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光信号监测中异步延时成对抽样法研究

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随着全光纤通信技术的发展,全光交叉互联和全光分插复用器等器件在现代高容量光通信网络中的应用,如何精确、快速地监控光通道中光传输信号的质量,已经成为光纤通信中一个关键研究课题[1-2]。评估光信号质量的最终指标是误码率(BER),而误码率是所有物理因素对光信号损伤[3]的综合体现,并无法从误码率中去判断究竟是由何种损伤产生的误码。通常眼图可以作为评估光信号质量的一个重要工具,从眼图中可以获得丰富的关于信号损伤的信息。但是,获得同步眼图或者同步幅度直方图需要在光接收端进行时钟信号的提取。而当今光通信网络正向着对传输信号速率、调制格式、码型透明的开放式光网络[4]发展,这就增大了时钟信号的电域提取难度,进而使得传统的BER测量方式受到限制。近年来,在光域内通过抽样测量光信号质量的方法得到国内外学者的重视,主要包括:通过时钟提取,采用频差抽样来测量信号眼图的同步光抽样法;对信号抽样作幅度直方图统计分析,估算信号BER和Q参数的异步光抽样法。这两种方法比较而言,异步抽样的幅度直方图[5-6]对色散(CD)、偏振模色散[7-8](PMD)、光信噪比(OSNR)等都有相当的敏感度,可以用来评估光信号的质量。本文在异步抽样的基础上,采用延时成对抽样获得相图,根据相图来实现光信号质量的监测。

1 异步抽样方法

1.1 异步抽样方法与同步抽样方法的比较

同步抽样和异步抽样都可以获得信号的二维幅度直方图。两者的区别在于:一是,异步抽样时不需要进行时钟提取;二是,同步抽样所获得的幅度直方图中对于高电平和低电平之间的交叉区域基本没有计数,而异步抽样得到的幅度直方图中有包含有高电平和低电平之间的交叉区的相应计数点。因此,异步抽样获得的幅度直方图对色散、偏振模色散、光信噪比等损伤更加的敏感,可以用来进行光信号质量的评估。

1.2 异步光抽样的软件仿真

本研究中首先采用了基于异步抽样的软件同步方法,通过对异步抽样数据做频谱分析,可以提取出离散数据中的时钟信息,以该时钟信息作为触发信号可以恢复出信号的眼图。异步抽样的软件同步方法结合了同步抽样和异步抽样的优点,在光信号监测技术中具有很高的应用价值。其仿真实验装置如图1所示。

在该仿真实验中,发送端使用伪随机序列生成器来模拟产生速率为B=2.5 Gbit·s-1的原始数据信号,利用马赫曾德尔调制器[9]进行光载波调制后送入光纤链路进行传输,在接收端进行完电光转换后,以抽样脉冲频率fs=1.7 GHz对信号进行抽样,抽样得到的数据送入MATLAB进行数据处理,即得到异步抽样的信号眼图。

2 异步延时成对抽样法

本文在异步抽样的基础上再进行延时成对抽样,即将接收端信号通过一个已知延时Δt进行成对的抽样分离,如图2所示。

在图2(a)中Ts为成对抽样的间隔时间,它是与监测信号速率无关的。Δt为每一次成对抽样中两个采样点间的延时间隔。采样之后得到两组采样序列X(x1,x2,x3,...,xn)和Y(y1,y2,y3,...,yn),其中xi和yi即为每次成对抽样得到的一对样值,以这两组序列中的x值为横坐标,y值为纵坐标画图,可以绘制出图2(b)所示的相图,该相图与眼图的复杂性是类似的,但是不需要时钟恢复[10]。相图与眼图的一个根本区别是,相图包含了通过长时间采样分离构造出来的有关密集样值的概率分布,或等值分布的斜率,而这个信息在眼图中并没有出现。通过对这个相图进行观测就可以了解到此时光信号的一些损伤情况。异步采样技术表明,它是可以用来同时测量多个并发损伤的。

3 异步延时成对抽样法的仿真分析

仿真实验装置如图3所示:在发送端,首先将为随机序列送入NRZ脉冲成型器中,产生比特率B=10 Gb·s-1的电域信号,则该信号脉冲时间间隔T=0.1 ns,将该电域信号通过双臂马赫曾德尔调制器调制到光载波上,完成光信号的发射。光纤通道的长度为50 km,通过设置光纤的参数可以得到不同的损伤程度的接收信号。在接收端,以抽样速率fs=2 GHz进行成对延时抽样,延时间隔为Δt,最后将抽样得到的信号好送入MATLAB进行数据处理,绘制出接收信号相图。

根据图3的仿真图,分别调整延时间隔Δt,色散值D,偏振模色散PMD则可得到不同的接收信号,对接收信号使用MATLAB进行数据处理,得到不同参数下的相图,如图4所示。

图4中的(a)、(d)、(g)图分别显示了不同延时成对抽样下没有光学损伤的相图结果,该相图具有明确的几何形状。图4中的(b)、(e)、(h)图分别显示了不同延时下伴随有40 ps的一阶PMD损伤的相图,该组相图的曲线斜率相对增大。图4中的(c)、(f)、(i)图分别显示了不同延时下伴随有800 ps·(nm·km)-1色散损伤的相图,在该相图中可以看出,色散引起了相图曲线斜率的变化更为明显,因此通过该斜率变化可以实现对光信号色散损伤的直观监测。

4 结论

本文提出的基于异步成对抽样方法,可以在不需要时钟提取的情况下,对光网络的信号性能进行监测。根据异步延时成对抽样得到的相图,可以更为直观的观测到光信号的损伤情况,实现对多个物理损伤因素的监测和感知。本研究由于实验次数较少并没有给出一种定量的损伤算法,在今后的研究中可以通过大量训练得到系统的参考相图,再将实际获得的相图与参考相图进行比较,来定量的估算损伤的大小。

参考文献

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