一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法
1.本發明屬于數字信號處理領域，特別是涉及基于雙脈沖混頻的線性光采樣方法。
背景技術：
2.目前，隨著長距離光傳輸和數據中心互聯中數據傳輸速率的提高，光信號的有效表征加速了光網絡的維護、管理和發展。由于使用高速光電探測器和模數轉換器，傳統的電采樣技術可能會在可測量范圍、精度和資本支出方面陷入瓶頸。低成本的光采樣技術移除了高速設備。通常，光采樣技術可分為非線性光學采樣和線性光學采樣。然而由于非線性效應的高泵浦功率和固有的低能量效率，非線性光采樣的靈敏度較差。此外，非線性光采樣無法獲得光信號的相位信息，這限制了光采樣的應用范圍。
3.線性光采樣通過將短脈沖的門控功能與信號結合，利用相干零差混頻進行采樣來實現線性光學過程。通過90
°
混頻器和平衡探測器完成待測光的相干采樣，在線性過程之后，可以配備低速平衡光電探測器進行光電轉換和分析，再與數字信號處理模塊相結合實現高速光信號的信息的采集。數字信號處理模塊對脈沖周期內峰值點進行提取，通過歸一化和正交化以消除符號間干擾，然后經由偏振分復用、頻偏估計和載波相位恢復來恢復信號，最后對信號進行精確的周期估計，包括粗周期計算和軟件時鐘同步。
4.現有的線性光采樣方法是將待測信號與采樣脈沖通過90
°
混頻器進行相干混頻，再通過平衡探測器完成待測光的相干采樣。線性光采樣方法中首選鎖模光纖激光器技術，由分離裝置組成的鎖模光纖激光器限制了重復頻率，從而在振蕩環中保留了幾米長的單模光纖，這增加了待測信號的測量時間。又由于待測信號的頻率偏移，采樣脈沖的重復頻率限制了測量范圍。此外，定時偏差和信號線寬對實時眼圖恢復有重大影響，尤其是對于高速信號和高級調制格式，因而重復頻率同時限制了基于鎖模光纖激光器的線性光采樣系統的表征性能。因此，迫切需要一種同時提高測量范圍和縮短測量時間的線性光采樣方法。
技術實現要素：
5.本發明的主要目的是提供一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，利用光纖延遲線和光耦合器來增加本振光的重復頻率，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，再借助協同峰值提取算法識別得到混頻信號中同一周期的兩個峰值，并提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度，優化對應的數字信號處理過程，進而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。
6.本發明的目的是通過如下技術方案實現的：
7.本發明公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，包括如下步驟：
8.步驟一：將光纖頻率梳作為本振光，利用光纖延遲線和光耦合器來增加本振光的重復頻率，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，混頻信號再經由相干檢測、模數轉換得到對應的數字信號。
9.將光纖頻率梳作為本振光，本振光由1:n光耦合器分隔開，每一段通過一條具有唯一長度的光纖延遲線，然后與另一段光纖延遲線相結合，確保混合的脈沖時域不會重疊，并與待測信號在90
°
混頻器中混頻，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，混頻信號再通過平衡探測器進行相干檢測，經由模數轉換器轉換得到對應的數字信號。
10.步驟二：通過協同峰值提取算法識別得到步驟一得到的信號中同一周期的兩個峰值，并提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度。
11.通過協同峰值提取算法識別步驟一采樣后信號，在第一個周期中到兩個峰值的位置，到第一個峰值及其位置，位置用x表示。為了消除該脈沖峰值對另一個脈沖峰值的影響，通過協同峰值提取算法刪除間隔之間的點[x-w/2,x+w/2]。再到另一個峰值及其位置，位置用y表示。
[0012]
根據x和y的大小決定協同峰值提取算法的搜索順序，如果y》x，協同峰值提取算法將以兩個不同的間隔交叉搜索峰值，將按照δt，t
–
δt的順序搜索識別。相反，如果y《x,然后，協同峰值提取算法將按照t-δt，δt的順序搜索識別，其中δt表示時間偏差，t表示一個脈沖周期。按照上述搜索順序提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度。
[0013]
步驟三：對步驟二提取的兩個峰值序列分別進行歸一化、正交化、偏振解復用、頻率估計、相位恢復和周期估計的預處理。對峰值序列首先進行歸一化、正交化，通過歸一化和正交化以消除符號間干擾。再經由恒模算法均衡消除雙折射效應帶來的信號畸變進行偏振解復用。之后進行頻偏估計和相位估計實現載波恢復。再利用基于線性調頻z變換的軟件同步算法精確估計峰值序列的信號周期，以消除線性光采樣系統引起的定時誤差。將處理后得到的脈沖序列進行整合繪制精確眼圖，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。
[0014]
本發明還公開一種基于雙脈沖混頻的線性光采樣系統，用于實現所述一種基于雙脈沖混頻的線性光采樣方法，所述一種基于雙脈沖混頻的線性光采樣系統包括光纖頻率梳、光纖延遲線、光耦合器、90
°
混頻器、四個平衡探測器、四通道模數轉換器和采樣脈沖數字信號處理模塊。
[0015]
光纖頻率梳作為本振光。將光纖頻率梳作為本振光，本振光由1:n光耦合器分隔開，每一段通過一條具有唯一長度的光纖延遲線，然后與另一段光纖延遲線相結合，確保混合的脈沖時域不會重疊，并與待測信號在90
°
混頻器中混頻，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，混頻信號再通過四個平衡探測器進行相干檢測，經由四通道模數轉換器轉換得到對應的數字信號。
[0016]
在采樣脈沖數字信號處理模塊中，通過協同峰值提取算法識別采樣后信號中同一周期的兩個峰值，并提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度。在采樣脈沖數字信號處理模塊的后續部分中，根據協同峰值提取算法識別的峰值順序，將兩個峰值序列用序列1和序列2表示。再對峰值序列進行歸一化、正交化、偏振解復用頻率估計、相位恢復和周期估計的預處理。通過歸一化和正交化以消除符號間干擾，再經由恒模算法均衡消除雙折射效應帶來的信號畸變進行偏振解復用。之后進行頻偏估計和相位估計實現載波恢復。再利用基于線性調頻z變換的軟件同步算法精確估計
峰值序列的信號周期，以消除線性光采樣系統引起的定時誤差。將處理后得到的脈沖序列進行整合繪制精確眼圖，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。
[0017]
有益效果：
[0018]
1、本發明公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，利用光纖延遲線和光耦合器來增加本振光的重復頻率，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，利用協同峰值提取算法識別步驟一得到的信號中同一周期的兩個峰值，并提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度，優化對應的數字信號處理過程，進而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。
[0019]
2、本發明公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，采用光纖延遲線和光耦合器來增加本振光的重復頻率，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，提高采樣質量。
[0020]
3、本發明公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，該方法識別得到混頻信號中同一周期的兩個峰值，并根據峰值位置按一定的搜索順序提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度
[0021]
4、本發明公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，通過歸一化和正交化以消除峰值序列的符號間干擾。再經由恒模算法均衡進行偏振解復用消除雙折射效應帶來的信號畸變。通過頻偏估計和相位估計實現載波恢復。再利用基于線性調頻z變換的軟件同步算法精確估計峰值序列的信號周期，消除線性光采樣系統引起的定時誤差。通過整合處理后得到的脈沖序列進行精確眼圖的繪制，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號表征。
附圖說明
[0022]
圖1為本發明提供的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法的流程示意圖。
[0023]
圖2為本發明提供的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法的系統結構圖。
[0024]
圖3為本發明提供的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法流程示意圖。
[0025]
圖4為本發明提供的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法流程示意圖。
具體實施方式
[0026]
結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，所述實施例僅為本發明的一部分實施例而非全部。基于本發明中的實施例，本領域普通人員未做出創造性勞動的前提下所獲得其他所有實施例，均屬于本發明的保護范圍。
[0027]
如圖1所示，本實施例公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，具體實現步驟如下：
[0028]
s1，利用被動鎖模激光器產生寬帶光纖頻率梳，作為本振光源產生脈沖本振光。通過光耦合器將本振光分隔，并分別通過一段光纖延遲線，確保混合的脈沖時域不會重疊，然后與另一段結合，進而提高脈沖本振光的重復頻率。增加重復頻率后的脈沖本振光與待測信號進行雙脈沖混頻，通過1.5m的光纖延遲線及50：50光耦合器的本振光與待測信號在90
°
混頻器中相干混頻，并通過四個平衡光電探測器進行光電轉換和分析，再經由四通道模數
轉換器進行模數轉換。
[0029]
該線性光采樣方法的系統結構如圖2所示，包括一臺定制的工作頻率99.945mhz(增益頻譜寬度20nm)的被動鎖模激光器，一臺可調的光學帶通濾波器，多段長度1.5m的單模光纖，一部50：50光耦合器，一部四通道模數轉換器，一臺任意波形信號發生裝置，一部90
°
混頻器，四部低速平衡探測器以及一臺示波器。被動鎖模激光器輸出1560nm的頻率穩定可調的脈沖激光，單模光纖作為光纖延遲線，結合光耦合器提高脈沖重復頻率。濾波器濾除脈沖光譜中多余的光譜成分，提升脈沖相干性。通過90
°
混頻器將待測信號與提高重復頻率后的脈沖本振光相干混頻，經過平衡探測器得到四路信號。四通道模數轉換器對四路信號進行模數轉換后，進行數字信號處理。
[0030]
s2，對模數轉換后的混頻信號進行峰值提取。峰值提取方法的流程示意如圖3所示。通過圖3所示的峰值提取方法完成峰值序列識別以及提取，具體包括：
[0031]
在第一個周期中到兩個峰值的位置。到第一個峰值及其位置，位置用x表示。同時為了消除該脈沖對另一個脈沖峰值的影響，峰值提取算法刪除間隔之間的點[x-w/2.x+
[0032]
w/2]，w為脈沖寬度。再到另一個峰值及其位置，位置用y表示。
[0033]
根據x和y的大小決定峰值提取算法的搜索順序。如果y》x,峰值提取算法將以兩個不同的間隔交叉搜索峰值，將按照δt，t
–
δt的順序搜索識別，其中δt表示時間偏差，t表示一個脈沖周期。相反，如果y《x,然后，峰值提取算法將按照t-δt，δt的順序搜索識別。根據峰值提取算法識別的順序，將兩個峰值序列用序列1和序列2表示并分別提取。
[0034]
s3，對數字信號處理模塊提取出的兩個峰值序列分別進行歸一化、正交化、偏振解復用、頻偏估計、載波相位恢復，通過整合處理后得到的脈沖序列進行精確眼圖的繪制，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。基于雙脈沖混頻的數字信號處理流程示意如圖4所示，具體包括：
[0035]
由數字信號處理模塊分別提取峰值序列1和峰值序列2。由于通常的90
°
混頻器會有一定的相位失配，信號輸出并非完全正交，因此峰值提取之后，分別對兩個峰值序列進行歸一化、正交化。通過歸一化和正交化以消除符號間干擾，再經由恒模算法均衡進行偏振解復用消除雙折射效應帶來的信號畸變。之后進行頻偏估計和相位估計實現載波恢復。再利用基于線性調頻z變換的軟件同步算法精確估計峰值序列的信號周期，以消除線性光采樣系統引起的定時誤差。將處理后得到的脈沖序列進行整合，繪制精確眼圖，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。
[0036]
以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
技術特征：
1.一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，其特征在于：包括如下步驟，步驟一：將光纖頻率梳作為本振光，利用光纖延遲線和光耦合器來增加本振光的重復頻率，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，混頻信號再經由相干檢測、模數轉換得到對應的數字信號；步驟二：通過協同峰值提取算法識別得到步驟一得到的信號中同一周期的兩個峰值，并提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度；步驟三：對步驟二提取的兩個峰值序列分別進行歸一化、正交化、偏振解復用、頻率估計、相位恢復和周期估計的預處理；對峰值序列首先進行歸一化、正交化，通過歸一化和正交化以消除符號間干擾；再經由恒模算法均衡消除雙折射效應帶來的信號畸變進行偏振解復用；之后進行頻偏估計和相位估計實現載波恢復；再利用基于線性調頻z變換的軟件同步算法精確估計峰值序列的信號周期，以消除線性光采樣系統引起的定時誤差；將處理后得到的脈沖序列進行整合繪制精確眼圖，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號測量。2.如權利要求1所述的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，其特征在于：步驟一實現方法為，將光纖頻率梳作為本振光，本振光由1:n光耦合器分隔開，每一段通過一條具有唯一長度的光纖延遲線，然后與另一段光纖延遲線相結合，確保混合的脈沖時域不會重疊，并與待測信號在90
°
混頻器中混頻，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，混頻信號再通過平衡探測器進行相干檢測，經由模數轉換器轉換得到對應的數字信號。3.如權利要求2所述的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，其特征在于：步驟二實現方法為，通過協同峰值提取算法識別步驟一采樣后信號，在第一個周期中到兩個峰值的位置，到第一個峰值及其位置，位置用x表示；為了消除該脈沖峰值對另一個脈沖峰值的影響，通過協同峰值提取算法刪除間隔之間的點[x-w/2.x+w/2]；再到另一個峰值及其位置，位置用y表示；根據x和y的大小決定協同峰值提取算法的搜索順序，如果y>x，協同峰值提取算法將以兩個不同的間隔交叉搜索峰值，將按照δt，t
–
δt的順序搜索識別；相反，如果y<x,然后，協同峰值提取算法將按照t-δt，δt的順序搜索識別，其中δt表示時間偏差，t表示一個脈沖周期；按照上述搜索順序提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度。4.如權利要求1、2或3所述的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，其特征在于：基于一種基于雙脈沖混頻的線性光采樣系統實現，所述一種基于雙脈沖混頻的線性光采樣系統包括光纖頻率梳、光纖延遲線、光耦合器、90
°
混頻器、四個平衡探測器、四通道模數轉換器和采樣脈沖數字信號處理模塊；光纖頻率梳作為本振光；將光纖頻率梳作為本振光，本振光由1:n光耦合器分隔開，每一段通過一條具有唯一長度的光纖延遲線，然后與另一段光纖延遲線相結合，確保混合的脈沖時域不會重疊，并與待測信號在90
°
混頻器中混頻，通過將增加重復頻率后的本振光與待測信號混合進行相干混頻來增加采樣點的數量，混頻信號再通過四個平衡探測器進行相
干檢測，經由四通道模數轉換器轉換得到對應的數字信號；在采樣脈沖數字信號處理模塊中，通過協同峰值提取算法識別采樣后信號中同一周期的兩個峰值，并提取出對應的峰值序列，避免間隔窄的雙脈沖對峰值提取過程的影響，從而提高采樣速度；在采樣脈沖數字信號處理模塊的后續部分中，根據協同峰值提取算法識別的峰值順序，將兩個峰值序列用序列1和序列2表示；再對峰值序列進行歸一化、正交化、偏振解復用頻率估計、相位恢復和周期估計的預處理；通過歸一化和正交化以消除符號間干擾，再經由恒模算法均衡消除雙折射效應帶來的信號畸變進行偏振解復用；之后進行頻偏估計和相位估計實現載波恢復；再利用基于線性調頻z變換的軟件同步算法精確估計峰值序列的信號周期，以消除線性光采樣系統引起的定時誤差；將處理后得到的脈沖序列進行整合繪制精確眼圖，從而實現快速的眼圖構建和精確的信號表征。
技術總結
本發明公開的一種基于雙脈沖混頻的快速光信號表征方法，屬于數字信號處理領域。用于實現本發明的采樣系統包括光纖頻率梳、光纖延遲線、光耦合器、90
