技术领域
[0001] 本
发明涉及光纤通信，全
光信号和
数字信号处理技术领域。
背景技术
[0002] 通信的最终目的是为了实现信息快速有效安全准确的传输。由于信道容量的限制，通信信号需要采用不同的调制方式，来满足用户的不同需求。随着现代通信技术的高速发展，通信系统中的调制方式趋于多样化和复杂化。通信信号的调制方式识别是截获
信号处理领域的重要组成部分，它需要在复杂环境和有噪声干扰的条件下，不依赖于其它的先验知识，确定接收信号的调制方式，并提取相应的调制参数，为信号的进一步分析和处理提供依据。
[0003] 通信信号的调制方式识别在军事领域中起到了关键的作用。信息战已成为现代战争的主要形式之一，以控制电磁
频谱为目的的
电子战是信息战中最重要的核心部分，而通信对抗是电子战的重要组成部分。通信对抗是对敌方信号进行截获、检测和识别，从而获得敌方的通信信息或对敌方信号进行有效的干扰。其中调制方式识别技术是通信对抗中的关键技术，利用它分析截获的敌方通信信号，能确定接收信号采用的调制方式及相应的调制参数，然后选择正确的解调参数，最终获得有用的情报信息。同时，只有准确地识别出敌方信号的调制方式，才能进行最佳的干扰，从而破坏和抑制敌方通信。
[0004] 在民用方面，通信信号的调制方式识别同样具有十分重要的应用价值。在信号确认、干扰识别、电磁频谱监测等通信系统管理中，要成功地排除非法干扰，保证合法通信正常进行就必须采用通信信号的调制方式识别技术，把调制方式识别技术应用到通信系统监测设备中，则能提高监测设备 区分不同用户性质的能
力，进而可以实现通信监测和网络控制的智能化。
[0005] 光纤传输系统具有极大的带宽和更远的传输距离，承载了目前绝大部分高速、大容量信息传输业务。而且随着光纤通信技术的发展，特别是近年来相干光通信技术的发展，光信号从简单的幅度调制过度到对光场信息多维度，多参数的调制，其中的调制体制和调制参数趋于复杂多样，因此监测和识别光纤通信系统中光信号调制格式对于军用和民用领域均具有重要的应用价值。
[0006] 目前提出的调制识别方法的基本
框架包括三个部分：信号预处理部分、提取特征参数部分和分类识别部分。信号预处理包括
频率下变频、同相（I）和
正交（Q）分量分离、载频估计、符号速率估计等，它为下一步的特征提取做准备。特征提取是从预处理后的信中提取信号的时域或变换域特征参数。时域特征包括瞬时幅度、瞬时频率、瞬时
相位；变换域特征包括
功率谱、谱相关函数、时频分布及其它统计参数。按照提取的信号特征的不同，可对信号调制识别方法进行分类。常用的分类
算法包括最大似然方法、特征识别方法、基于
星座图方法、决策论方法、基于
人工神经网络（ANN）方法、基于
支持向量机方法等。
[0007] 光信号调制格式的识别相对于无线信号的识别起步较晚。与无线信号不同的是光
信号传输过程中由于光纤介质的色散（CD）会发生严重的脉冲展宽，长距离传输时这种展宽甚至可以
覆盖相邻数百甚至数千个符号。此外偏振模色散（PMD）还会导致信号偏振方向的发生随机变化和相互耦合。CD和PMD失真会导致在信号预处理部分信号I/Q分量和
波形瞬时特征难以被直接提取。此外由于光信号调制速率一般10G～100G波特或更高，远远高于无线电
射频信号速率，对于
光探测器的带宽，
模数转换（ADC）和数字信号处理（DSP）器件速率的要求极高，基于相干接收机识别系统造价十分高昂。对于高速光信号DSP的运算能力也很难支持无线信号识别中使用的复杂的识别算法，必须采用更为有效的识别方法。
[0008] 目前已经提出光信号调制格式的识别主要是基于信号
光谱特征和异步幅度直方图特征。光谱特征包括如光谱形状，谱峰数和谱宽等等。基于光谱特征的调制识别方法无需先验知识并且对光
信噪比（OSNR）不敏感，但是此方法对信号幅度和相位的变化不敏感，因此对于高级调制格式识别能力有限，而且高
分辨率的光谱分析设备目前成本较高，体积较大。基于异步幅度直方图的识别方法是利用低于信号速率的异步
采样获得信号幅度大小分布直方图情况，再利用ANN对其特征进行识别。此方法对六种常用光调制格式，包括一些高级调制格式都能较好的自动识别，且对一定范围内OSNR，
色度色散（CD）和偏振模色散（PMD）劣化不敏感，但是该方法需要较为复杂的采样和数据算法，而且ANN网络的训练需要大量的样本数据，过程繁琐。
[0009] 为解决上述问题需要开发一种无需任何先验信息，对信号速率无限制，适用于
开关调制和高级调制格式信号以及CD和OSNR劣化信号的，结构简单，性价比高的光信号调制格式识别方法。
发明内容
[0010] 本发明所要解决的技术问题是提出一种光信号调制格式识别方法及系统，该方法应无需任何先验信息，对信号速率无限制，适用于开关调制和高级调制格式信号以及CD和OSNR劣化的信号，还应采用低速的光探测器和普通光
滤波器，无需精密的光谱分析和复杂的
数据处理器件，具有结构简单，性价比高的优点。
[0011] 为解决上述技术问题，本发明提出一种光信号调制格式识别方法，其特征在于，涉及可调色散补偿器TDC，
光放大器OA，输入光滤波器，非线性功率传输函数NPTF发生模
块，光功率计PM以及控制和数字信号处理Ctr&DSP；包括以下步骤：
[0012] 待识别光信号首先进入TDC，TDC对信号施加一定CD值，其输出光 信号经OA放大至一定功率后注入NPTF发生模块；
[0013] 所述NPTF发生模块产生一定CD值下的信号
平均功率，所述PM测量NPTF发生模块输出端信号平均功率；
[0014] 所述Ctr&DSP模块驱动TDC产生一系列CD值，并记录每个CD值及各CD值对应的PM测量的NPTF发生模块输出端信号平均功率，作为一组色散-信号平均功率（CD-Power）实测数组；
[0015] 将CD-Power实测数组与各种已知调制格式信号的CD-Power样本进行匹配，与CD-Power实测数组最为匹配的CD-Power样本的调制格式即判别为输入待识别光信号调制格式。
[0016] 所述将CD-Power实测数组与各种已知调制格式信号的CD-Power样本进行匹配的算法包括互相关算法，特征识别算法，最大似然算法或神经网络算法。
[0017] 本发明还提出一种光信号调制格式识别方法的系统，其特征在于，包括，可调色散补偿器TDC，
光放大器OA，输入光滤波器，非线性功率传输函数NPTF发生模块，光功率计PM以及控制和数字信号处理Ctr&DSP；
[0018] 所述TDC，用于接收待识别光信号，并对待识别光信号施加一定CD值，其输出光信号进入所述OA，
[0019] 所述OA，用于放大光信号至一定功率，然后将光信号注入所述NPTF发生模块；
[0020] 所述NPTF发生模块，用于将一定CD值下
输入信号脉冲
峰值功率大小映射到
输出信号平均功率大小之上；
[0021] 所述PM，用于测量NPTF发生模块输出端的信号平均功率；
[0022] 所述Ctr&DSP模块，用于驱动TDC产生一系列CD值，并记录每个CD值及各CD值对应的PM测量的NPTF发生模块输出端信号平均功率，作为一组CD-Power实测数组；将CD-Power实测数组与各种已知调制格式信号的CD-Power样本进行匹配，与CD-Power实测数组最为匹配的 CD-Power样本的调制格式即判别为输入待识别光信号调制格式。
[0023] 作为优选，NPTF发生模块的工作机理基于非线性介质中的四波混频（FWM）效应，此时，NPTF发生模块包括
半导体激光器LD、光
耦合器OC、非线性介质和输出光滤波器OF。所述TDC输出频率为ωs的光信号，经OA放大后，与所述LD产生频率为ωp的连续探测光经所述OC合波后注入所述非线性介质，探测光和信号光在所述非线性介质内发生四波混频FWM效应，该效应导致
能量由信号光转移至新产生频率为ωi=2ωs-ωp的闲散光；所述闲散光由所述OF滤出，输出到所述PM。
[0024] 所述非线性介质为高非线性光纤HNLF或
光子晶体光纤或三五族化合物
波导或
硅基波导。
[0025] 作为另一优选，NPTF发生模块的工作机理还可以基于半导体光探测器中的双光子吸收（TPA）效应。此时，NPTF发生模块包括具有TPA效应的光探测器TPA-PD及其驱动和控制
电路组成，所述TDC输出光信号经所述OA放大注入所述TPA-PD，所述TPA-PD输出信号到所述PM。
[0026] 作为再一优选，还可以基于非线性光纤环镜的反射特性的工作机理构造NPTF发生模块，即NPTF发生模块由非线性光纤环镜以及用于
控制信号偏振方向的偏振
控制器组成，所述TDC输出光信号经所述OA放大注入所述光纤环境输入端口，所述光纤环境的输出端口连接所述PM的输入端。
[0027] 所述TDC器件为基于光纤光栅，GT标准具，硅基
液晶（LCOS）或其它能产生一系列一定间隔CD值的器件。
[0028] 本发明工作无需任何先验信息，适用于各种调制格式和速率的信号，具有结构简单，性价比高的优点。
附图说明
[0029] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
[0030] 图1为本发明具体实施的调制格式识别系统结构示意图。
[0031] 图2为NPTF输入输出波形示意图。由图可以看出，对于脉冲峰值功率较高的输入信号NPTF给予其的增益较大，因此输出信号的平均功率较高。
[0032] 图3为的基于FWM获得的NPTF。输入信号光峰值功率在18dBm-26dBm间时，NPTF的斜率达到4.6（为对数
坐标系），即为4.6次方函数。
[0033] 图4-图6分别采用2次方和4.6次方NPTF时的记录的CD-POWER测量结果。可以看出对于开关键控（OOK）信号包括NRZ，33%RZ和66%CSRZ信号高次方NPTF输出信号随CD变化具有较高的
对比度和明显特征。
[0034] 图7-图15为存储在DSP系统中用于和测量结果匹配的各种调制格式的CD-POWER样本曲线。
[0035] 图16-图19为66%RZ信号CD-POWER测量结果随OSNR的变化，可以看出OSNR劣化不会影响曲线的形状特征。
具体实施方式
[0036] 如图1所示的全光调制格式识别系统包括：1可调色散补偿器（TDC），2光放大器（OA），3输入光滤波器，4非线性功率传输函数（NPTF）发生模块，5光功率计（PM）以及6控制和数字信号处理（Ctr&DSP）模块。待识别光信号首先进入TDC，TDC对信号施加一定CD值，其输出光信号经OA放大至一定功率后注入NPTF发生模块。所述PM测量NPTF发生模块输出端信号平均功率。所述Ctr&DSP模块驱动TDC产生一系列CD值并记录PM测量结果作为CD-Power数组存放在
存储器中。DSP利用存储的各种调制格式信号的CD-Power样本与上述测量结果进行匹配。与测量结果最为匹配的样本的调制格式即判别为输入信号调制格式。
[0037] NPTF发生模块的工作机理也可以基于非线性介质中的四波混频 （FWM）效应，非线性介质可以采用高非线性光纤（HNLF），如光子晶体光纤，三五族化合物波导或硅基波导。此时NPTF发生模块由半导体激光器（LD）、光耦合器（OC）、高非线性光纤（HNLF）和输出光滤波器（OF）组成。TDC输出光信号（频率为ωs）经OA放大后和所述LD产生的连续探测光（频率为ωp）经所述OC合波后注入所述HNLF，探测光和信号光在所述HNLF内发生四波混频（FWM）效应，该效应导致能量由信号光转移至新产生的闲散光（频率为ωi=2ωs-ωp）。闲散光瞬时功率是信号光瞬时功率的指数型函数，并构成两者间所谓“非线性功率传输函数”（NPTF），该NPTF对输入脉冲峰值功率较高的信号给予较大的增益，反之则较小，因此可以将输入信号脉冲峰值功率随CD的变化特征放大并映射到输出闲散光平均功率随CD的变化特征之上。闲散光由所述OF滤出，并用所述PM测量其平均功率大小。NPTF发生模块的工作机理还可以基于半导体光探测器中的双光子吸收（TPA）效应，此时NPTF由具有TPA效应的光探测器（TPA-PD）及其驱动和控制电路组成，TDC输出光信号经OA放大注入TPA-PD，并用所述PM测量TPA-PD输出信号平均功率大小。NPTF发生模块的工作机理还可以基于非线性光纤环镜的反射特性，此时NPTF发生模块由非线性光纤环镜以及用于控制信号偏振方向的偏振控制器组成，TDC输出光信号经OA放大注入光纤环境输入端口，并用所述PM测量其光纤环境输出端口信号平均功率大小。
[0038] 值得指出NPTF的非线性大小决定了其对信号脉冲峰值功率变化的灵敏度。如图2所示NPTF对脉冲峰值功率较高的输入信号给予的增益较大，反之则较小，因此当信号脉冲峰值功率较高时闲散光具有较高的平均功率，反之则平均功率较低。所以采用低成本的功率计就可以监测高速信号脉冲峰值功率随CD的变化特征。对于某些峰值功率随CD变化不大的调制格式，如非归零（NRZ）码和66%的载波抑制归零（CSRZ）码信号，以及OSNR劣化信号，低非线性NPTF输出信号对比度较低，特征不明显，无 法实现上述信号的的识别。为解决此问题本发明提出基于HNLF中FWM实现高非线性NPTF。此时NPTF发生模块由LD、OC、HNLF和OF组成。TDC输出光信号（频率为ωs）经OA放大后和所述LD产生的连续探测光（频率为ωp）经所述OC合波后注入所述HNLF，探测光和信号光在所述HNLF内发生四波混频（FWM）效应，该效应导致能量由信号光转移至新产生的闲散光（频率为ωi=2ωs-ωp）。闲散光由所述OF滤出，并用所述PM测量其功率大小。相比以往NPTF仅为平方函数，基于FWM的NPTF达到3-10次方函数，因而具有很高灵敏度，适用于各种调制格式和OSNR劣化信号。
[0039] 在一定相位匹配条件下，FWM提供的NPTF非线性随着线性相位失配Δβ和光纤长度L的增加而增加。如图3所示为基于上述方法得到的一个NPTF。所选择的HNLF零-1 -1色散
波长、非线性系数、色散斜率、长度以及损耗系数分别为1534nm、9.9W km 、0.077ps/
2
nm/km、1.5km和0.6dB/km。输入信号光及探测信号光波长为1536.5nm和1541.6nm，此时Δβ=-0.0039。该NPTF的斜率为4.6，由于是在对数坐标系，因此NPTF是信号功率的4.6次方函数。如图4-图6所示为分别为采用2和4.6次方NPTF发生模块（分别基于半导体光探测器中TPA和HNLF中的FWM效应）测量结果。可以看出采用2次方NPTF时输出信号对比度很低，基本无法进行特征的识别，而4.6次方NPTF对各种占空比信号均有较大的输出对比度，特征也更加明显。
[0040] 如图7-图15所示为基于上述NPTF获得的各种调制格式的CD-POWER样本曲线，其波特速率均为40GBaud。我们知道不同调制格式的信号光脉冲具有不同的占空比，如光通信系统中最常用的开关键控（OOK）信号就包括占空比为100%，33%和66%的NRZ，RZ和CSRZ码。在高级调制格式中如m级
相移键控（mPSK）和正交幅度调制（mQAM）还对光载波相位（后者还包括幅度）进行调制，因此相邻脉冲的相位变化 还各有差异。占空比不同会使得CD展宽后相邻脉冲发生不同程度的
叠加，而不同的幅度和相位的调制方式则会使得重叠脉冲光场间发生不同类型（相消和相长）和程度的干涉效应，导致信号脉冲序列波形和峰值功率随CD的变化趋势各不相同，因此各种调制格式展现出如图7-图15所示的具有明显差异的变化特征。
[0041] 表一为图7-图15中样本曲线两两间的互相关系数计算结果，其中1代表最大正相关，-1代表最大负相干（即曲线变化趋势相反）。可以看出同种调制格式信号互相关系数最大，而不同调制格式互相关系数较小。如下所示。
[0042]
[0043] 表一
[0044] 表二-1、表二-2、表二-3、表二-4分别为OSNR为30，25，20和15dB时测量结果与图7-图15样本曲线的互相关系数，表中互相关系数最大值（加粗下划线）指示了其最有可能的调制格式，可以看出识别结果全部正确。如下所示。
[0045]
[0046] 表二-1
[0047]
[0048] 表二-2
[0049]
[0050] 表二-3
[0051]
[0052] 表二-4
[0053] 如图16-图19所示为66%RZ信号在不同OSNR条件下测量得到的CD-Power曲线。可以看出曲线特征并不会随OSNR劣化发生明显改变，仅仅对比度会发生劣化。因此仍然可以有效进行样本匹配和格式识别。表2中所示为在OSNR分别为30，25，20，15dB下测量结果与各个样本间互相关系数。其中最大值（加粗下划线）指示了其可能的调制格式。可以看出对于所有调制格式在OSNR劣化条件下利用互相关算法都可以实现正确的匹配和格式识别。
[0054] NPTF发生模块的工作机理还可以基于非线性光纤环镜的反射特性，此时NPTF发生模块由非线性光纤环镜以及用于控制信号偏振方向的偏振控制器组成，TDC输出光信号经OA放大注入光纤环境输入端口，并用所述PM测量其光纤环境输出端口信号平均功率大小。这两种机理产生的NPTF非线性较低。
[0055] 下面进一步描述本具体实施方式的调制格式识别工作流程如下：
[0056] 1)将待识别光信号输入TDC器件，NPTF发生模块和PM启动并处于工作状态。TDC在控制和DSP模块驱动下产生一系列一定间隔的CD值。
[0057] 2)TDC输出光信号经OA放大后进入NPTF发生模块。
[0058] 3)在NPTF发生模块输出端采用功率计测量其输出信号平均功率。
[0059] 4)控制和DSP模块记录和一系列CD值对应的输出平均功率作为CD-POWER数组存放在存储器中，然后并计算其与不同调制格式样本间的匹配程度，与测量结果最为匹配的样本的调制格式即判别为输入信号调制格式。
[0060] 最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳
实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范 围当中。
