一种基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法及系统

技术领域

本发明涉及相干光传输领域，具体涉及一种基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法及系统。

背景技术

随着光纤通信网络中对流量的需求不断增加，基于相干技术的光纤通信系统获得了越来越广泛的关注。在基于相干光技术的光纤通信系统中，IQ调制器是实现电信号到光信号幅度和相位映射的关键器件之一，其加载到IQ调制器上的I路(实部)和Q路(虚部)电信号的幅度和时延必须保持一致。与此同时，I路光信号和Q路光信号必须保持90°的相位差，从而保证相干光信号可以准确的在发射端发射出去，并在接收端可以完好的接收。随着现在单波长波特率和调制阶数的提升，IQ电信号幅度和时延的不一致，以及I路和Q路的相位偏差，会严重影响相干光传输系统的性能。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供一种可以方便地对IQ调制器的多个参数进行监测的基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法，该方法包括以下步骤：

生成单边带微扰电信号，并与需传输的电信号叠加后输入至IQ调制器；

分配预设比例范围的激光器光功率，直接与IQ调制器输出端分配的同一预设比例范围的光功率进行耦合，并进行光电转换和模数转换；

对模数转换后的数字信号进行数字信号处理，获取单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

一些实施例中，所述生成单边带微扰电信号，并与需传输的电信号叠加后输入至IQ调制器，包括：

利用预设编号的子载波，分别生成X偏振态上和Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号；

将X偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与X偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器；

将Y偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与Y偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器。

一些实施例中，利用预设编号的子载波，分别生成X偏振态上和Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，包括：

在X偏振态上，将预设长度的恒包络零自相关序列加载到第一预设编号的子载波上，生成X偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号；

在Y偏振态上，将同一预设长度的恒包络零自相关序列加载到第二预设编号的子载波上，生成Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号；

其中，第一预设编号的子载波和第二预设编号的子载波不重叠，且预设长度与第一预设编号和第二预设编号的子载波所包括的子载波数量一致。

一些实施例中，

所述第一预设编号的子载波为编号在96～106的子载波，所述第二预设编号的子载波为编号在112～122的子载波，所述预设长度为11。

一些实施例中，所述对模数转换后的数字信号进行数字信号处理，获取单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测，包括：

对数字信号进行降采样；

对采样的信号进行快速傅里叶变换，分别得到X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度；

基于IQ调制器参数建立神经网络，并根据X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度，对应获取X偏振态上和Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

一些实施例中，基于IQ调制器参数建立神经网络，并根据X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度，对应获取X偏振态上和Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测包括：

基于仿真的方式，针对X偏振态和Y偏振态，分别设置多组I路电信号和Q路电信号的时间差参数和幅度差参数，以及I路光信号和Q路光信号的相位差参数，以建立神经网络；

将X偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度加载到神经网络中，得到X偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以获取在该子载波和镜像子载波的幅度下，I路电信号和Q路电信号的时间差与幅度差，以及I路光信号和Q路光信号的相位差；

将Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度加载到神经网络中，得到Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以获取在该子载波和镜像子载波的幅度下，I路电信号和Q路电信号的时间差与幅度差，以及I路光信号和Q路光信号的相位差。

一些实施例中，将激光器1％～5％的光功率，直接与IQ调制器输出端分配的1％～5％的光功率进行耦合。

本发明第二方面提供一种可以方便地对IQ调制器的多个参数进行监测的基于微扰电信号的IQ调制器参数监测系统。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于微扰电信号的IQ调制器参数监测系统，包括：

发射信号模块，其用于输出需传输的电信号；

微扰信号模块，其用于生成单边带微扰电信号，并与所述需传输的电信号进行叠加；

IQ调制器，其用于接收叠加后的电信号；

激光器模组，其用于将预设比例范围的光功率直接输出至所述IQ调制器的输出端；

光耦合器模组，其用于将所述IQ调制器输出的光功率按同一所述预设比例范围分配，并将相应的光功率与所述激光器模组输出至所述IQ调制器的输出端的光功率进行耦合；

光电探测器，其用于对耦合的信号进行光电转换；

模数转换模块，其用于对光电转换后的信号进行模数转换；

数字信号处理模块，其用于对模数转换后的数字信号进行数字信号处理，获取单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

一些实施例中，所述微扰信号模块用于：

利用预设编号的子载波，分别生成X偏振态上和Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号；

将X偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与X偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器；

将Y偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与Y偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器。

一些实施例中，所述微扰信号模块用于：

在X偏振态上，将预设长度的恒包络零自相关序列加载到第一预设编号的子载波上，生成X偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号；

在Y偏振态上，将同一预设长度的恒包络零自相关序列加载到第二预设编号的子载波上，生成Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号；

其中，第一预设编号的子载波和第二预设编号的子载波不重叠，且预设长度与第一预设编号和第二预设编号的子载波所包括的子载波数量一致。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中的基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法，其通过在发射端产生单边带微扰电信号，然后将单边带电信号的I路和Q路分别与需要传输的I路和Q路电信号相结合。通过监测微扰电信号的频谱，就可以实时地同时监测IQ调制器的多个参量，即I路电信号和Q路电信号的幅度和时间偏差监测，以及I路光信号和Q路光信号的相位偏差监测。

附图说明

图1为本发明实施例中基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法的流程图；

图2为本发明实施例中微扰电信号的频谱监测的框图；

图3为图1中步骤S1的流程图；

图4为X偏振态单边带微扰电信号生成流程示意图；

图5为Y偏振态单边带微扰电信号生成流程示意图；

图6为图1中步骤S3的流程图；

图7为正常情况下，X偏振态下微扰电信号的频谱图；

图8为仅存在IQ时间差(12.5％的符号周期)的情况下，X偏振态下微扰电信号的频谱图；

图9为仅存在IQ幅度差的情况下(2倍)，X偏振态下微扰电信号的频谱图；

图10为仅存在IQ相位差的情况下(10度)，X偏振态下微扰电信号的频谱图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法，该方法包括以下步骤：

S1.生成单边带微扰电信号，并与需传输的电信号叠加后输入至IQ调制器。

参见图2所示，需要说明的是，在本实施例中，单边带微扰电信号主要指的是X偏振态上和Y偏振态上的单边带微扰电信号，而X偏振态上的单边带微扰电信号又可分为X偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，对于Y偏振态上的单边带微扰电信号也是同理。

需传输的电信号主要指的是X偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号，以及Y偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号。

值得说明的是，本实施例中是通过设计子载波，从而只生成单边带微扰电信号的，而单边带微扰电信号的特性就是可以通过其形状来反映IQ调制器偏置电压的值是否工作在准确的位置上。具体而言，当IQ调制器参数正常时，在PD(Photo-Diode，光电二极管)中检测出来的微扰电信号就应该是一个纯粹的单边带信号，一旦检测到的频谱中出现了一个镜像频谱即形成了双边带信号，则说明IQ调制器的参数已经偏离了正常的值，则需要自动调整IQ调制器的偏置电压参数，让其重新回到单边带状态。

为进一步说明，参见图3所示，步骤S1具体包括：

S11.利用预设编号的子载波，分别生成X偏振态上和Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号。

S12.将X偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与X偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器。

S13.将Y偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与Y偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器。

作为一个优选地实施方式，在步骤S11中，可以通过将恒包络零自相关序列(CAZAC)加载到子载波上来实现，恒包络零自相关序列的好处是产生的OFDM(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)信号，其峰均比较小。因此产生的微扰电信号对实际传输系统性能的影响也较小。

具体而言，参见图4所示，在X偏振态上，将预设长度的恒包络零自相关序列加载到第一预设编号的子载波上，生成X偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号。

参见图5所示，在Y偏振态上，将同一预设长度的恒包络零自相关序列加载到第二预设编号的子载波上，生成Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号。

其中，第一预设编号的子载波和第二预设编号的子载波不重叠，且预设长度与第一预设编号和第二预设编号的子载波所包括的子载波数量一致。

值得说明的是，子载波的数量和快速傅里叶逆变换(IFFT)是相关联的，快速傅里叶逆变换的点值为2的整数次幂，比如64，128，256，512等都是快速傅里叶逆变换的常用选项，而与之对应的子载波的数量就为64，128，256，512等。

以128个子载波为例，即子载波的编号从1到128，编号越大的子载波频率越高，通常来说建议选高频处连续的子载波。

比如在本实施例中，第一预设编号的子载波可以为编号在96～106的子载波，第二预设编号的子载波可以为编号在112～122的子载波，可以理解的是，此时预设长度为11。其中，第一预设编号的子载波和第二预设编号的子载波不重叠，指的就是若第一预设编号的子载波选择的是编号在96～106的子载波，那第二预设编号的子载波只能从除开这11个子载波外后剩下的子载波中进行选择。

可以理解的是，也可以根据需要选择别的长度。但选择的长度不能大于IFFT选用点数的一半，否则会产生拍频噪声。例如子载波为128时，X偏振和Y偏振各占用64，那么这个长度的选择不能超过32。

S2.分配预设比例范围的激光器光功率，直接与IQ调制器输出端分配的同一预设比例范围的光功率进行耦合，并进行光电转换和模数转换。

参见图2所示，在本实施例中是将激光器1％～5％的光功率，直接与IQ调制器输出端分配的1％～5％的光功率进行耦合。作为一个优选地实施方式，较好的方式是让二者的光功率相同，比如可以选择将激光器1％的光功率直接与IQ调制器输出端分配的1％的光功率进行耦合。应当说明的是，由于经过IQ调制器后会产生衰减，更好地方式是使IQ调制器输出端分配的光功率稍大于激光器分配的光功率，来进行补偿。

可以理解的是，以上述1％为例，激光器99％的光功率会输入到IQ调制器中，而IQ调制器输出端输出的99％的光功率的光作为发射光信号将进入到光纤链路中。从而可以在不影响实际光信号传输的情况下，实时的监测IQ调制器产生的光信号的性能。

S3.对模数转换后的数字信号进行数字信号处理，获取单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

参见图6所示，在本实施例中，步骤S3包括：

S31.对数字信号进行降采样。

S32.对采样的信号进行快速傅里叶变换，分别得到X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度。

作为一个优选地实施方式，首先对数字信号进行降采样，得到1倍采样的信号。然后对采样的信号作128点的快速傅里叶变换，并得到X偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度。

在本实施例中，可以设置为：X偏振态上对应子载波为编号在96～106的子载波，镜像子载波为编号在24～34的子载波。

可以理解的是，若子载波总数是128，则106号子载波的镜像位于的编号就是128+2-106＝24，96号子载波的镜像位于的编号就是128+2-96＝34(编号为1的子载波频率对应0Hz，没有镜像)。

基于同样的方式，Y偏振态上对应子载波为编号在112～122的子载波，镜像子载波为编号在8～18的子载波。

S33.基于IQ调制器参数建立神经网络，并根据X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度，对应获取X偏振态上和Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

在得到了X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度后，将其输入到建立好的神经网络中，即可获取X偏振态上和Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

具体而言，步骤S33包括：

基于仿真的方式，针对X偏振态和Y偏振态，分别设置多组I路电信号和Q路电信号的时间差参数和幅度差参数，以及I路光信号和Q路光信号的相位差参数，以建立神经网络。

将X偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度加载到神经网络中，得到X偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以获取在该子载波和镜像子载波的幅度下，I路电信号和Q路电信号的时间差与幅度差，以及I路光信号和Q路光信号的相位差。

将Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度加载到神经网络中，得到Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以获取在该子载波和镜像子载波的幅度下，I路电信号和Q路电信号的时间差与幅度差，以及I路光信号和Q路光信号的相位差。

值得说明的是，神经网络采用全链接型神经网络，包括四层。第一层为输入层，其神经元个数等于子载波个数与镜像子载波个数之和。第二层和第三层为隐藏层，均包括多个神经元，隐藏层的激活函数选用缩放指数线性函数(Scaled exponential linear unit，SeLU)。隐藏层的神经元数目不是固定的，需要根据训练数据具体分析。在神经网络的学习过程中，通过输出值与训练目标值的误差收敛情况来确定隐藏层的神经元数目。一般要求误差值低于一定的阈值。对于做了归一化的训练目标值，阈值通常可设置为0.01。优选地，本实施例中第二层包括40个神经元，第三层包括20个神经元。

第四层为输出层，其激活函数选用线性整流函数(Rectified Linear Unit，ReLU)。第四层包括多个神经元，每个神经元对应一个输出，所有神经元对应IQ调制器的一组调节参数。其中一组调节参数包括：I路电信号和Q路电信号的幅度比、I路电信号和Q路电信号的时间差、I路光信号和Q路光信号的相位差。

为了方便理解子载波及其镜像子载波的幅度与I路电信号和Q路电信号的幅度比、I路电信号和Q路电信号的时间差、以及I路光信号和Q路光信号的相位差的关系。图7给出了正常情况下，X偏振态下微扰电信号的频谱图。图8给出了仅存在IQ时间差(12.5％的符号周期)的情况下，X偏振态下微扰电信号的频谱图。图9给出了仅存在IQ幅度差(2倍)的情况下，X偏振态下微扰电信号的频谱图。图10给出了仅存在IQ相位差(10度)的情况下，X偏振态下微扰电信号的频谱图。

综上所述，本发明中的基于微扰电信号的IQ调制器参数监测方法，其通过在发射端产生单边带微扰电信号，然后将单边带电信号的I路和Q路分别与需要传输的I路和Q路电信号相结合。通过监测微扰电信号的频谱，就可以实时地同时监测IQ调制器的多个参量，即I路电信号和Q路电信号的幅度和时间偏差监测，以及I路光信号和Q路光信号的相位偏差监测。

与此同时，本发明实施例还提供一种基于微扰电信号的IQ调制器参数监测系统，其包括发射信号模块、微扰信号模块、IQ调制器、激光器模组、光耦合器模组、光电探测器、模数转换模块和数字信号处理模块。

其中，发射信号模块用于输出需传输的电信号。微扰信号模块用于生成单边带微扰电信号，并与所述需传输的电信号进行叠加。叠加后的电信号将会发送至IQ调制器，在本实施例中IQ调制器可以是双偏振光IQ调制器。

激光器模组用于将预设比例范围的光功率直接输出至所述IQ调制器的输出端。光耦合器模组用于将IQ调制器输出的光功率按同一所述预设比例范围分配，并将相应的光功率与所述激光器模组输出至所述IQ调制器的输出端的光功率进行耦合。在本实施例中，光耦合器模组包括第一光耦合器和第二光耦合器，第二光耦合器用于将IQ调制器输出的光功率分成两部分，一部分进入到光纤链路中，另一部分进入到第二光耦合器中，激光器模组包括一个激光器和第三光耦合器，激光器通过第三光耦合器，将一部分的光功率输入至IQ调制器，另一部分直接输出至所述IQ调制器的输出端的第二光耦合器中，再由第二光耦合器将这两部分光进行耦合，以输入至光电探测器中。优选地，可以选择将激光器1％～5％的光功率，直接与IQ调制器输出端分配的1％～5％的光功率进行耦合。

光电探测器用于对耦合的信号进行光电转换，模数转换模块用于对光电转换后的信号进行模数转换，数字信号处理模块用于对模数转换后的数字信号进行数字信号处理，获取单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

进一步地，所述微扰信号模块用于：

利用预设编号的子载波，分别生成X偏振态上和Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号。将X偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与X偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器。将Y偏振态上的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号，与Y偏振态上需传输的I路电信号和Q路电信号进行叠加，并输入至IQ调制器。

作为一个优选地实施方式，微扰信号模块通过在X偏振态上，将预设长度的恒包络零自相关序列加载到第一预设编号的子载波上，生成X偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号。并通过在Y偏振态上，将同一预设长度的恒包络零自相关序列加载到第二预设编号的子载波上，生成Y偏振态上的单边带微扰电信号，以获取对应的单边带微扰电信号的I路电信号和Q路电信号。

其中，第一预设编号的子载波和第二预设编号的子载波不重叠，且预设长度与第一预设编号和第二预设编号的子载波所包括的子载波数量一致。优选地，所述第一预设编号的子载波为编号在96～106的子载波，所述第二预设编号的子载波为编号在112～122的子载波，所述预设长度为11。

进一步地，所述数字信号处理模块用于：

对数字信号进行降采样，对采样的信号进行快速傅里叶变换，分别得到X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度。

基于IQ调制器参数建立神经网络，并根据X偏振态上和Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度，对应获取X偏振态上和Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以对IQ调制器的多个参数进行监测。

具体而言，在本实施例中，首先基于仿真的方式，针对X偏振态和Y偏振态，分别设置多组I路电信号和Q路电信号的时间差参数和幅度差参数，以及I路光信号和Q路光信号的相位差参数，以建立神经网络。

然后将X偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度加载到神经网络中，得到X偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以获取在该子载波和镜像子载波的幅度下，I路电信号和Q路电信号的时间差与幅度差，以及I路光信号和Q路光信号的相位差。

以及将Y偏振态上对应子载波及其镜像子载波的幅度加载到神经网络中，得到Y偏振态上单边带微扰电信号的频谱，以获取在该子载波和镜像子载波的幅度下，I路电信号和Q路电信号的时间差与幅度差，以及I路光信号和Q路光信号的相位差。

综上所述，本发明中的基于微扰电信号的IQ调制器参数监测系统，其通过在发射端产生单边带微扰电信号，然后将单边带电信号的I路和Q路分别与需要传输的I路和Q路电信号相结合。通过监测微扰电信号的频谱，就可以实时地同时监测IQ调制器的多个参量，即I路电信号和Q路电信号的幅度和时间偏差监测，以及I路光信号和Q路光信号的相位偏差监测。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。