CN1992561B - 同调取样品质因素测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种同调取样品质因素测量装置与方法，用于光网络中实时监测光讯号的品质，该品质以一品质因素评估，该装置利用激光二极管搭配波长转换器达到波长同调并放大光讯号，并且利用激光二极管搭配光开关得到可取样的光脉冲，因此，进入光电转换器之后，由光讯号放大与光脉冲的耦合即可重建光讯号中的基频讯号，进而检测出品质因素，监测光讯号品质。

Description

同调取样品质因素测量装置与方法

技术领域

本发明涉及一种光讯号品质测量的装置与方法，用于光网络(opticalnetwork)的监测系统以侦测光讯号的品质因素(quality factor，Q-factor)并评估光讯号的误码率(bit error rate，BER)。

背景技术

在高速光网络/全光化网络趋势的推动下，传输速率增加至兆位/每秒并且传输距离越来越远，光讯号在通道中传输，有相当多的因素会影响其数据的传送品质，因此，必须建立一套良好的光讯号品质监测系统，如此才能有效地管理光网络及提升效能。然而，除了传统电的节点逐渐减少，存在传统电的节点的电网络性能监测器也随着逐渐消除。因此，一个既可以存在全光化网络，又可以执行电网络性能监测器的方法就必须被发展出来。

请参照图1，为一光网络10，设置于光网络10内的光节点(opticalnode)101以分波多任务(wavelength division multiplexing，WDM)110技术传送光讯号至另一光节点102，于光通道中执行光效能监测(opticalperformance monitoring，OPM)以侦测光通道的品质，由光效能监测可测量光讯号的功率、波长、光讯杂比等等。

但是，为了更精确地监测讯号品质，尤其是数字传输系统，一般有两个参数用来评估性能：误码率及品质因素。误码率的侦测需要较复杂的设置，而且随着误码率越低，所需要的测量时间也就越长。举例来说，以一10Gbps的讯号而言，当侦测的误码率值小到10E-12时(即平均传送10¹²个位时发生一个位错误)，所需要的测量时间需要100秒，当侦测的误码率值小到10E-13时，所需要的测量时间需要1000秒，当侦测的误码率值小到10E-15时，所需要的测量时间就需要27小时。因此，这对于一些实时性的影音讯号，根本做不到实时监测，无法有效地实时发现问题。在这种情况底下，品质因素因为可以在理论上用来推估误码率，而且又可以非常快速地测量，所以就可以用来取代误码率成为判断系统性能的参数，较高的品质因素相对应有较低的误码率也即表示有较佳品质的光讯号。另外，误码率测量必须将所有讯号接收下来，所以被限制于只能在接收端进行，而品质因素的测量不必中断传输的讯号，可以在传输过程中的任意节点测量，比起误码率的测量更具弹性更适合用在即时光通道传输系统中。

关于品质因素的定义如方程式第(1)式。

$Q=\frac{|{\mathrm{\μ}}_1-{\mathrm{\μ}}_0|}{{\mathrm{\σ}}_1+{\mathrm{\σ}}_0}---\left(1\right)$

在第(1)式中，μ₁与μ₀分别代表接收到的光讯号为位准”1”与位准”0”时，所个别测量到的平均值，而σ₁与σ₀分别代表该位准”1”与位准”0”所个别测量到的标准差(standard deviation)。若在接收机端的噪声机率分布为高斯分布(Gaussian distribution)且符元间干扰(intersymbol interference，ISI)可忽略等条件成立，则品质因素对应至误码率的关系式可用方程式第(2)式表示。

$\mathrm{BER}=\frac{1}{2}\mathrm{erfc}\left[\frac{Q}{\sqrt{2}}\right]\≈\frac{\exp (-Q^2/2)}{Q\sqrt{2\mathrm{\π}}}---\left(2\right)$

请参照图2，为品质因素对应误码率的曲线图20，图中横轴表示品质因素201，纵轴表示误码率202，品质因素与误码率的对应关系形成一曲线，由此图可知当品质因素越大时相对应的误码率越小。

品质因素测量模块实现于光学网络传输系统的架构，请参照图3，为品质因素参数监测系统的架构30，其中，可调式激光二极管(optical tunablelaser)301产生一光讯号931，通过电光调制器(electro-optic modulator)302调节该光讯号931，再经过光纤(optical fiber)303传输至掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)304，掺铒光纤放大器304放大光讯号功率，并将光讯号931输入至光分歧器(optical coupler)305，光分歧器305将光讯号931分出两部分，其中一部分传送至下一个光节点306，另一部分输入品质因素测量模块(Q-factor measuring module)307，即可配合讯号处理器308完成品质因素测量，而且不需中断网络讯号传输，所以不会影响到网络的运作。

然而，为了不影响网络正常的运作，通常分到品质因素测量模块307监测的光讯号功率都相当的小，导致监测模块测量灵敏度需要很高，也提高设备的复杂度与成本。现有技术光通讯中可以利用同调检测(coherent detection)技术来侦测微弱的接收讯号又不会增加大量的噪声而改变讯号的特性。同调检测需要本地震荡器(local oscillator)产生一道相同波长频率以及相位的连续光(continuous wave)，称之为同调(homodyne)，并且光功率比接收讯号大上好几倍，如此便可以将接收的微弱讯号放大，又不会增加额外的噪声影响到讯号原来的特性。请参照图4，为现有技术的同调检测模块40，其中，可调式激光二极管(optical tunable laser)401为一本地震荡器，其产生一光讯号LO(t)，一个宽频光锁频回路(wideband optical frequency lockingloop)405用来将可调式激光二极管401的光讯号LO(t)锁定在和待测光讯号941一模一样的波长上，其中，待测光讯号941即是第3图中光讯号931于光分歧器305分出后进入品质因素测量模块307的一部分。依据的方程式如下。

S(t)＝m(t)cos(ω_ct)                          (3)

LO(t)＝Acos(ω_ct)                            (4)

{S(t)+LO(t)}²＝S²(t)+LO²(t)+2S(t)×LO(t)     (5)

$S\left(t\right)\×\mathrm{LO}\left(t\right)=\frac{1}{2}[\mathrm{Am}\left(t\right)+\mathrm{Am}\left(t\right)\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{c}t\right)]---\left(6\right)$

方程式第(3)式中S(t)表示待测光讯号941，m(t)是基频讯号，w_c是光载波的频率，方程式第(4)式中LO(t)是可调式激光二极管401产生的讯号，利用宽频光锁频回路可使可调式激光二极管401产生的LO(t)与S(t)有相同的波长，A是LO(t)的振幅，其代表一功率强度，且通常远大于m(t)的功率强度。当这两道相同波长的光讯号S(t)与LO(t)经光分歧器402耦合后进入光接收器(optical receiver)403，如方程式第(5)式与第(6)式表示，耦合讯号{S(t)+LO(t)}²中高频讯号S²(t)、LO²(t)与Am(t)cos(2ω_ct)经由光接收器403中的滤波器滤除，最后在讯号处理器404得到被放大的输出讯号942即Am(t)，此输出讯号942是放大A倍的基频讯号m(t)，于此，可知同调检测用来检测微弱的讯号而将此讯号放大并重建波形。

现有技术的同调检测模块，例如，美国专利2005年8月25日公开第US2005/0185255 A1号，其品质因素监测技术由一和受测光讯号同波长的波长可调式光脉冲激光(wavelength tunable optical pulse laser)和受测光讯号一起耦合进入光接收器，将此波长可调式光脉冲激光输出的光脉冲(opticalpulse)取代上述的连续光，用以放大并取样讯号，同波长的部分则由一个宽频光锁频回路实现，然而，此架构虽能达成品质因素监测，但是复杂度和设备成本都相当高，并且于高频操作时，宽频光锁频回路不容易实现光讯号相位同调的功能。

发明内容

本发明的目的在于，揭露一种基于波长转换器的同调取样品质因素测量装置与方法，不需由光锁频回路也能实现同调检测的目的。

本发明的基于波长转换器的同调取样品质因素测量装置，包含有：激光二极管(optical laser)、波长转换器(wavelength converter)以及光开关(opticalswitch)。应用该装置所使用的技术手段利用波长转换器搭配激光二极管转换输入光讯号的波长，转换成与激光二极管相同波长，以达到波长同调的要求，并以光开关搭配激光二极管产生光脉冲，以达到取样的要求。综合以上所述，本发明所揭露的装置与方法以降低设备复杂度与成本考虑，并实现光讯号品质因素测量与取样的目的。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为一光网络示意图；

图2为品质因素对应误码率的曲线图；

图3为品质因素参数监测系统的架构；

图4为现有技术的同调检测模块；

图5为本发明品质因素测量方法的流程图；

图6为本发明的品质因素测量装置的实施例；

图7为本发明的品质因素测量装置的另一实施例。

其中，附图标记

10    光网络                        101，102 光节点

110   分波多任务

20    品质因素对应误码率之曲线图    201      品质因素

202   误码率

30    品质因素参数监测系统之架构    301，401 可调式激光二极管

302   电光调制器                    303      光纤

304   掺铒光纤放大器                305      光分歧器

306   光节点                        307      品质因素测量模块

308   讯号处理器

40    同调检测模块                  402      光分歧器

403，605  光接收器                  404      讯号处理器

405   宽频光锁频回路

60，70    品质因素测量模块          601      激光二极管

602   波长转换器                    603      光滤波器

604   光开关                        606      第一光分歧器

607   第二光分歧器

931   光讯号                        941，960  待测光讯号

942   输出讯号                      961       第一光讯号

962   第二光讯号                    963       光脉冲

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，任何熟习相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

如图3所示，光讯号931于光分歧器305分出两部分，一部分的待测光讯号进入品质因素测量模块307以接受光讯号品质检测，本发明即针对该品质因素测量模块307提出较佳的实施例。本发明利用波长转换器搭配激光二极管转换待测光讯号的波长，转换成与激光二极管相同波长，以达到波长同调的要求，可取代现有复杂的宽频光锁频回路电路，并以光开关搭配激光二极管产生光脉冲，以达到波长同调取样的要求，可取代现有昂贵的波长可调式光脉冲激光。

请参照图5，为本发明品质因素测量方法的流程图，该方法的步骤如下：

波长转换器接收待测光讯号(步骤501)；激光二极管产生第一光讯号，并利用第一光分歧器输出至波长转换器与光开关(步骤502)；波长转换器转换待测光讯号的波长为第一光讯号的波长而产生第二光讯号(步骤503)；光滤波器滤出第二光讯号，并输出第二光讯号至光接收器(步骤504)；光开关根据第一光讯号以切换动作产生光脉冲，并利用第二光分歧器输出至光接收器(步骤505)；光接收器利用光脉冲取样第二光讯号以重建讯号(步骤506)；测量讯号的品质因素(步骤507)；根据品质因素推算误码率(步骤508)；评估讯号的品质(步骤509)。

请参照图6，为本发明的品质因素测量装置的实施例，其中品质因素测量装置60包含复数个组件，各个组件依据品质因素测量方法的流程图运作，其包括：激光二极管601、波长转换器602、光滤波器603、光开关604、光接收器605、第一光分歧器606与第二光分歧器607。待测光讯号960为图3中的光讯号931从光分歧器305分出的一小部分，其包含波长为λ₁的光载波cos(ω₁t)与基频讯号m(t)，将待测光讯号960输入品质因素测量装置60以做品质因素测量。

激光二极管601可为波长可调式激光二极管或是波长固定式激光二极管，该两种光源皆能达到波长同调的目的。激光二极管601输出第一光讯号961，其包含波长为λ₂的光载波cos(ω₂t)，第一光讯号961由第一光分歧器606分成两部分，一部分输出至波长转换器602，另一部分输出至光开关604。

波长转换器602用以转换光讯号的波长，此时，于波长转换器602有两个光讯号输入：待测光讯号960与第一光讯号961。波长转换器602将待测光讯号960中波长为λ₁的光载波cos(ω₁t)转换成第一光讯号961中波长为λ₂的光载波cos(ω₂t)，即待测光讯号960经由光转换至与可调式激光二极管相同的波长，实现波长同调的目的。

转换波长后的待测光讯号960仅是承载基频讯号m(t)的光载波cos(ω₁t)的波长λ₁改变而基频讯号m(t)仍不变，经转换后产生第二光讯号962，第二光讯号962包含波长转换后波长为λ₂的光载波cos(ω₂t)与基频讯号m(t)以及原本的待测光讯号960，波长转换器602输出接至光滤波器603输入。

光滤波器603用来滤出第二光讯号962，滤出纯为波长为λ₂的光载波cos(ω₂t)与基频讯号m(t)，过滤后输出至光接收器605。

于第一光分歧器606中，第一光讯号961分成两部分，一部份进入了光开关604，光开关604根据该部分以一连串的切换动作产生光脉冲963，再与光滤波器603滤出的第二光讯号962一起由第二光分歧器607耦合进入光接收器605，光接收器605利用光脉冲963干涉第二光讯号962以达成取样第二光讯号962，取样后重建出基频讯号m(t)，即可对基频讯号m(t)测量品质因素，并利用品质因素推算出误码率，即可评估出待测光讯号960的品质。

请参照图7，为本发明的品质因素测量装置的另一实施例，激光二极管601输出第一光讯号961至波长转换器602的输出端与待测光讯号960反方向打入，品质因素测量装置70即可不须配置如图6所示的光滤波器603，可由这样的光路设置，即能获得单纯转换波长的光讯号，其余的组件如上一实施例所述，故在此不再赘述。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (19)

1.一种同调取样品质因素测量装置，用以测量一基频讯号的一品质因素，其特征在于，包括：

一波长转换器，接收一待测光讯号与一第一光讯号并经转换波长后产生一第二光讯号，所述第二光讯号的波长与所述第一光讯号的波长相同；

一光滤波器，接收所述第二光讯号；

一光开关，输出一光脉冲，所述光脉冲与所述第二光讯号波长相同；

一光接收器，用所述光脉冲波长同调取样所述第二光讯号，并经取样后重建所述基频讯号，并根据所述基频讯号测量所述品质因素。

2.根据权利要求1所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述波长转换器与所述光开关利用一光连接与所述光接收器连接。

3.根据权利要求2所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光滤波器与所述光开关利用所述光连接与所述光接收器连接。

4.根据权利要求2或3所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光连接至少包含一光分歧器。

5.根据权利要求1或3所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述第一光讯号由一光产生器产生。

6.根据权利要求5所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光脉冲根据所述第一光讯号产生。

7.根据权利要求5所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光产生器利用一光连接与所述波长转换器以及所述光开关连接，所述光连接至少包含一光分歧器。

8.根据权利要求7所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光产生器为一波长可调式激光二极管。

9.根据权利要求7所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光产生器为一波长固定式激光二极管。

10.一种同调取样品质因素测量装置，用以测量一基频讯号的一品质因素，其特征在于，包括：

一光产生器，用以产生并输出一第一光讯号；

一波长转换器，接收所述第一光讯号与一待测光讯号后产生一第二光讯号，所述第二光讯号根据所述第一光讯号的波长转换所述待测光讯号的波长后产生，所述第二光讯号的波长与所述第一光讯号的波长相同；

一光滤波器，过滤所述第二光讯号，输出至一光接收器；

一光开关，根据所述第一光讯号输出一光脉冲，所述光脉冲的波长与所述第二光讯号的波长相同；及

所述光接收器，接收所述第二光讯号与所述光脉冲，利用所述光脉冲同调取样所述第二光讯号，经取样后产生所述基频讯号，并根据所述基频讯号测量所述品质因素。

11.根据权利要求10所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光产生器利用一光分歧连接与所述波长转换器以及所述光开关连接，所述光分歧连接至少包含一光分歧器。

12.根据权利要求10或11所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述波长转换器与所述光开关利用一光耦合连接与所述光接收器连接，所述光耦合连接至少包含一光分歧器。

13.根据权利要求12所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光滤波器与所述光开关利用所述光耦合连接与所述光接收器连接。

14.根据权利要求13所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光产生器为一波长可调式激光二极管。

15.根据权利要求13所述的同调取样品质因素测量装置，其特征在于，所述光产生器为一波长固定式激光二极管。

16.一种同调取样品质因素测量方法，用以测量一基频讯号的一品质因素并根据所述品质因素评估所述基频讯号的品质，其特征在于，包括步骤：

接收一待测光讯号，所述待测光讯号包含所述基频讯号；

产生一第一光讯号并输出；

转换所述待测光讯号的波长与所述第一光讯号的波长相同，转换后产生一第二光讯号，过滤所述第二光讯号后输出；所述第二光讯号的波长与所述第一光讯号的波长相同；

根据所述第一光讯号输出一光脉冲，所述光脉冲与第二光讯号波长相同；

根据所述光脉冲取样所述第二光讯号以重建所述基频讯号；

测量所述基频讯号的品质因素；及

评估所述基频讯号的品质。

17.根据权利要求16所述的同调取样品质因素测量方法，其特征在于，所述方法用于一光网络。

18.根据权利要求17所述的同调取样品质因素测量方法，其特征在于，转换所述待测光讯号的波长同所述第一光讯号的波长相同的步骤，为一种波长同调。

19.根据权利要求17所述的同调取样品质因素测量方法，其特征在于，所述光脉冲与第二光讯号波长相同，根据所述光脉冲取样所述第二光讯号以重建所述基频讯号，为一种波长同调取样。

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