采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方法，尤其涉及一 種采用分數階傅里葉變換定量表征光纖鏈路非線性效應的方法，屬于高速光通信技術領 域。
【背景技術】
[0002] 限制光纖通信系統性能的兩個基本因素是光纖的色散和非線性效應。例如對于 IOGbps系統，入纖功率為0.OdBm時，標準單模光纖的無色散補償傳輸距離約為60km，而 40Gbps系統無色散補償的傳輸距離僅為3. 5km。當入纖功率高于0.OdBm時，非線性效應產 生的信號畸變使得光纖通信系統的傳輸距離更短。因此，在光纖通信系統和鏈路中，需要對 光纖鏈路的色散和非線性效應進行實時監測與均衡。
[0003]測量光纖色散的方法主要有頻譜分析法、殘留邊帶濾波法、非線性光譜分析法等。 這些方法不能對實際運行的光纖鏈路進行無干擾、調制格式透明、信號透明的色散監測，難 以滿足實際運行光鏈路實時監測的要求。而光纖非線性效應的測量則是世界難題，目前尚 沒有定量測量的方法提出來。隨著光通信系統速率越來越高、信道間隔越來越小，對光纖的 色散和非線性效應進行估計和均衡變得越來越重要。因此，如何對超高速光纖通信鏈路的 色散和非線性效應進行無干擾、實時、準確地監測則是當前光通信領域的難題，亟需解決。
[0004] 在光纖通信系統和網絡中，傳統的光纖非線性測量方法主要有全光預處理法、頻 譜分析法、二值化法、非線性光譜分析法等。（見"光纖檢測中數據處理方法研宄"，紅外語 激光工程，第30卷第3期，劉艷格等，2001年6月）。上述傳統的基于傅里葉變換識別和測 量光脈沖的非線性效應，雖然速度快，但分辨率及準確率低，不適合高速及不同種類光纖組 成的光通信系統。
[0005] 經過檢索，國內外文獻和專利都沒有基于分數階傅里葉變換來監測光線鏈路的非 線性效應的。而如何無干擾、實時而準確監測光纖鏈路中非線性效應是超高速光纖領域亟 待解決的難題。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是為解決超高速光纖鏈路中非線性效應無干擾、實時而準確監測的 難題，提出了一種采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方法。
[0007] 本發明的采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方法，其中心思想 為：光纖鏈路的色散使光脈沖信號變成頻域啁啾信號，光纖的非線性效應使光脈沖信號變 成時域啁啾信號，根據啁啾信號在分數階傅里葉變換中具有能量聚焦效應，先計算頻域信 號分數階傅里葉變換的最優分數階次，再由最優分數階次計算出光纖鏈路的色散，再對信 號進行色散補償，再對色散補償后的時域信號計算分數階傅里葉變換的最優分數階次，由 最優分數階次計算出色散補償后的時域信號的啁啾系數，用啁啾系數的絕對值大小監測光 纖鏈路的非線性效應。
[0008] 本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0009] -種采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方法，具體步驟如下：
[0010] 步驟一、對光纖傳輸后的光脈沖信號進行相干解調，得到光脈沖信號電場的實部 E1和虛部EQ，再計算復數電場E=EfjE0，其中，j是虛數單位；
[0011] 步驟二、對步驟一得到的光脈沖信號的復數場進行傅里葉變換，得到頻域復數場 W是光脈沖{目號的角頻率；
[0012] 步驟三、對步驟二得到的頻域復數場進行分數階傅里葉變換，根據啁啾信號分數 譜的能量聚焦效應，計算分數階傅里葉變換的最優分數階次P，搜索最優分數階次的 方法包括分數階頻譜熵、最優濾波算子、零中心歸一化瞬時幅度譜密度最大、分數階幅度譜 方差最大。
[0013] 步驟四、由步驟三得到的最優分數階次計算光纖鏈路的色散；
[0014]具體方法為：根據步驟三得到的最優分數階次P_iIM，計算光纖鏈路的色散為
的采樣點數；
[0015] 步驟五、由步驟四得到的光纖鏈路的色散對步驟二得到的頻域復數場進行色散補 償，得到色散補償后的頻域復數場|. (,nip(C〇);
[0016] 具體方法為：將步驟二得到的頻域復數場乘以色散函數為：
[0018] 步驟六、對步驟五得到的頻域復數場進行逆傅里葉變換，得到時域復數 場EC()mp;
[0019] 步驟七、對步驟六得到的時域復數場Eeraiip進行分數階傅里葉變換，計算分數階傅 里葉變換的最優分數階次P'。__?;搜索最優分數階次的方法包括分數階頻譜熵、最優濾 波算子、零中心歸一化瞬時幅度譜密度最大、分數階幅度譜方差最大。
[0020] 步驟八、由步驟七得到的最優分數階次P' ，計算時域復數場Ee_的啁啾系數
號的米樣點數；
[0021] 步驟九、步驟八得到的時域復數場Eqmp啁啾系數的絕對值|C|與光纖非線性效應 引起的非線性相移成正比，因此時域復數場Eqmp啁啾系數的絕對值|C|可以用來監測光纖 非線性效應的大小；
[0022] 其中，步驟三及步驟七中的搜索分數階傅里葉變換的最優分數階次，可以采用的 方法包括分數階幅度譜方差最大，其方法為：
[0023] 計算不同分數階次傅里葉變換得到的分數譜幅度的方差，分數譜幅度方差的最大 值對應的分數階次為最優分數階次；具體為，分數階次Pi照固定的步長△在[0, 2]范圍 內變化Pi= PH+A，對每個分數階次分別進行分數階傅里葉變換，計算每一個分數階次 傅里葉變換的幅度譜的方差〇i，再計算所有幅度譜方差的最大值，得到幅度譜方差最大值 對應的分數階次為最優分數階次。
[0024] 有益效果
[0025] 本發明采用分數階傅里葉變換定量表征光纖鏈路非線性效應的方法與系統，具有 如下有益效果：
[0026] 1.依據本發明方法設計的光纖鏈路非線性效應監測系統結構簡單，易于實現，無 需對發射機進行改變；
[0027] 2.本發明可適用于多種調制格式和不同傳輸速率，包括00K、QPSK，QAM等；
[0028] 3.依據本發明方法設計的光纖鏈路非線性效應監測系統監測方法簡單，監測參數 可以定量表征；
[0029] 4.本發明方法設計的光纖鏈路非線性效應的監測系統能夠準確監測非線性效應， 監測范圍寬；
[0030] 5.本發明符合高速光纖通信鏈路、光網絡對非線性效應的監測要求，能夠用于不 同種類光纖組成的光通信鏈路系統，尤其可以應用于高速光纖通信系統中對非線性效應進 行準確的監測和均衡；
[0031] 6.本發明簡單易集成，滿足光纖通信鏈路在線、無擾且實時監測的要求，對光纖非 線性效應進行便捷準確的監測。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發明及實施例中采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方 法的流程圖；
[0033] 圖2為本發明及實施例中最優分數階次搜索方法的流程圖；
[0034] 圖3為本發明及實施例中采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的系 統結構示意圖；
[0035]圖4為本發明及實施例中分數階傅里葉變換處理模塊的結構圖；
[0036] 圖5為本發明實施例中光纖輸出的10Gbit/s OOK調制格式的光脈沖經色散補償 后，其時域信號經過不同階次分數階傅里葉變換得到的分數階幅度譜圖，其中橫坐標P和 u分別為分數傅里葉變換的兩個參數，縱坐標為幅度譜值；
[0037] 圖6為本發明實施例中不同長度光纖輸出的lOGbit/s OOK調制格式的光脈沖經 色散補償后，對其時域信號采用分數階傅里葉變換得到的啁啾系數與標稱的光纖鏈路最大 非線性相移的關系曲線；
[0038] 圖7為本發明實施例中不同峰值功率的20Gbit/sQPSK調制格式的光脈沖經標準 單模光纖傳輸后，采用分數階傅里葉變換方法監測色散補償后時域信號的啁啾系數與標稱 的光纖鏈路最大非線性相移的關系曲線。
【具體實施方式】
[0039] 為了更好的說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實施例對
【發明內容】
做進一 步說明。
[0040] 實施例
[0041] 本發明采用分數階傅里葉變換監測光纖鏈路非線性效應的方法，其流程如圖1所 示，具體實施時，步驟如下：
[0042] 步驟一、對光纖傳輸后的光脈沖信號進行相干解調，得到光脈沖信號電場的實部 E1和虛部EQ，再計算復數電場E=EfjE0，其中，j是虛數單位；
[0043] 步驟二、對步驟一得到的光脈沖信號的復數場進行傅里葉變換，得到頻域復數場 左(03)，w是光脈沖彳目號的角頻率；
[0044] 步驟三、對步驟二得到的頻域復數場進行分數階傅里葉變換，根據啁啾信號分數 譜的能量聚焦效應，計算分數階傅里葉變換的最優分數階次P，搜索最優分數階次的 方法包括分數階頻譜熵、最優濾波算子、零中心歸一化瞬時幅度譜密度最大、分數階幅度譜 方差最大。
[0045] 步驟四、由步驟三得到的最優分數階次計算光纖鏈路的色散；
[0046]具體方法為：根據步驟三得到的最優分數階次P_iM1，計算光纖鏈路的色散為
的采樣點數；
[0047] 步驟五、由步驟四得到的光纖鏈路的色散對步驟二得到的頻域復數場進行色散補 償，得到色散補償后的頻域復數場;
[0048] 具體方法為：將步驟二得到的頻域復數場乘以色散函數為：
[0050] 步驟六、對步驟五得到的頻域復數gf(.._p(C〇)進行逆傅里葉變換，得到時域復數 場Ecotip ;
[0051] 步驟七、對步驟六得到的時域復數場Eeraiip進行分數階傅里葉變換，計算分數階傅 里葉變換的最優分數階次P'。__?;搜索最優分數階次的方法包括分數階頻譜熵、最優濾 波算子、零中心歸一化瞬時幅度譜密度最大、分數階幅度譜方差最大。
[0052] 步驟八、由步驟七得到的最優分數階次P' ，計算時域復數場Ee_的啁啾系數
號的米樣點數；
[0053] 步驟九、步驟八得到的時域復數場Ee_啁啾系數的絕對值ICI與光纖非線性效應 引起的非線性相移成正比，因此時域復數場Eqmp啁啾系數的絕對值|C|可以用來監測光纖 非線性效應的大小；
[0054] 其中，步驟三及步驟七中的搜索分數階傅里葉變換的最優分數階次，可以采用的 方法包括分數階幅度譜方差最大，其方法為：
[0055] 計算不同分數階次傅里葉變換得到的分數譜幅度的方差，分數譜幅度方差的最大 值對應的分數階次為最優分數階次；具體為，分數階次Pi照固定的步長△在[0, 2]范圍 內變化Pi=PH+A，對每個分數階次分別進行分數階傅里葉