本發(fā)明涉及光纖通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地，涉及一種偏振模色散測量精度提升方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著光纖通信系統(tǒng)中傳輸速率的不斷提高，偏振模色散(pmd)對傳輸系統(tǒng)性能的影響也變得尤為突出，偏振模色散(pmd)是光纖的基本屬性之一，它會引起信號的脈沖展寬，造成碼間干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼率升高。pmd會導(dǎo)致光信號脈沖在傳輸過程中不斷展寬而使系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量迅速惡化，所以對偏振模色散測量技術(shù)的研究具有重要意義；隨著光纖通信系統(tǒng)向著高速率、大容量、長距離和全光網(wǎng)絡(luò)方向的發(fā)展，光纖的偏振模色散對光通信系統(tǒng)性能的影響越來越嚴(yán)重，精確測量偏振模色散并進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)男枨笠苍絹碓骄o迫。由于偏振模色散的隨機(jī)特性，測量難度大大增加。目前，國內(nèi)外已經(jīng)研究出了兩大類pmd測量方法：時域測量和頻域測量。時域測量主要包括光脈沖延遲法和干涉法，頻域測量主要包括固定分析儀法、瓊斯矩陣特征值法和米勒矩陣法。其中，固定分析儀法最容易實(shí)現(xiàn)，并具有測量范圍大和測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，在大帶寬光源和高分辨率光譜條件下，其測量范圍可達(dá)百皮秒，且適用于被測光纖鏈路中含有摻鉺光纖放大器(edfa)的情形。但這種方法受噪聲的影響很大，由噪聲產(chǎn)生的“假峰值”使得極值個數(shù)嚴(yán)重偏離真實(shí)值，從而嚴(yán)重影響pmd測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此需要對檢測到的信號進(jìn)行去噪聲處理。目前，常用的信號去噪聲方法包括傅里葉變換法、小波變換法和維納濾波法等。傅里葉變換法首先對包含噪聲的信號進(jìn)行傅里葉變換，將時域信號變換到頻域，然后根據(jù)有用信號和噪聲的不同頻率分布特性，選擇合適的濾波器去除噪聲。這種基于頻域?yàn)V波器的去噪方法在濾除噪聲的同時也會濾除掉一部分有用信號，同時該方法是基于全局意義上的傅里葉變換，不具有局部的時頻分析能力，對于非線性非平穩(wěn)的信號很難獲得真實(shí)的頻譜，具有很大的局限性。小波變換法是在傅里葉變換法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能夠處理非平穩(wěn)信號的方法，基于有用信號與噪聲的小波系數(shù)尺度特性的不同，根據(jù)預(yù)處理信號選擇合適的小波基、分解層數(shù)以及合適的閾值對信號進(jìn)行重構(gòu)，在消除噪聲的同時最大程度地保留了有用信號的系數(shù)，進(jìn)而獲得信號的最優(yōu)估計，但是該方法中的最優(yōu)小波基、分解層數(shù)和閾值的獲取比較困難，需要經(jīng)驗(yàn)和不斷嘗試才能獲得合適的系數(shù)。維納濾波法是一種從噪聲中提取有用信號的線性濾波法，其實(shí)現(xiàn)原理是根據(jù)已知的有用信號和噪聲的功率譜密度或相關(guān)函數(shù)，使用最小均方誤差準(zhǔn)則求解維納-霍夫方程，從而實(shí)現(xiàn)信號的最佳線性估計，但該方法需要預(yù)先獲得噪聲和有用信號的先驗(yàn)知識，不具有自適應(yīng)性，因此在應(yīng)用上受到了限制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種偏振模色散測量精度提升方法和系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有測量方法中局限性大，對非線性和非平穩(wěn)信號很難獲得真實(shí)的頻譜的問題。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種偏振模色散測量精度提升方法，包括：s1、將pmd測量信號按頻譜特征進(jìn)行多層分解，得到pmd測量信號的本征模態(tài)函數(shù)；s2、對分解后的pmd測量信號進(jìn)行噪聲濾除和信號重構(gòu)，恢復(fù)pmd測量信號的真實(shí)極值個數(shù)，實(shí)現(xiàn)pmd測量精度提高。作為優(yōu)選的，所述步驟s1具體包括：s11、通過固定分析儀法得到歸一化的pmd測量信號；s12、采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對pmd測量信號進(jìn)行自適應(yīng)分解，獲得有限個頻率從大到小排列且源于pmd測量信號自身的本征模態(tài)函數(shù)信號和一個余量信號。作為優(yōu)選的，所述步驟s11中，將待測光纖輸出的光信號分別經(jīng)過檢偏器和直接輸出得到對應(yīng)的輸出光譜pa(λ)和ptot(λ)，進(jìn)而得到歸一化的pmd測量信號作為優(yōu)選的，所述步驟s12具體包括：s121、判斷pmd測量信號是否滿足本征模態(tài)函數(shù)條件，若否則進(jìn)入步驟s122，若是則進(jìn)入步驟s124；s122、提取pmd測量信號中的所有極大值與極小值，并基于極大值和極小值分別擬合出pmd測量信號的上下包絡(luò)；s123、計算得到臨時余量，將臨時余量賦值給pmd測量信號，判斷是否滿足分解停止準(zhǔn)則，若是則進(jìn)入步驟s124，否則返回步驟s122；s124、得到一個本征模態(tài)函數(shù)信號，繼續(xù)分解直至分解過程結(jié)束，得到多個本征模態(tài)函數(shù)信號和一個余量信號。作為優(yōu)選的，步驟s123中，所述分解停止準(zhǔn)則為：sd＜ε；式中，eupp(λi)和elow(λi)分別為pmd測量信號的上下包絡(luò)；rr(λi)為臨時余量，pmd測量信號中λ對應(yīng)的集合為[λ1,λ2···λn]，n為集合中所包含波長點(diǎn)的總個數(shù)。。作為優(yōu)選的，所述步驟s124中，還包括測量剩余信號，并統(tǒng)計剩余信號的極值個數(shù)，若剩余信號的極值個數(shù)大于設(shè)定閾值則繼續(xù)進(jìn)行分解，得到下一個本征模態(tài)函數(shù)信號，否則分解過程結(jié)束。作為優(yōu)選的，所述步驟s2中采用連續(xù)均方誤差準(zhǔn)則對經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法自適應(yīng)分解獲得的pmd測量信號進(jìn)行重構(gòu)及濾波處理。作為優(yōu)選的，所述步驟s2具體包括：s21、計算本征模態(tài)函數(shù)信號的連續(xù)最小均方誤差；s22、尋找使最小方差取最小值時的分界點(diǎn)；s23、將分界點(diǎn)對應(yīng)階數(shù)及之后的本征模態(tài)函數(shù)信號及剩余量累加求和，獲得濾除噪聲后的重建信號。作為優(yōu)選的，所述本征模態(tài)函數(shù)信號的連續(xù)最小均方誤差計算公式為：式中，imfj(λi)為第j階本征模態(tài)函數(shù)信號。一種偏振模色散測量精度提升系統(tǒng)，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊和信號重構(gòu)模塊；所述經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊用于利用基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的自適應(yīng)濾波法，對pmd測量信號進(jìn)行自適應(yīng)分解，獲得有限個頻率從大到小排列且源于pmd測量信號自身的本征模態(tài)函數(shù)信號和一個余量信號；所述信號重構(gòu)模塊用于利用連續(xù)均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行噪聲濾除及信號重構(gòu)，恢復(fù)出pmd測量信號的真實(shí)極值個數(shù)，實(shí)現(xiàn)測量精度的提高。本申請?zhí)岢鲆环N偏振模色散測量精度提升方法和系統(tǒng)，首先根據(jù)pmd測量信號的頻譜特征對其進(jìn)行多層自適應(yīng)分解，獲得有限個頻率從大到小排列且來源于測量信號自身的本征模態(tài)函數(shù)(imf)，然后利用連續(xù)均方誤差(cmse)準(zhǔn)則進(jìn)行噪聲濾波及信號重構(gòu)；這種濾波策略完全由測量數(shù)據(jù)驅(qū)動，分解過程中無需知道噪聲和有用信號的先驗(yàn)知識，也無需設(shè)置基函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)非線性和非平穩(wěn)信號的噪聲自適應(yīng)濾波；能夠有效去除pmd測量中噪聲的影響，恢復(fù)出不受噪聲干擾的pmd測量信號，彌補(bǔ)了現(xiàn)有濾除噪聲方法的不足，對非線性和非平穩(wěn)信號具有良好的局部適應(yīng)性和較高的魯棒性，提高了pmd測量精度。附圖說明圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的偏振模色散測量精度提升方法流程框圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的固定分析儀法測量偏振模色散實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1偏振模色散測量精度提升方法的具體流程示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的pmd測量信號經(jīng)emd法濾除噪聲前后對比示意圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的6.3km色散補(bǔ)償光纖測量結(jié)果；圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的4.5km色散位移光纖測量結(jié)果；圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的12.8km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖測量結(jié)果。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1如圖1中所示，圖中示出了一種偏振模色散測量精度提升方法，包括：s1、將pmd測量信號按頻譜特征進(jìn)行多層分解，得到pmd測量信號的本征模態(tài)函數(shù)；s2、對分解后的pmd測量信號進(jìn)行噪聲濾除和信號重構(gòu)，恢復(fù)pmd測量信號的真實(shí)極值個數(shù)，實(shí)現(xiàn)pmd測量精度提高。作為優(yōu)選的，所述步驟s1具體包括：s11、通過固定分析儀法得到歸一化的pmd測量信號；s12、采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empiricalmodedecomposition，emd)法對pmd測量信號進(jìn)行自適應(yīng)分解，獲得有限個頻率從大到小排列且源于pmd測量信號自身的本征模態(tài)函數(shù)(intrinsicmodefunction，imf)信號和一個余量信號。如圖2所示，為本發(fā)明采用的固定分析儀法測量偏振模色散實(shí)驗(yàn)裝置，包括依次沿光源傳輸方向設(shè)置的起偏器、偏振控制器、待測工位、檢偏器和高分辨率光譜儀；待測工位用于安裝待測光纖，其兩側(cè)分別設(shè)有接口，可接光輸入接收裝置，在步驟s11中，寬帶光源發(fā)出的光依次通過起偏器、偏振控制器，并通過待測光纖輸出，將待測光纖輸出的光信號分別經(jīng)過檢偏器和直接輸出，通過高分辨率光譜儀得到對應(yīng)的輸出光譜pa(λ)和ptot(λ)，進(jìn)而得到歸一化的pmd測量信號為了方便表述，在本實(shí)施例中，首先將pmd測量信號r(λ)中的波長范圍集合[λ1,λ2,λ3...λn]一一對應(yīng)于索引值[m1,m2,m3...mn]，可記為r(λ)→r(m)，n為測量數(shù)據(jù)的總個數(shù)，其大小取決于寬帶光源的波長范圍和光譜儀的分辨率。在本實(shí)施例中，如圖3中所示，所述步驟s12具體包括：s121、判斷pmd測量信號r(m)是否滿足imf條件，若否則進(jìn)入步驟s122，若是則進(jìn)入步驟s124；s122、提取pmd測量信號中的所有極大值與極小值，并利用三次調(diào)樣函數(shù)分別擬合出極大值和極小值的包絡(luò)，即pmd測量信號的上下包絡(luò)，分別記為eupp(m)和elow(m)；s123、計算得到臨時余量rr(m)，將臨時余量賦值給pmd測量信號，判斷是否滿足分解停止準(zhǔn)則，若是則進(jìn)入步驟s124，否則返回步驟s122，重復(fù)上述步驟直至完成一次分解；在本實(shí)施例中，臨時余量rr(m)通過pmd測量信號的上下包絡(luò)的均值計算得到，計算公式為：s124、得到一個本征模態(tài)函數(shù)信號，即第j階的imfj(m)信號，繼續(xù)分解直至分解過程結(jié)束，得到多個本征模態(tài)函數(shù)信號和一個余量信號。作為優(yōu)選的，步驟s123中，所述分解停止準(zhǔn)則為：sd＜ε；理想情況下ε為0，本發(fā)明實(shí)施例中，ε取值為0.2～0.3之間的數(shù)。在本實(shí)施例中，所述步驟s124中，還包括測量剩余信號r(m)'＝r(m)-imfj(m)，并統(tǒng)計剩余信號的極值個數(shù)ln，若剩余信號的極值個數(shù)大于設(shè)定閾值則繼續(xù)進(jìn)行分解，得到下一個本征模態(tài)函數(shù)信號，否則分解過程結(jié)束，在本實(shí)施例中，若ln≥2則繼續(xù)進(jìn)行分解，得到下一個imf信號；否則分解過程結(jié)束。整個分解過程獲得j個imf信號和一個余量信號rc(m)，即得到pmd測量信號的分解式作為優(yōu)選的，所述步驟s2中采用連續(xù)均方誤差準(zhǔn)則對經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法自適應(yīng)分解獲得的pmd測量信號進(jìn)行重構(gòu)及濾波處理。作為優(yōu)選的，所述步驟s2具體包括：s21、計算本征模態(tài)函數(shù)信號的連續(xù)最小均方誤差；利用公式：得到每一個imf信號的cmse值；s22、尋找使最小方差取最小值時的分界點(diǎn)；搜尋得到使cmse取最小值時對應(yīng)的imf索引號jmin；s23、將分界點(diǎn)對應(yīng)階數(shù)及之后的本征模態(tài)函數(shù)信號及剩余量累加求和，獲得濾除噪聲后的重建信號。將第jmin階及之后的imf信號及剩余量rc(m)累加求和，得到濾除噪聲后的pmd重建信號：實(shí)施例2一種偏振模色散測量精度提升系統(tǒng)，采用如實(shí)施例1所述的方法，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊和信號重構(gòu)模塊；所述經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解模塊用于利用基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的自適應(yīng)濾波法，對pmd測量信號進(jìn)行自適應(yīng)分解，獲得有限個頻率從大到小排列且源于pmd測量信號自身的本征模態(tài)函數(shù)信號和一個余量信號；所述信號重構(gòu)模塊用于利用連續(xù)均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行噪聲濾除及信號重構(gòu)，恢復(fù)出pmd測量信號的真實(shí)極值個數(shù)，實(shí)現(xiàn)測量精度的提高。本實(shí)施例中分別測量了不同長度、不同類型光纖的偏振模色散，以驗(yàn)證本發(fā)明系統(tǒng)的性能。如圖4所示，給出了pmd測量信號使用emd自適應(yīng)濾波前后的結(jié)果對比，對emd濾波效果進(jìn)行驗(yàn)證，從圖4可知，emd濾波法能夠有效消除噪聲產(chǎn)生的“假峰值”，準(zhǔn)確恢復(fù)出信號極值，進(jìn)而提高pmd測量結(jié)果的精度。分別測量了色散補(bǔ)償光纖(dcf)、色散位移光纖(dsf)和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(smf)的偏振模色散值。我們還實(shí)驗(yàn)對比了emd自適應(yīng)濾波法與維納濾波法對pmd測量信號的處理效果，并將兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果與商用儀器測量結(jié)果(真實(shí)值)進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖5-7所示。圖5是6.3km的dcf三種測量結(jié)果曲線圖，從中可以看出，利用emd濾波法的結(jié)果與真實(shí)值的最大差值是0.144ps，優(yōu)于維納濾波法的最大誤差值0.539ps；圖6是4.5km的dsf三種測量結(jié)果曲線圖，可發(fā)現(xiàn)使用emd濾波法的最大差值為0.242ps，同樣好于維納濾波法最大誤差值0.766ps；圖7是12.8km的smf三種測量方法結(jié)果對比，可以看出采用emd濾波法的最大誤差為0.027ps，優(yōu)于維納濾波法的最大誤差0.102ps。此外，在本實(shí)施例中，我們還具體比較了兩種濾波去噪聲測量結(jié)果與商用儀器測量結(jié)果的誤差，具體下表中兩種濾波方法測量結(jié)果與商用儀器測量結(jié)果(真實(shí)值)的比較；dcfdsfsmf真實(shí)值(ps)9.9215.3930.635emd濾波法測量結(jié)果的平均值(ps)9.8955.4300.634維納濾波法測量結(jié)果的平均值(ps)9.8615.3000.745emd濾波法測量結(jié)果與真實(shí)值的誤差0.26％0.69％0.16％維納濾波法測量結(jié)果與真實(shí)值的誤差0.60％1.72％17.32％從表中據(jù)可知，對于dcf光纖，emd濾波法的pmd測量誤差為0.26％，好于維納濾波法的0.60％；對于dsf光纖，本發(fā)明提出的emd濾波法，其pmd測量誤差為0.69％，優(yōu)于維納濾波法的1.72％；對于smf光纖，emd濾波法的pmd測量誤差為0.16％，遠(yuǎn)優(yōu)于維納濾波法的17.32％。因此，使用固定分析法進(jìn)行pmd測量時，本發(fā)明提出的emd自適應(yīng)濾波法，能夠更好地消除由噪聲產(chǎn)生的“假峰值”的影響，準(zhǔn)確恢復(fù)出信號的極值情況，測量誤差小于維納濾波法，明顯提高了測量精度?？偵纤?，本申請?zhí)岢鲆环N偏振模色散測量精度提升方法和系統(tǒng)，首先根據(jù)pmd測量信號的頻譜特征對其進(jìn)行多層自適應(yīng)分解，獲得有限個頻率從大到小排列且來源于測量信號自身的本征模態(tài)函數(shù)(imf)，然后利用連續(xù)均方誤差(cmse)準(zhǔn)則進(jìn)行噪聲濾波及信號重構(gòu)；這種濾波策略完全由測量數(shù)據(jù)驅(qū)動，分解過程中無需知道噪聲和有用信號的先驗(yàn)知識，也無需設(shè)置基函數(shù)，可實(shí)現(xiàn)非線性和非平穩(wěn)信號的噪聲自適應(yīng)濾波；能夠有效去除pmd測量中噪聲的影響，恢復(fù)出不受噪聲干擾的pmd測量信號，彌補(bǔ)了現(xiàn)有濾除噪聲方法的不足，對非線性和非平穩(wěn)信號具有良好的局部適應(yīng)性和較高的魯棒性，提高了pmd測量精度。最后，本申請的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12