采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，尤其涉及一 种采用分数阶傅里叶变换定量表征光纤链路非线性效应的方法，属于高速光通信技术领 域。
【背景技术】
[0002] 限制光纤通信系统性能的两个基本因素是光纤的色散和非线性效应。例如对于 IOGbps系统，入纤功率为0.OdBm时，标准单模光纤的无色散补偿传输距离约为60km，而 40Gbps系统无色散补偿的传输距离仅为3. 5km。当入纤功率高于0.OdBm时，非线性效应产 生的信号畸变使得光纤通信系统的传输距离更短。因此，在光纤通信系统和链路中，需要对 光纤链路的色散和非线性效应进行实时监测与均衡。
[0003]测量光纤色散的方法主要有频谱分析法、残留边带滤波法、非线性光谱分析法等。 这些方法不能对实际运行的光纤链路进行无干扰、调制格式透明、信号透明的色散监测，难 以满足实际运行光链路实时监测的要求。而光纤非线性效应的测量则是世界难题，目前尚 没有定量测量的方法提出来。随着光通信系统速率越来越高、信道间隔越来越小，对光纤的 色散和非线性效应进行估计和均衡变得越来越重要。因此，如何对超高速光纤通信链路的 色散和非线性效应进行无干扰、实时、准确地监测则是当前光通信领域的难题，亟需解决。
[0004] 在光纤通信系统和网络中，传统的光纤非线性测量方法主要有全光预处理法、频 谱分析法、二值化法、非线性光谱分析法等。（见"光纤检测中数据处理方法研宄"，红外语 激光工程，第30卷第3期，刘艳格等，2001年6月）。上述传统的基于傅里叶变换识别和测 量光脉冲的非线性效应，虽然速度快，但分辨率及准确率低，不适合高速及不同种类光纤组 成的光通信系统。
[0005] 经过检索，国内外文献和专利都没有基于分数阶傅里叶变换来监测光线链路的非 线性效应的。而如何无干扰、实时而准确监测光纤链路中非线性效应是超高速光纤领域亟 待解决的难题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为解决超高速光纤链路中非线性效应无干扰、实时而准确监测的 难题，提出了一种采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法。
[0007] 本发明的采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其中心思想 为：光纤链路的色散使光脉冲信号变成频域啁啾信号，光纤的非线性效应使光脉冲信号变 成时域啁啾信号，根据啁啾信号在分数阶傅里叶变换中具有能量聚焦效应，先计算频域信 号分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，再由最优分数阶次计算出光纤链路的色散，再对信 号进行色散补偿，再对色散补偿后的时域信号计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，由 最优分数阶次计算出色散补偿后的时域信号的啁啾系数，用啁啾系数的绝对值大小监测光 纤链路的非线性效应。
[0008] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
[0009] -种采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，具体步骤如下：
[0010] 步骤一、对光纤传输后的光脉冲信号进行相干解调，得到光脉冲信号电场的实部 E1和虚部EQ，再计算复数电场E=EfjE0，其中，j是虚数单位；
[0011] 步骤二、对步骤一得到的光脉冲信号的复数场进行傅里叶变换，得到频域复数场 W是光脉冲{目号的角频率；
[0012] 步骤三、对步骤二得到的频域复数场进行分数阶傅里叶变换，根据啁啾信号分数 谱的能量聚焦效应，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次P，搜索最优分数阶次的 方法包括分数阶频谱熵、最优滤波算子、零中心归一化瞬时幅度谱密度最大、分数阶幅度谱 方差最大。
[0013] 步骤四、由步骤三得到的最优分数阶次计算光纤链路的色散；
[0014]具体方法为：根据步骤三得到的最优分数阶次P_iIM，计算光纤链路的色散为
的采样点数；
[0015] 步骤五、由步骤四得到的光纤链路的色散对步骤二得到的频域复数场进行色散补 偿，得到色散补偿后的频域复数场|. (,nip(C〇);
[0016] 具体方法为：将步骤二得到的频域复数场乘以色散函数为：
[0018] 步骤六、对步骤五得到的频域复数场进行逆傅里叶变换，得到时域复数 场EC()mp;
[0019] 步骤七、对步骤六得到的时域复数场Eeraiip进行分数阶傅里叶变换，计算分数阶傅 里叶变换的最优分数阶次P'。__?;搜索最优分数阶次的方法包括分数阶频谱熵、最优滤 波算子、零中心归一化瞬时幅度谱密度最大、分数阶幅度谱方差最大。
[0020] 步骤八、由步骤七得到的最优分数阶次P' ，计算时域复数场Ee_的啁啾系数
号的米样点数；
[0021] 步骤九、步骤八得到的时域复数场Eqmp啁啾系数的绝对值|C|与光纤非线性效应 引起的非线性相移成正比，因此时域复数场Eqmp啁啾系数的绝对值|C|可以用来监测光纤 非线性效应的大小；
[0022] 其中，步骤三及步骤七中的搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，可以采用的 方法包括分数阶幅度谱方差最大，其方法为：
[0023] 计算不同分数阶次傅里叶变换得到的分数谱幅度的方差，分数谱幅度方差的最大 值对应的分数阶次为最优分数阶次；具体为，分数阶次Pi照固定的步长△在[0, 2]范围 内变化Pi= PH+A，对每个分数阶次分别进行分数阶傅里叶变换，计算每一个分数阶次 傅里叶变换的幅度谱的方差〇i，再计算所有幅度谱方差的最大值，得到幅度谱方差最大值 对应的分数阶次为最优分数阶次。
[0024] 有益效果
[0025] 本发明采用分数阶傅里叶变换定量表征光纤链路非线性效应的方法与系统，具有 如下有益效果：
[0026] 1.依据本发明方法设计的光纤链路非线性效应监测系统结构简单，易于实现，无 需对发射机进行改变；
[0027] 2.本发明可适用于多种调制格式和不同传输速率，包括00K、QPSK，QAM等；
[0028] 3.依据本发明方法设计的光纤链路非线性效应监测系统监测方法简单，监测参数 可以定量表征；
[0029] 4.本发明方法设计的光纤链路非线性效应的监测系统能够准确监测非线性效应， 监测范围宽；
[0030] 5.本发明符合高速光纤通信链路、光网络对非线性效应的监测要求，能够用于不 同种类光纤组成的光通信链路系统，尤其可以应用于高速光纤通信系统中对非线性效应进 行准确的监测和均衡；
[0031] 6.本发明简单易集成，满足光纤通信链路在线、无扰且实时监测的要求，对光纤非 线性效应进行便捷准确的监测。
【附图说明】
[0032]图1为本发明及实施例中采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方 法的流程图；
[0033] 图2为本发明及实施例中最优分数阶次搜索方法的流程图；
[0034] 图3为本发明及实施例中采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的系 统结构示意图；
[0035]图4为本发明及实施例中分数阶傅里叶变换处理模块的结构图；
[0036] 图5为本发明实施例中光纤输出的10Gbit/s OOK调制格式的光脉冲经色散补偿 后，其时域信号经过不同阶次分数阶傅里叶变换得到的分数阶幅度谱图，其中横坐标P和 u分别为分数傅里叶变换的两个参数，纵坐标为幅度谱值；
[0037] 图6为本发明实施例中不同长度光纤输出的lOGbit/s OOK调制格式的光脉冲经 色散补偿后，对其时域信号采用分数阶傅里叶变换得到的啁啾系数与标称的光纤链路最大 非线性相移的关系曲线；
[0038] 图7为本发明实施例中不同峰值功率的20Gbit/sQPSK调制格式的光脉冲经标准 单模光纤传输后，采用分数阶傅里叶变换方法监测色散补偿后时域信号的啁啾系数与标称 的光纤链路最大非线性相移的关系曲线。
【具体实施方式】
[0039] 为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对
【发明内容】
做进一 步说明。
[0040] 实施例
[0041] 本发明采用分数阶傅里叶变换监测光纤链路非线性效应的方法，其流程如图1所 示，具体实施时，步骤如下：
[0042] 步骤一、对光纤传输后的光脉冲信号进行相干解调，得到光脉冲信号电场的实部 E1和虚部EQ，再计算复数电场E=EfjE0，其中，j是虚数单位；
[0043] 步骤二、对步骤一得到的光脉冲信号的复数场进行傅里叶变换，得到频域复数场 左(03)，w是光脉冲彳目号的角频率；
[0044] 步骤三、对步骤二得到的频域复数场进行分数阶傅里叶变换，根据啁啾信号分数 谱的能量聚焦效应，计算分数阶傅里叶变换的最优分数阶次P，搜索最优分数阶次的 方法包括分数阶频谱熵、最优滤波算子、零中心归一化瞬时幅度谱密度最大、分数阶幅度谱 方差最大。
[0045] 步骤四、由步骤三得到的最优分数阶次计算光纤链路的色散；
[0046]具体方法为：根据步骤三得到的最优分数阶次P_iM1，计算光纤链路的色散为
的采样点数；
[0047] 步骤五、由步骤四得到的光纤链路的色散对步骤二得到的频域复数场进行色散补 偿，得到色散补偿后的频域复数场;
[0048] 具体方法为：将步骤二得到的频域复数场乘以色散函数为：
[0050] 步骤六、对步骤五得到的频域复数gf(.._p(C〇)进行逆傅里叶变换，得到时域复数 场Ecotip ;
[0051] 步骤七、对步骤六得到的时域复数场Eeraiip进行分数阶傅里叶变换，计算分数阶傅 里叶变换的最优分数阶次P'。__?;搜索最优分数阶次的方法包括分数阶频谱熵、最优滤 波算子、零中心归一化瞬时幅度谱密度最大、分数阶幅度谱方差最大。
[0052] 步骤八、由步骤七得到的最优分数阶次P' ，计算时域复数场Ee_的啁啾系数
号的米样点数；
[0053] 步骤九、步骤八得到的时域复数场Ee_啁啾系数的绝对值ICI与光纤非线性效应 引起的非线性相移成正比，因此时域复数场Eqmp啁啾系数的绝对值|C|可以用来监测光纤 非线性效应的大小；
[0054] 其中，步骤三及步骤七中的搜索分数阶傅里叶变换的最优分数阶次，可以采用的 方法包括分数阶幅度谱方差最大，其方法为：
[0055] 计算不同分数阶次傅里叶变换得到的分数谱幅度的方差，分数谱幅度方差的最大 值对应的分数阶次为最优分数阶次；具体为，分数阶次Pi照固定的步长△在[0, 2]范围 内变化Pi=PH+A，对每个分数阶次分别进行分数阶傅里叶