本发明涉及一种外差相干的色散估计方法及装置，属于高速光通信技术领域。
背景技术：
近年来，随着移动互联网、云计算、大数据、物联网等领域的迅速发展使得数据流量呈现爆炸式的增长。数据流量的快速增长对现有的光纤通信系统及光网络的传输容量、传输距离、系统复杂度及可靠性提出更高的要求。在高速长距离光纤通信系统中，光纤的色散引起光时域互相关信号峰值的展宽会导致码间的串扰，使得系统的误码率升高，限制系统的传输容量。因此对高速光纤通信链路的色散进行准确快速的测量和监测尤为重要。
现有的光纤色散监测方法主要包括基于rf导频的色散估计法，残留边带滤波法，扫描搜索色散法等。
基于rf导频的色散估计法是在发送端插入射频导频信号，由于光纤色散其上下边带信号经过光纤链路传输后会发生符号相反的相位偏移，当相位差为(2k+1)π时，上下边带经光探测后的电信号功率最小。在色散监测点通过分析rf功率谱来实现光纤链路色散的监测。其缺点是需在发送端插入导频。
残留边带滤波法使用带通滤波器将光信号分别进行上、下边带的滤波，通过检测两个残留边带信号的时延差或相位差来计算光纤的色散。残留边带滤波法无需对发射机进行改动，灵敏度高，能够区分色散的正负，同时不受偏振模色散、非线性双折射和啁啾的影响。但其带通滤波器的带宽等于信号的比特率，对信号速率不透明。
扫描搜索色散的方法是对于未知色散的信号，设置一定的色散步长进行扫描；对于每一个色散值，利用设计好的代价函数计算出一个与色散相关的函数值，通过比较所有计算出的函数值，找到其中的极值(最大值或最小值)，从而找到实际的色散值，完成色散的估计。缺点是计算量太大。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有高速光纤链路中色散实时测量的计算量大且测量精度低的技术缺陷，提出了一种外差相干的色散估计方法及装置。
具体的，本发明一种外差相干的色散估计方法及装置包括一种光纤通信系统中的色散估计的方法和一种色散估计的装置；
其中，一种色散估计的装置，简称本装置主要包括第一处理单元、第二处理单元、时域互相关信号峰值搜索单元和色散计算单元；
其中，本装置的所有模块均位于接收端内；
本装置中各模块的连接关系如下：
第一处理单元连接第二处理单元；第二处理单元连接时域互相关信号峰值搜索单元；时域互相关信号峰值搜索单元连接色散计算单元；
本装置中各模块的功能如下：
第一处理单元完成被测光信号分路、光学混频、平衡探测、低通滤波为主的功能；
第二处理单元完成接收第一处理单元所得信号、傅里叶变换、计算共轭乘积再进行傅里叶逆变换的功能；
时域互相关信号峰值搜索单元完成接收第二单元所得信号并进行峰值搜索以及计算峰值位置对应时间的功能；
色散计算单元完成接收时域互相关信号峰值搜索单元输出信号并计算被测光信号色散值的功能；
一种光纤通信系统中的色散估计方法，包括以下步骤：
s1：接收端将光纤链路传输后的被测信道的光信号进行分路、光学混波、平衡探测以及低通滤波，得到两路不同的拍频信号；
具体为：
s1.1第一处理单元将被测光信号用光功率分配器分为两路信号；
其中，被测信道的光信号，简称被测光信号，其符号率记为rs；
s1.2将s1.1输出的两路信号与两个中心频率分别为fc+fl和fc-fr的本振信号进行光学混波；
其中，fc为光信号载波的中心频率，两个本振的频率偏差之和，即fl+fr的大小可分别等于被测光信号符号率rs的大于等于1的整数倍；
s1.3经过s1.2光学混波后的两路信号再经平衡探测器以及低通滤波器后得到两路不同的拍频信号；
s2：计算步骤s1输出的两路不同拍频信号的傅里叶变换的共轭乘积，再对共轭乘积进行傅里叶逆变换得到时域互相关信号；具体为：
s2.1对步骤s1输出的两路不同的拍频信号分别进行傅里叶变换得到两路拍频信号的频谱密度；
其中，两路拍频信号的频谱密度分别记为fl(f)和fr(f)；
s2.2再分别计算步骤s2.1输出的两个拍频信号的频谱密度的共轭乘积；
其中，两路拍频信号的频谱密度的共轭乘积可以通过f*l(f)fr(f)计算，所得记为plr(f)，也可以通过fl(f)f*r(f)所得记为prl(f)；即具体通过公式(1)计算：
plr(f)＝f*l(f)fr(f)或者prl(f)＝fl(f)f*r(f)(1)
其中，上标*表示共轭计算；
s2.3对s2.2输出的共轭乘积做傅里叶逆变换转换得到时域互相关信号；
所得的时域互相关信号，记为rlr(τ)或rrl(τ)；
s3：时域互相关信号峰值搜索单元搜索步骤s2输出时域互相关信号的峰值位置，得到峰值位置的对应时间；
即时域互相关信号峰值搜索单元对所述第二处理单元得到的时域互相关信号rlr(τ)或rrl(τ)进行搜索，找到峰值在该时域互相关信号中的位置，计算得到峰值位置对应的时间；
其中，峰值位置对应的时间，记为t；
s4：根据s3输出的峰值位置的对应时间计算步骤s1中被测光信号的色散值；
其中，色散值具体通过如下公式(2)计算：
其中，c表示真空光速，λ为光信号的波长，dz为色散值；
至此，从步骤s1到步骤s4，完成了一种光纤通信系统中的色散估计的方法。
有益效果
本发明基于外差相干接收的色散估计方法，与现有的色散估计方法相比，具有如下有益效果：
1.本发明所述方法能够快速而准确地测量光纤链路的色散；
2.本发明所述方法具有测量范围宽以及测量误差低的特点；
3.本发明所述方法适用于多种调制格式，包括qpsk、16qam、64qam等；
4.本发明所述方法对光信噪比(osnr)、激光器线宽及非线性效应具有鲁棒性；
5.本发明所述方法所依托的色散测量装置结构简单，易于集成且无需对发射机进行改变。
附图说明
图1是本发明一种外差相干的色散估计方法及装置及实施例1中色散估计方法的流程示意图；
图2是本发明一种外差相干的色散估计方法及装置及实施例1的色散估计装置的结构示意图；
图3是本发明一种外差相干的色散估计方法及装置及实施例2的色散估计的相干拍频接收机框图；
图4是本发明一种外差相干的色散估计方法及装置及实施例2中光时域互相关信号峰值经1000km光纤传输后，经处理得到的峰值位置图；
图5是本发明一种外差相干的色散估计方法及装置及实施例2中光时域互相关信号峰值经不同长度光纤传输后，估计的色散值及误差。
具体实施方式
为使本发明的前述以及本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面的说明书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做进一步的阐述，在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权。基于本发明中的实施例，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其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例基于本发明一种外差相干的色散估计方法及装置，具体结合附图，阐述本发明所提出的一种色散估计的方法。图1为本发明及本实施例所述的一种色散估计的方法的流程示意图。
由图1可见，具体实施步骤包括：
步骤s101：在接收端用光功率分配器将被测光信号分成两路信号与两个中心频率不同的本振信号进行相干拍频接收，经平衡探测后获得两路不同的电信号；
具体的，两路信号与两个中心频率不同的本振信号进行相干拍频接收是与两个中心频率分别为fc+fl和fc-fr的本振信号进行光学混波。光学混波后的两路信号经过平衡探测器、低通滤波器后进行模数转换，模数转换的采样频率为fs。转换为两路不同的数字信号yl[n]和yr[n]。其中fc为被测光信号载波的中心频率，两个本振信号的中心频率偏差之和fl+fr等于被测光信号符号率rs的整数倍，即一倍、两倍、三倍或四倍等，即：
(fl+fr)∈{rs,2rs,3rs,4rs}；
步骤s102：对两路电信号进行傅里叶变换得到它们的频谱密度，计算两路电信号频谱密度的共轭乘积，最后对两路电信号频谱密度的共轭乘积做傅里叶逆变换得到一个时域互相关信号；
具体为：将步骤s101得到的两路数字信号yl[n]和yr[n]做数字信号处理，具体做法为对数字信号yl[n]和yr[n]进行快速傅里叶变换，再做共轭相乘，最后进行快速傅里叶逆变换得到时域互相关信号序列r[n]，计算方式如下：
ifft{conj[fft{yl[n]}]*fft{yr[n]}}
其中，conj[·]为取共轭，fft{·}为快速傅里叶变换，ifft{·}为快速傅里叶逆变换。
步骤s103：搜索上述时域互相关信号确定该时域互相关信号的时域互相关信号峰值位置，该时域互相关信号峰值位置与被测光信号的色散值相对应；
具体为：搜索由步骤s102数字信号处理得到的时域互相关信号序列r[n]，找该序列中峰值位置的序列号m，根据峰值位置计算峰值对应的时间为t。计算公式为：
其中，fs为采样频率。
步骤s104：根据该时域互相关信号峰值位置，计算得到被测光信号的色散值；
具体通过步骤s103得到的峰值位置对应的时间t，确定光纤链路的色散值。公式为
其中，c表示真空光速，λ为光信号的波长，dz为色散值。
图2为本发明实施例的色散估计装置的结构示意图，从图2中可以看出，该装置200包括：第一处理单元201、第二处理单元202、时域互相关信号峰值搜索单元203及色散计算单元204。
第一处理单元201：在接收端将被测光信号用光功率分配器分为两路信号，与两个中心频率为fc+fl和fc-fr的本振信号进行光学混波，再经过平衡探测、低通滤波器得到两路不同的拍频信号u1(t)和u2(t)。且两个本振信号中心频率的差值fl+fr的大小需满足{fl+fr|rs,2rs,3rs,…}的条件，其中rs为被测光信号符号率。
第二处理单元202：对所述第一处理单元得到的两路拍频信号u1(t)和u2(t)进行处理，得到一个时域互相关信号r(τ)，处理方法如下，
方式一：
方式二：
其中，
时域互相关信号峰值搜索单元203：该单元对所述第二处理单元得到的时域互相关信号r(τ)进行搜索，找到峰值在该时域互相关信号中的位置，计算得到峰值位置对应的时间为t。
色散计算单元204：根据所述时域互相关信号峰值搜索单元203得到的峰值位置对应的时间t进行计算，确定被测光信号的色散值，计算公式如下：
其中，c表示真空光速，λ为光信号的波长，dz为色散值。
实施例2
本实施例2阐述了本发明一种外差相干的色散估计方法及装置中所述装置的相干拍频接收机的原理。如附图3所示，为本发明所述装置的相干拍频接收机的原理。
从图3所示，被测光信号经过光功率分配器后分为两路信号，分别与两个中心频率为fc+fl和fc-fr的本振信号在两个90°混频器中进行光学混波，即：图3中的90°hybrid1和90°hybrid_2，然后再经过平衡探测器，输入到lpf，即低通滤波器，再经过adc，即模拟数字转换器，输入数字信号处理器dsp中进行数字信号处理，计算被测光信号的色散值。
下面结合附图和仿真实例，对本发明提出的光纤链路色散估计方法做进一步阐述。
在vpi中搭建相干光纤通信系统，在发送端发送25g波特率、调制格式为16qam的光信号，经过光纤链路传输后，在接收端经过光相干接收及数模转换后进行数字信号处理估计光纤链路的色散值。其中光纤的色散系数为16ps/nm/km，色散斜率为80s/m3，入纤功率为0dbm，光信噪比为15db，本振激光器的线宽取100khz。
如图3所示，在接收端用光功率分配器将被测光信号分成两路与两个中心频率为fc+fl和fc-fr的本振信号进行光学混波，经过平衡探测、低通滤波后进行数模转换得到两路拍频数字信号，进而进行数字信号处理，处理方式如下
ifft{conj[fft{yl[n]}]*fft{yr[n]}}
其中，conj[·]为取共轭，fft{·}为快速傅里叶变换，ifft{·}为快速傅里叶逆变换。两路数字信号经处理后得到一个与色散相关的信号序列，如图4为光信号经过1000km光纤传输后，用本发明提出的方法处理得到的与色散相关的信号序列。其中横轴代表时间，纵轴为时间信号序列归一化幅值，如图4信号序列中包含一个峰值，峰值的位置与色散值有一一对应关系，可通过该峰值对色散进行估计。搜索该与色散相关的信号序列的峰值位置，计算峰值对应的时间1/f，进一步确定被测光信号的色散值。图5为信号在光纤里传输100km至1000km对应的累集色散值为1600ps/nm到16000ps/nm的情况下利用本发明方法测量的色散结果，其中x轴为实际的色散值，左侧y轴为用本发明方法估计的色散值，右侧y轴为色散测量误差。图中realcd(ps/nm)为信号的真实色散值，estimatedcd(ps/nm)是估计的色散值，errorcd(ps/nm)代表色散估计误差，如图5所示，当信号的真实色散值为1600ps/nm到16000ps/nm色散估计的最大误差不超过20ps/nm。由图5的结果可看出，本方法能准确测量不同光纤两路的色散值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和权利要求范围的情况下，根据本发明的思想和原理对本发明做出各种变型和修改都在本发明的保护范围内。