一种监测偏振模色散的方法及装置与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种监测偏振模色散的方法及装置。

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。为了能更好实现对光网络进行管理和监测，在众多的监测参数中，偏振模色散(polarizationmodedispersion，pmd)是可反应光网络运行状态好坏的重要参量。

偏振模色散指光纤中偏振色散，一个信号脉冲沿着理想的对称圆形单模光纤在不受外界干扰情况下传输时，光纤输入的光脉冲可分成两个垂直的偏振输出脉冲，以相同的传播速度进行传输，并同时到达光纤输出端，这两个脉冲叠加在一起会重现出在光纤输入端时的偏振状态。但是由于实际上沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两个模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽量也不确定，便相当于随机的色散，引起信号失真。

为了测量pmd现有技术中提供了偏分孤子法测量光纤的pmd，具体实现该方法的示意图如图1所示：

偏分孤子法是利用孤子(soliton，又称孤立波，是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。)抗偏振模色散的性质，即使是通过长距离传输，孤子脉宽变化很小。因此，它特别适合于差分群时延差((differentgroupdelay，dgd)的测量，尤其是长光纤的pmd的测量。

当孤子通过偏振分束器后，分裂成两个偏振态互相正交的孤子，两者之间产生群时延差，进入待测光纤后，调整偏振控制器(polarizationcontroller，pc)，使光进入被测光纤的快慢轴与两个正交孤子相对的偏振方向平行，当前面的孤子与快轴平行，后面的孤子与慢轴平行，这时总的群时延差增加为τmax，当前面的孤子与慢轴平行，后面的孤子与快轴平行，总的群时延差减少为τmin。，被测光纤的偏振模色散为δτ：

通过上述方法可以精确的测量偏振模色散，但是该方法成本较高，测量算法较为复杂，难以在工程中实现。

技术实现要素：

本发明提供一种监测偏振模色散的方法及装置，本发明所提供的方法及装置解决现有监测偏振模色散的方法算法复杂不便实现的问题。

第一方面，提供一种监测偏振模色散的方法，该方法包括：

将待测光信号与第一光信号进行相干混频得到的第一模拟电信号；将所述待测光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光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；

将第一模拟电信号转换为第一数字电信号，将第二模拟电信号转换为第二数字电信号；其中，所述第一数字电信号包含两个正交偏振信息，第二数字电信号包含两个正交偏振信息；

将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量；

计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；

根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量包括：

将所述第一数字电信号转换成频域的第一琼斯向量组ei＝[ex,iey,i]^t,i＝1,2,...,n，n为正整数；ex,ey分别代表所述第一数字电信号包含的两个正交偏振信息；

将所述第二数字电信号转换成频域的第二琼斯向量组fi＝[fx,ify,i]^t,i＝1,2,...,n，n为正整数；fx,fy分别代表所述第二数字电信号包含的两个正交偏振信息；

将所述第一琼斯向量组根据斯托克斯变换s1＝ex^2-ey^2；s2＝ex·ey*+ex*·ey；s3＝j(ex·ey*-ex*·ey)转换成第一斯托克斯向量组将所述第二琼斯向量组根据斯托克斯变换s1＝fx^2-fy^2；s2＝fx·fy*+fx*·fy；s3＝j(fx·fy*-fx*·fy)转换成第二斯托克斯向量组

结合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，计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度包括：

利用关系式计算斯托克斯空间旋转矩阵mpmd；

将所述斯托克斯空间旋转矩阵进行归一化处理后，利用所述斯托克斯空间旋转矩阵mpmd的迹和已知的符号周期t计算所述第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度。

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，所述根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散包括：

利用公式得到所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散；其中，δτ是pmd产生的偏振模色散且该δτ是实数，t是符号周期，tr(mpmd)是所述归一化后的斯托克斯空间旋转矩阵的迹。

第二方面，提供一种监测偏振模色散的装置，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光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，用于将所述第一光信号与所述待测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，用于将所述待测光信号与所述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所述第二相干接收机相连，用于将将第一模拟电信号转换为第一数字电信号，将第二模拟电信号转换为第二数字电信号；其中，所述第一数字电信号包含两个正交偏振信息，第二数字电信号包含两个正交偏振信息；将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量；计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

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，用于将待测光信号与第一光信号进行相干混频得到的第一模拟电信号；将所述待测光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光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；

模数转换模块，用于将第一模拟电信号转换为第一数字电信号，将第二模拟电信号转换为第二数字电信号；其中，所述第一数字电信号包含两个正交偏振信息，第二数字电信号包含两个正交偏振信息；

运算模块，用于将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量；并计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，所述运算模块具体用于：

将所述第一数字电信号转换成频域的第一琼斯向量组ei＝[ex,iey,i]^t,i＝1,2,...,n，n是一个正整数；ex,ey分别代表所述第一数字电信号包含的两个正交偏振信息；

将所述第二数字电信号转换成频域的第二琼斯向量组fi＝[fx,ify,i]^t,i＝1,2,...,n，n为正整数；fx,fy分别代表所述第二数字电信号包含的两个正交偏振信息；

将所述第一琼斯向量组根据斯托克斯变换s1＝ex^2-ey^2；s2＝ex·ey*+ex*·ey；s3＝j(ex·ey*-ex*·ey)转换成第一斯托克斯向量组将所述第二琼斯向量组根据斯托克斯变换s1＝fx^2-fy^2；s2＝fx·fy*+fx*·fy；s3＝j(fx·fy*-fx*·fy)转换成第二斯托克斯向量组

结合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，所述运算模块具体用于：

利用关系式计算斯托克斯空间旋转矩阵mpmd；

将所述斯托克斯空间旋转矩阵进行归一化处理后，利用所述斯托克斯空间旋转矩阵mpmd的迹和已知的符号周期t计算所述第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度。

结合第三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，所述运算模块具体用于：

利用公式得到所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散；其中，δτ是pmd产生的偏振模色散且该δτ是实数，t是符号周期，tr(mpmd)是所述归一化后的斯托克斯空间旋转矩阵的迹。

上述技术方案中的一个或两个，至少具有如下技术效果：

本发明实施例所提供的方案，能精确有效实现光网络pmd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。

附图说明

图1为现有技术提供的偏分孤子法测量光纤的pmd的结构示意图；

图2a和图2b为现有技术中发射信号m1(t)的示意图；

图3a和图3b为现有技术中信号m2(t)的示意图；

图4为现有技术中信号m3(t)的示意图；

图5为m1(f)和m2(f)加载到光波上的示意图；

图6为本发明实施例提供的一种监测偏振模色散的方法的流程示意图；

图7为本发明实施例中通过上下边带信号对应的斯托克斯矢量计算确定两个信号之间的pmd的处理示意图；

图8为本发明实施例提供的一种监测偏振模色散的装置结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种光信号源的结构示意图；

图10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。

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：

es(t)＝{[∑nsnδ(t-nt)]*p(t)}c(t)(其中，sn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)＝∑nsnδ(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2a所示)，其频域形式如图2b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3a所示的：m2(t)对应的频域形式m2(f)为图3b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4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：es(t)＝[m1(t)*m2(t)]·m3(t)

在频域上可表达为：es(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5所示)，则在有限带宽内(f1-1/t到f1+1/t)，根据图5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，所以如果没有加入偏振模色散，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偏振模色散。

偏振模色散测量的原理在于加入偏振模色散后，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，在偏振模色散影响下两个信号会出现错位。并且偏振模色散值与pmd矩阵有余弦关系，即有周期性，当δτ＝0.5t时，为一个周期。故当偏振模色散大于的一半码元宽度，0.5t时会成周期性变化。所以测量的偏振模色散值应控制在半个码元1/2t宽度以内。

实施例

如图6所示，本发明实施例提供一种监测偏振模色散的方法，该方法具体包括：

在该实施例中，待测光信号与第一信号和第二信号进行混频之后，得到上边带信号(即第一模拟电信号)和下边带信号(即第二模拟电信号)；将上边带信号和下边带信号进行转换之后，通过相关的数学运算可以得到偏振模色散(具体实现原理如图7所示)。

步骤601，将待测光信号与第一光信号进行相干混频得到的第一模拟电信号；将所述待测光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光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光信号中心频率加减1/2波特率处的附近则可以实现偏振模色散的测量。但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光信号的中心频率加1/2波特率，第二光信号的中心频率为所述待测光信号的中心频率减1/2波特率。

另外，因为本方案是借助分析待测信号的两个正交偏振态的信息实现偏振模色散测量的，所以为了体现待测光信号中两个正交偏振态信号的状态，本发明实施例中可以采用了二维复数的方式表示需要进行处理的光信号。

步骤602，将第一模拟电信号转换为第一数字电信号，将第二模拟电信号转换为第二数字电信号；其中，所述第一数字电信号包含两个正交偏振信息，第二数字电信号包含两个正交偏振信息；

步骤603，将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量；

步骤604，计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；

步骤605，根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

基于前述的光信号传输原理可知，通过步骤601获得的第一模拟电信号和第二模拟电信号在没有色散的情况下应该相同，但是因为偏振模色散的存在，第一模拟电信号和第二模拟电信号存在差异。因为本实施例中得到的第一模拟电信号和第二模拟电信号通过模数转换后得到第一数字电信号和第二数字电信号后，第一数据电信号和第二数据电信后中所包含的两个正交偏振信息体现了待测光信号的不同偏振态，然后通过斯托克斯变换得到第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量。进而，使用第一和第二斯托克斯向量之间的旋转角度可以得到光纤传输过程中的偏振模色散。具体实现方式可以是：

a，将第一数字电信号和第二数字电信号转换为斯托克斯向量；

第一数字电信号在进行傅里叶变换后可以用第一琼斯向量组的形式来表示，即

其中，n为正整数，k代表了第一数字电信号在不同频率处的信息，ex,ey分别代表所述第一数字电信号包含的两个正交偏振信息；

同理，第二数字电信号在进行傅里叶变换后可以用第二琼斯向量组的形式来表示，即

其中，n为正整数，k代表了第二数字电信号在不同频率处的信息，fx,fy分别代表所述第二数字电信号包含的两个正交偏振信息。

将所述第一琼斯向量组转换成第一斯托克斯向量组将所述第二琼斯向量组转换成第二斯托克斯向量组

斯托克斯向量的三个分量可以通过以下公式分别计算得到：

s1＝ex^2-ey^2……(公式1)

s2＝ex·ey*+ex*·ey……(公式2)；

s3＝j(ex·ey*-ex*·ey)……(公式3)，

其中，ex和ey是使用琼斯空间向量表示的待测光信号的两个偏振态信号。

b，计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

b1，利用关系式计算斯托克斯空间旋转矩阵mpmd；

b2，将所述斯托克斯空间旋转矩阵进行归一化处理后，利用所述斯托克斯空间旋转矩阵mpmd的迹和已知的符号周期t计算所述第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度

具体的，可以利用公式得到所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散；其中，δτ是pmd产生的偏振模色散且该δτ是实数，t是符号周期，tr(mpmd)是所述斯托克斯空间旋转矩阵的迹。

在实际的使用中，第一斯托克斯向量组和第二斯托克斯向量组可通过pmd矩阵联系，具体的：

通过上式可求得pmd矩阵mpmd：

根据前述公式1～3可以得到矩阵中每个元素。

进一步，由于pmd矩阵的迹与偏振状态无关，可有：

实施例

如图8所示，本发明实施例提供一种监测偏振模色散的装置，该装置具体包括：

光信号源801，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光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，光信号源和相干接收机之间还可以连接一个耦合器(coupler)，耦合器作用主要是把几束光合在一起。

第一相干接收机802，所述第一相干接收机与所述光信号源相连，用于将所述第一光信号与所述待测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803，所述第二相干接收机与所述光信号源相连，用于将所述待测光信号与所述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(photoelectricdetector，pd)。在本发明实施例中为了提高本发明方案的可实用度，该光电探测器可以选用低带宽的光电探测器。另外，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804，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，用于将第一模拟电信号转换为第一数字电信号，将第二模拟电信号转换为第二数字电信号；其中，所述第一数字电信号包含两个正交偏振信息，第二数字电信号包含两个正交偏振信息；将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量；计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

在具体应用环境中，该信号处理器可以包括模数转换模块和计算器。

在具体的使用环境中，光信号源801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801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9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光信号的中心频率加1/2波特率；所述第二光信号的中心频率为所述待测光信号的中心频率减1/2波特率。

实施例

如图10所示，本发明实施例还提供另外一种监测光通信网络色散的装置，该装置具体包括：

相干接收模块1001，用于将待测光信号与第一光信号进行相干混频得到的第一模拟电信号；将所述待测光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光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；

模数转换模块1002，用于将第一模拟电信号转换为第一数字电信号，将第二模拟电信号转换为第二数字电信号；其中，所述第一数字电信号包含两个正交偏振信息，第二数字电信号包含两个正交偏振信息；

运算模块1003，用于将第一数字电信号转换成第一斯托克斯向量，将第二数字电信号转换成第二斯托克斯向量；并计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散。

其中，运算模块将数字信号转换为斯托克斯向量组的具体实现可以是：

将所述第一数字电信号转换成频域的第一琼斯向量组ei＝[ex,iey,i]^t,i＝1,2,...,n，n是一个正整数；ex,ey分别代表所述第一数字电信号包含的两个正交偏振信息；

将所述第二数字电信号转换成频域的第二琼斯向量组fi＝[fx,ify,i]^t,i＝1,2,...,n，n为正整数；fx,fy分别代表所述第二数字电信号包含的两个正交偏振信息；

将所述第一琼斯向量组根据斯托克斯变换s1＝ex^2-ey^2；s2＝ex·ey*+ex*·ey；s3＝j(ex·ey*-ex*·ey)转换成第一斯托克斯向量组将所述第二琼斯向量组根据斯托克斯变换s1＝fx^2-fy^2；s2＝fx·fy*+fx*·fy；s3＝j(fx·fy*-fx*·fy)转换成第二斯托克斯向量组

可选的，该运算模块，计算第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度；根据所述平均旋转角度计算所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散的具体实现可以是：

利用关系式计算斯托克斯空间旋转矩阵mpmd；

将所述斯托克斯空间旋转矩阵进行归一化处理后，利用所述斯托克斯空间旋转矩阵mpmd的迹和已知的符号周期t计算所述第一斯托克斯向量和第二斯托克斯向量在球面坐标系下的平均旋转角度。

可选的，运算模块根据旋转角度确定偏振模色散的具体实现可以是：

利用公式得到所述待测光信号传输过程中产生的偏振模色散；其中，δτ是pmd产生的偏振模色散且该δτ是实数，t是符号周期，tr(mpmd)是所述归一化后的斯托克斯空间旋转矩阵的迹。

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：

在本发明实施例所提供的方法和装置，测量偏振模色散的具体实现与调制速率和调制码型无关，使得本发明实施例所提供的方案不受码型限制，具有更广的适用范围；并能精确有效实现光网络pmd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；

而且本发明实施例所使用的算法简单，算法复杂度低便于实现；

另外，本发明实施例所提供的检测装置中选用低带宽的pd进行相干检测，能有效降低系统的成本。

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。