一种多通道光纤传输的时延补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及光传输技术领域，特别是一种多通道光纤传输的时延补偿系统及方法。

背景技术

光纤通信和传输因其可传输带宽大、传输速率高、抗干扰能力强、远距离传输损耗小、受外界环境影响较小等优点，在现代通信行业和雷达行业得到广泛的应用。随着科技的发展，人们对光纤传输能力提出越来越高的要求，以实现高精度、高质量的传输，因此远距离光纤等相位等延时传输技术不断更新迭代。

目前国内外光纤延时补偿技术主要包括三种：频域法、光时域后向反射法及光学干涉法等。对于频域法，通常使用矢量网络分析仪对时延差进行测量，其测量精度很高，可达皮秒量级，但在其测量时延差时，需要额外增加外部的光电转换设备，同时会引入测量误差，整个时延测量的硬件平台搭建比较复杂，无法通用化和工程推广使用；光时域后向反射法，是将导频光信号从需要测量时延差的光纤发射端输入，经过光纤传输，在光纤接收终端将导频光信号反射回发射端，通过对反射回的光信号进行测量，实现光纤时延差的计算，这类系统一般称为光时域反射仪(OTDR)，由于整个测量过程都在模拟端完成，因此是一种有损的时延补偿技术；光学干涉法是根据迈克尔逊干涉仪原理来实现的，该方法的时延测量精度高，但测试平台搭建困难，且精度和光源质量相关，同时不适合使用在远距离光纤传输时延的测量，因此在工程中很少使用。

当前的学术研究有：在《光通信技术》上发表的《高精度远程光纤传输延时测量系统研究》论文中，其“停止脉冲”信号在校正过程中经历了2次电/光转换、2次光/电转换以及1次在副机中进行的远端中继传输，这些转换都会引入新的时延误差，误差甚至可能达到几纳秒甚至几十纳秒，较大的时延误差会导致出现跨周期的现象，系统使用的校正方式无法解决相位模糊的问题，无法实现对跨周期的时延完成校正，因此该校正方法只适用于时延误差在周期内，且要保证引入的时延误差足够小使得时延误差在单周期内，适用性较低；在《时间频率学报》发表的《光纤时间频率传输数字相位补偿方法》文章中，其相位误差计算采用模拟鉴相的方式，将两路信号进行混频，同时通过滤波器输出低频信号，通过采样低频信号的电压，根据电压值计算出相位差，由于采样电压的精度会存在较大误差，因此会导致计算的相位差存在误差，是一种有损的鉴相方式，对于相位发生翻转的现象同样无法计算出其翻转周期，因此该补偿方法只适用于相位误差在单周期内，对于跨周期是无效的；在《时间频率学报》上发表的《一种时频信号相位补偿方法》，文章中根据相位随温度变化而变化的特点，对相位随温度变化进行曲线拟合，因此会引入拟合误差，同时通过离散的步进对相位进行调整，为有损的相位校正。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种多通道光纤传输的时延补偿系统及方法，以解决上述技术问题。

本发明公开了一种多通道光纤传输的时延补偿系统，其包括：

时延补偿单元，用于将耦合信号中用户输入的若干路光信号通过光纤传输至终端接收与反射单元，同时实时校正耦合信号中的参考信号传输过程产生的时延误差；

终端接收与反射单元，用于将接收到的用户输入的若干路光信号输出至外部通信设备，以实现用户与外部通信；同时沿参考信号的原始传输路径，将参考信号返回至光路选择单元，以得到带误差的参考信号；

光路选择单元，用于对各通道接收的波分复用单元发送的带误差的参考信号进行分时选通，将依次选通返回的带误差的参考信号，并发送至数字鉴相器；

数字鉴相器，用于接收参考信号和带误差的参考信号，基于参考信号与带误差的参考信号的相位，计算参考信号通过光纤传输引起的相位误差，并将该相位误差转换为时延差，并将各路参考信号对应的时延差发送至相位控制单元；

相位控制单元，用于根据各路参考信号对应的时延差，控制时延补偿单元中各路可调延迟线，完成对各路传输时延误差的校正。

进一步地，还包括：

波分复用单元，用于将接收到的参考信号和用户输入的若干路光信号进行耦合后传输至时延补偿单元，以实现参考信号和用户输入的若干路光信号互相独立传输；

参考信号发生单元，用于分别向数字鉴相单元和光信号分发单元发射指定的点频信号，即参考信号；

光信号分发单元，用于将接收的参考信号分成多路参考信号；

光电转换单元，用于将光路选择单元发送的带误差的参考信号转换为射频信号，并将射频信号传输至数字鉴相单元。

进一步地，所述数字鉴相器还用于：

接收光电转换单元输出的射频信号，同时接收参考信号发生单元输出的参考信号，并将两路信号由模拟信号转换为数字信号，通过数字下变频实现两路信号的数字鉴相和计算相位误差，将相位误差折算为时延差，并将各路信号对应的时延差输出给相位控制单元。

本发明还公开了一种适用于上述所述的多通道光纤传输的时延补偿系统的方法，所述方法包括：

时延补偿单元将耦合信号中用户输入的若干路光信号通过光纤传输至终端接收与反射单元，同时实时校正耦合信号中的参考信号传输过程产生的时延误差；

终端接收与反射单元将接收到的用户输入的若干路光信号输出至外部通信设备，以实现用户与外部通信；沿参考信号的原始传输路径，将参考信号返回至波分复用单元，以得到带误差的参考信号；

光路选择单元对各通道接收的波分复用单元发送的带误差的参考信号进行分时选通，并将选通通过的带误差的参考信号发送至数字鉴相器；

数字鉴相器接收参考信号和带误差的参考信号，基于参考信号与带误差的参考信号的相位，计算参考信号通过光纤传输引起的相位误差，并将该相位误差转换为时延差，并将各路参考信号对应的时延差发送至相位控制单元；

相位控制单元根据各路参考信号对应的时延差，控制时延补偿单元中各路可调延迟线，完成对各路传输时延误差的校正。

进一步地，还包括：

波分复用单元将接收到的参考信号和用户输入的若干路光信号进行耦合后传输至时延补偿单元，以实现参考信号和用户输入的若干路光信号互相独立传输；

参考信号发生单元分别向数字鉴相单元和光信号分发单元发射指定的点频信号，即参考信号，同时也是校正信号；

光信号分发单元将接收的参考信号分成多路参考信号；

光电转换单元将光路选择单元发送的带误差的参考信号转换为射频信号，并将射频信号传输至数字鉴相单元。

进一步地，数字鉴相器接收光电转换单元输出的射频信号，同时接收参考信号发生单元输出的参考信号，并将两路信号由模拟信号转换为数字信号，通过数字下变频实现两路信号的数字鉴相和计算相位误差，将相位误差折算为时延差，并将各路信号对应的时延差输出给相位控制单元。

进一步地，所述接收光电转换单元输出的带误差的参考射频信号，同时接收参考信号发生单元输出的参考信号，并将两路信号由模拟信号转换为数字信号，通过数字下变频实现两路信号的数字鉴相和计算相位误差，将相位误差折算为时延差，包括：

步骤1：对参考信号进行采样，并对得到的采样信号进行数字下变频；基于数字下变频得到的信号，得到参考信号的初始相位；

步骤2：对带误差的参考信号进行采样，并进行数字下变频，计算带误差的参考信号的相位值；

步骤3：基于参考信号的初始相位以及带误差的参考信号的相位值，得到参考信号传输过程中产生的相位误差；

步骤4：将步骤3得到的相位误差折算为时延差。

进一步地，所述步骤1包括：

设参考信号s

对采样信号进行数字下变频，完成数字鉴相，即：

下变频因子表示为：

选取M个点为一帧数据，对一帧参考信号完成数字变频积累表达式为：

将

将

进一步地，所述步骤2包括：

对于第k路传输光纤，其原始的长度为L

进一步地，所述步骤3包括：

对通过第k路光纤返回鉴相器的带误差参考信号表示为：

针对第k路带误差的参考信号进行数字鉴相，最终得出相位值

进一步地，所述步骤4包括：

当系统的时延误差在单个周期内时，根据计算出的相位误差PhaErr

τ

当系统的传输出现较大误差且跨越单个周期时，需要计算出模糊的周期数N

τ

设定第i个校正参考信号的载频为f

根据参考频点的最大值来确定模糊周期最大值N

进一步地，所述步骤4还包括：

根据最大参考频点的最大模糊周期值N

根据最小二乘原理，计算出相位误差残差最小值，则对应的模糊周期

最后通过相位控制单元控制可调节光纤延迟线，对第k路的时延误差进行补偿，实现对第k路光纤传输时延误差的校正。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

(1)对于跨周期的时延，实现高精度补偿

传统的技术只能实现对周期内的时延进行测量和补偿，本发明可对跨周期的时延，通过多个校正频点的相位解模糊方式计算出模糊周期数，进而实现对跨周期时延的校正。

(2)数字鉴相，实现无损相位误差测量

现有的技术是基于模拟鉴相器，通过对原始参考信号和经过光纤传输反射回的参考信号进行混频，经过低通滤波器输出需要的信号，并对信号的电压进行采样，最终根据采样电压计算出相位差，模拟的计算方式存在很大的测量误差。

本发明采用数字鉴相的方式，通过数学计算的方式输出高精度相位误差，是一种无损的相位误差计算技术，同时不会引入新的误差。

(3)实现对时延误差的实时校正

传统的时延补偿系统是按照离线的方式计算出相位误差进而完成时延补偿，无法在系统工作时对时延误差进行实时校正。本发明通过波分复用单元实现对时延校正系统与光纤传输系统的在线结合，确保校正系统对光纤传输系统无任何影响的同时完成对时延误差的实时校正。

(4)实现多路光纤传输的时延误差校正

传统的时延补偿技术都是对一路光纤传输进行时延补偿，本发明通过光路选择单位实现对多路光纤传输的扩展，通过复用硬件的低成本方式实现对多路光纤传输的实时校正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种多通道光纤传输的时延补偿系统示意图；

图2为本发明实施例的信号时延在周期内的波形曲线示意图；

图3为本发明实施例的信号时延跨周期的波形曲线示意图；

图4为本发明实施例的信号时延周期内的相位误差代价函数曲线示意图；

图5为本发明实施例的信号时延在跨周期的相位误差代价函数曲线示意图；

图6为本发明实施例的采用本发明技术校正后的仿真波形曲线示意图；

图7为本发明实施例的工程中校正前后的波形曲线示意图；

图8为本发明实施例的远距离传输的相位误差代价曲线示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

针对传统的时延测量系统，提出通过将时延转换为相位测量的方式实现高精度测量；由于传统技术无法解决跨周期误差的校正，本发明提出通过解相位模糊的方式来实现对跨周期的时延校正；针对传统的模拟鉴相方式，提出通过数字鉴相的方式实现对相位误差的无损计算，并不会引入新误差；对比传统的复杂硬件条件和平台搭建，提出通用化的硬件实现且可工程推广，且可同时对多个通道完成校正，节约硬件成本；由于传统的校正方式为离线处理，本发明提出将校正系统耦合在传输系统中，实现对时延差的实时校正技术。最终实现多通道高精度时延校正，为后续的时延敏感系统提供高质量的数据传输。

参见图1，本发明提供了一种多通道光纤传输的时延补偿系统的实施例，其包括：

时延补偿单元，用于将耦合信号中用户输入的若干路光信号通过光纤传输至终端接收与反射单元，同时实时校正耦合信号中的参考信号传输过程产生的时延误差；

终端接收与反射单元，用于将接收到的用户输入的若干路光信号输出至外部通信设备，以实现用户与外部通信；同时沿参考信号的原始传输路径，将参考信号返回至光路选择单元，以得到带误差的参考信号；

光路选择单元，用于对各通道接收的波分复用单元发送的带误差的参考信号进行分时选通，将依次选通返回的带误差的参考信号，并发送至数字鉴相器；

数字鉴相器，用于接收参考信号和带误差的参考信号，基于参考信号与带误差的参考信号的相位，计算参考信号通过光纤传输引起的相位误差，并将该相位误差转换为时延差，并将各路参考信号对应的时延差发送至相位控制单元；

相位控制单元，用于根据各路参考信号对应的时延差，控制时延补偿单元中各路可调延迟线，完成对各路传输时延误差的校正。

本实施例中，还包括：

波分复用单元，用于将接收到的参考信号和用户输入的若干路光信号进行耦合后传输至时延补偿单元，以实现参考信号和用户输入的若干路光信号互相独立传输；

参考信号发生单元，用于分别向数字鉴相单元和光信号分发单元发射指定的点频信号，即参考信号；

光信号分发单元，用于将接收的参考信号分成多路参考信号；

光电转换单元，用于将光路选择单元发送的带误差的参考信号转换为射频信号，并将射频信号传输至数字鉴相单元。

本实施例中，数字鉴相器还用于：

接收光电转换单元输出的射频信号，同时接收参考信号发生单元输出的参考信号，并将两路信号由模拟信号转换为数字信号，通过数字下变频实现两路信号的数字鉴相和计算相位误差，将相位误差折算为时延差，并将各路信号对应的时延差输出给相位控制单元。

基于上述实施例，本发明提供了一种多通道光纤传输的时延补偿方法的实施例，在本实施例中：

假定系统使用的信号带宽为200MHz，其信号频率在275MHz～475MHz间，为和系统使用信号频率进行区分，选择频率为530MHz、550MHz、570MHz、590MHz及600MHz等5个点频信号为参考信号，该参考信号就是系统的校正信号，通过5个载频周期互质的频点来解相位模糊周期。由于校正信号波长与275MHz～475MHz带宽内用户信号波长不同，因此可通过波分复用单元将两者耦合在同一根光纤中传输，实现校正信号和用户信号互相独立传输，校正信号通过终端接收与反射单元完成反射，并沿光信号的原始路径返回，因此校正信号传输的路径为用户信号传输路径的两倍，光纤传输引起的相位误差也是用户信号传输误差两倍。

本实施例通过发射校正信号，其沿系统用户信号路径进行传输，且通过反射的方式沿发射路径返回，因此该校正方法可同时实现对折射率随温度变化导致的时延和光纤长度随温度变化导致的时延的一并校正。

假定光纤传输存在10路，系统通过设定参考信号发生单元内置的频率源依次输出530MHz、550MHz、570MHz、590MHz及600MHz等5个点频信号，该校正信号通过功分的方式，输出至数字鉴相单元，鉴相单元支路作为信号原始的、未受光纤误差影响的参考基准信号，同时输出到光信号分发单元。光信号分发单元将射频信号转换为光信号，并将其分发为10路，将10路光信号分别输出至波分复用单元。波分复用单元将10路用户使用275MHz～475MHz带宽内的光信号和10路校正光信号进行耦合，将对应的信号分别融合到一根光纤中，并输出10路融合信号至时延补偿单元。

融合后的用户信号和校正信号经过时延补偿单元，按照上个周期设定的可调光纤延时线，对信号进行时延校正，10路融合信号经过时延补偿单元完成校正后，分别输出至1000m远距离光纤进行传输，最终输出至终端接收与反射单元，该单元将用户信号输出至后端，实现用户的通信或传递，同时对含误差的校正信号进行反射，使其沿原有路径返回。

在光路选择单元，通过选通的方式依次选择10路返回的光信号，将其输出至光电转换单元，光电转换单元将光信号转换为射频信号，输出到数字鉴相单元，该单元通过对校正初始信号和经过两倍光纤路径返回的含误差的校正信号进行采样，为满足奈奎斯特采样定律，满足采样最大频率600MHz，系统选用采样率f

设参考信号s

对采样信号进行数字下变频，完成数字鉴相，其下变频因子见表达式(2)所示：

对采样信号进行数字变频，该过程见表达式(3)所示：

选取M个点为一帧数据，对开窗的数据进行数字下变频，通过对信号进行相参积累，提高系统的检测灵敏度，更加稳定地求出参考信号的初相

数字变频表达式

对于一帧参考信号数字变频的积累，化简其表达式

对经过终端接收与反射单元返回的参考光信号，对于第k路的单程光纤长度为L

对通过第k路光纤返回鉴相器的信号见表达式(7)所示：

针对第k路，以与参考信号相同的下变频因子进行数字鉴相，最终得出相位值

当系统的时延误差在单个周期内，其时延误差的波形与参考波形间的比对曲线见图2所示，根据计算出的相位误差PhaErr

τ

当系统的传输出现较大误差且跨越单个周期时，其时延误差波形与参考波形对比曲线见图3，则计算出的相位差存在模糊，因此需要计算出模糊的周期数N

τ

规定第i个校正参考信号的载频为f

基于频率越高，波长越短的原理，根据参考频点的最大值来确定模糊周期最大值N

规定校正参考信号频点数为I，且校正频点值从小到大依次排序，根据校正参考信号最大频点f

将计算出的其余校正参考频点实际相位2πf

根据最小二乘原理，计算出相位误差残差最小值，则对应的模糊周期

最后通过相位控制单元控制可调节光纤延迟线，对第k路的时延误差进行补偿，实现对第k路光纤传输时延误差的校正。对于图2所示的周期内时延，通过本校正技术求取相位误差代价函数曲线见图4所示，从图中可看出，模糊周期数为0时，相位残差最小，也就是逼近真实的结果，因此单周期内误差的模糊周期为0，也就是未跨越周期，与实际相符合。对于图3所示的跨周期的时延，求取相位误差代价函数曲线见图5所示，从图3中可看出，误差跨越周期数为1，而对应的图5中周期数为1时相位残差最小，符合校正预期。

通过本实施例的校正技术，对延时波形进行补偿校正仿真，其校正后的仿真波形与参考波形比对见图6所示，在时延补偿装置上使用本校正技术对时延进行补偿，其校正后的波形与参考波形比对见图7所示，由于工程中存在量化误差及系统随机误差，校正后的时延误差还存在10ps左右的残差，因此校正后波形曲线与参考曲线存在一定的误差，但10ps的校正精度对于常规使用已经足够。

本实施例还可将光纤长度扩展到上百公里，只需将搜寻的模糊周期数扩大即可，图8为当光纤延迟最大值为跨越32个周期，当实际的相位误差跨越23个周期时对应的相位残差代价函数曲线，从图中可看出第23个周期对应的相位残差最小，验证了系统可适应远距离传输的误差校正。

本发明的校正方式从技术原理上可弥补传统时延补偿的不足，通过数字鉴相的方式，实现无损的相位误差测量，同时通过解相位模糊的方式实现对跨周期时延的高精度补偿，并将时延校正系统和传输系统耦合在一起，实现在线实时校正，通过光路选择单元实现多路光纤传输的时延校正，节约校正资源和成本。本发明硬件设计简单并且通用化，可扩展到大部分光纤传输系统上，工程实现简单，可操作性强，从技术原理和硬件实现上，较传统的时延补偿系统有很大的优势，具有很好的应用和推广价值。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。