一种监测光通信网络色散的方法及装置与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种监测光通信网络色散的方法及装置。

背景技术：

随着人们对数据业务需求的不断增大，大容量高速光纤传输网络逐渐成为了信息传输的主要方向。而光纤通信新技术的不断革新，也促成了光纤传输距离在逐年倍增，光参量的好坏成为了衡量光纤通信系统的重要指标。为了能更好实现对光网络进行管理和监测，有必要对网络中传输的重要参量进行监测，光性能监测(Optical Performance Monitoring，OPM)随光纤通信的发展得到人们更多的关注。在众多参数中，光色散(Chromatic Dispersion，CD)是可反应光网络运行状态好坏的重要参量。

在光纤通信系统中，光色散是衡量光纤链路质量的重要指标，对于估算和测量系统具有重要的意义。光色散，指的是光波中各个频率分量传输速率的差异。如图1所示，光信号在光纤中是由不同的频率成份携带的，这些不同的频率成份通过同一介质时有不同的传播速度，这种现象就称为色散。在时间上表现为光脉冲在通过光纤传播时，其波形在时间上发生了展宽并引起信号畸变造成失真，从而引起接收错误，限制了光纤的传输容量。色散与光纤长度成线性关系，即光纤越长，色散越大。在光纤通信系统传输的中间节点对CD进行监测，可以判断光信号经过的光纤长度，或者，在已知光纤长度的情况下，可以判断出光纤的色散参数。这些监测结果可以为光网络的通信质量评估提供一个 重要的判断依据。

现有技术中测量色散的方法可以是脉冲时延法，该方法的具体实现可以是(该方法的实现如图2所示)：

用一台脉冲信号发生器去调制一个激光器，从激光器输出的光信号通过分光镜分为两路。一路进入被测光纤(由于色散作用，这一路的光脉冲信号被展宽)。另一路，不经过被测光纤，直接进入光监测器和接收机。将两路接收到的信号送入双踪示波器。从显示出的脉冲波形上分别测得两束光脉冲的宽度。假设输入光纤和从光纤输出的光脉冲波形都近似成高斯，用时域法测量经光纤传输造成的脉冲展宽可以计算出光纤的色散。

脉冲时延法是通过测定不同波长的窄光脉冲经过光纤传输后的时延差，直接由定义式得出光纤色散系数的一种方法。这种方法是将已知形状的窄脉冲(通常宽度为几百ps)注入待测光纤，由于光纤的色散，光脉冲沿光纤传输后将会发生展宽，在光纤输出端记录下该展宽的光脉冲波形，由输出脉冲宽度与输入脉冲宽度的差值，就可以得出色散导致的脉冲展宽，从而根据展宽可以估计得出光纤加入的色散。

根据上述脉冲时延法的实现方式可知，通过该方法估计色散需要有原始脉冲的比对，在实际远距离传输应用中难以实现。

技术实现要素：

本发明提供一种监测光通信网络色散的方法及装置，本发明所提供的方法及装置解决现有脉冲时延法在远距离传输应用中难以实现的问题。

第一方面，提供一种监测光通信网络色散的方法，该方法包括：

将待测信号与第一光信号进行相干混频得到第一模拟电信号；

将所述待测信号与第二光信号进行相干混频得到第二模拟电信号；其中， 所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率在所述待测信号的中心频率两边，且所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率差等于波特率；

将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号；

确定所述第一时域功率信号和第二时域功率信号之间的时延值；

通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散包括：

根据所述时延值和公式确定所述待测信号传输过程中的光纤色散；其中，所述τ₀为所述两个时域功率信号之间的时延值，所述T为所述待测信号的等效基带信号的码元宽度，λ为所述待测信号的中心频率，c为光速。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号包括:

对所述第一模拟电信号进行模数转换处理得到第一数字信号；对所述第二模拟电信号进行模数转换处理得到第二数字信号；

对所述第一数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第一时域功率信号；对所述第二数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第二时域功率信号。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，如果光信号是包括X偏振信号和Y偏振信号的信号，其中，X偏振信号和Y偏 振信号是正交的，该方法包括：

将所述X偏振信号和Y偏振信号分别作为所述待测信号与所述第一光信号和所述第二光信号进行相干混频，得到第一光信号对应的X偏振模拟电信号Ux、第一光信号对应的Y偏振模拟电信号Uy和第二光信号对应的X偏振模拟电信号Lx；第二光信号对应的Y偏振模拟电信号Ly；其中，Ux和Lx是X偏振态信号分别与所述第一光信号和第二光信号进行相干混频得到的信号；Uy和Ly是Y偏振态信号分别与所述第一光信号和第二光信号进行相干混频得到的信号；

则所述第一模拟电信号包括所述Ux和Uy，所述第二模拟电信号包括所述Lx和Ly。

第二方面，提供一种监测光通信网络色散的装置，该装置包括：

光信号源，用于产生第一光信号和第二光信号；其中，所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率在待测信号的中心频率两边，且所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率差等于波特率；

第一相干接收机，所述第一相干接收机与所述光信号源相连，用于将待测信号与第一光信号进行相干混频得到第一模拟电信号；

第二相干接收机，所述第二相干接收机与所述光信号源相连，用于将所述待测信号与第二光信号进行相干混频得到第二模拟电信号；

信号处理器，所述信号处理器与所述第一相干接收机和第二相干接收机相连，用于将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号，并确定所述第一时域功率信号和第二时域功率信号之间的时延值；通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散。

结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述光信号源包括：

第一激光器，用于产生所述第一光信号；

第二激光器，用于产生所述第二光信号。

结合第二方面，在第二种可能的实现方式中，所述光信号源包括：

一个激光源，用于产生光信号；

一个光电调制器和一个微波信号源，所述光电调制器的两个输入端分别连接所述激光源和所述微波信号源的输出端，用于利用所述微波信号源产生的信号对所述光信号进行载波抑制调制产生所述第一光信号和第二光信号。

第三方面，提供一种监测光通信网络色散的装置，该装置包括：

相干接收模块，用于将待测信号与第一光信号进行相干混频得到第一模拟电信号；将所述待测信号与第二光信号进行相干混频得到第二模拟电信号；其中，所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率在所述待测信号的中心频率两边，且所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率差等于波特率；

转换模块，用于将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号；

时延值确定模块，用于确定所述第一时域功率信号和第二时域功率信号之间的时延值；

色散确定模块，用于通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散。

结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，色散确定模块具体用于根据所述时延值和公式确定所述待测信号传输过程中的光纤色散；其中，所述τ₀为所述两个时域功率信号之间的时延值，所述T为所述待测信号的 等效基带信号的码元宽度，λ为所述待测信号的中心频率，c为光速。

结合第三方面或第三方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述转换确定模块具体用于对所述第一模拟电信号进行模数转换处理得到第一数字信号；对所述第二模拟电信号进行模数转换处理得到第二数字信号；对所述第一数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第一时域功率信号；对所述第二数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第二时域功率信号。

上述技术方案中的一个或两个，至少具有如下技术效果：

本发明实施例提供的色散检测方法及装置通过待测信号与特定的光信号进行相干混频得到待测光信号上下边带的两个模拟电信号，再通过两个模拟电信号之间的时延值确定色散，所以本实施例提供的方案与调制码型无关，与波特率相关，所以算法简单，便于实现。

附图说明

图1为现有技术中光信号在光纤中传输的示意图；

图2为现有技术中测量色散的脉冲时延法的流程示意图；

图3a和图3b为现有技术中发射信号m1(t)的示意图；

图4a和图4b为现有技术中信号m2(t)的示意图；

图5为现有技术中信号m3(t)的示意图；

图6为m1(f)和m2(f)加载到光波上的示意图；

图7为出现时间延迟的两个信号做互相关的函数图象；

图8为本发明实施例提供的一种监测光通信网络色散的方法的信号处理示意图；

图9为本发明实施例提供的一种监测光通信网络色散的方法流程示意图；

图10为本发明实施例中通过将两个时域功率信号进行互相关确定两个信 号之间的时延值的信号处理示意图；

图11为本发明实施例将待检测光信号两个偏振态的信号当做两个独立的信号进行处理的信号处理示意图；

图12为本发明实施例提供的一种监测光通信网络色散的装置结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种光信号源的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的另外一种监测光通信网络色散的装置结构示意图。

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，下面将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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了方便理解本发明实施例所提供的方法，以下结合附图对本发明实施例所提供方法的实现原理进行说明，具体包括：

从发射机发射出来的光信号的时域形式可表示为：

从发射机发射出来的光信号的时域形式可表示为：

E_S(t)＝{[∑_ns_nδ(t-nT)]*p(t)}c(t)(其中，s_n为信号比特数据，δ(t)为脉冲函数，p(t)为脉冲波形，c(t)为光载波,*代表卷积运算)，T是信号的符号周期。令：

m₁(t)＝∑_ns_nδ(t-nT)

m₂(t)＝p(t)

m₃(t)＝c(t)；

其中，m₁(t)为发射信号的基带形式，表现为周期为T的脉冲函数(如图3a所示)，其频域形式如图3b所示，m₁(f)是周期为1/T的周期信号。

p(t)为脉冲波形，若p(t)取非归零矩形波，则m₂(t)如图4a所示的：m₂(t)对应的频域形式m₂(f)为图4b所示，m₂(t)为主瓣带宽1/T的带限信号；

m₃(t)为光载波，由于光载波为频率为f₁的单载波，在频域上可表达为一个脉冲信号(如图5所示)；

因为信号在传输过程中是将发射信号叠加在光载波信号上发送的，所以：

发射的时域光信号：E_S(t)＝[m₁(t)*m₂(t)]·m₃(t)

在频域上可表达为：E_S(f)＝[m₁(f)·m₂(f)]*m₃(f)

m₁(f)为周期为1/T的周期信号，m₂(f)为主瓣带宽1/T的对称的带限信号，两者相乘，再加载到光波中心频率f₁上(如图6所示)，则在有限带宽内(f₁-1/T到f₁+1/T)，根据图6可知只有f₁-1/2T和f₁+1/2T处可以得到完全相同的周期重复的信号。

由于在f₁-1/2T和f₁+1/2T处的两个窄带信号，相距1/T，满足m₁(f)的最小周期1/T，并且在m₂(f)脉冲波形的带宽内关于中心波长轴对称，所以如果没有加入色散，在两个相干接收机分别得到的f₁-1/2T和f₁+1/2T处的两个窄带信号应该是完全相同的。所以通过比较f₁-1/2T和f₁+1/2T处的两个窄带信号的差异可以检测出信号传输过程中的色散。

色散测量的原理在于加入色散后，接收得到的本应完全相同的f₁-1/2T和f₁+1/2T处的两个窄带信号，在色散影响下产生了时延，在时域上两个信号会出现错位。

对出现时间延迟的两个信号做互相关，其函数图象如图7所示，该函数的图像存在一个尖峰。尖峰的位置或横坐标表示两个信号错开的采样点的数 目。将采集到的上下边带1/2(即f₁-1/2T和f₁+1/2T)时域功率信号，即两个时域数据做互相关，可以得到一个相关函数，而相关函数的尖峰的横坐标指代的是两个应该相同时域数据(上下边带1/2时域功率信号)在加入色散后所产生的延迟，而这个时间延迟与加入的色散值成正比。通过上述原理可以计算出信号传输过程中的色散。

实施例

基于上述实现原理本发明实施例提供一种监测光通信网络色散的方法(方法流程如图9所示，具体的信号流处理示意如图8所示)，该方法具体包括：

步骤901，将待测信号与第一光信号进行相干混频得到第一模拟电信号；将所述待测信号与第二光信号进行相干混频得到第二模拟电信号；其中，所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率在所述待测信号的中心频率两边，且所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率差等于波特率；

在该实施例中，第一光信号和第二光信号在待测信号中心频率加减1/2波特率处的附近则可以实现光纤色散的测量。第一光信号和第二光信号的最优实施例是：第一光信号的中心频率为所述待测信号的中心频率加1/2波特率，第二光信号的中心频率为所述待测信号的中心频率减1/2波特率。

步骤902，将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号；

在该实施例中，进行转化的具体实现可以是：

对所述第一模拟电信号进行模数转换处理得到第一数字信号；对所述第二模拟电信号进行模数转换处理得到第二数字信号；

对所述第一数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第一时域功率信号；对所述第二数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第二时域功率信号。

步骤903，确定所述第一时域功率信号和第二时域功率信号之间的时延值；

在该实施例中，模拟电信号转换为时域功率信号后可以通过各种方式确定两个时域功率信号之间的时延，在该实施例中最优化的方式是通过将两个时域功率信号进行互相关确定两个信号之间的时延值(具体实现原理如图10所示)。

采用两个时域功率信号互相关确定时延值的方式时，两个时间功率信号的相关函数含有一个尖峰，尖峰的位置τ₀表征的是中心频率加减1/2波特率处的两个功率信号的时延值(如图7所示)，该时延值与色散大小成正比。时延值指的是，中心频率加减1/2波特率处的两个模拟电信号在没有加入色散时应该为周期重复相同的信号，在加入色散后由于两个信号的载频不同受到色散影响，从而两个信号出现错位产生时延。加入的色散正比于延时量，所以根据时延值可以计算色散。

步骤904，通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散。

以下结合附图8，对本发明实施例所提供方法中，信号的处理流程做进一步的详细说明，具体实现可以是：

将待测信号输入两个相干接收机，两个相干接收机分别将待测信号与本激光1和本振激光2相干混频得到两个模拟电信号，其中两个相干接收机对信号的处理流程完全相同，以下以本振激光1对应的相干接收机的信号处理流程为例进行说明：

待测信号与本振激光1同时输入相干接收机，相干接收机会将待测信号与本振激光1进行混频，然后得到四路光信号；然后将四路光信号进行分成两组光信号，对每组光信号进行光电探测然后得到一路模拟电信号，两组光信号对应得到两路模拟电信号(每一路模拟电信号代表了最终输出的模拟电信号的一 部分的信息)，两路模拟电信号组合形成相干接收机最后输出的模拟电信号(即该实施例中的第一模拟电信号)；

再经过模数转换模块，将模拟电信号转换成离散的数字电信号a(其中，该数字信号a是对应待测信号f-1/2T频率处的信号)。

基于本振激光1和待测信号的相同处理流程，本振激光2和待测信号经过相同的处理过程也可以获得一个数字电信号b(其中，该数字信号b是对应待测信号f+1/2T频率处的信号)。

信号处理器(例如DSP)将数字电信号a每个时刻的值取模平方获得第一时域功率信号；将数字电信号b每个时刻的值取模平方获得第二时域功率信号(其中，时域功率信号代表数字电信号在每个时刻的功率)；

然后第一时域功率信号和第二时域功率信号进行互相关操作之后，得到两个时域功率信号之间的时延值，从而根据色散与时延值之间的关系可以确定光纤传输的时延值。

具体的，可以通过以下公式确定光纤色散：

其中，所述τ₀为所述两个时域功率信号之间的时延值，所述T为所述待测信号的等效基带信号的码元宽度，λ为所述待测信号的中心频率，c为光速。

另外，因为现在的光通信系统通常使用偏振复用技术，偏振复用技术是将信息调制到两个正交的偏振状态上(即X偏振和Y偏振)。为了能够监测偏振复用系统的色散，可以使用偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)将待测信号和本振激光分成正交的两个偏振态分别进行色散估计。所以在本实施例所提供的方案中，当待检测的光信号包括X偏振信号和Y偏振信号，其中X 偏振信号和Y偏振信号是正交的，可以将X偏振信号和Y偏振信号分别作为独立的信号与第一光信号和第二光信号进行混频操作得到四个模拟电信号，为了确定时延值，则需要将四个模拟电信号组合形成2个模拟电信号，则具体实现可以是：

四个模拟电信号为：Ux、Lx、Uy和Ly，具体是

X偏振态信号分别与所述第一光信号和第二光信号进行相干接收得到X偏振方向上的信号，该信号包括第一光信号对应的X偏振模拟电信号Ux、第二光信号对应的X偏振模拟电信号Lx；

Y偏振态信号分别与所述第一光信号和第二光信号进行相干混频得到Y偏振方向上的信号，该信号包括第一光信号对应的Y偏振模拟电信号Uy和第二光信号对应的Y偏振模拟电信号Ly。

对应的第一模拟电信号和第二模拟电信号分别都包括两个部分，具体为：

则所述第一模拟电信号包括所述Ux和Uy，所述第二模拟电信号包括所述Lx和Ly。

进一步，确定时域功率信号则可以是：将Ux和Uy分别取模平方(即|Ux|^2+|Uy|^2)得到第一时域功率信号，将所述Lx和Ly分别取模平方(即|Lx|^2+|Ly|^2)得到第二时域功率信号。

在该实施例中，因为通过对这两个偏振态的功率信号做互相关求时延值，可以排除偏振模色散的影响。因为如果色散系统中同时也存在偏振模色散，偏振模色散参量是不会影响|Ux|^2+|Uy|^2和|Lx|^2+|Ly|^2的量值，所以采用|Ux|^2+|Uy|^2和|Lx|^2+|Ly|^2做功率互相关可以得到比较准确的时延值。

另外，在该实例中，可以将待检测光信号对应的两个偏振态的信号当做两个独立的信号，然后分别与第一光信号和第二光信号进行相干接收等处理从而 得到两个光纤色散值(信号流处理如图11所示)。

本发明实施例提供的方法与调制码型无关，与波特率有关，所以算法简单，便于实现；

另外，本发明实施例所提供的方法能精确有效实现光网络CD监测，为光网络的管理提供一个可靠信息来源，使光网络监控管理和运行更便捷。

另一实施例

如图12所示，该实例提供一种监测光通信网络色散的装置，该装置包括：

光信号源1201，用于产生第一光信号和第二光信号；其中，所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率在待测信号的中心频率两边，且所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率差等于波特率；

第一相干接收机1202，该第一相干接收机与所述光信号源相连，用于将待测信号与第一光信号进行相干混频得到第一模拟电信号；

第二相干接收机1203，该第二相干接收机与所述光信号源相连，用于将所述待测信号与第二光信号进行相干混频得到第二模拟电信号；

在具体的实现环境中，每个相干接收机中至少包括一个混频器、一个光电探测器。两个相干接收机是分别对两个信号进行处理，每个相干接收机对应一个信号。

信号处理器1204，该信号处理器与所述第一相干接收机和第二相干接收机相连，用于将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号，并确定所述第一时域功率信号和第二时域功率信号之间的时延值；通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散。

在具体的使用环境中，光信号源1201的实现方式包括多种，以下提供两 种最优化的实现方式：

方式一

该光信号源中包括两个激光器，两个激光器分别用于产生第一光信号和第二光信号。具体为：

第一激光器，用于产生所述第一光信号；

第二激光器，用于产生所述第二光信号。

方式二

该光信号源中包括一个激光源、一个光电调制器和一个微波信号源(具体结构如图13所示)，具体的：

激光源，用于产生光信号；

该光电调制器的两个输入端分别连接所述激光源和所述微波信号源的输出端，用于利用所述微波信号源产生的信号对所述光信号进行载波抑制调制产生所述第一光信号和第二光信号。

在该实施例中，最优化的实现方式可以是：所述第一光信号的中心频率为所述待测信号的中心频率加1/2波特率；所述第二光信号的中心频率为所述待测信号的中心频率减1/2波特率。

另一实施例

如图14所示，本实施例还提供另外一种监测光通信网络色散的装置，该装置包括：

混频模块1401，用于将待测信号与第一光信号进行相干混频得到第一模拟电信号；将所述待测信号与第二光信号进行相干混频得到第二模拟电信号；其中，所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率在所述待测信号的中心频率两边，且所述第一光信号和所述第二光信号的中心频率差等于波特率；

转换模块1402，用于将所述第一模拟电信号转换为对应的第一时域功率信号，将所述第二模拟电信号转换为第二时域功率信号；

可选的，该转换模块1402具体用于对所述第一模拟电信号进行模数转换处理得到第一数字信号；对所述第二模拟电信号进行模数转换处理得到第二数字信号；对所述第一数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第一时域功率信号；对所述第二数字信号每个时刻的值取模平方获得所述第二时域功率信号。

时延值确定模块1403，用于确定所述第一时域功率信号和第二时域功率信号之间的时延值；

色散确定模块1404，用于通过所述时延值与色散之间的对应关系获得所述待测信号传输过程中的光纤色散。

可选的，该色散确定模块具体用于根据所述时延值和公式确定所述待测信号传输过程中的光纤色散；其中，所述τ₀为所述两个时域功率信号之间的时延值，所述T为所述待测信号的等效基带信号的码元宽度，λ为所述待测信号的中心频率，c为光速。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下的技术效果：

本发明实施例提供的色散检测方法通过待测信号与特定的光信号进行相干混频得到待测光信号上下边带的两个模拟电信号，再通过两个模拟电信号之间的时延值确定色散，所以本实施例提供的方案与调制码型无关，与波特率相关，所以算法简单，便于实现；

另外，本发明实施例所提供的方法能精确有效实现光网络CD监测，为光网络的管理提供一个可靠信息来源，使光网络监控管理和运行更便捷。

本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术 人员根据本发明的技术方案得出其它的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。