专利名称：光电混合时钟恢复与光传输信号性能监测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于高速光传输信号接收所需的时钟恢复与信号性能监测方法及装置。
背景技术：
时钟恢复是从数据流中提取反映数据变化周期的定时信息的操作，它是高速串行 数字同步通信系统中接收端必不可少的一项技术，受到广泛关注。传输信号性能监测指通过对传输信号的特征分析，评估信号传输过程中所经历的 各种损伤和恶化，判断信号性能相比于传输前的变化程度。常用的信号性能监测包括对传 输信号光信噪比、积累色散、差分群延时、偏振模色散和非线性等进行监测。信号光信噪比是指指定带宽内信号功率与噪声功率的比值，它反映了信号功率与 噪声功率的相对强弱关系，是决定信号接收质量的一个重要参数。信号积累色散是指传输信道相频特性的不理想导致传输信号出现失真的一种描 述，积累色散的大小反映出信号失真的严重程度，同样是决定信号接收质量的一个重要参数。时钟是传输数据定时信息的反应，而噪声是不携带此信息的，所以可以利用时钟 信号的大小来表征有效信号强弱，以区分噪声功率。信号失真会破坏其定时信息，导致时钟恢复出现困难或者不可行，反之，如果知道 积累色散导致的信号失真，则可通过一定措施加以补偿，以便成功实现信号时钟恢复。因 此，对于实用化的高速串行数字同步通信系统，两者都是缺一不可的。图1展示了现有的时钟恢复的实现方案，信号的定时信息通过锁相环路来提取， 这里需要用到高频率工作的压控振荡器和鉴相器，而环路输出即为恢复的时钟信号，未能 反映积累色散。现有技术的时钟恢复与信号性能监测是分别由不同的功能模块实现，存在成本 高、系统体积大等问题，而且对于其他原理的监测实施方案，难以与时钟恢复有效结合，存 在监测范围有限、效能低下、容易受其它因素影响而降低监测的准确度等缺点。比如采用基 于光谱的内插法监测光信噪比，如果波长信道经过光滤波，使得带外的噪声功率与带内噪 声功率相差较大，则采用内插估计的带内噪声不准确，导致OSNR监测不准；再如采用偏振 消光监测0SNR，其准确度依赖于信号和噪声的偏振度，只有当信号偏振度为1，噪声偏振度 为0时，才能得到准确的结果，但传输中的偏振模色散和偏振相关损耗都会破坏此条件；用 误码率监测色散，而引起误码率变化的因素有很多，难以确定是由色散所引起，而且要求系 统具有前向纠错(FEC)功能，一旦误码率超过纠错的能力之外，则系统不能正常工作。另 外，当信号速率很高时如40Gbit/s以上，目前还没有合适的FEC芯片，而且高速率的器件价 格昂贵，功耗大。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种基于光电混合同时实现高速数字信号的时钟恢复和传输信号性能监测的方法，其特征在于包括在接收端采用电光调制器降低时钟信号的频率，从而降低对后级处理器件的带宽 与速率要求，利用变频后的时钟信号的强度信息监测光传输信号的性能，具体包括光信噪比和 信号积累色散根据本发明的一个进一步的方面，上述方法进一步包括电光调制器之前采用偏振分集方案，以克服调制器的偏振敏感性，电光调制器降低时钟频率的方式为，调制器的驱动信号为压控振荡器的输出或其 各次谐波，通过电光调制，驱动信号与信号所含的时钟信号在电光调制器中进行混频，实现 降低信号时钟频率的目的，下变频时钟采用电锁相环路提取，锁相环中采用正交鉴相器可同时输出相位误差 信号和表征时钟强度的监测信号，根据本发明的一个进一步的方面，上述方法进一步包括偏振分集方案为将输入信号光分为两路，控制他们的偏振状态使两者正交，控制 他们之间的相对延时为符号周期的整数倍，再经过偏振合波器进行合波注入电光调制器，在利用电光调制器作为变频器件时，通过调整调制器的偏置点实现调制信号的倍 频信号与信号时钟分量的混频，从而进一步降低对本振振荡频率的要求，关于驱动调制器信号频率的选取原则下变频后的时钟频率应为压控振荡器的谐 波以便锁定，但不应等于驱动调制器信号频率或其谐频，以免干涉造成提取信号的幅度不 稳定，尽量降低驱动调制器信号频率和下变频信号频率，以减小对器件带宽要求。根据这些 要求有如下频率变换关系fs-N · nfvco = mfvco, m < η (1)Mfvco = fs/2 or fs其中fs表示混频前信号光强所含的时钟分量频率，fvco表示压控振荡器输出信号 频率，m, η, Μ, N为正整数表示倍频因子，其中N是电光调制器的倍频因子(一般取2或者 3)，而其它表示电倍频器的倍频因子。对于恢复半频时钟，N = 2、3时，最小的(m，η)分别 为(2，3)和(1，3)，前者正是选择上述调制信号频率的依据。进行光信噪比监测时，除了获取监测信号外，还要获取信号光功率与噪声光功率 之和的总功率，根据此两参数代入特定的公式计算，即可得到光信噪比。
图1示意显示了现有常用的时钟恢复实现方案。图2显示四相移键控直接经过光电检测的探测信号的时钟功率在不同积累色散 下的变化。图3显示了根据本发明的一个实施例的监测光信噪比的一种实现方式的装置连接。图4显示了固定噪声光功率，监测电压信号与信号光功率变化的对应关系。图5显示了变化光信噪比(固定信号光功率变化噪声功率)得到的监测电压和总 光功率变化关系。
图6为本发明所提出采用电光调制器作为变频器的时钟恢复与信号监测装置连 接图。图7为偏振分集方案下，调节注入信号光的偏振态得到的监测信号变化。
具体实施例方式本发明通过结合时钟恢复来解决上述问题，并引入电光调制器进行频率变换，使 得信号处理在较低的频率上进行，从而降低了对器件的要求，另外为了克服电光调制器的 偏振敏感特性，提出了偏振分集方案给与解决。根据本发明的一个方面，提供了一种基于光电混合同时实现高速数字信号的时钟 恢复和传输信号性能监测的方法，其特征在于包括在接收端采用电光调制器降低时钟信号的频率，从而降低对后级处理器件的带宽 与速率要求，利用变频后的时钟信号的强度信息监测光传输信号的性能，具体包括光信噪比和 信号积累色散。根据本发明的一个进一步的方面，上述方法进一步包括电光调制器之前采用偏振分集方案，以克服调制器的偏振敏感性，调制器的驱动信号为压控振荡器的输出或其各次谐波，通过电光调制，驱动信号 与信号所含的时钟信号在电光调制器中进行混频，实现降低信号时钟频率的目的，下变频时钟采用电锁相环路提取，锁相环中采用正交鉴相器可同时输出相位误差 信号和指示时钟强度的监测信号。根据本发明的一个进一步的方面，上述方法进一步包括偏振分集方案为将输入信号光分为两路，控制他们的偏振状态使两者正交，控制 他们之间的相对延时为符号周期的整数倍，再经过偏振合波器进行合波注入电光调制器，在利用电光调制器作为变频器件时，通过调整调制器的偏置点实现调制信号的倍 频信号与信号时钟分量的混频，从而进一步降低对本振振荡频率的要求，关于驱动调制器信号频率的选取原则下变频后的时钟频率应为压控振荡器的谐 波以便锁定，但不应等于驱动调制器信号频率或其谐频，以免干涉造成提取信号幅度不稳 定，尽量降低驱动调制器信号频率和下变频信号频率，以减小对器件带宽要求。根据这些要 求有如下频率变换关系fs-N · nfvco = mfvco, m < η (2)Mfvco = fs/2 or fs其中fs表示混频前信号光强所含的时钟分量频率，fvco表示压控振荡器输出信号 频率，m, η, Μ, N为正整数表示倍频因子，其中N是电光调制器的倍频因子(一般取2或者 3)，而其它表示电倍频器的倍频因子。对于恢复半频时钟，N= 2、3时，最小的(m，η)分别 为(2，3)和(1，3)，前者正是选择上述调制信号频率的依据。进行光信噪比监测时，除了获取监测信号外，还要获取信号光功率与噪声光功率 之和的总功率，根据此两参数代入特定的公式计算，即可得到光信噪比。通过信号时钟功率来监测信号的积累色散信号的积累色散反映了信号的失真程度，而信号的失真将改变信号时钟分量的强
6弱，因此，信号时钟功率与平均功率的比值与信号的积累色散具有一定的对应关系，从而通 过信号时钟功率来监测信号的积累色散。图2展示了四相移键控直接经过光电检测的探测 信号的时钟功率在不同积累色散下的关系。从图2中可以看出对信号平均功率归一化的信号时钟强度与色散具有对应关系， 对于无脉冲切割的相移键控信号，时钟强度随色散绝对值增大先增加后迅速下降，这是因 为色散使脉冲展宽导致前后脉冲畸变所致，表现为才开始时，色散导致脉冲间隙变宽而后 导致间隙变浅进而消失，相应的时钟功率先有所增加后迅速减小，因此零积累色散点对应 于一个局部极小值点。对于有脉冲切割的相移键控信号，时钟功率随色散绝对值增加而减 小，当减小到一定程度后将周期性地波动，因此零积累色散点对应于一个全局最大值点。在 具体执行中可以通过可调谐色散补偿模块进行扰动，寻找零积累色散点对应的极大或极小 值，从而实现自适应的色散补偿。利用信号时钟功率监测色散具有如下好处1.可以与时钟恢复相结合，简化接收机结构；2.对数据速率、数据格式、编码方式等依赖性弱，具有较广泛的适用性；3.处理对象为模拟信号，具有简单快速的优点。通过信号时钟功率来监测信号的光信噪比用监测信号监测光信噪比时，还需要知道信号与噪声总的光功率，可通过如图3 所示的装置得到，即来自噪声光源340的信号光与噪声经过耦合器310合波，耦合器320分 出部分功率给耦合器330，经耦合器330分为两部分分别由总功率监测部分360进行总功 率监测和由时钟恢复与性能监测部分370进行时钟恢复与性能监测，来自总功率监测部分 360和时钟恢复与性能监测部分370的两种参数经光信噪比计算单元(380)按照(3)计算 即可得到
(pk V1OSNRojnm =χ -1(3)
\V-d ；其中Y，k和d是与系统有关的待定参数，γ表示以0. Inm带宽计算的光信噪比 和以信号带宽计算的光信噪比的比值，对高速信号而言，假设信号带宽大于0. lnm;k是平 均每毫瓦信号光中所含的时钟分量折算成监测电压；d是监测系统中自身的参数，即无光 注入时监测电压的大小。图4给出了在固定噪声光功率下，监测直流电平(以电压为单位)与信号光功率 变化的对应关系，可以看到两者呈线性关系，表明监测电压直接反应了信号光功率的大小。图5给出了在固定信号光功率下变化噪声功率得到的监测直流电平(以电压为单 位)和总光功率变化关系，可以看出，噪声光功率对监测电压没有贡献，但会影响总的光功 率。因此结合监测信号与总光功率可以区分信号光功率与噪声光功率，从而计算出光信噪 比。电光调制器实现定时信息的频率变换在本发明的一个实施例中，用马赫增德尔调制器(MZM)6050作为定时信息的频 率变换器件，见图6。MZM 6050具有1个输入光端口、1个输出光端口，还有1个电输入端 口。在本实施例中，传输后的数据信号经偏振分集单元的耦合器6010分为两路，偏振控制 器6020与6030使所述两路信号的偏振态保持彼此正交，偏振合波器6040对所述两路偏振状态正交信号合波，且两路信号之间延时相差符号周期的整数倍，从MZM 6050的光端口进 入，而来自谐波产生器6120的、与待恢复时钟频率相关的一个低频信号通过电输入端口对 数据信号进行调制，则MZM 6050的输出端口经过电光探测器6060探测频率降低的定时信 息。在本实施例中，假设待恢复信号的时钟频率为8f，则调制信号的频率为3f，经过变换后 的定时信息的频率降低到2f。这是利用MZM 6050的调制过程中产生的2次谐波进行混频 的结果(具体参见上述的频率选取原则)。探测信号经过滤波器6070过滤掉无关频率分量，然后进入正交鉴相器6080与由 谐波产生器6120产生的2次谐波进行锁相。正交鉴相器6080输出的相位误差信号经环路 低通滤波器6090滤波、环路放大器6100放大后，控制压控振荡器6110，实现锁定，而正交鉴 相器6080的另一输出(直流电平)作为监测信号，用于监测光信噪比和信号积累色散。采用正交鉴相器提供相位误差和色散监测电平 正交鉴相器6080具有两个正交输出信号，当环路锁定后一个端口输出本振与待 锁定信号的相位误差信号，该误差接近于0，另一端口输出直流电平，该直流电平的大小正 比于本振信号幅度与待锁定信号幅度的乘积，故当本振信号保持恒定幅度时，该直流电平 与待锁定的时钟信号幅度成正比，数学描述为Vd = KdVLoVsigcos θ ^ KdVLoVsig(4)其中Kd为鉴相器鉴相常数，Vm和Vsig分别为本振和信号的幅度，θ为本振信号的 相位误差。采用正交鉴相器的优点包括1)不需要对信号进行额外的分功率和功率检测， 简化了结构，减小了耦合等功率损耗(在经过色散等失真后信号的时钟分量较弱)；2)直流 电平与信号光功率成正比关系，有利于后续处理得到信号的光信噪比；3)该直流电平正比 于时钟分量幅度，因此可以利用该电压作为时钟强度的监测量以及其它相关的指示信号。这样在环路锁定时不仅可以提取信号时钟，还提供了反映信号时钟功率的监测电 平，从而实现了时钟恢复与色散相结合。由于MZM对光信号具有很宽的带宽，而电宽口只需要工作于较低的时钟频率，如 在上述的实施例中为3/8时钟频率，所以可以降低对器件工作速率的要求，以较低的频率 恢复高速信号的时钟。应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性 的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种 改变、变形、和/或修正。
权利要求
一种基于电光调制器的定时信息(或称为时钟，以下相同)频率变换装置，其特征在于包括一个调制器(6050)，用于对待处理的数据信号进行频率变换，所述调制器包括一个光输入端口、一个光输出端口、一个电输入端口；一个谐波产生器(6120)，用于向所述电输入端口提供与待恢复时钟频率相关的一个低频信号，以使所述调制器进行所述频率变换；电光探测器(6060)，用于探测来自所述输出端口的数据信号中的、具有降低的频率的定时信息；正交鉴相器(6080)，用于把来自电光探测器(6060)的、具有降低的频率的定时信息与来自所述谐波产生器(6120)的2次谐波进行锁相，从而输出一个相位误差信号和一个直流电平信号，所述直流电平信号可作为监测信号而用于监测光信噪比和信号积累色散。
2.根据权利要求1所述的定时信息频率变换装置，其特征在于进一步包括 一个耦合器(6010)，用于把待处理的数据信号分为两路；一对偏振控制器(6020与6030)，用于使所述两路数据信号的偏振态保持彼此正交； 偏振合波器(6040)，用于对偏振状态正交的所述两路数据信号进行合波和适当的延时 (延时满足为数据信号符号周期的整数倍即可，不必太严格)，从而生成所述待处理的数据信号。
3.根据权利要求1所述的定时信息频率变换装置，其特征在于进一步包括设置在所述电光探测器(6060)与所述正交鉴相器(6080)之间的滤波器(6070)，用于 过滤掉无关的频率分量；环路低通滤波器(6090)，用于对所述正交鉴相器(6080)输出的所述相位误差信号进 行滤波；环路放大器(6100)，用于对滤波后的所述相位误差信号进行放大；压控振荡器(6110)，用于在放大后的所述相位误差信号的控制下实现与降频的时钟锁定。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的定时信息频率变换装置，其特征在于 所述调制器(6050)包括一个马赫曾德尔调制器(MZM)并具有如下频率变换关系 fs-N · nfvco = mfvco, m < η (1)Mfvco = fs/2 or fs其中fs表示混频前信号光强所含的定时信息频率，fTC。表示压控振荡器输出信号频率， m, η, Μ, N为正整数表示倍频因子，其中N是马赫曾德尔调制器的倍频因子。
5.一种基于光电混合同时实现高速数字信号的时钟恢复和传输信号性能监测的方法， 其特征在于包括在接收端采用电光调制器降低时钟信号的频率，从而降低对后级处理器件的带宽与速 率要求，利用变频后的时钟信号的强度信息监测光传输信号的性能，具体包括光信噪比和信号 积累色散。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于进一步包括在所述降低时钟信号的频率的步骤之前，采用偏振分集方案，以适应调制器的偏振敏感性的影响；把压控振荡器的输出或所述输出的各次谐波提供给所述电光调制器，以作为所述电光 调制器的驱动信号；通过所述电光调制器的电光调制，把所述驱动信号与所述时钟信号进行混频，从而获 得下变频的时钟信号。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于进一步包括用一个电锁相环路提取所述下变频的时钟信号，所述电锁相环路包括一个正交鉴相 器，所述正交鉴相器可同时输出相位误差信号和表示时钟强度的监测信号。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于 所述偏振分集方案包括将输入信号光分为两路输入信号， 控制所述两路输入信号的偏振状态，从而使两者正交， 把所述两路输入信号之间的相对延时控制为符号周期的整数倍， 用一个偏振合波器对所述两路输入信号进行合波。
9.根据权利要求5-8中的任何一项的方法，其特征在于进一步包括在利用电光调制器作为变频器件时，通过调整调制器的偏置点实现调制信号的倍频信 号与信号时钟分量的混频，从而进一步降低对本振振荡频率的要求， 所述驱动信号的频率的选取原则为 fs-N · nfvco = mfvco, m < η(2)Mfvco = fs/2 or fs其中fs表示混频前信号光强所含的时钟分量频率，fTC。表示压控振荡器输出信号频率， m, η, Μ, N为正整数表示倍频因子，其中N是电光调制器的倍频因子，而m、η、M表示电倍频 器的倍频因子；在进行光信噪比监测时，获取信号光功率与噪声光功率之和的总功率， 根据此两参数代入下述公式计算光信噪比 f Pk Y1OSNRtunm 二 γ(3)其中Y，k和d是与系统有关的待定参数，k是平均每单位功率的信号光中所含的时钟 分量折算成的监测电压，d是监测系统中自身的参数，即无光注入时监测电压的大小，γ的 含义是指以0. Inm带宽计算和以信号带宽计算两种条件下的光信噪比的比值。
全文摘要
本发明将时钟恢复与光传输信号性能监测结合起来，在提取光传输信号定时信息的同时完成对信号积累色散和光信噪比的监测。本发明的方法包括采用电光调制器对光传输信号的定时信息(时钟)进行光域变频，时钟频率降到一个较低的频率，在此低频率范围采用锁相环提取定时信息，采用正交鉴相器输出锁相环中的相位误差信号，同时也输出表征定时信息强度的直流电平，该电平的变化规律用于监测传输信号的积累色散和光信噪比。本发明还提供了实施上述方法的差分四相移键控(DQPSK)系统的时钟提取与性能监测系统。
文档编号H04B10/18GK101969342SQ20101052891
公开日2011年2月9日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者张汉一, 程林, 郑小平, 闻和 申请人:清华大学