出了根据本发明实施例在中央峰处以及离开中央峰每间隔数据时钟大小处对图4B的光谱相位进行采样所得到的采样光谱相位的示例。
图6以图表的形式示出了复频域光谱信息(振幅和相位)向时域信息(振幅和相位)中的变换(例如，通过反傅立叶变换)。
图7示出了根据本发明实施例用于特征化数据调制信号的技术的功能框图。
图8A示出了示例性的连续光谱振幅。
图8B示出了示例性的连续光谱相位差。
图9示出了根据本发明实施例的用于特征化载波信号的方法的过程流程图。
在所有描述中，相似的标号可以用来标识相似的元件。
具体实施方式
与被随机数据调制的载波信号相关的复光谱信息被采样为数据时钟的函数，从而可以忽略由随机数据的调制所带来的随机性。在一个实施例中，在载波频率处以及离开载波信号每间隔数据时钟大小处对以光谱振幅和光谱相位表示的复相位差光谱进行采样。
图1示出了基于外差的光谱分析仪(OSA)10，其被配置为将复相位差光谱测量为进入数据的时钟速率的函数。光谱分析仪包括载波信号光纤12、本地振荡器源14(可以是被调制的本地振荡器)、本地振荡器光纤16、耦合器18、接收器20和处理器22。基于外差的OSA的光信号光纤被光学连接，以接收来自载波信号源24的数据调制载波信号。首先将描述基于外差的OSA的部件，随后描述用于特征化载波信号的技术。
载波信号光纤12引导将要被基于外差的OSA 10特征化的数据调制载波信号。在实施例中，载波信号光纤是本领域公知的单模光纤，但是也可以利用其他的光学波导。另外，虽然这里描述了波导，但是光信号也可以在自由空间中被输入到系统或者在系统内传输。
要被基于外差的OSA 10特征化的载波信号包括从载波信号源24生成的光载波。例如，可以从外腔激光器或多个激光器生成载波信号，并且载波信号可以由单个波长或多个波长组成，这些在光通信领域是公知的。除了波长特性之外，载波信号被数据调制器26调制来携带随机数据。载波信号可以被外部振幅调制或相位调制。或者，激光器源可以被直接调制。直接调制同时产生振幅和相位调制。无论载波信号是被外部振幅调制、相位调制或是直接调制，调制发生的频率都是以时钟(这里称为数据时钟)为定时的。为了描述的目的，数据时钟(这里也被称为数据时钟速率或数据时钟频率)等于被携带的数据的比特率。即，如果比特率是10Gbps，则数据时钟速率是10GHz。
本地振荡器源14生成本地振荡器信号。在实施例中，本地振荡器源是高度相干可调激光器，其在足够大的频率范围上连续扫描，以绘制出感兴趣的数据光谱。在一个示例中，如果数据时钟是10GHz，则本地振荡器信号的光频可以在载波信号任一侧跨越大约30～40GHz的范围。在一个实施例中，本地振荡器信号在1550nm处的扫描速率大约是100nm/s或12.5MHz/μs，并且扫描范围大约是100nm。然而，取决于实现方式，扫描速率和扫描范围还可以更高或更低。在一个实施例中，在波长范围上扫描本地振荡器信号的步骤包括逐步增加地将本地振荡器信号调节至不同波长。在另一实施例中，在波长范围上扫描本地振荡器信号包括在波长之间平滑过渡。本地振荡器信号可以被外部相位或强度调制，以产生多个光频。本地振荡器信号可以是具有多个光频的被调制本地振荡器信号。
耦合器18分别通过光纤12和16光学连接到载波信号源24和本地振荡器源14。耦合器将数据调制载波信号和扫描本地振荡器信号光学地组合为组合光信号，并且经由输出光纤28将组合光信号的至少一部分输出到光接收器20。耦合器可以是光定向3dB光纤耦合器，但是也可以利用其他光耦合器。虽然下面将耦合器描述为输出一束组合光信号到接收器，但是应该理解，输出多于一束的组合光信号的耦合器实施例也是可以的(例如，为了与均衡接收器和/或偏振分集(diversity)接收器一起使用)。
接收器20包括至少一个光电探测器(未示出)，该光电探测器被对准，以探测并混合从耦合器18输出的组合光信号。接收器响应于所接收到的光信号生成电信号。由接收器生成的电信号被提供给处理器22，以在对载波信号特征化时使用。接收器和处理器之间的电连接在图1中由线30表示。虽然没有示出，但是接收器可以包括额外的信号处理电路，诸如信号放大器、滤波器和信号组合器等本领域公知的电路。接收器还可以包括偏振选择光学装置，以允许载波信号的偏振分集接收和/或偏振分析。作为基于光电探测器的光接收器的替代，外差接收器可以利用其他探测器件，诸如非线性混合元件。如下面将更详细地描述的那样，接收机将复相位差光谱测量为数据时钟的函数。
处理器22包括多功能处理器，其从接收器20接收电信号，并隔离外差拍信号，以生成指示光学参数(或多个参数)的输出信号，这些光学参数例如调制光载波信号的光频(或波长)、光谱振幅、光谱相位、脉冲形状、振幅和相位。该处理器可以包括电信号处理领域公知的模拟信号处理电路和数字信号处理电路之一或两者。在实施例中，来自接收器的模拟信号被转换为数字信号，并且这些数字信号随后被处理，以生成输出信号。该处理器还可以包括基于硬件和软件的处理的任意组合。
在工作中，由载波信号源24生成的数据调制载波信号通过载波信号光纤12向耦合器18传播。同时，由本地振荡器源14生成的扫描本地振荡器信号通过本地振荡器光纤16向耦合器传播。载波信号和扫描本地振荡器信号在耦合器处被组合为组合光信号。组合光信号被输出到输出光纤28，并且传输到接收器20。组合光信号被接收器检测并混合，并且响应于组合光信号，生成代表复光谱的电信号。如下面将更详细地描述的那样，复光谱被测量为数据时钟的函数。另外，所采样的复光谱然后被处理器22用来确定调制光载波信号的光学参数，诸如波长、频率、光谱振幅、光谱相位、振幅、脉冲形状、相位和群延时。这里所使用的复光谱可以以绝对光谱振幅α(ν)和光谱相位(ν)表示为α(ν)exp(j(ν))，或者以复相位差光谱表示为α(ν)exp(jΔ(ν))，其中Δ(ν)代表两个光频ν-fclock/2和ν+fclock/2之间的相位差，其中fclock代表数据时钟频率。
如光通信领域所公知的一样，可以使用振幅调制或相位调制将数据调制在载波信号上。图2A示出了在时域(即，强度vs.时间)中观察到的以周期性速率被调制的振幅调制载波信号40的示例。在该示例中，载波信号具有正弦强度调制以及被标识为τ的周期(“位周期”)。位周期可以以数据时钟或数据时钟频率(fclock)表示为：
τ＝1/fclock
如果以恒定的周期性速率来调制图2A所示的载波信号(即，没有携带随机数据)，则在频域(光谱功率密度vs.频率)中生成界限明确的边带44。如本领域中公知的一样，通过使用积分变换(例如，傅立叶变换)，时域信息可以转换为频域。图2B示出了频域中的图2A的信号。频域中的中央峰42位于载波信号的频率处(ν0)。由周期性强度调制导致的边带以1/τ(或fclock)的因子与中央峰分离。例如，最近的边带离开中央峰1/τ，下一边带离开中央峰2/τ。频域光谱中的边带振幅和相位完全描述了时域中载波信号的调制。
如果载波信号50被相位调制，则存在类似的关系。图3A示出了在时域中观察到的相位调制载波信号的示例。在该示例中，载波信号具有周期(“位周期”)为τ的正弦相位调制。如果以周期性速率来调制载波信号(即，没有携带随机数据)，则在频域(即，光谱功率密度vs.频率)中观察载波信号时同样生成了界限明确的边带。图3B示出了在频域中观察到的图3A的载波信号。由恒定的相位调制导致的边带54以1/τ(或fclock)的因子与中央峰52分离。与图2B的光谱信息相比，图3B的边带54具有不同的振幅和相位关系，这些振幅和相位关系描述了相位调制信号50，而图2B的边带信息描述了图2A的强度调制信号40。
如图2B和3B所示，当以恒定的周期性速率调制载波信号时，在频域观察到的复光谱是界限明确的。然而，光通信系统中所携带的大多数数据实际上是随机的，并且其特征不是恒定的周期性调制。具体地说，传送随机的数字数据需要向载波信号应用振幅或相位变化的随机混合。振幅或相位变化的随机本质导致基于外差的OSA测量到的振幅或相位方面的频谱信息变得复杂得多。例如，图4A示出了被使用归零(RZ)格式的随机数据调制的强度调制载波信号的光谱振幅。然而，尽管存在额外的频率内容(与周期性调制相比)，但是还是可以识别出与底层时钟调制相关的边带。图4B示出了与图4A相同的强度调制载波信号的光谱相位。与图4A的光谱振幅相比，光谱相位完全表现为随机，这是因为脉冲之间的相位关系是随机的。因此，当随机数据的数据调制被应用于载波信号时，虽然可以识别或恢复有用的光谱振幅信息，但是并不能容易地识别或恢复有用的光谱相位信息。
如上所述，载波信号的底层脉冲形状(平均脉冲形状或平均眼图)由与中央峰分离了位周期或数据时钟(fclock)的因子的光谱分量定义。根据本发明，与被随机数据调制的调制载波信号相关的复相位差光谱被测量为数据时钟的函数，从而可以忽略由随机数据的调制所带来的随机性。在一个实施例中，仅仅在载波频率处(ν0)以及离开载波信号每间隔数据时钟(fclock)大小处(例如，ν0、ν0±fclock、ν0±2fclock等)对以光谱振幅和光谱相位差表示的复相位差光谱进行采样。这种采样方法将数据减少到仅仅是特征化载波信号的平均脉冲形状(平均眼图)所需的这些数据点。图5A示出了在中央峰处以及离开中央峰每间隔数据时钟大小处对图4A的光谱振幅进行采样所得到的采样光谱振幅的示例。如图5A所示，相对于图4A，数据量大大减小。虽然数据量大大减小，但是代表调制载波信号的关键数据点(即，载波信号和边带)被保留了下来。同样，图5B示出了在中央峰处以及离开中央峰每间隔数据时钟大小处对图4B的光谱相位进行采样所得到的采样光谱相位的示例。如图5B所示，相对于图4B，数据量大大减小。虽然数据量大大减小，但是代表调制载波信号的关键数据点被保留了下来。应该注意，在OSA内所使用的数据时钟不必具有与数据调制中所使用的数据时钟相同的信号源。OSA内所使用的数据时钟只需要与数据调制中所使用的数据时钟的频率(或其函数)相同。使用具有不同源的数据时钟允许了OSA远程且与载波信号源24相独立地工作。另外，可以从调制光载波信号恢复OSA内的数据时钟。
数据模式变化导致图4A和4B所示的光谱振幅和光谱相位的变化。然而，图5A和5B所示的采样光谱振幅和光谱相位保持固定，因为底层平均脉冲形状(眼图)是固定的。采样光谱振幅和采样光谱相位可以被用来特征化调制光载波信号。在一个实施例中，反傅立叶变换被应用于采样复光谱，以获得时域中调制光载波信号的底层平均脉冲形状(平均眼图)。例如，将反傅立叶变换应用于采样复光谱，得到了可以被显示为振幅vs.时间和相位vs.时间(如图6所示)的时域信息。图6以图表的形式示出了复光谱(振幅和相位)向时域(振幅和相位)中的变换(例如，通过反傅立叶变换)。注意，得到的时域中平均脉冲波形精确地代表了载波信号的振幅调制矩形脉冲序列(RZ格式)。具体地说，时域中的矩形振幅以及非零振幅区域中平坦的相位分布表示了振幅调制。
除了将采样复光谱从频域变换到时域之外，测得的复光谱还可以被用来直接分析调制光信号或传输介质。例如，测得的复光谱(具体地说，是相位信息)可以被用来确定传输介质的色散或直接调制激光器源的啁啾特性。图7示出了上述用于在使用采样时特征化数据调制载波信号的技术的功能框图。根据该技术，复光谱在采样器60处被采样为数据时钟的函数。例如，仅仅在载波频率处(ν0)以及离开载波信号每间隔数据时钟(fclock)大小处(例如，ν0、ν0±fclock、ν0±2fclock等)对复光谱采样。在光谱被采样之后，取决于实现方式，反傅立叶变换62可以被应用于采样数据和/或采样数据可以被用于直接分析64。
图4A～6B的示例是参考被振幅调制来携带随机数据的载波信号描述的。相同的技术可以被应用于被相位调制来携带随机数据的载波信号，或者类似于直接调制激光器(例如，DFB激光器)之类的被相位和振幅调制的载波信号。
在参考图5A和5B描述的示例中，在中央峰(即，ν0)以及离开中央峰每间隔数据时钟(fclock)大小处对光谱信息采样。在另一实施例中，光谱振幅和光谱相位测量被连续采样。即，光谱相位差测量是连续的(即，不必对它们采样)。然而，以这样的频率间隔来测量相位差：该频率间隔是下述数据时钟的函数。虽然以最小的可能频率间隔(即，连续)进行光谱振幅和光谱相位测量，但是在每个频率处得到的光谱相位测量(或光谱相位差测量)被定义为是对相隔为数据时钟(fclock)大小的光谱分量之间的相对相位的量度。在一个实施例中，在光频“ν”处的这种相对相位或相位差测量被认为是ν-(fclock/2)和ν+(fclock/2)之间的相位差。这使得能够在被随机数据调制的调制载波信号复光谱上重构可重复且连续的光谱相位。这还放松了对必须如上面描述的那样识别并隔离时钟边带的限制。图8A和8B示出了在RZ调制的cos2脉冲形状(升余弦)的伪随机位流(PRBS)的复相位差光谱被连续采样时，所生成的光谱振幅和光谱相位的示例性图表。光谱相位差测量是在相隔数据时钟(fclock)大小的频率之间进行的。具体地说，在给定的光频“ν”处，在“ν”处对振幅采样，而在“ν-fclock/2”和“ν+fclock/2”处的光谱分量之间进行相位差测量，测量结果显示在“ν”处。
图9示出了根据本发明实施例的用于特征化载波信号的方法的过程流程图。在步骤72，数据调制载波信号和本地振荡器信号被组合为组合信号，其中数据调制载波信号携带了速率以数据时钟为定时的随机数据。在步骤74，从组合光信号生成复光谱。在步骤76，获得复光谱的采样作为数据时钟的函数。在步骤78，采样被用来特征化数据调制载波信号的脉冲形状。
在上述实施例中，调制载波信号具有未知的光学特性，这些特性由光谱分析仪来测量。具有已知光学特性的光载波信号也可以被用来进行光学网络分析。在实施例中，已知的光载波信号可以是本地振荡器信号的一部分。当光谱分析仪被用来进行光学网络或部件分析时，可以通过将已知的光载波信号输入到网络或单个部件中，然后测量对已知信号的响应，从而确定网络或单个部件的特性。
在实施例中，图1中基于外差的OSA 10可以包括位于光纤12和16上的振幅或相位调制器，以提供多种光波，并使得能够进行光谱相位测量。调制器可以被用来将载波信号和本地振荡器信号之一或两者调制为时钟频率的函数，从而所得到的外差拍信号(在接收器20中生成)包含了关于复相位差光谱的信息，其中复相位差光谱如上所述是时钟频率的适当函数。
这里所使用的术语“随机数据”包括伪随机数据。例如，随机数据包括从随机数据发生器生成的伪随机位流(PRBS)。
虽然光谱信息被描述为在接收器20(图1)处被采样为数据时钟的函数，但是在另一实施例中，在处理器22处将其采样为数据时钟的函数。特定数据时钟采样的具体位置不是关键的。在一个实施例中，在接收器20中进行相位差测量。然后，在接收器20中使用数据时钟频率作为中间频率来组合正光谱和负光谱图像，就如本领域的技术人员所公知的那样。
虽然描述并图示了根据本发明的具体实施例，但是本发明并不限于所描述和所图示的具体形式和部件排列。本发明仅仅由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.一种用于特征化载波信号的方法，包括：
将数据调制载波信号(40)和本地振荡器信号组合(72)为组合信号，其中所述数据调制载波信号携带了速率以数据时钟为定时的随机数据；和
从所述组合信号生成(74)复光谱。
2.如权利要求1所述的方法，还包括从所述复光谱获得(76)采样作为所述数据时钟的函数。
3.如权利要求2所述的方法，还包括使用(78)所述采样来特征化所述数据调制载波信号的脉冲形状。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述载波信号(40)具有载波信号频率，并且其中在所述载波信号频率处以及离开所述载波信号频率每间隔所述数据时钟频率大小处获得所述采样。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述采样(76)代表频域中的振幅和相位光谱信息，并且还包括将频域中的所述光谱信息转换到时域，以特征化所述数据调制载波信号的脉冲形状。
6.一种用于特征化载波信号的系统，包括：
耦合器(18)，其被配置为将数据调制载波信号和本地振荡器信号组合为组合信号，其中所述数据调制载波信号携带了速率以数据时钟为定时的随机数据；和
接收器(20)，其被配置为从所述组合光信号生成复光谱。
7.如权利要求6所述的系统，还包括采样器(60)，该采样器被配置为从所述复光谱获得采样作为所述数据时钟的函数。
8.如权利要求7所述的系统，还包括处理器(22)，该处理器被配置为响应于所述采样来特征化所述数据调制载波信号的脉冲形状。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述载波信号具有载波信号频率，并且其中所述采样器(60)被配置为在所述载波信号频率处以及离开所述载波信号频率每间隔所述数据时钟频率大小处获得所述采样。
10.如权利要求6所述的系统，其中所述接收器(20)还被配置来进行相对相位测量，并且其中所述相对相位测量的光谱分量以大小为所述数据时钟函数的间隔分隔。
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