一種快速獲得光纖鏈路中偏振模色散信息的實時監測方法
2024-01-26 16:28:15 4
專利名稱：一種快速獲得光纖鏈路中偏振模色散信息的實時監測方法
技術領域：
本發明屬於一種高速光纖通信系統中自適應偏振模色散補償的實時監測方法。
背景技術：
當信號在單模光纖傳輸時，光波分解成二個相互垂直的偏振分量，稱為偏振模。用石英玻璃製造的通訊用光纖，由於各種原因導致光纖中圓對稱性結構被破壞，產生非圓對稱應力，結果使得兩個相互垂直的偏振模的群速度不一致，這種現象稱為偏振模色散(PMD)。由於偏振模色散，在每根光纖中形成傳送信號的快軸2和慢軸1(如圖1所示)，使得兩個相互垂直的偏振態信號到達接收端的時間不同，即產生差分群時延。在大於10Gb/s的高速光纖傳輸系統中，早先鋪設的光纖由於偏振模色散較大，從而增大數據傳輸的誤碼率，對於40Gb/s長距離光纖傳輸系統，即使應用新的光纖，偏振模色散對傳輸的影響也很大，因此必需對此進行補償。當前的補償技術大體分為電補償、光電補償和光補償，電補償受電速率瓶頸限制，光電補償需要多個光電檢測器，成本較高。對偏振模色散進行自適應補償的困難在於光纖中的偏振模色散具有隨機性和變化性，需要有效、快速、實時的補償，即要求對PMD的補償必須是自適應的。
目前的PMD自適應補償器分為反饋、前饋和反饋+前饋控制方式的PMD自適應補償結構，但PMD自適應補償器至少包括PMD補償單元、取樣監側單元和控制單元。取樣監測單元是PMD自適應補償器的重要組成部分。由於實際光纖鏈路中的偏振模色散隨時間不斷變化，要求取樣監測系統能實時監測鏈路中的偏振模色散，及時為控制單元提供反饋或前饋信號，從而控制補償單元，實現偏振模色散自適應補償。經常採用的監測信號有(1)電域頻率分量的電功率，測量該信號的實驗儀器由光電探測器、窄帶通濾波器和微波功率計組成，這些器件都與系統的傳輸速率有關，即在不同的傳輸速率系統中不能通用，而且傳輸速率越高，就要求光電器件的響應速度越快，這會大大增加系統的複雜程度和成本；(2)單偏振態偏振度(DOP)，測量DOP的實驗儀器就是一臺偏振測試儀，其顯著的優點是與比特率和碼型無關，即在任何傳輸速率的光通信系統中都是適用的，但採用單偏振態偏振度作為監測信號也有一定的局限性，因為它與輸入的偏振態密切相關，當輸入光信號的偏振態與光纖的某一偏振主態重合，DOP值將始終為1，從而失去了對偏振模色散的判斷，使得補償無法完成。若採用偏振度橢球，可克服第二種監測信號的缺陷並且結構簡單，具有普遍適用性，但從偏振度橢球獲取PMD信息耗時長，不能滿足PMD實時補償的要求。
發明內容
本發明的目的是為10Gb/s以上光纖通信系統提供一種快速獲得光纖鏈路中偏振模色散信息的實時監測方法，該方法只需採集少量的點、大幅度縮短從偏振度橢球獲取PMD信息的時間，能滿足PMD實時補償的要求。
為此，一種快速獲得光纖鏈路中偏振模色散信息的實時監測方法是用偏振度橢球的長、中、短三個半軸長度及長軸的方位反映光纖鏈路中偏振模色散矢量的大小和方向，其中包含一階PMD和二階PMD中的信息，用於反饋、前饋或反饋+前饋的偏振模色散自適應補償器之中，它包括(1)偏振模色散自適應補償裝置的取樣監測單元測得光纖鏈路中與不同輸入信號對應的輸出信號的斯託克斯矢量；(2)再將測得的數據輸入計算機擬合出偏振度橢球，偏振度橢球三個軸的長度r1，r2，r3及長軸的方位角α，β，γ，反映了光纖鏈路中PMD的大小和方向，採用粒子群優化PSO算法來擬合出偏振度橢球；運用PSO算法，不斷調整6維參數(r1，r2，r3，α，β，γ)，直至下面的目標函數達到全局最小值，表示為MIN(r1,r2,r3,,,)[n=1N|S1n2r12+S2n2r22+S3n2r32-1|]]]>(3)在PMD自適應補償器中，根據得到的偏振度橢球參量，控制單元實時調節補償單元的可控參數，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償。上述結構實現了本發明的目的。
本發明的優點從偏振度橢球獲取PMD信息，能滿足PMD實時補償的要求，能及時、快速、有效地補償和跟蹤光纖鏈路中隨機變化的偏振模色散，能動態地、有效地、實時地對光纖通訊線路中隨機變化的偏振模色散進行自適應補償，而且是全光補償，價格便宜。
圖1為光纖傳輸中偏振模色散產生的示意2為傳統的反饋方式控制的PMD補償系統的示意3為傳統的前饋+反饋的PMD補償系統的示意4為本發明偏振度橢球採集實驗裝置示意5為本發明的偏振度橢球示意6為本發明利用PSO算法獲得偏振度橢球參數的流程7為本發明直接得到的橢球與擬合的橢球的對比的示意8為本發明利用偏振度橢球作監測信號的PMD自適應補償裝置圖具體實施方式
如圖1至圖8所示，一種快速獲得光纖鏈路中偏振模色散信息的實時監測方法是用偏振度橢球的長、中、短三個半軸長度及長軸的方位反映光纖鏈路中偏振模色散矢量的大小和方向，其中包含一階PMD和二階PMD的信息，用於反饋、前饋或反饋+前饋的偏振模色散自適應補償器之中，它包括(1)偏振模色散自適應補償裝置的取樣監測單元測得光纖鏈路中與不同輸入信號對應的輸出信號的斯託克斯矢量；(2)再將測得的數據輸入計算機合出偏振度橢球，偏振度橢球三個軸的長度r1，r2，r3及長軸的方位角α，β，γ，反映了光纖鏈路中PMD的大小和方向，採用粒子群優化(PSO)算法來合出偏振度橢球；運用PSO算法，不斷調整6維參數(r1，r2，r3，α，β，γ)，直至下面的目標函數達到全局最小值，表示為MIN(r1,r2,r3,,,)[n=1N|S1n2r12+S2n2r22+S3n2r32-1|]]]>(3)在PMD自適應補償器中，根據得到的偏振度橢球參量，控制單元實時調節補償單元的可控參數，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償。
所述的採用PSO算法擬合出偏振度橢球，是由在線偏振儀讀取光纖鏈路中的PMD信息輸出四路電壓信號，由數據採集卡轉換成四路數位訊號進入計算機，經過一個矩陣運算後得到4個Stokes參量s0，s1，s2，s3，採集N組數據，採用PSO算法擬合得到偏振度橢球。
如圖1和圖3所示，用石英玻璃製造的通訊用光纖3，由於各種原因導致光纖中圓對稱性結構被破壞成橢圓芯徑，產生非圓對稱應力，結果使得兩個相互垂直的偏振模的群速度不一致，這種現象稱為偏振模色散。由於偏振模色散，在每根光纖中形成傳送信號的快軸2和慢軸1，使得兩個相互垂直的偏振態信號4到達接收端的時間不同，即產生時延差5。在大於10Gb/s的高速光纖傳輸系統中，早先鋪設的光纖由於偏振模色散較大，從而增大數據傳輸的誤碼率，對於40Gb/s長距離光纖傳輸系統，即使應用新的光纖，偏振模色散對傳輸的影響也很大，因此必需對此進行補償。目前的PMD自適應補償器分為反饋、前饋和反饋+前饋控制方式的PMD自適應補償結構，但PMD自適應補償器至少包括PMD補償單元、取樣監側單元和控制單元。
如圖4和圖5所示，本發明獲得偏振度橢球的方法是在光源發射端放置一個偏振擾動器，使輸入光信號的偏振態不斷變化，在接受端的偏振儀將測得與不同輸入信號對應的輸出信號的斯託克斯矢量，再將數據輸入計算機擬合出偏振度橢球。
偏振度橢球三個軸的長度r1，r2，r3及長軸的方位角(α，β，γ)反映了光纖鏈路中PMD的大小和方向。理論分析如下設輸入端光信號的瓊斯矢量為Ein=abf---(1)]]>其中f(w)為信號譜結構，且滿足歸一化條件-+|f|2d=1,]]>a、b是與頻率無關的複數並且滿足關係式|a|2+|b|2＝1。不考慮群速度色散和損耗，光纖的傳輸矩陣可表示為M=u1u2-u2*u1*---(2)]]>它是一個么正矩陣，滿足關係|u1|2+|u2|2＝1。經光纖後接收端的輸出光信號為Eout=EoxEoy=MEin=(au1+bu2)f(-au2*+bu1*)f---(3)]]>輸出光信號的各個斯託克斯參量分別為S1=-(|Eox|2-|Eoy|2)d2]]>=-[(|a|2-|b|2)(|u1|2-|u2|2)+2ab*u1u2*+2a*bu1*u2]|f|2d2---(4a)]]>S2=-2Re(EoxEoy*)d2]]>=-[(|b|2-|a|2)(u1u2+u1*u2*)+ab*(u12-u2*u2*)+a*b(u1*u1*-u22)]|f|2d2---(4b)]]>S3=--2Im(EoxEoy*)d2]]>=-i[(|b|2-|a|2)(u1u2-u1*u2*)-a*b(u22+u1*u1*)+ab*(u2*u2*-u12)]|f|2d2---(4c)]]>a、b取不同的數值，對應不同的偏振態，輸出光的斯託克斯矢量(S1，S2，S3)將形成偏振度橢球。
對於主態沿x，y軸的一階偏振模色散，光纖變換矩陣為M=exp(i2)00exp(-i2)---(5)]]>將其代入(4a)～(4b)式，得到偏振度橢球S12+S22+S32Rac2=1---(6)]]>其中Rac=|f|2exp(im)d2]]>為信號的自相關函數。
由(6)式可以看出，這是一個rmax＝1，rmid＝rmin＝Roc(τ)的旋轉橢球，短軸的長度與DGD直接相關。
對於含有二階偏振模色散的光纖，光信號光譜很窄時的變換矩陣為 其中＝τω，k=|q^|4,q^]]>二階偏振模色散中的主態旋轉率(PSP)。將(7)式代入(4a)～(4b)式，得到下面的偏振度橢球S22(A-B2)2+(C2+4D2)S12+[2C(A+B)-4CD]S1S3+[(A+B)2+C2]S32[(A+B)D+C22]2=1---(8)]]>其中A＝1+Rac(τ)B=Rac(4k)-12[Rac(4k+)+Rac(4k-)]]]>C＝Rac(2k-τ)-Rac(2k+τ)D＝Rac(τ)這個橢球的長、中、短三個半軸為rmax=(A+B)D+C22[C2+2D2+(A+B)22]+(2D-A-B)(A+B+2D)24+C2---(9a)]]>rmid=(A+B)D+C22[C2+2D2+(A+B)22]-(2D-A-B)(A+B+2D)24+C2---(9b)]]>rmin=A-B2---(9c)]]>可見，三個半軸的長度包含了一階和二階的PMD信息。
如圖6所示，為了符合偏振模色散自適應補償的要求，必須採用適當的算法以採集儘可能少的點而擬合出準確的橢球。這裡我們採用粒子群優化(PSO)算法來擬合橢球。
PSO算法是一種直接搜索最佳值的算法，它利用由個體(individual)或粒子(particle)組成的社會群體(swarm)搜索最佳解。每個個體或粒子都可以看成多維空間中的一個交匯點，粒子通過迭代更新(或移動)自己在多維空間中的位置，以尋求最佳點。在每次迭代中，每個粒子對自己過去的最佳位置有信息記憶，同時它與社會群體中每個鄰居粒子相互分享最佳位置的信息，然後通過同時評價這兩個信息以決定粒子下一步的移動。如果任何一個個體的位置離目標位置足夠近，或者說他們之間的距離小於規定的誤差，就認為群體已經找到了最佳值。
PSO算法定義每個個體都可能是多維空間搜索問題的一個解，假定採用N個粒子組成全部群體。D維搜索空間中，第i個粒子的位置矢量可以表示為Xi＝(xi1，xi2，…，xiD)，其速度矢量用Vi＝(vi1，vi2，…，viD)表示。PSO搜索開始時，先隨機初始化N個粒子的位置和速度，然後粒子們通過迭代來更新自己的位置，逐漸趨向最優化目標。在每一次迭代中，每個粒子通過評價自己以前曾經找到的最好位置(記為個體最佳位置pbest，第i個粒子的最佳位置記為pbesti)，並結合整個群體中目前找到的最好位置(定義為全局最佳值gbest)，對個體的速度矢量進行調節，然後用這個速度矢量來計算個體新的位置矢量。
PSO算法的搜索步驟可歸納如下(1)在D維搜索空間中初始化所有個體的位置和速度；(2)求得D維變量下，每個粒子目前位置對應的目標函數值；
(3)將每個個體的目標函數值同自己以前的最佳值pbesti進行比較，優則替換，並記住新的最佳位置，否則保持不變；(4)對目前整個群體中每個粒子的最佳值進行比較，得到本次迭代的群體最佳值即gbest，並與以前的gbest比較，如果「更優」，則替換之，並記住新的最好個體的序號和位置，否則不變；(5)更新每個個體的速度和位置；(6)跳到第(2)步進入下一次循環，直至滿足終止條件。
歸納為在D維搜索空間中初始化(r1，r2，r3，α，β，γ)的位置和速度，將採集N個實驗數據點轉換到標準坐標系，搜索比較得到的最佳的6個自由度，判斷函數F是否最小，若是記錄最佳的6個自由度，依此獲得偏振度橢球；否則將得到的最佳的6個自由度代替初始化值，進入下一次循環，直到滿足條件。
PSO算法中，速度和位置的更新公式分別為vid＝vid+c1×rand×(pbestid-xid)+c2×rand×(gbestid-xid)xid＝xid+vid式中rand是
區間內的隨機數，c1和c2分別是「個體認知」和「群體學習」的速率，決定了「個體認知」和「群體學習」影響的比重。
PSO優化算法數學上是一個通過調整多個控制參數「parameters」在多維空間中搜索目標函數「function」的全局最大或最小值的過程，其數學式為MAXparametersP(function)]]>或MINparametersP(function)]]>其中「parameters」的個數即搜索空間的維數，P是指「parameters」的變化範圍。
在主軸坐標系中，橢球具有標準形式S12r12+S22r22+S32r32=1.]]>通過橢球傾斜角度(α，β，γ)將實驗採集的N個點(S1n，S2n，S3n)的坐標變換到主軸坐標系。首先繞S3軸旋轉-α，(S1n，S2n，S3n)變換成(S1n′，S2n′，S3n′)
S1nS2nS3n=cossin0-sincos0001S1nS2nS3n---(10)]]>然後繞S2軸旋轉-β，(S1n′，S2n′，S3n′)變換成(S1n″，S2n″，S3n″)S1nS2nS3n=cos0-sin010sin0cosS1nS2nS3n---(11)]]>再繞S3軸旋轉-γ，(S1n″，S2n″，S3n″)變換成(S1n，S2n，S3n)S1nS2nS3n=cossin0-sincos0001S1nS2nS3n---(12)]]>變換到主軸坐標系中後，變換點應滿足橢球標準形式S1n2r12+S2n2r22+S3n2r32=1.]]>運用PSO算法，不斷調整6維參數(r1，r2，r3，α，β，γ)，直至下面的目標函數達到全局最小值，表示為MIN(r1,r2,r3,,,)[n=1N|S1nm2r12+S2nm2r22+S3nm2r32-1|]---(13)]]>從而得到偏振度橢球及其參量(r1，r2，r3，α，β，γ)。
圖7給出了不同DGD下直接採集8000個點得到的偏振度橢球和採集100個點利用粒子群優化算法擬合得到的偏振度橢球。由此可見利用粒子群優化算法擬合得到的偏振度橢球效果很好。
如圖8所示，圖8為利用偏振度橢球作監測信號的PMD自適應補償裝置圖。在PMD自適應補償器中，根據得到的偏振度橢球參量，邏輯控制單元實時調節補償單元的可控參數，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償。
利用偏振度橢球作監測信號的PMD自適應補償裝置由擾偏器6和偏振模色散自適應補償器8組成。所述的在線偏振儀82和PMD補償器81相聯，接入通信光纖鏈路7上。所述的計算機控制裝置通過數據採集卡84、低通電濾波器83與在線偏振儀的輸出端相連，計算機控制裝置的輸出端通過DA模塊輸出端86相連PMD補償器。所述的擾偏器由計算機控制一個光纖擠壓型電控偏振控制器61構成，通過自主編寫的擾偏器程序63控制電控偏振控制器以合適的速率產生均勻分布在邦加球上的各種偏振態，在此用一數模(DA)轉換模塊將計算機輸出的數位訊號轉變為模擬電壓信號(從DA模塊輸出端62輸出)控制電控偏振控制器。
所述的偏振模色散自適應補償器包括PMD補償器，由電控電控偏振控制器和可變時延線級聯而成，根據得到的偏振度橢球參量，控制算法實時調節電控偏振控制器的電壓和時延線的時延，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償；在線偏振儀，用於檢測光纖通訊線路中的光信號的偏振度，形式為輸出四路電壓信號；低通電濾波器，用於濾除高頻噪聲，濾波器帶寬要求與數據採集卡採樣頻率匹配；數據採集卡，用於將在線偏振儀輸入、並通過低通電濾波器濾除高頻噪聲後的四路模擬電壓信號轉化成四路數字電壓信號；數字濾波器，用於將採樣得到的四路數字電壓信號經矩陣變換得到鏈路的斯託克斯參量並經過數字中值濾波濾除噪音；計算機85控制裝置，為設有DOP橢球採集擬合程序和自適應補償控制算法的計算機。偏振度橢球三個軸的長度r1，r2，r3及長軸的方位角α，β，γ，反映了光纖鏈路中PMD的大小和方向；採集N組數據，用粒子群優化(PSO)算法擬合出偏振度橢球，即用PSO算法不斷調整6維參數(r1，r2，r3，α，β，γ)，直至下面的目標函數達到全局最小值，表示為MIN(r1,r2,r3,,,)[n=1n|S1n2r12+S2n2r22+S3n2r32-1|],]]>根據得到的偏振度橢球參量，控制算法實時調節PMD補償器的可控參數，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償；所述的採用PSO算法擬合出偏振度橢球，是由在線偏振儀讀取光纖鏈路中的PMD信息再輸出四路電壓信號，由數據採集卡轉換成四路數位訊號進入計算機，經過一個矩陣運算後得到4個Stokes參量s0，s1，s2，s3，採集N組數據，採用PSO算法擬合得到偏振度橢球。
在PMD自適應補償器中，根據得到的偏振度橢球參量，控制算法實時調節PMD補償器的可控參數，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償。
所述的實時監測裝置的工作過程包括以下步驟與光纖鏈路相連的在線偏振儀將信號輸入低通電濾波器，由數據採集卡採樣由四通道模數轉換器將模擬信號轉換為數位訊號，然後輸入到計算機控制裝置中，經過一個矩陣運算後得到4個Stokes參量s0，s1，s2，s3，經過數字中值濾波，濾除噪聲；採集N組數據，採用PSO算法擬合得到偏振度橢球；用控制算法控制調節偏振模色散補償器中的電控偏振控制器的電壓和時延線的時延，使系統的PMD值達到最小，從而完成偏振模色散自動補償。
本發明所使用的低通電濾波器的作用是對在線偏振儀輸出的四路模擬電壓信號進行濾波，這些噪聲來源於光纖鏈路中的摻鉺光纖放大器。同時，低通電濾波器的帶寬要求必須與數據採集卡相匹配。如果在線偏振儀輸出模擬信號的帶寬為0～fmkHZ。由奈奎斯特定理可知，只有當取樣頻率fs和模擬信號最高頻率fm滿足fs≥2fm時才不會出現混疊。由於高速數據採集卡的價格昂貴，因此在在線偏振儀13的電壓輸出和數據採集卡之間加入低通電濾波器，濾掉高頻，即可低成本地解決這一問題。
在線偏振儀(In-Line Poarimeter)可以用General Photonics公司的PolaDetect POD-15-SS-02產品，其插入損耗0.8dB，測量帶寬700kHz，DOP測量精度為±2％，它輸出四路電壓信號，由數據採集卡(Data Aquisition)轉換成四路數位訊號進入計算機，經過一個矩陣運算後得到4個Stokes參量s0，s1，s2，s3，採集N組數據，採用PSO算法擬合得到偏振度橢球；由於各種噪聲會對偏振儀測量精度產生影響，採用低通電濾波器(ElectricalLow-Pass Filter)來消除高頻噪聲。
權利要求
1.一種快速獲得光纖鏈路中偏振模色散信息的實時監測方法，其特徵在於所述的實時監測方法是用偏振度橢球的長、中、短三個半軸長度及長軸的方位反映光纖鏈路中偏振模色散矢量的大小和方向，其中包含一階PMD和二階PMD的信息，用於反饋、前饋或反饋+前饋的偏振模色散自適應補償器之中，它包括(1)偏振模色散自適應補償裝置的取樣監測單元測得光纖鏈路中與不同輸入信號對應的輸出信號的斯託克斯矢量；(2)再將測得的數據輸入計算機擬合出偏振度橢球，偏振度橢球三個軸的長度r1，r2，r3及長軸的方位角α，β，γ，反映了光纖鏈路中PMD的大小和方向，採用粒子群優化PSO算法來擬合出偏振度橢球；運用PSO算法，不斷調整6維參數r1，r2，r3，α，β，γ，直至下面的目標函數達到全局最小值，表示為MIN(r1,r2,r3,,,)[n=1N|S1n2r12+S2n2r22+S3n2r32-1|]]]>(3)在PMD自適應補償器中，根據得到的偏振度橢球參量，控制單元實時調節補償單元的可控參數，使鏈路中的PMD值達到最小，從而實現PMD自適應補償。
2.根據權利要求1所述的實時監測方法，其特徵在於所述的採用PSO算法擬合出偏振度橢球，是由在線偏振儀讀取光纖鏈路中的PMD信息輸出四路電壓信號，由數據採集卡轉換成四路數位訊號進入計算機，經過一個矩陣運算後得到4個Stokes參量s0，s1，s2，s3，採集N組數據，採用PSO算法擬合得到偏振度橢球。
全文摘要
本發明屬於一種高速光纖通信系統中自適應偏振模色散補償的實時監測方法。方法包括偏振模色散自適應補償裝置的取樣監測單元測得光纖鏈路中與不同輸入信號對應的輸出信號的斯託克斯矢量；再將測得的數據輸入計算機擬合出偏振度橢球，偏振度橢球三個軸的長度r
文檔編號H04B10/135GK1976258SQ20061016550
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月21日 優先權日2006年12月21日
發明者席麗霞, 張曉光, 段高燕, 鄭遠, 沈昱, 朱進軍, 許瑋 申請人:北京郵電大學