專利名稱：檢測有噪聲信號中的引導音調的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測和測量光纖中的引導音調(pilot tone)。光纖可包含許多光學通道，每個光學通道傳送通道專用的(channel-specific)引導音調。
背景技術：
在光學通信傳送網絡中，不同的光學波長通道可被多路復用到單一光纖中。圖1表示了具有多路復用器(MUX)和發(fā)射器(3)，把所需的數據和引導信號嵌入光纖中的發(fā)射節(jié)點(1)。圖1還表示了具有多路分解器(DEMUX)和接收器(4)的接收節(jié)點(2)。傳送數據的光學波長通道可在網絡的節(jié)點(即包括發(fā)射元件和接收元件的節(jié)點)中去掉或加入。為了監(jiān)測在網絡中的指定地點存在哪些通道，可在波長載波上疊加(3)特定于每個波長通道的引導音調。通過把指定地點中的一部分光線(一般為10％)引入光電檢測器(5)，可檢測載波。更具體地說，光學抽頭(5)轉移小部分的光能，以便提取所需的引導音調(或音調)。光學抽頭可位于通道的多路分解(2)之前(5)，或者在多路復用之前，但是在接收器之前，或者在接收器中。
圖2表示了檢測光纖(6)中的引導音調的結構的例子。通過過濾經可選帶通濾波器(8)從光電檢測器(13)獲得的信號，可檢測引導音調，所述帶通濾波器(8)被調諧成使引導音調的頻率范圍通過，并阻塞大多數通信數據信號。另外還可把濾波器調諧成只讓所需的引導音調通過。通常，在帶通濾波器之前放大來自光電檢測器的信號(7)。如果引導音調具有已知的調制深度，通過測量引導音調的幅值，可測量光學載波。通常，測量裝置(11)是諸如數字信號處理器之類的數字設備。因此，來自帶通濾波器的信號必須被轉換成數字格式。使用的轉換器(9)從可調振蕩器(10)獲得取樣率。管理系統(tǒng)(12)可把引導音調的測量幅值用于任意所需用途。使用引導音調簡化了任意所需目的的檢測。使用引導音調便于檢測波長載波存在與否，因為如果使用引導音調，那么既不需要光學濾波器，也不需檢查通信數據信號。
引導音調幅值必須較低，以便不干擾數據信號。另外，數據信號本身需要從數十千赫茲到幾千兆赫茲的寬廣頻譜。此外，可存在不同功率水平的數十或數百波長通道。檢測包含許多其它引導音調，以及由眾多數據通道引起的噪聲的累積信號中的衰弱引導音調是對檢測系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。由于許多光纖與每個節(jié)點相連，因此檢測系統(tǒng)應盡可能簡單。
一種非常靈敏的檢測引導音調的方法是在包含本地振蕩器的接收器中使用鎖相環(huán)，所述本地振蕩器被調諧到引導音調頻率。在低通濾波之后，來自光電檢測器的由本地振蕩器倍增的信號產生引導信號的幅值。通過把乘積信號用作本地振蕩器的反饋信號，本地振蕩器的相位可鎖定到引導音調相位。在這種解決方案中，檢測數十個通道可能成問題，因為接收器需要時間來鎖定到接收信號的相位。
另一種方法是對信號取樣和數字化。隨后對數據應用快速傅里葉變換(FFT)技術，以便提取引導音調幅值。通常，計算快速傅里葉變換要求相當強大的處理器計算能力，因為必須進行大量的乘法運算。例如，對于4096個樣本的數據集合，必須進行49000次(復數)乘法運算。如果不需要計算能力強大的處理器，那么可以節(jié)省費用。
本發(fā)明的目的是在維持較高的檢測引導音調靈敏度的同時，通過使計算次數降至最小，避免這些缺陷。這由權利要求中描述的方式實現(xiàn)。

發(fā)明內容
在本發(fā)明描述的方法中，通過幾乎完全消除進行乘法運算的需要，顯著降低了計算復雜性。只需要少量的乘法運算來計算DFT(離散傅里葉變換)的某些頻譜分量。原理是對于檢測一個引導音調來說，如果在引導音調頻率和接收器的取樣率之間可選擇特定的比值，那么計算DFT的一個頻譜分量就足夠了。引導音調發(fā)射器和接收器的時鐘必須幾乎同步，不過可具有任意相差。簡單地通過，例如自由運行的晶體振蕩器的固有精度，即可獲得足夠的同步。計算的DFT的頻譜分量的頻率最好是取樣率的四分之一。通過利用這些數值，取樣信號值和DFT頻譜分量之間的相關性只包括復數加法或減法運算。記錄樣本值的周期應短到足以避免測量的引導音調和其頻率對應于四分之一取樣率的信號之間的相差的累積。從而，DFT頻譜分量給出引導音調的幅值，把所述幅值與特定數值比較，以便判定引導音調是否存在。通過改變頻譜分量以及改變取樣率，可檢測不同的引導音調。管理系統(tǒng)可快速獲得關于特定通道的引導音調信息。每秒至少可以測量數十個引導音調。


下面借助附圖中的圖1-6更詳細地說明本發(fā)明，其中圖1圖解說明了光學多路復用和多路分解設備，把引導音調嵌入光學通道中，以及檢測引導音調的抽頭濾波器的例子。
圖2圖解說明了測量引導音調的結構的例子。
圖3圖解說明了如何使樣本與要檢測的引導信號相聯(lián)系的一個例子。
圖4圖解說明了如何使樣本與要檢測的引導信號相聯(lián)系的另一例子。
圖5以流程圖的形式表示了本發(fā)明的一個實例。
圖6以流程圖的形式表示了本發(fā)明的另一實例。
具體實施例方式
當求解信號包含哪些頻譜分量時，通常計算離散傅里葉變換(DFT)或快速傅里葉變換(FFT)。DFT和FFT輸出頻域中取樣率和樣本數目實現(xiàn)的所有頻譜分量。但是，根據本發(fā)明，只求解一個頻譜分量。事實上，本發(fā)明方法求解的分量是DFT的一個分量。通過使用該分量，可消除乘法。為了找出該分量，必須滿足一些先決條件。
參見圖3。正弦信號(31)描述要檢測和測量的引導音調。假定光纖中的信號只包含引導音調(無數據)有助于解釋圖3。 等舉例說明在記錄并轉發(fā)信號的數值，以便計算頻譜分量的不同時刻時的樣本。如圖所示，取樣率為引導音調的頻率的四倍。取樣率可以是另一取樣率，不過那樣需要一定的乘法，如后所示。假定音調的幅值(A)為1，記錄下一樣本值Xi+=0,Ii-=1,Xi-=0]]>和Ii+=-1.]]>把這些值代入等式1，測量周期(這種情況下為一個信號周期)內幅值為1。值得注意的是該等式由頻率為取樣率的1/4的離散傅里葉變換的單一頻率分量簡化而來。 和 值的差代表該頻率下信號的實數幅值， 和 值的差代表信號的虛數幅值。復數A的絕對值描述該頻率下測量信號的總幅值。參數n是測量周期內引導信號周期的數目。A=12nΣi=0n-1Xi+-Xi-+j(Ii+-Ii-)---(1)]]>要測量信號的相位可以是任意相位。圖4描述了和圖3中的情形相比，具有不同相位的信號?，F(xiàn)在，當音調的幅值仍然為1時，樣本值為Xi+=0.7071,Ii-=0.7071,Xi-=-0.7071]]>和Ii+=-0.7071.]]>把這些值代入等式1，當計算復數幅值的絕對值時，該幅值的值為1?？梢钥闯鲈撔盘柕南辔豢梢允侨我庀辔?。
因此根據上面提及的原因，不需要乘法。其先決條件是知道所需引導音調的頻率，選擇適當的取樣率，并使引導音調和取樣率準同步。事先必須已知引導音調的頻率，以便調整帶通濾波器，設置正確的取樣率，以及使引導音調和取樣率準同步。
取樣率最好應為引導音調的頻率的四倍。在使用該取樣率的情況下，不需要乘法。樣本數目可以是除每個引導音調周期四個樣本之外的其它數目(即，這種情況下樣本周期是引導音調的一個周期)。例如，每個周期3個、5個、6個等樣本是適當的。但是，如果使用除每個周期四個樣本之外的取樣率，由于每個樣本值需要一定的系數，因此所述等式被改變。這指示需要乘法引擎。但是，在引導音調的每個周期中，重復相同的系數，因此當用系數去乘累積和時，在記錄周期結束之前，加減就足夠了。
還可以是每個引導音調周期p/q個樣本，p和q是正整數，并且p/q＞2(即，對于測量信號的每q個周期，獲得p個樣本)。這種情況下，引導音調的記錄周期的數目必須是q的倍數。在最壞的情況下，在記錄周期結束時，必須累積并用非整數系數去乘p個和數。
通過使用和取樣示波器相似的方法把樣本分配給信號的某些相位，取樣率可以小于上面給出的取樣率。
必須使引導音調的頻率和取樣率準同步。通過獲得每次測量有限數目的引導音調周期，例如1000個引導音調周期，實現(xiàn)準同步。在測量時間內，樣本周期的相位(引導音調的一個周期內的樣本)和引導音調的相位保持基本相同。借助標準晶體振蕩器的精度(一般為50ppm)，這是可能的。從而，不需要鎖相。由于獲得每個周期4個樣本，并且單獨處理具有90度相差的樣本，因此接受發(fā)射器和接收器之間的任意相差。
如上所述，由于相差保持基本相同，因此可直接求樣本之和，不需要如FFT中那樣的乘法。在等式1中描述了引導音調的復數幅值(A)的計算。通過計算復數幅值(A)的絕對值，獲得引導音調的幅值。
當記錄樣本時，可使用輸入電壓的模擬積分。如果噪聲不存在，那么每個樣本的積分時間(圖3，∫MAX)可以很短，以便獲得關于A的更準確的值。每個樣本的最大積分時間為1/4周期(當使用每個周期4個樣本時)。在最大積分時間條件下，以輕微的測量誤差為代價，過濾高頻噪聲。所述誤差可被校正，因為它只約為信號幅值的10％，并且不依賴于信號和樣本周期之間的相差。
圖5以流程圖的形式表示了本發(fā)明。首先，必須關于引導音調和精度要求，選擇恰當的取樣率(51)。引導音調頻率(和波形)事先已知。和引導音調的相位相比，樣本周期的相位不應漂移，從而使取樣率以足夠的精度與引導音調同步。通常被用作時鐘頻率源的晶體振蕩器的精度，50ppm，足夠測量之用，在這種情況下，不需要任何同步程序。通過選擇恰當的(足夠短的)記錄周期(52)，可避免要測量的引導音調和取樣率之間相差的累積。在這些步驟之后，測量設備準備記錄樣本值(53)，并根據等式1累積數值之和。根據選擇的取樣率，必須設置最后用于去乘樣本值的累積和的系數(54)。關于引導音調計算DFT頻譜分量(55)，以便獲得引導音調的幅值。另外還可認為累積和數(53)，設置系數(54)和計算頻譜分量(55)一起形成所需頻譜分量的傅里葉變換，但是把這些階段分成多個獨立部分產生更直觀的圖象。最后，比較計算的幅值和指示引導音調存在與否的預定值(56)。比較結果斷定引導音調是否存在。應注意在忽略最后步驟(56)的情況下，該方法可以只用于測量引導音調的幅值。
圖6以流程圖的形式圖解說明了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。這種情況下，取樣率被選擇為引導音調的頻率的四倍(61)。通過該取樣率，不需設置樣本值的系數(比較圖5中的步驟54)，從而不需要用系數去乘和數(圖5中的步驟55)。累加數值之和(62)對應于傅里葉變換的頻譜分量。
根據本發(fā)明的結構類似于圖2。但是，測量裝置(12)不必是處理能力強大的處理器，相反它可以是較簡單的裝置。這自然節(jié)省了費用。
在本發(fā)明中，目的是使計算工作降至最小，同時保持較高的靈敏度。例如，在對4096樣本數據集合使用FFT(快速傅里葉變換)的情況下，必須進行49000次(復數)乘法。在FFT中，在獲得最后樣本之前，只能進行一部分計算。從而，在獲得最后樣本之后的額外延遲之后才獲得結果。
另一方面，在根據本發(fā)明的方法中，從4096個樣本的等效數據集合中檢測一個引導音調的相關過程需要4100次復數加法或減法運算。除了使結果歸一化之外，不必進行任何乘法運算。在獲得最后的樣本之后，幾乎立即獲得相關過程的結果。
但是，如果要檢測大量的引導音調，那么和一個通道的情況相比，該方法的計算優(yōu)勢較低，因為和其中通過單一變換檢測所有通道的FFT相比，運算次數隨著通道數目線性增加。另一方面，管理系統(tǒng)通常具有例如通過檢測在通道結束時落線的通道，檢測和某一通道相關的問題的其它裝置。從而，管理系統(tǒng)可指令沿著該行跡的所有節(jié)點立即測量該通道，并快速獲得結果。由于簡單的微控制器適用于每秒檢測數十個通道，因此能夠連續(xù)監(jiān)視相當大量的通道。
引導音調和取樣率之間的同步確保實際上整個信號幅值由計算的頻譜分量表示。如果信號不與取樣率同步，那么為了獲得引導音調的幅值，必須計算DFT的大約10個頻譜分量的平方和。10個頻譜分量，幾乎使最終結果中噪聲引入的誤差加倍。另外，將存在更多的來自其它引導音調的串音。
通過改變接收器的取樣率，可檢測不同的引導音調。如果引導音調頻率被選擇成使所有引導音調在測量持續(xù)時間內，經歷整數振蕩，那么可獲得不同引導音調之間很好的選擇性。如果引導音調頻率間隔相等，并且對于所有音調來說，測量的持續(xù)時間都相同，那么就可實現(xiàn)這一點。
但是，如果借助對所有引導音調發(fā)生器來說都相同的時鐘的頻率分割獲得引導音調頻率，那么不能獲得相等的頻率間隔。這種情況下，引導音調應成對排列。由該對引導音調構成的音調之間的頻率間隔可以小于相鄰各對音調之間的頻率間隔。能夠為借助相同時鐘的頻率的分割產生的一對引導音調頻率選擇一個測量周期，以致這兩個音調在所述測量周期內都經歷整數振蕩。
在所提出的系統(tǒng)中，只需要幾個字節(jié)的隨機存取存儲器，這進一步降低了系統(tǒng)所占用的硅面積。顯然，本發(fā)明并不局限于上述例子，相反在發(fā)明原理的范圍中，本發(fā)明也可用在其它解決方案中。
權利要求
1.一種檢測信號中其特征已知的引導音調的存在的方法，所述方法包括對信號取樣，從所需記錄長度記錄樣本的值的步驟，其特征在于所述方法還包括下述步驟計算樣本值的傅里葉變換的一個頻譜分量，以及比較計算結果和至少一個預定值，以便確定引導音調是否存在。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征在于取樣步驟包括根據引導音調、信號和取樣步驟的特征，選擇適當的取樣率的步驟。
3.按照權利要求2所述的方法，其特征在于在選擇步驟中，取樣率被選擇為引導音調頻率的四倍。
4.按照權利要求3所述的方法，其特征在于計算步驟包括累積數值的和數的步驟。
5.按照權利要求2所述的方法，其特征在于當把取樣率選擇為不同于四倍引導音調頻率時，一個為計算步驟設置系數的步驟介于記錄數值的步驟和計算傅里葉變換的一個頻譜分量的步驟之間。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征在于計算步驟包括累積所述數值之和，用系數去乘所述數值之和，和把乘法后的和數加在一起的步驟。
7.按照權利要求1、2、3、4、5或6所述的方法，其特征在于當記錄樣本的數值時，對信號積分。
8.按照權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于通過均勻分隔引導音調的頻率，并為引導音調選擇特定的測量時間，以確保串音的減少，來降低當存在數個具有引導音調的信號時，引導音調之間的串音。
9.按照權利要求8所述的方法，其特征在于為引導音調選擇相同的測量時間，以確保串音的減少。
10.按照權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于通過成對安排具有成對特定頻率差異和成對特定測量時間的引導音調，來減少當存在數個具有引導音調的信號時，引導音調之間的串音。
11.按照權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的方法，其特征在于通過成對安排具有特定頻率差異和特定測量時間的引導音調，來減少當存在數個具有引導音調的信號時，引導音調之間的串音，其中對所有各對引導音調來說，所述特定頻率差異和特定測量時間都相等。
12.一種測量信號中其特征已知的引導音調的方法，所述方法包括對信號取樣，從所需記錄長度記錄樣本的數值的步驟，其特征在于所述方法還包括下述步驟計算樣本值的傅里葉變換的一個頻譜分量，以及把計算的頻譜分量用作引導音調的幅值的量度。
13.按照權利要求12所述的方法，其特征在于取樣步驟包括根據引導音調、信號和取樣步驟的特征，選擇適當的取樣率的步驟。
14.按照權利要求13所述的方法，其特征在于在選擇步驟中，取樣率被選擇為引導音調頻率的四倍。
15.按照權利要求14所述的方法，其特征在于計算步驟包括累積數值的和數的步驟。
16.按照權利要求13所述的方法，其特征在于當把取樣率選擇為不同于四倍引導音調頻率時，一個為計算步驟設置系數的步驟介于記錄數值的步驟和計算傅里葉變換的一個頻譜分量的步驟之間。
17.按照權利要求16所述的方法，其特征在于計算步驟包括累積所述數值之和，用系數去乘所述數值之和，和把乘法后的和數加在一起的步驟。
18.按照權利要求12、13、14、15、16或17所述的方法，其特征在于當記錄樣本的數值時，對信號積分。
19.按照權利要求12、13、14、15、16、17或18所述的方法，其特征在于通過均勻分隔引導音調的頻率，并為引導音調選擇特定的測量時間，以確保串音的減少，來降低當存在數個具有引導音調的信號時，引導音調之間的串音。
20.按照權利要求19所述的方法，其特征在于為引導音調選擇相同的測量時間，以確保串音的減少。
21.按照權利要求12、13、14、15、16、17或18所述的方法，其特征在于通過成對安排具有成對特定頻率差異和成對特定測量時間的引導音調，來減少當存在數個具有引導音調的信號時，引導音調之間的串音。
22.按照權利要求12、13、14、15、16、17或18所述的方法，其特征在于通過成對安排具有特定頻率差異和特定測量時間的引導音調，來減少當存在數個具有引導音調的信號時，引導音調之間的串音，其中對所有各對引導音調來說，所述特定頻率差異和特定測量時間都相等。
23.一種檢測信號中其特征已知的引導音調的存在的設備，所述設備包括對信號取樣的取樣裝置，記錄樣本的數值的記錄裝置，其特征在于所述設備還包括計算樣本值的傅里葉變換的一個頻譜分量的裝置，和比較計算結果和至少一個預定值，以便確定引導音調是否存在的裝置。
24.按照權利要求23所述的設備，其特征在于所述設備還包括設置樣本的數值的系數的裝置。
25.按照權利要求23或24所述的設備，其特征在于記錄裝置還包括選擇記錄長度的裝置。
26.一種測量信號中其特征已知的引導音調的設備，所述設備包括對信號取樣的取樣裝置，記錄樣本的數值的記錄裝置，其特征在于所述設備還包括計算樣本值的傅里葉變換的一個頻譜分量的第一裝置，相應于第一裝置的，把計算的頻譜分量的值記錄為引導音調的幅值的量度的第二裝置。
27.按照權利要求26所述的設備，其特征在于所述設備還包括設置樣本數值的系數的裝置。
28.按照權利要求26或27所述的設備，其特征在于記錄裝置還包括選擇記錄長度的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及檢測光纖中的引導音調。在本發(fā)明所述的方法中，通過幾乎完全消除進行乘法運算的需要，顯著降低計算復雜性。只需要少量的乘法運算來計算DFT(離散傅里葉變換)的某些頻譜分量。原理是對于檢測一個引導音調來說，如果在引導音調頻率和接收器的取樣率之間可選擇特定的比值，那么計算DFT的一個頻譜分量就足夠了。
文檔編號H04L27/26GK1461551SQ00820070
公開日2003年12月10日 申請日期2000年12月20日 優(yōu)先權日2000年12月20日
發(fā)明者密克·索德蘭德, 安蒂·皮爾迪萊內, 西蒙·塔梅拉 申請人:諾基亞公司