一种基于线性光采样的峰值提取方法及系统

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，特别是涉及一种基于线性光采样的峰值提取方法及系统。

背景技术

目前，随着移动互联网、云计算、电子商务的发展，人们对网络速率的需求越来越高。因此光通信领域的专家学者提出了全光采样光信号检测分析方法，即利用低重复频率窄脉宽的脉冲光序列在光域上对待测光信号进行采样，然后利用低带宽光电探测器和采集卡完成光电转换和模数转换，之后对采集到的数据信息进行数字信号处理，可以用检测接收到信号的眼图和星座图，从而实现低速采集卡对高速信号的一个监测功能。

线性光采样系统是将信号光与被动锁模激光器产生的频率为100M左右的脉冲激光输入到90度混频器中进行混频，经过混频器输出八个端口，将每组相位差180度的两路信号进入平衡探测器相减后，八路光脉冲由四路光电平衡探测器转换为四路电脉冲信号，可以分为XI、XQ、YI、YQ四路信号，经过数据采集卡的采样，我们需要从这四路数据中获取信号的信息。首先最重要的一点是将激光脉冲的有效采样点提取出来，因为其他部分是不需要的。在激光脉冲与信号光的混频过程中，信号光的信息已经被采集到脉冲的峰值点上，因此需要对每个脉冲周期内提取到其峰值点，即为信号的采样点。后续对这些峰值点进行正交归一化、偏振解复用、频偏估计和相位估计的算法处理部分。

目前现有的方法是在数据采集卡采集到数据点后截取一段数据点，实验中实际截取了500000个数据点，首先进行FFT变换，求出激光脉冲的频率。然后在第一个周期的点中选出一个绝对值最大的点作为第一个峰值点，后面峰值点在上一个峰值点的位置加上一个周期的点数，然后在该点附近点中搜索出绝对值最大的点作为峰值点，这样通过局部最优搜索得到的峰值点和原始数据的峰值点保持吻合。但是这种方法需要知道每个脉冲周期的采样点数，所以首先要对ADC采集到的点作FFT变换来求出激光脉冲的频率，再通过采样率和脉冲频率计算得每个脉冲周期内的采样点数。通过FFT变化使得调制深度太深导致峰值点提取偏移，并且增加了计算的复杂程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于线性光采样的峰值提取方法及系统，能够降低计算的复杂度，从而提升峰值提取和脉冲频率的精准度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于线性光采样的峰值提取方法，包括：

利用线性光采样系统中的数据采集卡采集线性光采样系统中的平衡探测器输出的四路电脉冲信号；所述四路电脉冲信号为XI、XQ、YI、YQ四路信号；

获取XI路信号前设定周期内绝对值最大的采样点，并将前设定周期内绝对值最大的采样点作为XI路信号的首个峰值点；

根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点；将所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点作为第二个峰值点；将XI路信号的首个峰值点替换为第一搜索区间内绝对值最大的采样点为第二个峰值点，并返回所述根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点，直至提取设定数目的峰值点，进而完成第一次峰值点的提取；

根据XI路信号的第一次提取的峰值点确定脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数；

根据XI路信号的峰值点的横坐标位置、所述脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数确定第二搜索区间；所述峰值点的横坐标位置依次为按顺序提取的峰值点的横坐标位置；所述第二搜索区间随着峰值点的横坐标位置的变化而变化；

根据第二搜索区间内绝对值最大的采样点提取XI路信号的峰值点，进而完成第二次峰值点的提取；

根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置确定XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点；

根据XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点，依次进行第一次峰值点的提取和第二次峰值点的提取，进而提取XI、XQ、YI、YQ四路信号的峰值点。

可选地，所述利用线性光采样系统中的数据采集卡采集线性光采样系统中的平衡探测器输出的四路电脉冲信号，之前还包括：

对线性光采样系统进行参数设置；所述参数包括：脉冲频率的上下限、激光器的频率以及数据采集卡的速率。

可选地，所述根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点，具体包括：

根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最小采样点数的和确定第一最小边界；

根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最大采样点数的和确定第一最大边界；

根据第一最小边界和第一最大边界确定第一搜索区间。

可选地，所述根据第二搜索区间内绝对值最大的采样点提取XI路信号的峰值点，进而完成第二次峰值点的提取，具体包括：

根据第二次峰值点的提取的峰值点确定相邻的两个采样点；

对第二次峰值点的提取的峰值点和相邻的两个采样点进行求和、平均处理。

可选地，所述根据XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点，依次进行第一次峰值点的提取和第二次峰值点的提取，进而提取XI、XQ、YI、YQ四路信号的峰值点，之后还包括：

对提取的峰值点进行预处理；所述预处理包括：正交归一化、CMA均衡处理、频偏估计和相位补偿；

根据脉冲频率和预处理后的峰值点重构眼图和绘制星座图。

一种基于线性光采样的峰值提取系统，包括：

电脉冲信号采集模块，用于利用线性光采样系统中的数据采集卡采集线性光采样系统中的平衡探测器输出的四路电脉冲信号；所述四路电脉冲信号为XI、XQ、YI、YQ四路信号；

首个峰值点获取模块，用于获取XI路信号前设定周期内绝对值最大的采样点，并将前设定周期内绝对值最大的采样点作为XI路信号的首个峰值点；

第一次峰值点提取模块，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点；将所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点作为第二个峰值点；将XI路信号的首个峰值点替换为第一搜索区间内绝对值最大的采样点为第二个峰值点，并返回所述根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点，直至提取设定数目的峰值点，进而完成第一次峰值点的提取；

脉冲频率以及采样点数确定模块，用于根据XI路信号的第一次提取的峰值点确定脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数；

第二搜索区间确定模块，用于根据XI路信号的峰值点的横坐标位置、所述脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数确定第二搜索区间；所述峰值点的横坐标位置依次为按顺序提取的峰值点的横坐标位置；所述第二搜索区间随着峰值点的横坐标位置的变化而变化；

第二次峰值点提取模块，用于根据第二搜索区间内绝对值最大的采样点提取XI路信号的峰值点，进而完成第二次峰值点的提取；

首个峰值点确定模块，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置确定XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点；

峰值点提取完成模块，用于根据XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点，依次进行第一次峰值点的提取和第二次峰值点的提取，进而提取XI、XQ、YI、YQ四路信号的峰值点。

可选地，还包括：

参数设置模块，用于对线性光采样系统进行参数设置；所述参数包括：脉冲频率的上下限、激光器的频率以及数据采集卡的速率。

可选地，所述第一次峰值点提取模块具体包括：

第一最小边界确定单元，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最小采样点数的和确定第一最小边界；

第二最小边界确定单元，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最大采样点数的和确定第一最大边界；

第一搜索区间确定单元，用于根据第一最小边界和第一最大边界确定第一搜索区间。

可选地，所述第二次峰值点提取模块具体包括：

相邻采样点确定单元，用于根据第二次峰值点的提取的峰值点确定相邻的两个采样点；

平均处理单元，用于对第二次峰值点的提取的峰值点和相邻的两个采样点进行求和、平均处理。

可选地，还包括：

预处理模块，用于对提取的峰值点进行预处理；所述预处理包括：正交归一化、CMA均衡处理、频偏估计和相位补偿；

眼图和星座图确定模块，用于根据脉冲频率和预处理后的峰值点重构眼图和绘制星座图。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取方法及系统，通过两次进行峰值点的提取，即粗提取和细提取，进而实现在不用FFT作频谱变换的前提下精确提取到峰值点，并完成对脉冲频率的计算，同时避免调制深度太深导致峰值点提取偏移的问题，大大降低计算的复杂度，从而提升峰值提取和脉冲频率的精准度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取方法流程示意图；

图2为本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取方法原理示意图；

图3为线性光采样系统结构示意图；

图4为数据信号处理流程图；

图5为峰值点周围取平均去除高频噪声示意图；

图6为在上一个峰值点的基础上寻找下个峰值点示意图；

图7为峰值点的准确提取示意图；

图8为眼图和星座图示意图；

图9为本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于线性光采样的峰值提取方法及系统，能够降低计算的复杂度，从而提升峰值提取和脉冲频率的精准度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取方法流程示意图，图2为本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取方法原理示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取方法，包括：

S101，利用线性光采样系统中的数据采集卡采集线性光采样系统中的平衡探测器输出的四路电脉冲信号；所述四路电脉冲信号为XI、XQ、YI、YQ四路信号；

对QPSK信号进行数据采集的具体实现过程：

在中心波长为1560nm激光器输出一路激光，由于实验中的激光器的光谱宽度有10-15nm,光谱越宽与信号光的相干性就越差，会相干到一些中心波长不是1560nm的干扰信号，因此先经过一个6nm带宽的光谱滤波器，外接一个光衰减器将激光脉冲的功率降到3.2dbm左右，进入到混频器的本振光输入端。脉冲信号经过相干混频输出到四路平衡探测器中。手动调衰减使得四路平衡探测器的光程差相同，在示波器中可以看到四路波形是几乎完全重合的。再在信号发射端调制一路16GBoud的QPSK信号加载到中心波长为1560nm的连续激光上，经过光纤信道传输至混频器的信号光输入端，功率为2.5dbm左右。两路信号在混频器中发生相干混频，在示波器中可以大致看到信号的调制深度大约占脉冲光幅度的2/3。利用数据采集卡进行数据采集。

如图3所示，线性光采样系统包括一台频率可调谐的被动锁模激光器、一台可以计算机控制的光谱滤波器、一台90度混频器、四部平衡探测器、一台数据采集卡、一台示波器以及一台速率可调的QPSK信号发生装置。激光器是输出1560nm的频率稳定可调的脉冲激光，使用该脉冲激光对信号光进行混频采样。滤波器是用来滤除激光光谱中多余的光谱成分，可以有效提升激光脉冲的相干性。90°混频器是将信号光与脉冲光进行相干混频，是一种两端口输入八端口输出的无源器件，里面有一个偏振片，将信号光分成X和Y两路，其中X路和Y路又各分为相位为0°、90°、180°和270°的四路光信号，将这八路信号分别两两输入到平衡探测器中，两路相位差为180°的信号相减可以得到I和Q两路信号，因此经过平衡探测器得到四路信号XI、XQ、YI、YQ。通过数据采集卡进行采集，可以得到离散的数据点进行数字信号处理。搭建数字信号处理部分，如图4所示。采集到的数据点首先要进过峰值提取的处理，将每个脉冲周期内的峰值点提取出来，这些峰值点组成的新的数据点才是包含原信号信息的数据点。因此峰值提取部分衔接了线性光采样系统的硬件接收和软件处理两个部分，是非常重要的一个环节。经过了峰值提取之后，可以计算出脉冲的重复频率，为后面的软件同步提供重要的参数。峰值提取后进行正交归一化，因为通常90°混频器会有一定的相位失配，导致IQ两路的输出并不是正好90°，信号失去了完全正交性。再经过CMA均衡消除双折射效应带来的信号畸变。之后进行频偏估计和相位估计实现载波恢复，再利用之前求得的脉冲频率进行软件同步，实现对眼图的重构，以及绘制星座图。

S101之前还包括：

对线性光采样系统进行参数设置；所述参数包括：脉冲频率的上下限、激光器的频率以及数据采集卡的速率。

作为一个具体的实施例，实验中所用的激光器是频率在95Mhz到100Mhz范围可调的激光器，因此将脉冲频率上限设置为1e8,下限设置为9.5e7。采集卡的速率设置为12.5G/S,可以通过采集速率除脉冲频率的上下限，向下取整求得每个脉冲周期内的最小采样点数N

S102，获取XI路信号前设定周期内绝对值最大的采样点，并将前设定周期内绝对值最大的采样点作为XI路信号的首个峰值点；即避免了数据点前一个或两个周期内的脉冲绝对值太小导致峰值提取错误，确保首个峰值点一定是激光脉冲的尖峰点。

S103，根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数N

S103具体包括：

根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最小采样点数的和确定第一最小边界；

根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最大采样点数的和确定第一最大边界；

根据第一最小边界和第一最大边界确定第一搜索区间。

如图6所示，在这个区间范围内找绝对值最大的点，即为第二个峰值点。以此循环，直到将指定数目的峰值点全部找到，这是第一次峰值提取，也是粗峰值提取。

S104，根据XI路信号的第一次提取的峰值点确定脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数；在找峰值点的过程中可以记录下相邻两个峰值点之间的数据点间隔，当所有峰值点信息被找到对所有间隔取平均，可以得出一个脉冲周期内的采样点数N。可以通过采集卡采样率和和一个脉冲周期内的点数算得激光脉冲的频率。N是ADC采样率/脉冲频率。

S105，根据XI路信号的峰值点的横坐标位置、所述脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数确定第二搜索区间；所述峰值点的横坐标位置依次为按顺序提取的峰值点的横坐标位置；所述第二搜索区间随着峰值点的横坐标位置的变化而变化；

S105具体包括：

先设置一个误差范围m,将其设置为0.02。还是在首个峰值点之后进行峰值提取，但是峰值的搜索范围变小了，第一次是在(N

S106，根据第二搜索区间内绝对值最大的采样点提取XI路信号的峰值点，进而完成第二次峰值点的提取；

S106具体包括：

根据第二次峰值点的提取的峰值点确定相邻的两个采样点；

对第二次峰值点的提取的峰值点和相邻的两个采样点进行求和、平均处理。

如图5所示，在第二次峰值提取的过程中用到了一个局部求平均取高频噪声，如图五所示，在每个峰值点相邻的左右各取一个点，对三个点取平均可以有效降低高频噪声对峰值提取的影响。

S107，根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置确定XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点；在这三路信息中以该点为基准在附近找到各自的首个峰值点，因为这个四路数据是几乎同步的，因此这三路的峰值点一定会出现在XI路的首个峰值点附近。在找到首个峰值点后就重复上述步骤，进行两步式峰值提取。这样就保证可以从四路信息中恢复出眼图和星座图。

S108，根据XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点，依次进行第一次峰值点的提取和第二次峰值点的提取，进而提取XI、XQ、YI、YQ四路信号的峰值点，并如图7所示。

S108之后还包括：

对提取的峰值点进行预处理；所述预处理包括：正交归一化、CMA均衡处理、频偏估计和相位补偿；

根据脉冲频率和预处理后的峰值点重构眼图和绘制星座图。如图8所示，发现眼睛睁开很明显，通过眼图绘制得星座图发现明显的四个星团，EVM的值可以降到0.15左右，效果比较好。

图9为本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取系统结构示意图，如图9所示，本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取系统，包括：

电脉冲信号采集模块901，用于利用线性光采样系统中的数据采集卡采集线性光采样系统中的平衡探测器输出的四路电脉冲信号；所述四路电脉冲信号为XI、XQ、YI、YQ四路信号；

首个峰值点获取模块902，用于获取XI路信号前设定周期内绝对值最大的采样点，并将前设定周期内绝对值最大的采样点作为XI路信号的首个峰值点；

第一次峰值点提取模块903，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点；将所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点作为第二个峰值点；将XI路信号的首个峰值点替换为第一搜索区间内绝对值最大的采样点为第二个峰值点，并返回所述根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置、每个脉冲周期内的最小采样点数和最大采样点数确定第一搜索区间，并获取所述第一搜索区间内绝对值最大的采样点，直至提取设定数目的峰值点，进而完成第一次峰值点的提取；

脉冲频率以及采样点数确定模块904，用于根据XI路信号的第一次提取的峰值点确定脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数；

第二搜索区间确定模块905，用于根据XI路信号的峰值点的横坐标位置、所述脉冲频率以及脉冲周期内的采样点数确定第二搜索区间；所述峰值点的横坐标位置依次为按顺序提取的峰值点的横坐标位置；所述第二搜索区间随着峰值点的横坐标位置的变化而变化；

第二次峰值点提取模块906，用于根据第二搜索区间内绝对值最大的采样点提取XI路信号的峰值点，进而完成第二次峰值点的提取；

首个峰值点确定模块907，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置确定XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点；

峰值点提取完成模块908，用于根据XQ路信号、YI路信号和YQ路信号的首个峰值点，依次进行第一次峰值点的提取和第二次峰值点的提取，进而提取XI、XQ、YI、YQ四路信号的峰值点。

本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取系统，还包括：

参数设置模块，用于对线性光采样系统进行参数设置；所述参数包括：脉冲频率的上下限、激光器的频率以及数据采集卡的速率。

所述第一次峰值点提取模块903具体包括：

第一最小边界确定单元，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最小采样点数的和确定第一最小边界；

第二最小边界确定单元，用于根据XI路信号的首个峰值点的横坐标位置与每个脉冲周期内的最大采样点数的和确定第一最大边界；

第一搜索区间确定单元，用于根据第一最小边界和第一最大边界确定第一搜索区间。

所述第二次峰值点提取模块906具体包括：

相邻采样点确定单元，用于根据第二次峰值点的提取的峰值点确定相邻的两个采样点；

平均处理单元，用于对第二次峰值点的提取的峰值点和相邻的两个采样点进行求和、平均处理。

本发明所提供的一种基于线性光采样的峰值提取系统，还包括：

预处理模块，用于对提取的峰值点进行预处理；所述预处理包括：正交归一化、CMA均衡处理、频偏估计和相位补偿；

眼图和星座图确定模块，用于根据脉冲频率和预处理后的峰值点重构眼图和绘制星座图。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。