KR101068414B1 - 광신호의 성능 감시 방법 - Google Patents

Abstract

광신호의 성능 감시 방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 방법은, 변조된 광신호의 성능을 감시하기 위하여, 광신호를 코히어런트 믹싱을 통해 수신하고, 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들의 크기 히스토그램으로부터 구해진 크기 품질지수와 위상 히스토그램으로부터 구해진 위상 품질지수로부터 광신호의 비트오율을 감시하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 광신호의 크기와 위상에 대한 정보를 모두 수집하여 잡음 분포를 분석하여 비트 오율을 감시하므로 변조 방식에 관계없이, 즉 세기변조방식, 위상변조 또는 QAM 방식의 광신호의 비트 오율을 감시할 수 있다.

Description

광신호의 성능 감시 방법{Method for monitoring optical performance}

본 발명은 광신호의 성능 감시 방법에 관한 것으로, 특히 코히어런트 믹싱(coherent mixing)과 비동기식 지연 탭 샘플링(asynchronous delay-tap sampling) 기술을 이용한 광신호의 성능 감시 방법에 관한 것이다.

최근 초고속 광통신망에서 기존에 주로 사용되어온 세기변조방식과 더불어 위상변조방식 및 세기와 위상을 동시에 변조하는 방식인 QAM(quadrature amplitude modulation)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 이와 같이 위상변조 또는 QAM 광신호가 함께 사용되는 차세대 초고속 광통신망을 효율적으로 유지 및 관리하기 위해서는 광신호의 성능 감시 기술이 필수적으로 요구된다.

종래, 광신호 성능 감시 방법으로는 기존 광통신망에서 주로 사용된 세기변조방식 광신호의 성능을 예측하기 위해 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 광신호대 잡음비(OSNR: optical signal-to-noise ratio)를 감시하는 방법이 제안되었다. 이 방법은 샘플링 기술의 일종으로서, 감시 신호의 파형에서 두 개의 표본(sample pair)을 샘플링하고, 샘플링된 데이터를 분석하여 광신호대 잡음비를 비롯한 신호의 여러 열화 요인들을 감시하는 기술이다. 그러나 이 방법을 이용하여 여러 열화 요인들을 구별하기 위해서는 패턴 인식과 같은 복잡한 알고리즘을 사용하여야 하기 때문에 감시 성능의 정확도가 나빠질 수 있다.

또한, 이 방법으로는 세기변조방식 광신호의 성능을 감시할 수는 있으나, 차세대 광통신망에서 사용될 위상변조 혹은 QAM 광신호의 성능 감시에는 적용하기 어렵다. 왜냐하면, 이 방법은 광신호의 세기에 대한 정보만을 수집하여 분석하기 때문에 광신호의 세기가 거의 변하지 않는 위상변조방식 광신호에는 적용하기 어려운 것이다. 따라서 위상변조방식의 광신호에 적용하기 위해서는 추가적으로 매우 좁은 대역폭을 가지는 광 필터(optical filter)를 사용해야만 한다. 그러나, 광 필터를 사용한다 하더라도 멀티레벨 위상변조 혹은 QAM 광신호의 성능 감시에는 여전히 적용하기 어렵다. 따라서, 변조 방식에 관계없이 광신호의 성능 감시를 위해서는 광신호의 크기와 위상에 대한 정보를 모두 수집하여 광신호의 성능을 감시할 수 있는 방법이 필수적으로 요구된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근 광신호의 컨스털레이션(constellation)을 이용하여 광신호의 성능을 감시하는 방법이 제안되었다. 이 방법은 감시 신호의 컨스털레이션을 얻기 위해 지역발진기(LO: local oscillator)를 펄스 트레인(pulse train)으로 변조하고 광 하이브리드(optical hybrid)를 이용한 선형 샘플링 기술을 이용하였다. 그러나 이 방법은 샘플링을 위한 지역발진기의 클럭(clock)이 감시 신호의 전송 속도(bit rate)에 동기화되지 않기 때문에, 감시 신호의 데이터 심볼(data symbol)을 결정하기 위해 복소수 도메인(complex domain)에서 임의의 구역을 설정하여, 그 구역 안에 있는 표본만을 수집하여 감시 신호의 컨스털레이션을 얻을 수 있었다. 그러나, 이와 같이 감시 신호의 데이터 심볼을 결정하기 위해 임의의 구역을 설정하는 것은 감시 성능에 큰 오차를 가져올 수 있는 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 변조 방식에 관계없이 광신호의 성능을 감시할 수 있는 광신호의 성능 감시 방법을 제공하는 데 있다.

또한, 광신호의 성능과 가장 직접적으로 연관되는 비트 오율을 감시할 수 있는 광신호의 성능 감시 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광신호의 성능을 감시하는 방법은: 변조된 광신호의 성능을 감시하기 위하여, 상기 광신호를 코히어런트 믹싱을 통해 수신하고, 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들의 크기 히스토그램으로부터 구해진 크기 품질지수와 위상 히스토그램으로부터 구해진 위상 품질지수로부터 광신호의 비트오율을 감시하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 크기 히스토그램은 상기 표본들 중에서 먼저 샘플링된 표본과 일정 지연 시간 후에 샘플링된 표본의 크기가 같은 경우만으로 이루어지며, 상기 크기 품질지수는 상기 크기 히스토그램에서 상기 표본들의 평균값과 표준편차의 비로 구하고,

상기 위상 히스토그램은 상기 표본들 중에서 선택된 먼저 샘플링된 표본과 일정 지연 시간 후에 샘플링된 표본의 위상이 같은 경우만으로 이루어지며, 상기 위상 품질지수는 상기 위상 히스토그램에서 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이]와 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 표준편차의 합]의 비로 구해지는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 광신호는 QSPK 광신호이며,

상기 비트오율(BER)은,

로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 광신호의 성능 감시 방법.

여기서, SNR은 신호대잡음비, Q_A는 크기 품질지수, Q_P는 위상 품질지수, I_P는 인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이(= π/2)이다.

상술한 본 발명에 의하면, 광신호의 크기와 위상에 대한 정보를 모두 수집하여 잡음 분포를 분석하여 비트 오율을 감시하므로 변조 방식에 관계없이, 즉 세기변조방식, 위상변조 또는 QAM 방식의 광신호의 비트 오율을 감시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광신호의 성능 감시 장치에 사용되는 감시 장치의 구성도;
도 2는 도 1에 따른 감시 장치 내에서 발생하는 위상 잡음의 영향을 효과적으로 제거하기 위한 Viterbi 알고리즘 사용 전과 사용 후의 QPSK 광신호의 컨스털레이션이션을 비교한 그래프들;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들에 대한 광신호 크기의 지연탭 그림과 그에 대한 히스토그램;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들에 대한 광신호 위상의 지연탭 그림과 그에 대한 히스토그램;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광신호의 성능 감시 방법에 따라 측정된 크기 품질지수 및 위상 품질지수를 나타낸 그래프들; 및
도 6은 QPSK 광신호의 광신호대잡음비와 위상 잡음을 변화시켜가며 측정한 실제 비트 오율과 본 발명에 따른 광신호의 성능 감시 방법으로 예측한 비트 오율을 비교한 그래프이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

본 발명에 따른 광신호의 성능 감시 방법은, 변조된 광신호를 코히어런트 믹싱을 통해 수신하고, 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들의 히스토그램으로부터 구해진 크기 품질지수와 위상 품질지수로부터 광신호의 비트오율을 감시하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 코히어런트 믹싱을 이용하여 먼저 광신호의 크기와 위상에 대한 정보를 수신하고, 수신된 정보를 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 수집하고 이를 분석하여, 광신호의 크기 잡음과 위상 잡음의 분포를 측정하는 것이다. 이 때, 코히어런트 믹싱은 homodyne 방법 또는 intradyne 방법 등이 사용되며, 광신호와 지역발진기의 간섭을 이용하여 광신호의 크기와 위상의 정보를 수신하는 90도, 120도 또는 180도의 광 하이브리드(optical hybrid)를 통하여 이루어지거나 또는 광신호의 편광 특성을 이용하는 자유 공간 소자(free space device)를 통하여 이루어진다. 또한, 비동기식 지연 탭 샘플링 기술은 RF 파워 분배기, RF 지연선 또는 A/D 변환기를 이용한다.

이와 같은 잡음 측정 방법을 이용하여, 광신호의 성능을 나타내는 대표적인 파라미터 중에 하나인 품질지수(Q-factor)를 광신호의 크기와 위상에 대해 새롭게 정의할 수 있다. 크기에 대한 품질지수는 신호의 평균값과 잡음 분포의 표준편차 값의 비로서 나타낼 수 있으며, 위상에 대한 품질지수는 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이]와 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 표준편차의 합]의 비로 나타낼 수 있다. 자세한 내용은 후술한다.

이러한 크기 품질지수와 위상 품질지수는 기존에 사용된 품질지수와 동일한 물리적 의미를 가지므로, 이 두 가지의 품질지수로부터 감시하고자 하는 광신호의 전기적인 신호대잡음비(SNR: signal-to-noise ratio)를 구할 수 있다. 또한, 비트 오율은 신호의 성능을 직접적으로 나타내는 파라미터로서 변조 방식에 따른 비트 오율과 신호대잡음비의 관계식은 이미 잘 알려져 있다. 따라서, 상기의 크기 품질지수 및 위상 품질지수로부터 얻어낸 신호대잡음비를 이용하여 감시 신호의 비트 오율을 감시할 수 있다.

본 발명은 광신호의 변조 방식에 무관하게 동작할 수 있는 광신호의 잡음 분포 측정 및 이를 이용한 비트 오율 감시 기술로서, 제안된 감시 방법의 성능 평가를 위해 감시하고자 하는 광신호는 최근 광통신 시스템에서 가장 많이 사용되고 있는 QPSK(quadrature phase shift keying) 변조방식을 사용하였으나, 본 발명의 권리범위가 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광신호의 성능 감시 장치에 사용되는 감시 장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광신호의 성능 감시 장치에 사용되는 감시 장치는 코히어런트 믹싱을 위한 코히어런트 믹서(coherent mixer), 광검출기, A/D 변환기와 잡음 분포 측정 및 분석을 위한 디지털 처리 과정으로 구성된다.

지역발진기와 감시하고자 하는 광신호의 코히어런트 믹싱은 광 하이브리드 및 광 검출기(photo detector)를 이용하여 수행된다. 검출된 광신호의 크기와 위상 정보는 A/D 변환기(analog-to-digital converter)를 이용하여 구현된 비동기식 지연 탭 샘플링 기술에 의해 디지털 신호로 샘플링된다. 본 실시예에서는 샘플링 속도가 50 Gs/s인 디지털 오실로스코프(digital storage oscilloscope)를 사용하고, 한 번에 두 개의 연속된 표본을 추출하여 두 표본간의 지연이 20 ps가 되도록 하였다. 샘플링된 표본들을 다음과 같은 디지털 처리 과정을 통하여 감시하고자 하는 광신호의 크기와 위상에 대한 각각의 잡음 분포를 얻을 수 있다.

도 2는 도 1에 따른 감시 장치 내에서 발생하는 위상 잡음의 영향을 효과적으로 제거하기 위한 Viterbi 알고리즘 사용 전과 사용 후의 QPSK 광신호의 컨스털레이션이션을 비교한 그래프이다. 여기서, 도 2의 (a)는 QPSK로 변조된 광신호에 감시 장치에서 발생하는 위상 잡음이 포함된 경우의 컨스털레이션이고, 도 2의 (b)는 Viterbi 알고리즘을 사용하여 잡음을 제거한 경우의 QPSK 광신호의 컨스털레이션이다.

도 2의 (a)를 참조하면, 코히어런트 믹싱을 통해 수신된 신호에는 지역발진기의 위상 잡음 및 감시하고자 하는 광신호와 지역발진기의 주파수 차이에 의한 위상 잡음 등 감시 장치로부터 발생하는 위상 잡음이 포함됨을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 이러한 잡음을 제거하기 위하여 종래의 디지털 코히어런트 수신기에 사용되는 Viterbi 알고리즘을 사용하였다.

도 2의 (b)를 참조하면, Viterbi 알고리즘은 감시 장치에서 발생하는 위상 잡음의 영향을 효과적으로 제거할 수 있음을 확인할 수 있다.

감시 장치로부터 발생하는 위상 잡음의 영향을 제거한 후, 비동기식 지연 탭 샘플링 기술의 특징을 이용하여 수신된 표본들의 크기와 위상 성분에 대해 각각의 지연 탭 그림을 그릴 수 있다. 지연 탭 그림은 한 쌍의 지연 탭 표본에 대해 먼저 샘플링 된 표본의 크기 또는 위상 정보는 x축에, 일정 지연 시간 후에 샘플링 된 표본의 크기 또는 위상 정보는 y축에 표시하여 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들에 대한 광신호 크기의 지연탭 그림과 그에 대한 히스토그램이다.

도 3을 참조하면, 도 3의 (a)에서 대각선은 먼저 샘플링 된 표본의 크기와 일정 지연 시간 후에 샘플링 된 표본의 크기가 같은 경우의 그래프, 즉 y=x 로 표시되는 경우를 나타낸다. 도 3의 (b)에 따른 히스토그램은 도 3의 (a)에서 대각선 상에 위치하는 표본들만을 추출하여 얻은 것이다. 즉, 도 3의 (a)에 따른 지연탭 그림에서 대각선 상에 존재하는 표본들은 감시하고자 하는 광신호의 파형에서 심볼 주기의 중심에서 샘플링된 표본을 나타내므로, 그로부터 도 3의 (b)와 같은 크기 히스토그램(histogram)을 얻을 수 있다.

도 3의 (b)에 따른 히스토그램은 감시하고자 하는 광신호의 크기의 잡음 분포를 나타므로, 그 히스토그램을 이용하여 품질지수를 정의할 수 있다.

크기에 대한 품질지수(Q_A)는 크기 히스토그램(amplitude histogram)에서 표본들의 평균값과 표준편차 값의 비로 정의된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들에 대한 광신호 위상의 지연탭 그림과 그에 대한 히스토그램이다.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a)에서 대각선은 먼저 샘플링 된 표본의 위상과 일정 지연 시간 후에 샘플링 된 표본의 위상이 같은 경우의 그래프, 즉 y=x 로 표시되는 그래프이다. 도 4의 (b)에 대한 히스토그램은 도 4의 (a)에서 대각선 상에 위치하는 표본들만을 추출하여 얻은 것이다.

도 4의 (b)에 따른 히스토그램은 감시하고자 하는 광신호 위상의 잡음 분포를 나타므로, 그 히스토그램을 이용하여 품질지수를 정의할 수 있다.

위상에 대한 품질지수(Q_P)는 위상 히스토그램에서 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이]와 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 표준편차의 합]의 비로 구해진다.

상술한 방법으로 구해진 크기 품질지수와 위상 성분의의 품질지수가 전송 중인 광신호의 성능에 영향을 미치는 크기 잡음과 위상 잡음을 얼마나 잘 반영하는지 확인하기 위하여, QPSK 광신호의 광신호대잡음비(optical signal-to-noise ratio)를 10에서 30dB까지 변화시키고, 위상 변조기(phase modulator)를 사용하여 QPSK 광신호의 심볼당 위상의 변화가 0에서 50도가 되도록 하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광신호의 성능 감시 방법에 따라 측정된 크기 품질지수 및 위상 품질지수를 나타낸 그래프들이다. 여기서, 도 5의 (a)는 크기 품질지수를 측정한 그래프이고, 도 5의 (b)는 위상 품질지수를 측정한 그래프이며, 도 5의 (a)와 (b)는 광신호대잡음비와 위상 잡음을 각각 변화시키며 측정한 것이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 크기 품질 지수는 0에서 50도까지의 위상 잡음이 변하더라도 그와 무관하게 크기 잡음인 광신호대잡음비에 의해서만 변화함을 알 수 있다.

도 5의 (b)를 참조하면, 위상 품질 지수는 0에서 50도까지의 위상 잡음 뿐 아니라, 광신호대잡음비가 나빠짐으로 발생하는 위상의 변화까지 모두 반영함을 알 수 있다.

따라서, 도 5의 그래프들로부터 본 발명의 실시예에 따른 감시방법에 따라 측정된 크기 품질지수 및 위상 품질지수는 감시하고자 하는 광신호의 크기와 위상 잡음을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.

한편, 광신호 각각의 크기 품질지수 및 위상 품질지수는 기존의 광통신 시스템에서 널리 사용되고 있는 품질지수와 동일한 물리적인 의미를 가진다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 감시방법에 따라 측정된 크기 품질지수 및 위상 품질지수를 이용하여 감시하고자 하는 QPSK 광신호의 전기적인 신호대잡음비(SNR)를 아래의 수학식 1과 같이 유도할 수 있다.

여기서, SNR은 신호대잡음비, Q_A는 크기 품질지수, Q_P는 위상 품질지수, I_P는 인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이이다. QPSK 광신호에서 I_P는 (π/2)이다.

신호대잡음비는 통신 시스템에서 신호의 비트 오율을 직접적으로 표현할 수 있는 파라미터로서, 수학식 1에서 유도한 신호대잡음비를 이용하여 광신호의 비트 오율(BER)을 아래의 수학식 2와 같이 예측할 수 있다.

수학식 2와 같이 크기 품질지수와 위상의 품질지수로부터 유도된 비트 오율이 얼마나 정확하게 실제 비트 오율과 일치하는지 확인하기 위하여, 20-Gb/s QPSK 광신호의 비트 오율을 디지털 코히어런트 수신기를 이용하여 측정하고 수학식 2로부터 예측된 비트 오율과 비교하였다.

도 6은 QPSK 광신호의 광신호대잡음비와 위상 잡음을 변화시켜가며 측정한 실제 비트 오율과 본 발명에 따른 광신호의 성능 감시 방법으로 예측한 비트 오율을 비교한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 광신호의 성능 감시 방법을 이용하여 예측한 비트 오율은 감시하고자 하는 광신호의 실제 비트 오율과 매우 잘 일치함을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 변조된 광신호의 성능을 감시하기 위하여, 상기 광신호를 코히어런트 믹싱을 통해 수신하고, 비동기식 지연 탭 샘플링 기술을 이용하여 샘플링된 표본들의 크기 히스토그램으로부터 구해진 크기 품질지수와 위상 히스토그램으로부터 구해진 위상 품질지수로부터 광신호의 비트오율을 감시하되,
   상기 광신호를 코히어런트 믹싱을 통해 수신시 비터비(Viterbi) 알고리즘을 이용하는 위상 잡음을 제거하는 것을 특징으로 하는 광신호의 성능 감시 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 크기 히스토그램은 상기 표본들 중에서 먼저 샘플링된 표본과 일정 지연 시간 후에 샘플링된 표본의 크기가 같은 경우만으로 이루어지며, 상기 크기 품질지수는 상기 크기 히스토그램에서 상기 표본들의 평균값과 표준편차의 비로 구하고,
   상기 위상 히스토그램은 상기 표본들 중에서 선택된 먼저 샘플링된 표본과 일정 지연 시간 후에 샘플링된 표본의 위상이 같은 경우만으로 이루어지며, 상기 위상 품질지수는 상기 위상 히스토그램에서 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이]와 [인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 표준편차의 합]의 비로 구해지는 것을 특징으로 하는 광신호의 성능 감시 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 광신호는 QSPK 광신호이며,
   상기 비트오율(BER)은,
   

   

   
   로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 광신호의 성능 감시 방법.
   여기서, SNR은 신호대잡음비, Q_A는 크기 품질지수, Q_P는 위상 품질지수, I_P는 인접한 변조된 위상성분에 해당하는 표본들의 평균값의 차이(= π/2)이다.
4. 제 1항에 있어서, 상기 코히어런트 믹싱은 homodyne 방법 또는 intradyne 방법으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광신호의 성능 감시 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 코히어런트 믹싱은 상기 광신호와 지역발진기의 간섭을 이용하여 광신호의 크기와 위상의 정보를 수신하는 90도, 120도 또는 180도의 광 하이브리드(optical hybrid)를 통하여 이루어지거나 또는 상기 광신호의 편광 특성을 이용하는 자유 공간 소자(free space device)를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광신호의 성능 감시 방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 비동기식 지연 탭 샘플링 기술은 RF 파워 분배기, RF 지연선 또는 A/D 변환기를 이용하는 것을 특징으로 광신호의 성능 감시 방법.

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