用于从光信号中去除导频音的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月16日提交的申请号为14/598,581的美国专利申请的优先权。

本公开涉及光网络中的波长转换。

背景技术：

光通信系统现今被广泛运用于数据通信。这种系统通常使用光纤作为传输介质以允许高速数据率和远距离传输。为避免波长阻塞并增加密集波分复用的填充率(fill)，在光交叉连接(oxc)点处需要有波长转换。

在这种光通信系统中，已知采用导频音以标识光数据信号波长；所述导频音通常为所述光数据信号的低频调制。当需要将第一波长的光数据信号进行波长转换变为另一个波长的光数据信号时，则导频音也需要转换，以正确标识该另一波长。在若干种波长转换的做法中，将导频音信号从光数据信号中分离出来，将之转换为电信号，所述电信号用以调制另一个波长的激光器发射光。这种光数据信号的转换涉及从光数据信号中提取出实际数据。这种数据提取方法将依赖于数据的格式(如幅移键控、相移键控、正交调幅等)，因而可能需要大量的处理。另一波长的光数据信号的导频音则通过对该光数据信号应用特定于波长的调制来生成。附加地，导频音自身也可被调制，如可以在低速率下(例如100bits/s)开启和关闭，以携带附加信息，如光数据信号的调制格式、光数据信号的来源、光谱宽度等。

最近在美国的申请号为14/270,714的专利申请中，已经公开了一种相干波形转换装置，其可用于相干光纤传输系统。在这个系统中，波长转换对整个波形而非仅光数据信号起作用。照此，则波长转换无需考虑光信号中编码数据所用的格式类型即可实现，也就意味着所需处理有了相当的减少。然而，当有标识光数据信号波长的导频音出现在这种相干波形转换系统的输入时，相干波形转换系统的输出的导频音将无法正确标识转换后的波长；相反，它所标识的波长将仍是该相干波形转换系统的输入的光数据信号的波长。

因此，期待对相干波形转换系统加以改进。

技术实现要素：

在第一方面，本公开提供一种从光信号中去除导频音的方法。所述方法包括获得至少一个初始波形。一旦获得所述至少一个初始波形，则根据所述至少一个初始波形，计算强度波形。接下来，处理所述强度波形以获得所述导频音的导频音频率、所述导频音的调制深度以及所述导频音的相位。然后将补偿后的波形乘以导频音消除因子。所述导频音消除因子是所述光信号的所述导频音频率、所述调制深度和所述相位的函数。

在第二方面，本公开提供一种从光信号中去除导频音的装置。所述装置包括导频音处理单元，其具有输入部、处理部和输出部。所述输入部获得至少一个初始波形。所述导频音处理单元的所述处理部根据所述至少一个初始波形，计算出强度波形。所述处理单元处理所述强度波形以获得所述导频音的导频音频率、所述导频音的调制深度以及所述导频音的相位。所述处理单元按所述导频音频率、所述调制深度和所述相位的函数计算出导频音消除因子。所述输出部输出所述导频音消除因子。所述装置也包括乘法器，其被配置为接收所述导频音消除因子，并将补偿后的波形乘以所述导频音消除因子。

在审阅以下结合有关附图而描述的具体实施例时，本公开的其他方面和特征对本领域普通技术人员将变得显而易见。

附图说明

现在将参照附图，仅以示例的方式，描述本公开的实施例。

图1示出了现有技术的波长转换器；

图2示出了根据本公开的一个导频音处理装置的实施例；

图3示出了本公开方法的实施例的流程图；

图4示出了在图3的流程图中所示方法的示例实施例；

图5a示出了可以获取和处理波形的时间间隔与可以从波形中去除导频音的时间间隔之间的关系；

图5b示出了图5a的第一和第二时间间隔的详细视图；

图6示出了在去除20mhz导频音前后，作为频率的函数的相对频谱功率的视图；

图7示出了根据本公开的导频音去除系统的另一个实施例；

图8示出了本公开方法的另一个实施例的流程图；

图9示出了根据本公开的导频音处理装置的另一个实施例。

具体实施方式

总体上，本公开提供了一种用于从光数据信号中去除导频音的方法和系统。所述方法和系统适用于独立于光数据进行组织的格式、将第一波长的输入波形转换为第二波长的输出波形的数字波长转换器。当在输入波形关联有导频音的环境中运行时，本公开的方法和系统允许从输入波形中去除导频音，并也允许将另一个导频添加到输出波形。所述另一个导频音正确标识输出波形的波长。

图1示出了一个现有技术中的波长转换器30，其包括相干接收器32、数字波形转换器(dwc)单元34和相干发送器36。光电(oe)转换器38将输入光信号40转化为两个同相(i)模拟电信号和两个正交相(q)模拟电信号。所述两个同相模拟电信号包括：信号42，其表示输入光信号的电场的同相水平偏振分量；以及信号44，其表示输入光信号的电场的同相垂直偏振分量。所述两个正交相模拟电信号包括：信号46，其表示输入光信号的电场的正交相水平偏振分量；以及信号48，其表示输入光信号的电场的正交相垂直偏振分量。

所述信号42、44、46和48被馈入各个滤波器50，每个滤波器将滤波后的模拟信号输出到dwc34。各个滤波器50中可包括放大器和传输线，其通常具有低通特性。在实际中，滤波器50未必是理想的，故而当生成滤波后的模拟信号时，可能引入缺陷或失真。这四个滤波后的模拟信号的每一个在各个模数转换器(adc)52，由dwc单元34接收。adc52输出四个数字信号或波形53、55、55和59。

dwc34也包括数字补偿滤波器54，其接收所述四个数字信号或波形53、55、57和59，并可对该数字信号上的任何局部失真进行补偿。例如，数字补偿滤波器54可对相干接收器32、相干发送器36或二者的电路带宽进行补偿。数字补偿滤波器54也可针对其他线性效应进行补偿。补偿可以在时域上或频域上执行。数字补偿滤波器54生成四个补偿后的数字信号56、58、60和62。补偿后的数字信号56即输入光信号的电场的同相水平偏振分量的数字信号；补偿后的数字信号58即输入光信号的电场的正交相水平偏振分量的数字信号；补偿后的数字信号60即输入光信号的电场的同相垂直偏振分量的数字信号；并且补偿后的数字信号62即输入光信号的电场的正交相垂直偏振分量的数字信号。

补偿后的数字信号56、58、60和62被馈入各个数模转换器(dac)64中。各个dac64将补偿后的数字信号转换为模拟信号。dac64所输出的模拟信号可由多个输出滤波器66进行滤波，成为滤波后的输出信号，其然后可馈入电光(eo)转换器68。这些滤波器中包含射频(rf)驱动器。eo转换器68可生成输出光信号70，此光信号为输出滤波器66所输出的模拟信号的函数。进一步地，eo转换器68所输出的光信号70的波长可以不同于输入光信号40的波长。在某种意义上，所接收到的一个波长的波形，可以通过“复制”并“粘贴”的过程，将之转换为另一个波长。

在一些实例中，输入光信号40将具有导频音，标识着该输入光信号的波长。导频音信号所调制的光信号的电场分量，或者表示着导频音信号所调制的光输入信号的电信号的电场分量，可以在时域中表示为：

ehi是光数据信号的电场的同相水平偏振分量；ehq是光数据信号的电场的正交相水平偏振分量；evi是光数据信号的电场的同相垂直偏振分量；并且evq是光数据信号的电场的正交相垂直偏振分量。m是调制深度因子，其具有小于1的值(如m＝0.01)。fpt是导频音频率。是相位因子。t是时间。导频音频率根据光数据信号的波长设置。例如，可以有预定的光数据信号波长，每个波长具有一个与其关联的特定的导频音频率。上述四个方程可重新简写为：

其中，k＝hi、hq、vi或vq。

adc52所输出的四个数字信号或波形53、55、57和59的电场也具有如方程5所表示的相同的形式。

正如以上关于图1所述的，即使电光转换器68所输出的输出光信号70的波长不同于输入光信号40的波长，现有技术中的波长转换器30也不会改变导频音频率。换言之，即使输入和输出光信号具有不同的光波长，输出光信号70的导频音频率仍将与输入光信号40的导频音频率相同。这可导致波长转换器30下游的输出光信号70的波长标识错误，进而导致输出光信号70处理错误。以下显示如何解决这个问题。

图2示出了根据本公开的导频音处理装置的实施例。导频音处理装置72包括导频音处理单元74，其可以是数字信号处理(dsp)单元或专用集成电路(asic)。导频音处理单元74自四个adc52处接收波形或数字信号53、55、57和59，并输出消除因子。如后文将要描述的，所述消除因子可用于确保输入光信号40的导频音不会出现在输出光信号70中。所述导频音处理装置72也包括乘法器76，其将导频音处理单元74所生成的消除因子与四个补偿后的数字信号56、58、60和62相乘。乘法器76的输出被馈入dac64。

导频音处理单元74可处理自四个adc52处获得的四个波形53、55、57和59，以计算出导频音信号所调制的光信号的调制深度因子m、导频音频率fpt和相位因子的数值，并获得前述的消除因子，当将所述消除因子乘以所述四个补偿后的数字信号56、58、60和62，即可将导频音从输出光信号70中去除。

可以例如根据图3实现四个波形53、55、57和59的处理。图3是本公开方法的一个实施例的流程图。在操作78，导频音处理单元74自adc52处获得(如接收)四个数字波形53、55、57和59。在操作80，计算光信号的强度信号i(t)如下：

接下来，在操作82，可对i(t)执行快速傅里叶变换，以获得调制深度因子m、导频音频率fpt和相位因子为减少导频音处理单元74所要处理的数据点的个数，在执行快速傅里叶变换之前，可以应用块平均(blockaveraging)或滑动窗口平均(slidingwindowaveraging)。可对i(t)执行用以求得m、fpt和的任意其他适当类型的变换。这类变换包括例如小波变换和离散正弦变换。一旦获得这些值，导频音处理单元74就在操作84生成消除因子，该消除因子用于将导频音从输出光信号70中去除。消除因子为：

在操作86，补偿后的数字信号56、58、60和62(被表示为时变方程5)乘以方程8的消除因子，得到：

由于“m”小于(或远小于)1，故此方程可近似为：

e′k(t)＝ek(t)；(方程9)

其无导频音成分。

补偿后的数字信号乘以消除因子之后，无导频音的补偿后的数字信号可用于在操作87生成同样无导频音的输出光信号。亦即，无导频音的补偿后的数字信号被馈入dac64，dac64输出模拟信号到电光转换器，电光转换器再按自dac64接收的信号的函数来生成输出光信号。

图3的方法可以在不同方式中实现。其中一种实施方式在图4中示出。

在图4中，在操作92，导频音处理单元74在第一时间间隔中获得自adc52输出的波形53、55、57和59。

在操作94，第一时间间隔的波形经过处理，获得第一时间间隔的消除因子。在操作96，在第二时间间隔中，所得的第一时间间隔获得的消除因子被应用到在第二时间间隔中存在的补偿后的信号56、58、60和62。同样在第二时间间隔中，导频音处理单元74获得自adc52输出的波形53、55、57和59，继而计算出第二时间间隔的消除因子。

在操作98，在第三时间间隔中，获得的第二时间间隔的消除因子被应用到在第三时间间隔中存在的补偿后的信号56、58、60和62。同样在第三时间间隔中，导频音处理单元74获得自adc52输出的波形53、55、57和59，继而计算出第三时间间隔的消除因子。

在操作100，在第四时间间隔中，获得的第三时间间隔的消除因子被应用到在第四时间间隔中存在的补偿后的信号56、58、60和62。同样在第四时间间隔中，导频音处理单元74获得自adc52输出的波形53、55、57和59，继而计算出第四时间间隔的消除因子。接下来，所述方法以相同的操作模式继续，此即意味着对在给定时间间隔内所获取(获得)的数据进行处理，以获得消除因子，而该消除因子被应用到后续时间间隔内存在的数据。

图5a示出了一系列时间间隔104，在该时间间隔导频音处理单元74获得波形53、55、57和59，还示出了另一系列的时间间隔106，在该时间间隔补偿后的数字信号56、58、60和62乘以根据前一个时间间隔内的四个波形53、55、57和59而获得的消除因子。如图5a所示，要在第一时间间隔106a内自补偿后的数字信号56、58、60和62中去除导频音是不可能的。其理由在于，当补偿后的数字信号56、58、60和62已经就绪，可以与消除因子相乘时，第一时间间隔的消除因子尚待确定。

图5b示出了图5a的第一和第二时间间隔的扩展视图。如图5b所示，波形的获取在获取时间tacquisiton内发生，而第一时间间隔的消除因子的计算在计算时间tcalculation内发生。获取时间tacquisiton与计算时间tcalculation的总和等于第一时间间隔的长度。消除因子的计算包括确定m,fpt,和然而，由于在第一时间间隔中获取数据完毕与在第二时间间隔中应用消除因子之间存在时间延迟(等于tcalculation)，故而调整了相位以应对这个时间延迟。如此得到调整后的相位：

图6示出了作为频率的函数的相对频谱功率的视图。图6的视图具有曲线88，其示出了与光信号关联的20mhz导频音，以及曲线90，其在应用图3的方法之后获得。20mhz导频音在曲线90中基本不存在，这显示了方程10和图4实施方式的适用性。

在另一个实施例中，可以处理一个时间间隔的波形数据以消除同一时间间隔中存在的导频音，来替代处理来自一个时间间隔的波形数据以消除下一个时间间隔中存在的导频音。为此，可将四个波形53、55、57和59缓存在存储器内，时间间隔箱(timeintervalbin)中，并经过处理，以获得m,fpt和其可应用于同一个时间间隔箱。此做法需要较大的缓存，增加延迟。

如上所述，波形53、55、57和59在操作92-102的取得是在某个时间长度或间隔中进行的。时间长度越长，操作80的i(t)的信噪比就越大，在操作82所获得的m,fpt和的值也就越准确。不过，过长的时间长度会导致导频音抑制不够。

在图2的实施例中，导频音去除系统在导频音处理单元74处获得四个波形53、55、57和59，并继续计算消除因子，用之以去除导频音。然而，要去除导频音，获得全部四个波形并不是必要的。事实上，仅用四个波形中的一个、两个、或三个，也依然有可能去除来自输入光信号中的导频音。在仅获得四个波形中的一个的情况下，强度信号将不再写作如方程6中的形式，而将化简为：

其中，k＝hi(波形53)、hq(波形55)、vi(波形57)或vq(波形59)。

在仅获得四个波形中的两个的情况下，强度信号将不再写作如方程7中的形式，而将化简为：

其中，a和b选自hi(波形53)、hq(波形55)、vi(波形57)或vq(波形59)，并且a与b不同。

在仅获得四个波形中的三个的情况下，强度信号将不再写作如方程7中的形式，而将化简为：

其中，a、b和c选自hi(波形53)、hq(波形55)、vi(波形57)或vq(波形59)，并且a与b不同、a与c不同、且b与c不同。

当获得全部四个波形时，强度信号的信噪比，以及调制深度因子m、导频音频率fpt和相位因子的准确度都将优于仅获得一个、两个或三个波形时。图7示出了根据本公开的导频音去除系统的另一个实施例。图7的实施例与图2的相同，唯在图7的实施例中，导频音处理单元74仅获得四个波形中的一个。在图7中，仅获得波形55。

图8示出了本公开一个方法的实施例的流程图。图8与图3相同，唯在操作108处，仅获得四个波形中的一个，且在操作110处，按所得波形的平方计算出强度值。图8中的步骤82、84、86和87与图3中的步骤82、84、86和87相同。

在一些实施例中，一旦确定了导频音频率，就有可能将已确定的导频音频率与导频音频率的设置值进行对比，并根据最接近的设置的导频音频率值来纠正确定的频率。作为一示例，如果确定的导频音频率是20.004mhz，且最接近的导频音频率设置值为20.000mhz，则数值20.004mhz被替换为数值20.000mhz，且消除因子的计算使用数值20.000mhz和确定的“m”与的值来进行。

要纠正确定的频率，可以在与导频音处理单元74操作性连接的存储器中存储标准导频音频率的查找表，然后让导频音处理单元74将导频音频率的确定值与查找表中的导频音频率值进行对比，并将确定的导频音频率替换为与所述确定的导频音频率最接近的查找表中的频率。

在一些实施例中，图2和7的adc52将在相对较高的频率下工作，例如30ghz或60ghz或其他高频值。在这样的频率下，adc所生成的数据量可以过多，以至导频音处理单元74无法处理。在这种情况中，可以对导频音处理单元设定程序对接收自adc52的数据进行平均运算。所述平均运算可以是块平均运算，其中来自adc52的数据被纳入一个有预定数量的连续数据点的块中来考虑。自adc接收的每个数据块都被求平均，得到一个单独的值。另选地，可以执行任意其他适当类型的数据求平均。例如，可以执行移动平均运算或滑动窗口平均运算而非块平均运算。

除从光信号中去除导频音之外，本公开也涉及向输出光信号添加导频音。在图2所示的示例实施例中，添加导频音的过程可以在导频音处理单元74执行。添加导频音，可以通过将方程9的右侧乘以导频音添加因子来实施：

其中，m′是所添加导频音的调制深度因子，此因子小于1；f′pt是所添加导频音的导频音频率，并且′是所添加导频音的相位因子。返回参见图2，将方程5所表示的补偿后的数字信号56、58、60和62乘以方程8的消除因子和方程14的导频音添加因子，得到：

其中，k＝hi、hq、vi或vq。

由于m和m′所具有的值通常远小于1，故方程15可近似为：

其中f′pt的值可以在标准导频音频率表中选择，m′可以选为任意合适的小的数值，如m′＝0.01，并且可以设置为任意值。

虽然上述实施例涉及从光信号中去除导频音和向光信号添加导频音，本公开总体上也适用于电磁信号。进一步的，尽管自adc52输出的波形被描述为光信号的电场的同相和正交相的水平和垂直偏振分量，但并不需要一定如此。在其他实施例中，可以不用电场的水平和垂直偏振分量的同相和正交相分量，而可能用沿第一极化状态和第二极化状态的电磁信号的电场同相和正交相的极化分量。所述第一和第二极化状态可以相互垂直。在这种实施例中，有可能存在方法，用于从电磁信号中去除导频音。所述方法包括获得四个初始波形中的至少一个。每个初始波形代表沿第一极化状态的电磁信号的电场同相极化分量、沿第一极化状态的电场正交相极化分量、沿第二极化状态的电场同相极化分量和沿第二极化状态的电场正交相极化分量中的一个。所述方法还包括根据所获得的四个波形中的至少一个计算强度波形；处理所述强度波形以获得所述导频音的导频音频率、所述导频音的调制深度以及所述导频音的相位；以及将四个补偿后的波形乘以导频音消除因子，所述导频音消除因子是所述电磁信号的导频音频率、调制深度和相位的函数，每个单独的补偿后的波形是所述四个初始波形中各自一个的函数。

图9示出了根据本公开的一个导频音处理装置72的示例实施例。所述导频音处理装置包括导频音处理单元74和乘法器76。所述导频音处理单元具有输入部100、处理部102和输出部104。

参照图9和图2，输入部100可以获得波形53、55、57和59中的一个或多个。接收到的波形被提供给处理部102，其按接收到的波形的平方和计算强度函数或波形。处理部100对强度波形进行处理，以提取出波形53、55、57和59中所存在的导频音的调制深度、导频音频率和相位。然后，处理部102计算出导频音消除因子，其被提供给输出部104。输出部104将所述消除因子提供给每个乘法器76，其分别与补偿后的数字信号56、58、60和62中的一个相乘。

处理部也可向输出光信号添加新的导频音，这可通过在输入部100接收新的导频音的参数实现，或者，所述参数可以在处理部102中预设定程序。所述参数包括所述新导频音的调制深度、所述新导频音的频率、以及所述新导频音的相位。接收到的参数被提供给处理部102，由其生成输出导频音因子，并将波形53、55、57和59乘以所述输出导频音因子和所述消除因子。输出部104将所述乘积结果提供给每个乘法器76，其分别与四个补偿后的数字信号56、58、60和62中的一个相乘。

总之，本公开提供了一种用于从光数据信号中去除导频音的方法和系统。所述方法和系统适用于独立于光数据可以被格式化的格式、将第一波长的输入波形转换为第二波长的输出波形的数字波长转换器。当在输入波形有相关联的导频音的环境中工作时，本公开的方法和系统允许从输入波形中去除导频音，并也允许将另一个导频添加到输出波形。所述另一个导频音正确标识输出波形的波长。有益地，本公开的方法和系统实现了独立于光数据可以被格式化的格式、将第一波长的输入波形转换为第二波长的输出波形的数字波长转换器，并允许其与那些以另一个波长生成输出波形之前需要先从输入波形中提取出数据信号的光-电-光再生系统(optical-electrical-opticalregenerationsystem)一同运行。

在前文的描述中，为了更好地解释，列出了大量细节，以求提供对实施例的透彻理解。然而，对本领域技术人员而言显而易见的是，这些特定细节并非必需。在其他实例中，公知的电气结构和电路以方框图形式显示，以免妨碍理解。例如，特定细节并未提供，如本文所描述的实施例采用软件程序、硬件电路、固件还是它们的组合来实现。

本公开的实施例可以表现为存储在机器可读介质中的计算机程序产品(也称为内包含有计算机可读程序代码的计算机可读介质、处理器可读介质或计算机可用介质)。所述机器可读介质可以是任意合适、有形的非暂时性介质，包括磁、光或电储存介质，包括磁盘、光盘只读存储器(cd-rom)、存储装置(易失性或非易失性)或类似的储存机构。所述机器可读介质可以容纳各种指令集、代码序列、配置信息或其他数据，当这些得到执行时，会使得处理器执行根据本公开的实施例的方法中的步骤。本领域普通技术人员将要理解的是，所述机器可读介质上也可存储实施所述实施方式所必需的其他指令和操作。所述机器可读介质上所存储的指令可由处理器或其他合适的处理装置执行，并可与电路以接口连接，来执行所述任务。

上述实施例仅旨在作为示例。本领域普通技术人员可对具体实施例进行改变、修改和变化。权利要求的范围不应局限于本文所列具体实施例，而应以符合本说明书整体的方式加以解读。