CN110048781B

CN110048781B - 一种光信号调制格式的识别方法及装置

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Publication number: CN110048781B
Application number: CN201910309472.8A
Authority: CN
Inventors: 冯其光; 李蔚; 余少华
Original assignee: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Current assignee: Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications Co Ltd
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2039-04-17
Also published as: CN110048781A

Abstract

本发明公开了一种光信号调制格式识别方法及装置，该方法包括：从光信号中提取部分光；并对其进行延时自相干处理，得到第一光信号；将第一光信号转换为电信号，并进行采样；对采样结果进行分布统计分析，绘制干涉光强度分布的频率直方图；对干涉光强度分布的频率直方图的特征参数进行提取分析，根据所述特征参数区分出光信号上面的调制格式。本发明通过对提取的光信号进行延时自相干干涉仪处理后，得到调制信号延时自相干后的光强变化，并根据不同调制格式的光信号延时自相干强度变化不同的特性，识别调制格式，不仅具有***简单，实现成本低的优点，而且具有广泛的适用范围。

Description

一种光信号调制格式的识别方法及装置

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，具体涉及一种光信号调制格式的识别方法及装置。

背景技术

近些年，相干光通信技术和数字信号处理技术推动着光纤通信***容量和传输距离不断增长；相应的，光网络构建也将变得更加动态、复杂、透明、灵活以及可重构。为了更好的满足用户的需求以及充分利用光纤链路资源，弹性光网络和软件定义光网络等动态光网络应运而生。

在动态光网络中，由于用户的业务需求和不同地方的光纤业务承载能力不同，在同一根光纤中会出现不同业务的光信号同时存在的情况。不同业务的光信号，调制格式不同，对信号质量的要求不同，后续进行数据恢复时采用的数字信号处理算法也不相同；因此，在光纤链路的测试和维护中，在接收端进行信号恢复时，都需要预先知道光信号的调制格式。

现有的对光信号调制格式识别的方法主要包括以下三种：

(1)基于相干接收机和数字信号处理的调制格式识别方法。这种方法使用平衡接收机进行相干检测，获得信号的IQ分量，通过数字信号处理算法，补偿光信号传输过程中的损伤(如色散、偏振模色散等)，再恢复出信号的星座图，然后可以根据星座图的特征，识别出信号的调制格式，也可以先获得频率直方图，再根据频率直方图识别调制格式。该方法采用了一套完整的相干接收***，对于双偏振***，至少需要四个高速光探测器和采样电路，以及对应的数字信号处理模块，因此，实现难度较大，成本较高；而且数字信号处理算法一般需要预先知道光信号在光纤中传输的距离，才能有效补偿信号损伤，在弹性光网络和软件定义光网络中，很多情况下是无法预先知道信号光的传输距离。

(2)基于异步采样的方法。这种方法需要在一个码元周期内对信号采样两次，然后间隔几个码元周期，再在同一码元周期对信号采样两次，以此类推，持续进行采样；而且码元周期内两次采样的时间间隔需要保持固定，这样就对采样的控制提出了很高的要求，***实现的成本仍然较高。

(3)基于光谱图的调制格式识别方法。这种方法的问题在于没法识别光谱特征接近的信号，例如10GBaud/s以上的QPSK信号和16QAM信号，在经过200km以上的光纤传输后，它们的光谱图没有明显差别，因此该方法的适用范围受限明显。

有鉴于此，急需对现有的信号调制格式识别方案进行改进，以降低实现难度和成本，并具有广泛的适用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题信号调制格式识别方案，不仅实现难度较大，成本较高，而且具有一定的适用局限性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种光信号调制格式识别方法，包括以下步骤：

步骤S10、从光信号中提取部分光，并对其进行延时自相干处理，得到第一光信号；

步骤S20、将第一光信号转换为电信号，并进行采样；

步骤S30、对采样结果进行分布统计分析，绘制出干涉光强度分布的频率直方图；

步骤S40、对干涉光强度分布的频率直方图的特征参数进行提取分析，根据所述特征参数来区分出光信号上面的调制格式。

在上述方法中，步骤S30包括以下步骤：

对采样电路输出的采样结果进行统计分析；

根据采样结果的最大值和最小值，把采样结果范围等分成若干段；

统计采样结果落在每一个分段上的频率，从而得到延时相干信号强度分布的频率直方图。

在上述方法中，在步骤S10中，采用95:5的功率耦合器从光信号中提取5％的光。

在上述方法中，在步骤S10中，采用延时自相干干涉仪对提取的部分光进行延时自相干处理；

所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间。

在上述方法中，所述延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离或者基于硅基集成的光学器件实现。

在上述方法中，所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差为固定值或者可调谐值。

在上述方法中，所述调制格式包括：NRZ-OOK、RZ-OOK、QPSK和16QAM。

在上述方法中，在进行采样前，通过放大电路对由光信号转化得到的电信号进行放大，使电压值与进行采样的模数转换器的工作电压范围匹配。

本发明还提供了一种光信号调制格式的识别装置，包括：

光功率耦合器，用于从光信号中提取部分光；

延时自相干干涉仪，用于对提取的部分光进行延时自相干干涉处理.得到第一光信号；

光探测器，用于将所述第一光信号转换为电信号；

采样电路，用于对所述电信号进行采样，得到采样结果；

信号强度分布统计模块，用于对所述采样结果进行分布统计分析，得到信号强度分布统计结果；

频率直方图特征提取与分析模块：用于根据所述信号强度分布统计结果绘制干涉光强度的频率直方图，并提取频率直方图中与信号调制格式识别相关的特征参数；

调制格式类型识别模块，用于根据所述特征参数，识别出光信号的调制格式。

在上述装置中，所述光探测器、放大电路和采样电路的最小带宽大于信号波特率的一半。

与现有技术相比，本发明通过对提取的光信号进行延时自相干干涉仪处理，额外引入了反映调制信号与噪声、光源线宽和延时自相干干涉仪引起的相位差对光强度的影响的三项指标；因为延时自相干干涉仪引起的相位差是固定的，光源相位噪声引起的光强度变化慢于调制信号与噪声，所以光探测器实际检测到的是调制信号延时自相干后的光强变化，根据不同调制格式的光信号，其延时自相干强度变化不同这一特性，就可以通过后续算法处理识别信号的调制格式；不仅用到的光探测器和采样电路更少，对延时控制的要求不高，而且所用高速探测器和采样电路带宽只需大于信号波特率的一半，不需要对采样后的信号进行色散补偿、载波恢复等复杂的数字信号处理，具有***简单，实现成本低的优点。

附图说明

图1为本发明提供的一种光信号调制格式识别方法的流程图；

图2为本发明中当延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离的光学器件时的实现框图；

图3为本发明提供的一种光信号调制格式识别装置的结构框图。

具体实施方式

本发明公开了一种基于延时自相干直接检测的光信号调制格式的识别方法及装置，可用于单跨段超长跨距光纤通信***以及多跨段长途光纤通信***的光信号调制格式识别，与传统的调制格式识别方法相比，不仅具有广泛适用性，而且只需要一个光探测器对相干光信号进行强度检测，且不需要对采样后的信号进行色散补偿、载波恢复等复杂的数字信号处理，具有***简单，实现成本低的优点。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种光信号调制格式识别方法，包括以下步骤：

步骤S10、从信号光中提取部分光；并对其进行延时自相干处理，得到第一光信号。

其中，可以采用一个95:5的功率耦合器从信号光中提取5％的光，采用延时自相干干涉仪对提取的5％的光进行延时自相干处理，该延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间，所以，在预先不知道光信号速率的情况下，可以选择略小于光源相干时间的延时差，从而保证***的正常工作。

步骤S20、将第一光信号转换为电信号，并进行采样。

在本发明中，采用光探测器进行光电转换，在进行采样前，由于光探测器输出的电信号为光电流信号，所以需要通过放大电路将光电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行放大，使电压值与模数转换器的工作电压范围匹配，以便进行采样，将模拟信号转换为数字信号，此时采样结果反映了干涉光强度的变化。

步骤S30、对采样结果进行分布统计分析，绘制干涉光强度分布的频率直方图。

步骤S40、对干涉光强度分布的频率直方图的特征参数进行提取分析，根据频率直方图的特征参数区分光信号上面的调制格式是NRZ-OOK、RZ-OOK、QPSK或者16QAM，并输出。

其中：小色散、低噪声情况下，可以根据频率直方图的极大值个数和相对大小来判断：包括“0”极大值(十分靠近0，但不一定严格等于0)在内，OOK信号有2个极大值，QPSK信号有3个极大值，16QAM信号有9个极大值；

对于NRZ-OOK和RZ-OOK的区分可以根据0极大和非零极大的比值来判断，NRZ-OOK的比值最小，2/3RZ-OOK，1/2RZ-OOK，1/3RZ-OOK的0极大与非零极大的比值依次增加。

大色散、高噪声情况下，所有信号的频率直方图都坍缩为只有一个“0”极大值，但是不同调制格式信号的频率直方图聚集程度不同。

16QAM、QPSK、NRZ-OOK、2/3RZ-OOK、1/2RZ-OOK、1/3RZ-OOK频率直方图的聚集程度依次增加。

因此，可以根据频率直方图的带宽进行调制格式识别，为了确保调制格式识别的准确度，可以选择3dB、10dB和20dB三个带宽进行判断。

在本发明中，延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离或者基于硅基集成的光学器件实现；延时自相干干涉仪两臂之间的延时差可以设定为固定值，也为可以调谐值，利用可调谐延时差，可以收集多组数据进行非线性噪声和自发辐射噪声的区分，能够提高调制格式区分的准确度；延时自相干干涉仪两臂之间的延时差无论是固定值还是可调谐值，延时差的取值范围都需要在光信号的码元周期和光源的相干时间之间。

另外，每当完成一次延时调节后，需要固定当前延时差一段时间，以保证***完成后续数据采集。

如图2所示，当延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离的光学器件时，假设进入第一个3dB耦合器的光信号的光场表示为：

其中，S(t)为调制信号和噪声引起的光场变化；

表示光源线宽等因素的慢变相位变化；j为单位虚数；t为时间自变量；经过第一个3dB耦合器之后，两路光信号的光场分别表示为：

其中，E₁(t)为上臂光信号的光场，E₂(t)为下臂光信号的光场，

和

分别表示第一个3dB耦合器在上、下两支上引起的相位变化；经过码元延时模块后，两路光信号到达第二个3dB耦合器后的光场分别表示为：

其中，τ表示码元延时模块引起的延时差，

和

表示上臂和下臂所在链路其他部分引起的相位变化；那么，到达光探测器的合光强I₀(t)可以表示为：

其中，I(t)为入射光强度随时间的变化，I(t-τ)为延时τ之后的信号光强度随时间的变化；S(t-τ)为延时τ之后的光场包络；

(t-τ)为延时τ之后的光场固有相位变化；

与直接检测相比，基于延时自相干的直接检测引入了额外的项，即

其中，第一个中括号中的项，反映调制信号和噪声对光强度的影响；第二个中括号中的项表示光源线宽对光强度的影响；第三个中括号中的项表示延时自相干干涉仪中两个3dB耦合器引起的相位差对光强度的影响。

一般说来，3dB耦合器引起的相位差是固定的，光源相位噪声引起的光强度变化慢于调制信号和噪声，因此，我们实际检测到的是调制信号延时自相干后的光强变化。不同调制格式的光信号，其延时自相干强度变化不同，所以我们可以根据延时自相干强度的变化特征，通过算法处理识别信号的调制格式。

在本发明中，步骤S30具体为：

对采样电路输出的采样结果进行统计分析；

需要说明的是，本发明采用的光探测器、放大电路和采样电路的最小带宽(3dB)应当大于信号波特率的一半。

如图3所示，本发明提供的一种光信号调制格式的识别装置，包括：

光功率耦合器10，用于从光信号中提取部分光；

延时自相干干涉仪20，用于对提取的部分光进行延时自相干干涉处理.得到第一光信号；

光探测器30，用于将第一光信号转换为电信号；

采样电路50，用于对电信号进行采样，得到采样结果，将模拟信号转换为数字信号；

信号强度分布统计模块60，用于对采样结果进行分布统计分析，即根据数字信号的大小范围，将采样结果分为若干段，统计每一个分段上采样值的频率，得到信号强度分布统计结果；

频率直方图特征提取与分析模块70，用于根据信号强度分布统计结果绘制干涉光强度的频率直方图，并提取频率直方图中与信号调制格式识别相关的特征参数；

调制格式类型识别模块80，用于根据从频率直方图中提取出来的特征参数，判断光信号调制格式，并输出结果。

在本发明中，还包括放大电路40，由于光探测器30输出的电信号为光电流信号，所以用于将光电流信号转换为电压信号，并对电压信号进行放大，使电压值与采样电路的工作电压范围匹配。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光信号调制格式识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S20、将第一光信号转换为电信号，并进行采样；

步骤S40、对干涉光强度分布的频率直方图的特征参数进行提取分析，根据所述特征参数来区分出光信号上的调制格式；

在步骤S10中，采用延时自相干干涉仪对提取的部分光进行延时自相干处理；所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间；

在步骤S40中，所述调制格式包括：NRZ-OOK、RZ-OOK、QPSK和16QAM；

所述根据所述特征参数来区分出光信号上的调制格式具体包括：小色散、低噪声情况下，根据频率直方图的极大值个数和相对大小来判断；对于NRZ-OOK和RZ-OOK的区分根据零极大和非零极大的比值来判断；大色散、高噪声情况下，根据频率直方图的带宽进行调制格式识别。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S30包括以下步骤：

对采样电路输出的采样结果进行统计分析；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S10中，采用95:5的功率耦合器从光信号中提取5％的光。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时自相干干涉仪采用基于光纤耦合器和分离或者基于硅基集成的光学器件实现。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差为固定值或者可调谐值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S20中，在进行采样前，通过放大电路对由光信号转化得到的电信号进行放大，使电压值与进行采样的模数转换器的工作电压范围匹配。

7.一种光信号调制格式的识别装置，其特征在于，包括：

光功率耦合器，用于从光信号中提取部分光；

延时自相干干涉仪，用于对提取的部分光进行延时自相干干涉处理，得到第一光信号，所述延时自相干干涉仪两臂之间的延时差大于光信号的码元周期，且小于光源相干时间；

光探测器，用于将所述第一光信号转换为电信号；

采样电路，用于对所述电信号进行采样，得到采样结果；

频率直方图特征提取与分析模块，用于根据所述信号强度分布统计结果绘制干涉光强度的频率直方图，并提取频率直方图中与信号调制格式识别相关的特征参数；

调制格式类型识别模块，用于根据所述特征参数，识别出光信号的调制格式，所述调制格式包括：NRZ-OOK、RZ-OOK、QPSK和16QAM；

所述根据所述特征参数，识别出光信号的调制格式具体包括：小色散、低噪声情况下，根据频率直方图的极大值个数和相对大小来区分调制格式；对于NRZ-OOK和RZ-OOK的区分根据零极大和非零极大的比值来判断；大色散、高噪声情况下，根据频率直方图的带宽进行调制格式识别。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光探测器、放大电路和采样电路的最小带宽大于信号波特率的一半。