调制格式无关光信号速率识别方法及系统

摘要

本发明涉及光纤通信领域的一种与调制格式无关的光信号速率识别方法及系统。系统包括光放大器，光滤波器，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转换器，以及主控模块。待识别光信号经过光放大器放大和滤波器滤除噪声后，由3dB分光器分成两路，只有一路经过TOD进行延时。主控模块驱动TOD产生一系列1ps为单位的步进延时，并利用光探测和模数转换器获取的两路采样信号计算光信号的一阶和二阶自相关函数ACF1和ACF2的振幅和周期，选择振幅较大的函数周期作为码元周期并计算信号速率。本发明适用于多种调制格式光信号，对信号损伤有较大容限，对模数转换器速率要求低，具有适用范围广和成本低的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信，信号识别和数字信号处理技术领域，特别涉及光 信号码元速率识别及系统。

背景技术

随着光通信技术的迅速发展，光通信网络承载了越来越多的数据传输业 务。不同的业务有不同的带宽和速率要求，因此光信号需要采用不同的码元 速率和调制格式去满足不同需求。这使得同一光网络中可能传输不同速率和 不同调制格式的光信号。在这种异构光网络中物理层光性能监测(OPM)技 术对于系统的优化和管理显得尤为重要。借助OPM技术可实现信道的识别， 带宽的分配和信号质量监测等功能。多数情况下，实现这些OPM功能都必须 已知光信号码元速率。因此与调制格式无关且对信号损伤不敏感的光信号码 元速率识别方法成为国内的研究热点。

目前提出的光信号码元速率识别方案主要有三种。如利用一阶自相关函 数ACF₁曲线零延时脉冲宽度对开关键控(OOK)格式信号的码元速率进行 识别。其原理简单，但准确性受信号损伤影响较大。另有一种方案利用二阶 自相关函数ACF₂曲线的周期性等于信号码元周期的特性实现对OOK信号和 非归零二进制差分相移键控(NRZ-DPSK)信号码元速率的识别。这种方法 抗损伤性能有所提高，但是适用的调制格式类型有限，不能用于各种不同占 空比的归零(RZ)二进制/四进制相移键控(RZ-DPSK/QPSK)和16进制正 交幅度调制(16QAM)等高级调制格式信号。这是由于这类信号二阶自相关 函数周期不等于码元周期，因此会产生误判。也有研究机构提出利用异步采 样强度直方图和人工神经网络识别信号速率，这种方法能够适用于高级调制 格式信号，但是使用前需要复杂的人工神经网络训练过程，在只能适用于具 有特定码元速率和调制格式的信号，不能实现与调制格式无关的码元速率识 别。

因此，需要研究一种适用于各种常用调制格式的，对信号损伤不敏感的， 结构简单，性价比高的光信号码元速率识别方法和系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出适用于各种常用光调制格式，并且可 以在全盲条件下准确识别光信号码元速率的方法及系统，以克服现有技术所 存在的对信号调制格式不透明，对信号损伤敏感，以及使用复杂的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提出一种对调制格式无关的全盲光信号码 元速率识别方法，该方法涉及光放大器，光滤波器，3dB分光器，可调光延 时线TOD，光探测器，模数转换器，以及主控模块，包括以下步骤：

待识别光信号首先进入所述光放大器放大至一定功率，再经所述光滤 波器滤除噪声，然后输入所述3dB分光器，按功率平均分为L1、L2两路； 所述L1路光信号作为参考信号输入所述光探测器PD1，L2路光信号进入 所述TOD经过一定延时后输入所述光探测器PD2；

所述光探测器PD1、PD2分别将光信号转变为电信号后分别输入模数 转换器ADC1、ADC2，所述模数转换器ADC1、ADC2分别以低于信号 码元速率的速率进行异步采样得到采样序列X₁、X₂，并将采样序列X₁、 X₂输入到所述主控模块；

所述主控模块驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时τ₁，τ₂，…， τ_N，N为大于3的自然数，并利用每个延时下记录的所述采样序列X₁、 X₂分别计算光信号的一阶、二阶自相关函数ACF₁、ACF₂；利用正弦函数 拟合分别得到ACF₁和ACF₂的振幅和周期；最后选择振幅较大的函数周期 作为码元周期T，输出码元速率为1/T。

本发明同时提出了对信号调制格式无关的信号码元速率识别系统，包括 光放大器，光滤波器，3dB分光器，可调光延时线TOD，光探测器，模数转 换器ADC，以及主控模块；

所述光放大器，用于将光信号放大至一定功率以适合于光探测探测；

所述光滤波器，用于滤除光信号带外噪声；

所述3dB分光器，用于将光信号按功率平均分配到两个支路中；

所述TOD，对一个支路光信号进行延时，并在主控模块控制下产生N 个间隔为1ps的步进延时τ₁，τ₂，…，τ_N；

所述光探测器，用于将两个支路输出的光信号转换为电信号；

所述模数转换器ADC用于对光探测器输出电流进行采样和量化后转 换为数字信号；

所述主控模块，用于驱动所述TOD产生N个间隔为1ps的步进延时τ₁， τ₂，…，τ_N，并计算光信号的码元周期和速率。

所述可调光延时线用可调电延时线替代，并放置于该路光探测的输出端。

所述光探测器为高速光探测器。

所述模数转换器为异步采样模式，采样速率低于信号速率。

本发明无需任何光信号调制格式的先验信息，实现未知信号调制格式下 信号码元周期和速率的准确判断。本发明适用于各种常用调制格式和速率的 光信号，对各种损伤不敏感，对模数转换器的采样速率要求低，具有适用 范围广，结构简单，性价比高的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说 明。

图1为本发明具体实施的码元速率识别系统结构示意图。

图2(a)为10GBaud RZ-BPSK/QPSK信号在光信噪比为20dB时的一 阶自相关函数ACF₁曲线图。

图2(b)为10GBaud RZ-BPSK/QPSK信号在光信噪比为20dB时的二 阶自相关函数ACF₂曲线图。

图3(a)为10GBaud非归零(NRZ)OOK和RZ-OOK信号的一阶自 相关函数ACF₁曲线图。

图3(b)为10GBaud非归零(NRZ)OOK和RZ-OOK信号的和二阶 自相关函数ACF₂曲线图。

具体实施方式

如图1所示的光信号码元速率识别系统包括：光放大器OA 1，光滤波 器2，3dB分光器3，可调光延时线TOD 4，高速光探测器5、6，低速模数 转换器7、8，以及主控模块9。

本发明具体实施的调制格式自适应光信号速率识别方法具体包括如下 步骤：

1)待识别光信号经过所述光放大器1放大至一定功率后经光滤波器2 滤除带外噪声，再输入3dB分光器3，将光信号按功率平均分为L1、L2 两路。

2)L1路光信号作为参考支路输入高速光探测器5，L2路光信号通过 可调光延时线4产生一定延时后进入高速光探测器6。

3)高速光探测器5、6将各自支路光信号转变为电信号并分别将其输 入低速模数转换器7、8。

4)模数转换器7、8以低于信号码元速率的速率进行异步采样并将采 样信号转换为数字信号序列X₁和X₂输入到主控模块9。

5)主控模块9驱动可调光延时线4产生一系列N个间隔为1皮秒的延 时，N为大于3的自然数。并利用每个延时下分别记录的采样序列X₁和 X₂，通过用公式(1)计算光信号的一阶自相关函数

${\mathrm{ACF}}_1\left(t\right)=\frac{E\left[\left(X_1{-\mu }_1\right)(X_2-{\mu }_2)\right]}{{\sigma }_{X_1}{\sigma }_{X_2}}---\left(1\right)$

其中t＝τ₁，τ₂，…，τ_N，E代表数学期望，μ₁、μ₂分别是X₁和X₂的平 均值，分别是X₁和X₂标准差。利用公式(2)计算得到光信号的 二阶自相关函数

${\mathrm{ACF}}_2\left(t\right)=\frac{E\left[(X_1^{\prime 2}-{\mu }_{X_1^{\prime 2}})(X_2^{\prime 2}-{\mu }_{X_2^{\prime 2}})\right]}{{\sigma }_{X_1^{\prime 2}}{\sigma }_{X_2^{\prime 2}}}---\left(2\right)$

其中t＝τ₁，τ₂，…，τ_N，$X_1^{\prime }=(X_1-{\mu }_{X_1})/{\sigma }_{X_1},X_2^{\prime }=(X_2-{\mu }_{X_2})/{\sigma }_{X_2},$分别是的平均值，分别是的标准差。 之后，使用正弦函数拟合得到ACF₁和ACF₂的振幅和周期，比较两者的振 幅大小，并选择振幅较大的正弦函数周期作为信号码元周期T，输出码元速率 为1/T。

如图2可以看出一阶自相关函数周期等于码元周期100ps，而 RZ-BPSK/QPSK信号ACF₂脉冲峰值间隔不再等于码元周期T_s＝100ps， 而且大小峰值非常接近很难正确判断信号码元周期。与之相反ACF₁脉冲 峰值仍然等于码元周期，而且脉冲峰值比ACF₂更大，能够更加有效的准 确的判断码元周期。

如图3所示，可以看出对于OOK信号ACF₁不呈现周期性或者其脉冲 幅度小于ACF₂，导致码元周期无法正确判断或者误差较大。当ACF₁不呈 现周期性时正弦函数拟合得到振幅也远小于具有周期性的ACF₂的幅度。综 上所述在未知信号调制格式的条件下通过比较比较ACF₁和ACF₂正弦函数 拟合得到的振幅大小，并选择振幅较大的正弦函数周期作为信号码元周期， 就可以得到正确的码元速率。

结合图2、图3，可以看出一阶自相关函数周期等于码元周期100ps， 而二阶自相关函数周期不等于信号码元周期。因此基于二阶自相关函数判 断信号码元速率会产生误判。

不同调制格式一阶和二阶自相关函数的周期和幅度比较(T_s为信号码 元周期，PM代表偏振复用)如下表1所示。

表1归纳表达了不同调制格式的一阶和二阶自相关函数经过正弦函数 拟合后的脉冲周期和幅度大小特性。

表1

从表1可以看出幅度大的自相关函数总是具有等于信号码元周期的正 确周期。因此，本发明能够实现未知信号调制格式下信号码元周期和速率的 准确判断。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案 而非限制，尽管参照较佳实施示例对本发明进行了详细说明，本领域的普 通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。