耦合器相位延迟确定方法、装置以及存储介质与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种耦合器相位延迟确定方法、装置以及存储介质。


背景技术：

2.耦合器是一种光纤无源分光/合光器件，应用较多的耦合器包括2
×
4耦合器、3
×
3耦合器等耦合器。3
×
3耦合器是一种简化的相干耦合器，其相比传统的2
×
4相干接收可节省1个光电探测器，通过简单的加减操作恢复出原信号，不会丢失原信号的相位信息，因此在相干接收中应用广泛。3
×
3耦合器在制作过程中由于半导体材料的生长差异，不可避免地会造成耦合器的性能参数偏离理想值，会导致输出信号中对高频信号分量的抑制减弱进而使原接收信号的质量下降。3
×
3耦合器存在输出相位延迟偏差，影响接收信号解调的质量，需要估计3
×
3耦合器的相位延迟偏差，以进行后续的数字信号处理过程，提高接收信号的质量。但是，现有的针对3
×
3耦合器相位延迟信息估计的技术方案比较复杂，并且需要的额外工具器件多，过程较繁琐复杂。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明要解决的一个技术问题是提供一种耦合器相位延迟确定方法、装置以及存储介质。
4.根据本公开的第一方面，提供一种耦合器相位延迟确定方法，包括：确定与输入耦合器的第一光信号相对应的输入电场强度、与所述耦合器输出的第二光信号相对应的输出电场强度；根据所述耦合器的干涉臂长确定与所述观测向量相对应的状态向量；确定所述输入电场强度与所述输出电场强度之间的关联关系，基于所述关联关系并基于所述耦合器的各个输入电场强度构建观测向量；其中，所述关联关系包括：所述观测向量与对应的状态向量的乘积为对应的输出电场强度；根据所述观测向量和所述状态向量并利用卡尔曼滤波算法确定与所述耦合器的干涉臂长相对应的估计值，用以基于所述估计值和所述耦合器的干涉臂长的标准值确定与所述耦合器相对应的相位延迟信息。
5.可选地，所述根据所述耦合器的干涉臂长确定与所述观测向量相对应的状态向量包括：根据所述耦合器的干涉臂长构建传输矩阵；其中，所述观测向量与传输矩阵的乘积为输出电场强度向量；所述输出电场强度向量的元素为所述耦合器的各个输出电场强度；获取所述传输矩阵的行或列向量，作为所述状态向量。
6.可选地，所述耦合器为3
×
3耦合器；构建所述传输矩阵为：
7.8.其中，其中，κl为3
×
3耦合器的干涉臂长。
9.可选地，获取所述传输矩阵的三个行向量，作为分别与所述耦合器的三个输出电场强度相对应状态向量。
10.可选地，构建所述观测向量为：其中，e1,e2,e3分别表征所述3
×
3耦合器的三个输入电场强度。
11.可选地，所述根据所述观测向量和所述状态向量并利用卡尔曼滤波算法确定与所述耦合器的干涉臂长相对应的估计值包括：根据所述观测向量和所述状态向量并利用卡尔曼滤波算法估计所述状态向量的各个元素的估计值；根据所述状态向量的各个元素的估计值，确定所述耦合器的干涉臂长的估计值。
12.可选地，通过分光器对输入光源进行分路处理，每一分路光源通过可变光衰减器接入所述耦合器的对应输入端口。
13.可选地，在所述耦合器的各个输出端口连接光电探测器，所述方法还包括：接收所述光电探测器输出的电信号，基于所述电信号确定与所述耦合器输出的第二光信号相对应的输出电场强度。
14.根据本公开的第二方面，提供一种耦合器相位延迟确定装置，包括：电场强度确定模块，用于确定与输入耦合器的第一光信号相对应的输入电场强度、与所述耦合器输出的第二光信号相对应的输出电场强度；状态向量构建模块，用于根据所述耦合器的干涉臂长确定与所述观测向量相对应的状态向量；观测向量构建模块，用于确定所述输入电场强度与所述输出电场强度之间的关联关系，基于所述关联关系并基于所述耦合器的各个输入电场强度构建观测向量；其中，所述关联关系包括：所述观测向量与对应的状态向量的乘积为对应的输出电场强度；相位延迟估计模块，用于根据所述观测向量和所述状态向量并利用卡尔曼滤波算法确定与所述耦合器的干涉臂长相对应的估计值，用以基于所述估计值和所述耦合器的干涉臂长的标准值确定与所述耦合器相对应的相位延迟信息。
15.可选地，所述状态向量构建模块，用于根据所述耦合器的干涉臂长构建传输矩阵；其中，所述观测向量与传输矩阵的乘积为输出电场强度向量；所述输出电场强度向量的元素为所述耦合器的各个输出电场强度；获取所述传输矩阵的行或列向量，作为所述状态向量。
16.可选地，所述耦合器为3
×
3耦合器；所述状态向量构建模块，用于构建所述传输矩阵为：
[0017][0018]
其中，
κl为3
×
3耦合器的干涉臂长。
[0019]
可选地，所述状态向量构建模块，具体用于获取所述传输矩阵的三个行向量，作为分别与所述耦合器的三个输出电场强度相对应状态向量。
[0020]
可选地，所述观测向量构建模块，用于构建所述观测向量为：其中，e1,e2,e3分别表征所述3
×
3耦合器的三个输入电场强度。
[0021]
可选地，所述相位延迟估计模块，用于根据所述观测向量和所述状态向量并利用卡尔曼滤波算法估计所述状态向量的各个元素的估计值；根据所述状态向量的各个元素的估计值，确定所述耦合器的干涉臂长的估计值。
[0022]
可选地，在所述耦合器的各个输出端口连接光电探测器；所述电场强度确定模块，用于接收所述光电探测器输出的电信号，基于所述电信号确定与所述耦合器输出的第二光信号相对应的输出电场强度。
[0023]
根据本公开的第三方面，提供一种耦合器相位延迟确定装置，包括：存储器；以及耦接至所述存储器的处理器，所述处理器被配置为基于存储在所述存储器中的指令，执行如上所述的方法。
[0024]
根据本公开的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述指令被处理器执行如上所述的方法。
[0025]
本公开的耦合器相位延迟确定方法、装置以及存储介质，通过采集耦合器的输入、输出数据并使用卡尔曼滤波方法得到耦合器相位延迟的估计值；具有收敛速度快，收敛所需要的数据量少等优点，估计的准确度较高并无需额外的器件，成本低。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为根据本公开的耦合器相位延迟确定方法的一个实施例的流程示意图；
[0028]
图2为根据本公开的耦合器相位延迟确定方法的应用系统示意图；
[0029]
图3为根据本公开的耦合器相位延迟确定装置的一个实施例的模块示意图；
[0030]
图4为根据本公开的耦合器相位延迟确定装置的另一个实施例的模块示意图。
具体实施方式
[0031]
下面参照附图对本公开进行更全面的描述，其中说明本公开的示例性实施例。下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0032]
下文中的“第一”、“第二”等仅用于描述上相区别，并没有其它特殊的含义。
[0033]
图1为根据本公开的耦合器相位延迟确定方法的一个实施例的流程示意图，如图1所示：
[0034]
步骤101，确定与输入耦合器的第一光信号相对应的输入电场强度、与耦合器输出的第二光信号相对应的输出电场强度。
[0035]
在一个实施例中，耦合器可以为多种，例如为现有的3
×
3耦合器等。通过分光器对输入光源进行分路处理，每一分路光源通过可变光衰减器接入耦合器的对应输入端口。在耦合器的各个输出端口连接光电探测器，接收光电探测器输出的电信号，基于电信号确定与耦合器输出的第二光信号相对应的输出电场强度。
[0036]
步骤102，根据耦合器的干涉臂长确定与观测向量相对应的状态向量。
[0037]
在一个实施例中，根据耦合器的干涉臂长构建传输矩阵，观测向量与传输矩阵的乘积为输出电场强度向量，输出电场强度向量的元素为耦合器的各个输出电场强度；获取传输矩阵的行或列向量，作为状态向量。
[0038]
步骤103，确定输入电场强度与输出电场强度之间的关联关系，基于关联关系并基于耦合器的各个输入电场强度构建观测向量；其中，关联关系包括观测向量与对应的状态向量的乘积为对应的输出电场强度。
[0039]
步骤104，根据观测向量和状态向量并利用卡尔曼滤波(kalman filtering)算法确定与耦合器的干涉臂长相对应的估计值，用以基于估计值和耦合器的干涉臂长的标准值确定与耦合器相对应的相位延迟信息。
[0040]
在一个实施例中，耦合器为3
×
3耦合器，构建传输矩阵为：
[0041][0042]
其中，其中，κl为3
×
3耦合器的干涉臂长。
[0043]
获取构建的传输矩阵的三个行向量，作为分别与耦合器的三个输出电场强度相对应状态向量。构建观测向量为：其中，e1,e2,e3分别表征3
×
3耦合器的三个输入电场强度。
[0044]
根据观测向量和状态向量并利用卡尔曼滤波算法估计状态向量的各个元素的估计值，可以采用现有的卡尔曼滤波算法。根据状态向量的各个元素的估计值，确定耦合器的干涉臂长的估计值。
[0045]
卡尔曼滤波是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入、输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。耦合器的相位延迟是静态的，不会随时间变化而变化，而且被估计量与观测值之间可以线性表示，可以利用卡尔曼滤波对3
×
3耦合器的三个端口能够进行相位延迟的估计。
[0046]
本公开的耦合器相位延迟确定方法，根据传输矩阵采集滤波所需要的耦合器的输入、输出数据，使用卡尔曼滤波方法得到耦合器传输矩阵的估计值，进而得到耦合器相位延
迟的估计值，用以进行后续电域的数字信号补偿。
[0047]
在一个实施例中，如图2所示，发射光源20为功率稳定的激光器。通过1
×
3的分光器21将输入光源分成三路，每一路接一个可变光衰减器22，作为3
×
3耦合器的三个输入，每一路的光功率可以手动调节。将三路光分别接入3
×
3耦合器23的三个输入端口，通过输出端口后接的三个光电探测器24转换成光电流，使用模数转换器25对光电流采样并进行数据处理，本公开的耦合器相位延迟确定方法应用于模数转换器25中。
[0048]3×
3耦合器的传输矩阵为：
[0049][0050]
其中，e1e2e3为3
×
3耦合器的输出的电场强度，e
xey
为3
×
3耦合器的上两臂的输入电场强度，e
lo
为3
×
3耦合器输入的本振光的输入电场强度。a，b是传输矩阵中的相位值，kl是3
×
3耦合器的干涉臂长度，a，b分别为：
[0051][0052][0053]
如果是标准的3
×
3耦合器的传输矩阵，
[0054][0055]
当κl值发生变化时，3
×
3耦合器的输出相位延迟会偏离标准值，当偏离程度过大时会使接收信号的质量显著下降。将卡尔曼滤波应用在耦合器输出相位与标准值偏差的估计上，实际是对静态κl值的估计。卡尔曼滤波的优点是收敛较快，所需要的数据量较小。
[0056]
由于单纯的3
×
3耦合器传输矩阵是一个复数矩阵，估计起来不方便，因此将3
×
3耦合器与光电探测器pd当作一个整体，通过整体进行估计。通过所得电流项各项系数的估计与标准值的对比来得到κl的大小。3
×
3耦合器的估计模型为：
[0057][0058][0059]
[0060]
其中，|e1|2|e2|2|e3|2为3
×
3耦合器的三个输入电场强度，表征输入端口的光功率；ii(i＝1,2,3)分别表征各个输出端口的电流；e
iout
(i＝1,2,3)分别是各个输出端口的电场强度，表征输出端口的光功率，可表示为：
[0061][0062]
考虑到上式中有各个电场的交叉项，如果采用时变的信号不好建模，则采用一个功率稳定的激光器，后接一个1
×
3的光耦合器作为分光器，3
×
3耦合器的三个输出端口分别连接三个光衰减器。分别测量三路进入3
×
3耦合器之前的功率(功率应该是稳定的)，通过功率大小换算成电场强度e的大小。
[0063]
对于电流i1，可以写成两个向量h和x相乘的形式，其中：
[0064][0065]
x＝(|a|
2 |b|
2 |b|22re(ab
*
) 2re(ab
*
) 2re(bb
*
))
t
；
[0066]
对应到卡尔曼滤波算法中各个参数的设置，x是状态向量，由测试功率组成的向量h是观测矩阵(观测向量)。状态向量是3
×
3耦合器和光电探测器所组成的整体中的元素，是一个不变的向量，可以将卡尔曼滤波算法中的状态转移矩阵设置成一个单位阵i。观测向量即对应3
×
3耦合器第一个输出口的功率值。
[0067]
通过卡尔曼滤波算法得到传输矩阵，根据传输矩阵推出相位延迟。使用卡尔曼滤波对3
×
3耦合器输出端口的相位延迟进行估计，本质上是对传输矩阵中的κl值进行估计，优点是收敛速度快，收敛所需要的数据量少，估计的准确度较高。
[0068]
本公开的耦合器相位延迟确定方法无需额外的器件，只需要测试出相应的数据然后通过信号处理算法，即可以估计出3
×
3耦合器输出端口之间的相位偏差，之后可以使用现有的多种方法根据估计出来的相位偏差对发送信号进行预处理，以抵消相位偏差对信号质量产生的影响。
[0069]
在一个实施例中，使用稳定的激光源，通过改变光衰减器的衰减值，获得进入3
×
3耦合器之前各路的光功率值(输入电场强度可以通过光功率计读取)，记为一组。测量n次，得到n组光功率值。仿真中取激光器的功率为0dbm。每改变一次光衰减器的值，则分别记录下经过光电探测器之后的三路电流值(通过读取输出电场强度可以获得电流值)，记为一组，测量n组。
[0070]
根据已知的光功率值求出对应电场强度的大小，求出电流项中各项的值(即获得观测向量)，其中，e1、e2、e3的值是输入3
×
3耦合器之前的输入电场强度值，可通过光功率计读取。每一组观测向量包含6个值，一共有n组。
[0071]
对于3
×
3耦合器与光电探测器组成整体的传输矩阵进行逐行元素的估计，具体的传输矩阵为：
[0072][0073]
以传输矩阵的第一行元素(状态向量)的估计为例。卡尔曼滤波中包含观测向量y，
观测矩阵h，状态转移矩阵a，状态向量s，不同时刻用下标n表示。如果测量n次，第一个输出口得到的是n
×
1的观测向量y，观测矩阵h为n组e1e
2 e1e
3 e2e3的值即h是n
×
6矩阵。
[0074]
状态向量s包括要估计的第一行元素，即|a|
2 |b|
2 |b|22re(ab
*
) 2re(ab
*
) 2re(bb
*
)，s是6
×
1的列向量。因为3
×
3耦合器和光电探测器所组成整体的传输矩阵是静态的不随时间变化，所以状态转移矩阵可以设为单位矩阵。
[0075]
通过现有的卡尔曼滤波算法进行传输矩阵的估计。例如，现有的卡尔曼滤波算法使用的五个公式如下：
[0076][0077][0078][0079][0080][0081]
其中，x为状态向量，为要估计的传输矩阵各行的值，例如为(|a|
2 |b|
2 |b|22re(ab
*
) 2re(ab
*
) 2re(bb
*
))等；a为状态转移矩阵，用于对下一个时刻的状态向量进行估计，因为耦合器的传输参数是近似不变的，可设成单位阵或增加一个微小的扰动；观测向量y为3
×
3耦合器三个输出口的光功率，即观测向量为pk为估计误差方差矩阵，为状态估计协方差矩阵。k为卡尔曼滤波增益，q和r分别为过程噪声和测量噪声的协方差矩阵。g是状态观测矩阵，是根据先验物理知识得到的，反映了观测向量y与状态向量x之间的关系。
[0082]
例如，对于传输矩阵的第一行的估计值如下表1所示：
[0083]
κl＝42
°
|a|2|b|2|b|22re(ab
*
)2re(ab
*
)2re(bb
*
)标准值0.29430.35280.3528-0.3528-0.35280.7057估计值0.29060.35530.3547-0.3563-0.35580.7109
[0084]
表1-传输矩阵的第一行的估计值
[0085]
分别对传输矩阵的第二和第三行元素再重复一次，不同的观测向量需要取对应输出端口的对应数据，得到的结果分别如下表2和表3所示：
[0086]
κl＝42
°
|b|2|a|2|b|22re(ab
*
)2re(bb
*
)2re(ab
*
)标准值0.35280.29430.3528-0.35280.7057-0.3528估计值0.35080.28950.3511-0.35080.7016-0.3516
[0087]
表2-传输矩阵的第二行的估计值
[0088]
κl＝42
°
|b|2|b|2|a|22re(ab
*
)2re(bb
*
)2re(ab
*
)标准值0.35280.35280.2943-0.3528-0.35280.7057估计值0.35540.35530.2993-0.3607-0.36040.7121
integrated circuit)，或者是被配置成实施本公开的耦合器相位延迟确定方法的一个或多个集成电路。
[0102]
在一个实施例中，本公开提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，指令被处理器执行时实现如上任一个实施例中的方法。
[0103]
上述实施例中的耦合器相位延迟确定方法、装置以及存储介质，根据传输向量采集滤波所需要的耦合器的输入、输出数据，使用卡尔曼滤波方法得到耦合器传输矩阵的估计值，进而得到耦合器相位延迟的估计值；具有收敛速度快，收敛所需要的数据量少等优点，估计的准确度较高并无需额外的器件，成本低。
[0104]
可以使用许多方式来实现本公开的方法和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和系统。用于方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
[0105]
本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。