基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置及方法
技术领域
本发明涉及强度调制光信号眼图测量领域，特别是涉及基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置及方法。
背景技术
随着光纤通信系统的容量快速提升，高级调制格式应用受到广泛关注。多级幅度调制信号出现，特别是四电平脉冲幅度调制(PAM-4)信号有望成为未来超大容量光互连的优选调制格式。对于强度调制信号，精确测量眼图对分析光信号质量非常关键。传统电域上的信号眼图测量技术已经很成熟，但主要受限于硬件带宽。特别对于高速强度调制光信号，需要大带宽光电探测器(PD)和高速模数转换器(ADC)。例如使用实时采样示波器测量56GbaudPAM-4信号眼图时，需要一个40GHz以上带宽的光电探测器和相应的高速模数转换器，这对硬件产生了巨大的压力，测量成本很高。全光采样使用窄脉宽、低重复频率的光脉冲序列在光域上对待测光信号进行采样，只需窄带光电探测器和低速模数转换器即可实现高速信号准确采样，有效地突破了传统测量的电子瓶颈。测量强度调制信号眼图一般利用高非线性光纤和半导体放大器的非线性效应进行非线性光采样，但该技术由于非线性效应存在固有的低转换效率导致采样系统灵敏度较低。
线性光采样借鉴于相干探测，利用90°混频器和平衡探测器在光域上对待测光信号进行相干采样，可以极大提升采样灵敏度，结合数字信号处理(DSP)可以实现高带宽、高分辨率和高保真度的光采样，通常用于探测具有相位调制的高速信号。使用线性光采样技术只需几百MHz带宽的光电探测器和低速模数转换器即可测量56GbaudPAM-4信号眼图。
现有线性光采样装置如图1所示，基本原理为：待测光信号与采样光脉冲在90°混频器中进行混频，输出四路混合信号，经两个窄带宽平衡探测器进行光电转换分别输出同相分量(I)和正交相分量(Q)，进行低速数模转换后即可进行相应数字信号处理算法得到待测信号的强度、相位等信息。如果待测信号带有偏振调制，则须在待测光信号与采样光脉冲进入90°混频器前添加偏振分束器(PBS)，并增加同等采样结构。现有线性光采样装置需要使用昂贵的90°混频器和多个平衡探测器，造成系统成本高，与传统电域采样相比竞争力不高，无法推广应用，不适合实际测量单一强度调制光信号。采样精准度很依赖平衡探测器的共模抑制比，平衡探测器的响应度不平衡对采样影响大且不易调节。因此实际应用中，希望基于简化线性光采样架构和相应的数字信号处理方法对高速强度调制信号进行眼图测量。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提出了基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置及方法，解决现有线性光采样装置存在的成本高的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置，包括待测信号输入端、本振脉冲光源，所述待测信号输入端、本振脉冲光源均连接到3×3光耦合器，所述3×3光耦合器的输出分为三路，其中第一路输出经光电探测器一、模数转换器一连接到数字信号处理单元，第二路输出经光电探测器二、模数转换器二连接到数字信号处理单元，第三路输出经光电探测器三、模数转换器三连接到数字信号处理单元。
进一步的，所述待测信号输入端与3×3光耦合器之间连接有偏振控制器一，本振脉冲光源与3×3光耦合器之间连接有偏振控制器二。
进一步的，所述数字信号处理单元包括依次连接设置的分量恢复子单元、幅值补偿子单元、峰值提取子单元、眼图重建子单元、眼图测量子单元；
所述分量恢复子单元用于恢复混合信号中同相分量和正交相分量；
所述幅值补偿子单元用于消除本振脉冲光与待测待测强度调制光信号间的频偏和相偏的影响；
所述峰值提取子单元用于提取与实际待测信号采样点相符的有效数值点。
进一步的，所述3×3光耦合器的功率分配比为1:1:1。
进一步的，所述光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三均为单端光电探测器。
进一步的，所述模数转换器一、模数转换器二、模数转换器三均为低速模数转换器。
基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量方法，具体包括以下步骤：
S1：将待测强度调制光信号与本振脉冲光源一起输入到3×3光耦合器进行混频；
S2：3×3光耦合器输出三路混合光信号分别由光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三转换为三路电信号；
S3：三路电信号再分别经过模数转换器一、模数转换器二、模数转换器三进行转换得到三路数字信号；
S4：三路数字信号输入到数字信号处理单元，经信号分析、处理后得到待测信号眼图的分析信息。
进一步的，S1中所述本振脉冲光源发出的采样光脉冲的光谱，与待测强度调制光信号的光谱充分重叠，且采样光脉冲的3dB带宽大于待测强度调制光信号的两倍。
进一步的，S4中在所述数字信号处理单元进行的具体处理步骤包括：
S41：通过数字信号处理，恢复出混合信号的同相分量和正交相分量；
S42：对上述恢复的两路信号信号进行幅值补偿；
S43：从采样点幅值中提取峰值点作为实际采样值；
S44：将提取的峰值点进行方差变换、快速傅里叶变换，得到等效采样周期数S，重建待测信号眼图；
S45：根据重建的信号眼图进行眼图测量。
进一步的，S44中将峰值点进行方差变换、快速傅里叶变换后得到的等效采样周期数S是粗略的采样周期数S，进一步的，在[S-0.5,S+0.5]范围内进行线性调频Z变换，得到准确的等效采样周期数，然后重建待测信号眼图。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明提出的基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置及方法，基于线性光采样进行信号眼图测量，突破了传统电域测量的电子瓶颈，灵敏度高，且具有高保真度和高分辨率；利用3×3光耦合器和单端光电探测器代替90°混频器和平衡探测器，降低了线性光采样系统成本；采样光脉冲的重复频率远低于待测信号的信号速率，只需400MHz带宽的光电探测器和5GS/s采样率的模数转换器即可完成PAM-4光信号的眼图精确测量，大大低于传统电域测量的硬件要求，降低了硬件开销；光电探测器不平衡度易补偿，简单可靠；满足采样光脉冲的光谱与待测信号的光谱充分重叠，且采样脉冲的3dB带宽大于待测信号的两倍时，可测量多波长PAM-4光信号，对采样光脉冲功率要求低且对采样脉冲的频偏和相偏不敏感，降低了对本振脉冲光源的要求。
附图说明
图1为现有线性光采样装置的原理图；
图2为本发明实施例所述基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置的原理图；
图3为本发明实施例所述的56GbaudPAM-4光信号仿真测试中恢复的同相分量和正交相分量时序图；
图4为本发明实施例所述的56GbaudPAM-4光信号仿真测试中提取的与实际采样点相符的峰值点；
图5为本发明实施例所述的56GbaudPAM-4光信号仿真测试的重建眼图。
图中：
1、待测信号输入端；2、本振脉冲光源；3、偏振控制器一；4、偏振控制器二；5、3×3光耦合器；6、光电探测器一；7、光电探测器二；8、光电探测器三；9、模数转换器一；10、模数转换器二；11、模数转换器三；100、数字信号处理单元；101、分量恢复子单元；102、幅值补偿子单元；103、峰值提取子单元；104、眼图重建子单元；105、眼图测量子单元。
具体实施方式
展示一下实例来具体说明本发明的某些实施例，且不应解释为限制本发明的范围。对本发明公开的内容可以同时从材料、方法和反应条件进行改进，所有这些改进，均应落入本发明的精神和范围之内。
如图2所示，本申请的基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置，特别是四电平脉冲幅度调制(PAM-4)信号眼图测量，包括有待测信号输入端1、本振脉冲光源2，所述待测信号输入端1经偏振控制器一3连接到3×3光耦合器5的输入端，本振脉冲光源2经偏振控制器二4也连接到3×3光耦合器5的输入端，偏振控制器一3、偏振控制器二4分别对待测PAM-4光信号、采样光脉冲进行偏振调节使得其偏振方向与光信号保持一致；所述3×3光耦合器5的输出分为三路，所述3×3光耦合器5的功率分配比为1:1:1，其中第一路输出经光电探测器一6、模数转换器一9连接到数字信号处理单元100，第二路输出经光电探测器二7、模数转换器二10连接到数字信号处理单元100，第三路输出经光电探测器三8、模数转换器三11连接到数字信号处理单元100；所述光电探测器一6、光电探测器二7、光电探测器三8均为单端光电探测器，单端光电探测器采用400MHz带宽的光电探测器，所述模数转换器一9、模数转换器二10、模数转换器三11均为低速模数转换器，模数转换器采用5GS/s采样率的模数转换器，大大低于传统电域测量的硬件要求，降低硬件成本。
将待测PAM-4光信号输入待测信号输入端1，对本振脉冲光源2发出的采样光脉冲的脉宽和重复频率进行调节，使采样脉冲适合待测PAM-4光信号，待测PAM-4光信号经偏振控制器一3进行偏振调节，采样光脉冲经偏振控制器二4进行偏振调节使得其偏振方向与光信号保持一致，然后分别输入3×3光耦合器55的第一输入口和第三输入口进行混频，三路输出光束分别经光电探测器一6、光电探测器二7、光电探测器三8进行光电探测，使光信号转为电信号，再使用数模转换器一9、数模转换器二10和数模转换器三11进行模数转换，得到三路数字信号输入数字信号处理单元(也即图2中的DSP)100实现分析方法。
在本实施例中，所述数字信号处理单元100包括依次连接设置的分量恢复子单元101、幅值补偿子单元102、峰值提取子单元103、眼图重建子单元104、眼图测量子单元105；所述分量恢复子单元101用于恢复混合信号中同相分量和正交相分量；所述幅值补偿子单元102用于消除本振脉冲光与待测待测强度调制光信号间的频偏和相偏的影响；所述峰值提取子单元103用于提取与实际待测信号采样点相符的有效数值点；眼图重建子单元104的处理过程包括：首先对峰值点进行方差变换然后进行快速傅里叶变换，得到粗略的等效采样周期数S，在[S-0.5,S+0.5]范围内进行8192点的线性调频z变换，得到精确的等效采样周期数，从而重建PAM-4信号眼图；眼图测量子单元105根据重建的信号眼图完成眼图测量，得到待测PAM-4光信号眼图的分析信息。
基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量方法，具体包括以下步骤：
S1：将待测强度调制光信号与本振脉冲光源2一起输入到3×3光耦合器5进行混频，本振脉冲光源2发出的采样脉冲为窄脉宽、低重复频率的采样光脉冲，采样光脉冲周期性采样待测强度调制光信号；
当采样脉冲和待测信号的光谱充分重叠，且采样脉冲的3dB带宽大于待测信号的两倍时，采样脉冲通过光耦合器在待测信号的不同位置进行采样，混合信号携带了待测信号的全场信息；
采样脉冲的脉宽决定了采样的分辨率，待测信号码元速率B和采样脉冲重复频率fS之间需要满足以下条件：
fS/(B-NfS)|＝M (1)
其中，B是待测信号的码元速率，fS是采样脉冲的重复频率，N是最接近B/fS的整数。M代表码元周期等效采样点，过大则导致采样周期过长，需要精确调节fS以改变M，使得尽可能多的码元包络位置被采样。
将待测光信号和采样光脉冲表示为：
其中，AS、ωS和
S2：3×3光耦合器5输出三路混合光信号分别由光电探测器一6、光电探测器二7、光电探测器三8转换为三路电信号；
功率分配比为1:1:1的3×3光耦合器5的输入和输出的电场关系表达式为：
其中转换系数
假设光电探测器一6、光电探测器二7、光电探测器三8的响应度均为R，得到三路混合信号经光电探测后的电流：
其中采样脉冲与待测信号的频偏Δω＝ωS-ωL，相偏
光电探测器一6、光电探测器二7、光电探测器三8探测的拍频信号光场强度与待测光信号场强度线性相关，约为2RAL/3倍，一般情况下，采样脉冲的幅值远大于待测信号，因此大幅提升了采样系统灵敏度，提升采样脉冲的功率可以使采样系统具有高灵敏度。
S3：三路电信号再分别经过模数转换器一9、模数转换器二10、模数转换器三11进行转换得到三路数字信号；三路数字信号输入到数字信号处理单元100，经信号分析、处理后得到待测信号眼图的分析信息。
具体的，所述数字信号处理单元100进行的具体处理步骤包括：
S41：通过数字信号处理，恢复出混合信号的同相分量II(t)和正交相分量IQ(t)；
S42：对上述恢复的两路信号信号进行幅值补偿；
其中P代表采样点幅值，PS是待测信号光功率，PL是采样光脉冲功率；
S43：从采样点幅值中提取峰值点作为实际采样值，确保与待测信号实际采样点吻合。因此当采样脉冲峰值功率恒定时，信号无论待测光信号与采样光脉冲的频偏、相偏有多大，采样峰值点始终与待测光信号功率保持一致；
S44：将提取的峰值点进行方差变换
仿真测试中，将波长为1552.52nm、峰值功率为4mW的待测56GbaudPAM-4光信号输入采样系统，调节采样光脉冲的脉宽为0.5ps，重复频率为100.19MHz，采样光脉冲的峰值功率稳定在4W，此时本振脉冲光源均功率为-6dBm。调节偏振控制器一3和偏振控制器二4使得信号光和采样光脉冲的偏振方向保持一致，附图3为分量恢复子单元101利用三路数字信号恢复出混合信号的同相分量和正交相分量，附图4为峰值提取子单元103提取得到的10000个采样峰值点，附图5为眼图重建子单元104得到的56GbaudPAM-4光信号眼图重建的仿真结果。
综上，本申请的基于线性光采样的强度调制光信号眼图测量装置，通过利用3×3光耦合器和单端光电探测器避免现有线性光采样装置中90°混频器和平衡探测器的使用，降低了线性光采样系统成本；采样光脉冲的重复频率远低于待测信号的信号速率，只需400MHz带宽的光电探测器和5GS/s采样率的模数转换器即可完成PAM-4光信号的眼图精确测量，大大低于传统电域测量的硬件要求，降低了硬件开销；信号的幅值补偿，简单可靠；满足采样光脉冲的光谱与待测信号的光谱充分重叠，且采样脉冲的3dB带宽大于待测信号的两倍时，可测量多波长PAM-4光信号，对采样光脉冲功率要求低且对采样脉冲的频偏和相偏不敏感，降低了对本振脉冲光源的要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
