一種光脈衝幅度調製信號中測量光信噪比的方法及系統與流程
2023-10-27 18:43:42
本發明涉及光纖通信領域，具體來講涉及一種光脈衝幅度調製信號中測量光信噪比的方法及系統。
背景技術：
隨著近年來移動通信和雲計算的迅速發展，數據網絡對低成本高速率短距光通信系統需求與日俱增。IM/DD(Intensity Modulation/Direct Detection，光直調直檢)系統是能夠滿足該需求的有效接入方式。在IM/DD系統中，光PAM(Pulse Amplitude Modulation，脈衝幅度編碼調製)由於產生和處信號理結構簡單，易與現有系統相兼容，逐步成為該領域研究的熱點。不同於DMT(Discrete Multi-Tone，離散多音調製)編碼結構的多載波調製方式，光PAM系統是一種單載波調製方式；因此，很多信號質量評估的指標在光PAM系統中並不是十分適用。
對於光信號質量的評估，常用的指標有誤碼率、眼圖、調製消光比、OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)等。由於OSNR的測量最為簡便，因此在實際工程中最為常用。然而，由於光PAM信號含有載波且載波功率遠大於實際信號功率，因此測量得到的OSNR並不能準確的反饋信號質量。例如，在利用DML(Directly Modulated Laser，直調雷射器)進行調製的系統中，不同大小的偏置電流會導致測量得到的OSNR不同，但是實際信號的質量，如誤碼率、眼圖的眼張開度等卻沒有太明顯的變化。為了解決該問題，許多科研人員提出利用多參數共同衡量光PAM信號的方法，如OSNR+消光比，OSNR+眼張開度等，而這樣的結構不但增加了實用中測量的難度和複雜性，而會增加工程應用的成本。
因此如何尋求一種正確評估光PAM信號質量的OSNR測量方法，成為PAM調製方式在實際工程應用中普及的重要基礎。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種光脈衝幅度調製信號中測量光信噪比的方法及系統，在不增加難度和複雜性的前提下，得到準確的OSNR，節約工程應用成本。
為達到以上目的，本發明採取一種光脈衝幅度調製信號中測量光信噪比的方法，包括步驟：
S1.將待測量的光脈衝幅度調製信號進行光譜測量，得到原始信號的功率分布；
S2.將所述光脈衝幅度調製信號通過波長選擇開關濾波，得到兩路信號，第一路為載波信號和濾波通帶內的調製信號，第二路為濾波後剩餘的調製信號；將兩路信號分別進行光譜測量，分別檢測兩路信號的光功率分布；
S3.通過公式OSNR＝Ps/P0.1n，計算所述光脈衝幅度調製信號的光信噪比OSNR，其中Ps為調製信號功率，P0.1n為0.1納米的噪聲功率。
在上述技術方案的基礎上，所述S2中，所述波長選擇開關濾波的中心波長為載波波長，濾波帶寬為載波信號帶寬，且濾波帶寬小於光脈衝幅度調製信號帶寬。
在上述技術方案的基礎上，所述S1中，在測量得到的光譜上找到第一帶寬，第一帶寬覆蓋該次測量所有觀測到的信號，且第一帶寬的兩端點僅為噪聲信號。
在上述技術方案的基礎上，所述S2中，在第一路信號的光譜圖上得到第二帶寬，第二帶寬覆蓋該次測量所有觀測到的信號。
在上述技術方案的基礎上，所述S2中，在第二路信號的光譜圖上找到兩點，所述兩點在光脈衝幅度調製信號平坦的頻譜的區域之中，且關於載波信號的波長對稱。
在上述技術方案的基礎上，所述0.1納米的噪聲功率P0.1n由公式P0.1n＝0.1·(PC+PD)/(2·Fm)得到，其中PC和PD分別為第一帶寬兩端點的噪聲功率，Fm為對應的光譜解析度。
在上述技術方案的基礎上，所述調製信號功率Ps由公式Ps＝Ps+n-Pn得到，其中Ps+n為所述第二帶寬兩個端點之間調製信號和噪聲的總功率，Pn為第一帶寬兩端點之間噪聲信號功率。
在上述技術方案的基礎上，所述Ps+n由公式Ps+n＝Ps+c+n-Pca得到，其中Ps+c+n為第一帶寬兩端點之間所有信號的總功率，Pca為第二帶寬間載波信號功率。
在上述技術方案的基礎上，所述Pn由公式Pn＝Fs·(PC+PD)/(2·Fm)得到，其中Fs為第一帶寬，PC和PD分別為第一帶寬兩端點的噪聲功率，Fm為對應的光譜解析度。
本發明提供一種光脈衝幅度調製信號中測量光信噪比的系統，包括：
第一光譜測量模塊，用於測得待測量的光脈衝幅度調製信號的光譜；
波長選擇開關，用於對所述光脈衝幅度調製信號濾波，得到兩路光信號，一路為載波信號和濾波通帶內的調製信號，另一路為濾波後剩餘的調製信號；
第二光譜測量模塊，用於測量載波信號和濾波器通帶內的調製信號的光譜；
第三光譜測量模塊，用於測量濾波後剩餘調製信號的光譜；
光信噪比計算模塊，用於在三個光譜測量模塊得到的光譜中，讀取並計算調製信號功率Ps以及0.1納米的噪聲功率P0.1n，通過OSNR＝Ps/P0.1n，得到所述光脈衝幅度調製信號的光信噪比OSNR。
本發明的有益效果在於：利用波長選擇開關(WSS)的特點，將載波信號同調製信號濾波分割，通過不同光譜的測量分離載波信號的功率，從而準確的計算調製信號的功率，進而得到光PAM信號準確的OSNR。整個過程在保持原有OSNR測量資源消耗的基礎上，既不增加系統開銷也不影響其測量複雜度的條件下，僅僅通過一定的測量運算，便可以獲得準確的調製信號的OSNR，節約工程應用成本。
附圖說明
圖1為本發明實施例光PAM信號中測量光信噪比的方法流程圖；
圖2為本發明實施例待測量的光PAM信號光譜圖；
圖3為本發明實施例波長選擇開關濾波後第一路信號的光譜圖；
圖4為本發明實施例濾波後第二路信號的光譜圖；
圖5為本發明實施例光PAM信號中測量光信噪比的系統示意圖。
附圖標記：
第一光譜測量模塊1，第二光譜測量模塊2，第三光譜測量模塊3，波長選擇開關4，OSNR計算模塊5。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明光PAM信號中測量光信噪比的方法，包括如下步驟：
S1.將待測量的光PAM信號進行光譜測量，得到原始信號的功率分布。
如圖2所示，為待測量的光PAM信號通過一個光譜測量模塊得到的光譜圖。得到光譜圖上C、D兩點，C、D兩點之間帶寬為第一帶寬，第一帶寬覆蓋該次測量所有能觀測到的信號，包括載波信號、調製信號及噪聲信號；並且，C點和D點本身為噪聲信號，功率分別為PC和PD，第一帶寬為Fs納米；同時，測定C點和D點之間所有信號的總功率為Ps+c+n。
S2.將所述光PAM信號通過波長選擇開關進行濾波處理，得到兩路信號，第一路為載波信號和濾波通帶內的調製信號(即濾波器通帶內的部分)，第二路為濾波後剩餘的調製信號。具體的，波長選擇開關濾波的中心波長為載波波長，濾波帶寬為載波信號帶寬，且濾波帶寬小於光PAM信號帶寬。將兩路信號分別進行光譜測量，分別檢測出兩路信號的光功率分布。
如圖3所示，為波長選擇開關濾波後第一路信號的光譜圖，在光譜上得到A、B兩點，A、B兩點之間帶寬覆蓋所有能觀測到的信號，包括全部載波信號、部分調製信號(即濾波器通帶內的部分)及噪聲信號。A點和B點之間佔為第二帶寬，第二帶寬為Fc納米，測定A點和B點之間所有信號的總功率為Pc。
如圖4所示，為波長選擇開關帶通濾波後剩餘的第二路信號光譜圖，光譜圖上有E、F兩點，E、F兩點在光PAM信號平坦的頻譜的區域之中，且關於載波信號的波長(即y軸)對稱；E、F兩點的功率分別為PE和PF。
S3.由前面得到的三幅光譜圖得到相應功率、帶寬等數值，通過公式OSNR＝Ps/P0.1n，計算所述光脈衝幅度調製信號的光信噪比OSNR，其中Ps為調製信號功率，即所有調製信號的功率，P0.1n為0.1納米的噪聲功率。
具體的，根據OSNR等於信號功率同0.1nm內的光噪聲功率的比值，設定信號測量的光譜解析度為Fm，即單點測量時最小帶寬為Fm。根據光PAM信號頻譜的特點：載波附件光譜平坦，由此測量到E點和F點間含噪聲的光PAM信號的調製信號光譜功率密度Ws+n為：
Ws+n＝(PE+PF)/(2·Fm) (1)
根據公式(1)及功率譜密度的關係，推導在第二帶寬為Fc納米的A、B兩點之間含有噪聲的調製信號功率PsAB+n為：
PsAB+n＝Fc·(PE+PF)/(2·Fm) (2)
由於A、B兩點間所有信號的總功率為Pc，含有載波功率、部分調製信號功率及噪聲功率，因此通過公式(2)得到載波信號功率Pca為：
Pca＝Pc-PsAB+n (3)
由於載波信號功率Pca已知，因此在C、D兩點間總的調製信號及噪聲功率Ps+n為：
Ps+n＝Ps+c+n-Pca (4)
同時根據C、D兩點測量得到的參數，得到C、D兩點的噪聲功率分別為PC和PD，其中Ps+c+n為第一帶寬C、D兩點之間所有信號的總功率，Pca為第二帶寬間載波信號功率；C、D兩點間含噪聲的光譜功率密度Ws+n為：
Ws+n＝(PC+PD)/(2·Fm) (5)
根據公式(5)及功率譜密度的關係，推導在帶寬為Fc的C、D之間噪聲信號功率Pn為：
Pn＝Fs·(PC+PD)/(2·Fm) (6)
其中Fs為第一帶寬，PC和PD分別為第一帶寬C、D兩點的噪聲功率，Fm為對應的光譜解析度。根據公式(4)還有公式(6)，最終得到調製信號功率Ps為：
Ps＝Ps+n-Pn (7)
其中Ps+n為所述第一帶寬C、D兩點之間調製信號和噪聲的總功率，Pn為第一帶寬C、D兩點之間噪聲信號功率。由公式(5)，折算0.1納米的噪聲功率為：
P0.1n＝0.1·(PC+PD)/(2·Fm) (8)
最終推導得到OSNR為：
OSNR＝Ps/P0.1n (9)
即：
如圖5所示，本發明光脈衝幅度調製信號中測量光信噪比的系統，包括第一光譜測量模塊1、第二光譜測量模塊2、第三光譜測量模塊3、波長選擇開關4以及OSNR計算模塊5；第一光譜測量模塊1用於測得待測量的光脈衝幅度調製信號的光譜。波長選擇開關4用於對所述光脈衝幅度調製信號濾波，得到兩路光信號，一路為載波信號和濾波通帶內的調製信號，另一路為濾波後剩餘的調製信號；第二光譜測量模塊，用於測量載波信號和濾波器通帶內的調製信號的光譜；第三光譜測量模塊，用於測量濾波後剩餘調製信號的光譜；光信噪比計算模塊5用於在三個光譜測量模塊得到的光譜中，讀取並計算調製信號功率Ps以及0.1納米的噪聲功率P0.1n，通過OSNR＝Ps/P0.1n，得到所述光脈衝幅度調製信號的光信噪比OSNR。
本發明不局限於上述實施方式，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍之內。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。