具有可调整的线性滤波器的光信号均衡器的制作方法

专利名称：具有可调整的线性滤波器的光信号均衡器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及通信系统中的信号传输。更具体地，本发明涉及减 轻高频通信系统中的分散效应的系统和方法。
背景技术：
在数据传输领域中， 一种有效地传送数据的方法是通过使用光纤。 数字数据使用光发射二极管或激光器通过光纤线缆来传播。为了在光纤 线缆上发送数据，典型地将数据从由计算机生成的电子数据转换成可以 传播到光纤线缆上的光数据。此转换通常使用激光器或光发射二极管来 进行。当生成光(或处于"高功率")时表示逻辑"1"。无光(或光处于
"低功率")表示逻辑"0"。因此，具有表示逻辑"1"和"0"比特的陡
增过渡和下降过渡的光信号传输到光纤线缆上。
当前安装的许多光纤线缆是多模的，意思是信号沿着光纤线缆通过 不同路径行进。例如，信号的一部分可以顺着光纤线缆直接行进，而信 号的其它部分沿着光纤线缆"弹回"或来回反射。另外，对于来回反射 的信号的部分，每个部分可以采用不同路径，导致信号的这些部分以其 通过光纤线缆行进的不同速度。因此，单个信号可能采用若干路径，随 着该信号沿着光纤线缆行进而导致该信号的分散。信号的分散随着该信 号行进距离的增加或随着信号传输频率的增加而更加显著。随着信号分 散，相邻比特的部分可能分散到彼此之中。例如，"1"或高功率比特的
部分可能扩展到先前由"o"或低功率比特占据的信号的时间中。类似的，
"0"或低功率比特中的无功率可能在先前由"1"比特占据的信号的时
间中多次引起相邻"1"或高功率比特的功率的减少。此现象通常称作符
号间干扰。这些效应常常使用诸如图2所示的图的开眼图来图示和研究。 随着分散发生，高和低阈值被模糊。阈值之间发生的模糊越多，则开眼图上的眼越"闭合"。眼越闭合，则越难以解释数据比特。
由于分散， 一些嵌入电子信号的数据比特可能被错误地解释。尽管 预期了可能发生数据比特的一些错误解释，但是大多数通信标准规定了
可能发生的错误解释的最大数目。这通常规定为最大误比特率(BER)。 例如，10吉比特以太网系统中的最大BER为l(T12。如果分散引起比这 更多的错误，则必须减轻分散效应。
尽管分散可以通过安装单模光纤来减轻，但实施此方案是昂贵的。 替换可能在一个给定地点安装的大量光纤线缆可能是昂贵和费时的。
可替换地，可以在单个光纤之上传输若干不同的波长。每个波长以 较低的比特率承载信号以减少错误。这样，可以保持信号的总比特率同 时使错误最小化。然而，此方案将需要多个激光器以生成不同的波长， 多个光电二极管以接收不同的波长，以及昂贵的多路复用设备以组合和 分离不同的波长。
类似的问题存在于电子(诸如基于铜或其它导体的)传输线中。例 如，在印刷龟路板上形成的小的7 — 10英寸传输线可能在以每秒10吉比 特传播的电子信号中引起足够的分散以有效地使得电子信号不可读。

发明内容
本发明的一个实施例包括一种减轻高频通信通道中的分散效应的 方法。该方法接收信号。信号通过可调整的线性滤波器。可调整的线性 滤波器具有许多系数。可调整的线性滤波器的输出是电信号。计算包括 电信号的第二和第四矩(moment)的品质因数。可调整的线性滤波器的 系数基于至少品质因数的值来调整。
在本发明的另一实施例中，公开了一种用于减轻高频通信电路中的 分散效应的信号调节器。该信号调节器包括具有许多可调整的系数的可 调整的线性滤波器。配置可调整的线性滤波器使得其接收信号并基于可 调整的系数的值来产生电信号。耦合到可调整的线性滤波器的电路配置成通过计算电信号的第二和第四矩来计算品质因数。连接到电路并连接 到可调整的线性滤波器的微处理器配置成基于品质因数的值来提供可调 整的系数。本发明的实施例通过计算对应于信号质量的品质因数以及通 过调整线性滤波器以使品质因数最优化来减轻高频通信系统中的分散效 应。
本发明的这些和其它优点和特征根据下面的描述和附图将变得更 完全明显，或可以通过如下文所阐明的本发明的实践而习知。


为了获得本发明的上述和其它优点和特征的方式，将参考在附图中
图示的本发明的特定实施例来给出对上面简要描述的本发明的更具体的
描述。应理解这些附图只描绘了本发明的典型实施例，且因此并不应认
为是限制其范围，本发明将通过使用附图利用附加的特征和细节来描述 和解释，其中
图1图示了光纤通信路径，其中可以实践本发明的实施例； 图2图示了指示信号质量的测量的眼图； 图3图示了对实践本发明的特定方面有用的信号调节器； 图4图示了针对用于本发明的一个实施例的经验测试的输入信号的 输入眼图5图示了在利用可调整的线性滤波器的一个实施例来均衡之后的 图4的信号；以及
图6图示了通过使用本发明的特定方面来提取的光纤线缆的通道响应。
具体实施例方式
本发明的实施例补偿了由通信通道引起的与分散有关的效应。实施 例使在通道上行进的信号通过线性滤波器。线性滤波器设计成抵消与分散有关的效应。这些实施例针对从线性滤波器输出的信号计算品质因数。 品质因数可以是输出的第二和第四矩的函数。基于品质因数的值，可以 调整线性滤波器的系数以便改善线性滤波器的性能。
光信号分散的一个实例在图1中示出，图1概括地示出了光纤通信
路径100。数据信号6(f)通过发射器104传播到光纤线缆102上。当数据 信号W)传播到光纤线缆102上时，高和低逻辑比特之间的过渡是陡峭 的。随着数据信号^)沿着光纤线缆102行进，分散发生，使得由接收 器106接收的接收信号^)典型地具有显著的分散和/或失真，导致更多 逐渐过渡。如前面所提到的，符号间干扰使得难以识别比特。这将利用 如示出开眼图的图2和4的更多的细节在这里讨论。
时域中的接收信号W)是数据信号W)与光纤线缆102的通道响应 W)的巻积。在频率或傅立叶域中，接收信号s(/)简单的是数据信号6(/) 和通道响应A(/)的乘积。这可以由下面的方程表示
1) s(/) =
在接收器处实施的均衡器可以抵消通道响应/K/)的效应。例如，利 用下面的传递方程实施线性均衡器
2)
抵消了通道响应/</)的效应并且恢复了在数据信号W)中发送的原 始比特。
通道响应W/)是具有振幅和相位信息的复数值。传递函数可由此写
成
这里;c(/)是通道响应A(/)的相位响应。W/)的振幅可以通过测量 ^/)的傅立叶谱并且将s(/)的量值除以的量值来计算。的傅立叶 谱基于比特为随机的假设来获知。因此/K/)的量值由下面的方程给出
4) h/'
相位不能容易地获得'在本发明的一个实施例中，相位通过计算品质因数F来确定，所述 品质因数F度量通过传递函数g(/)均衡的信号的质量。可以以这样的方 式设计F，即对x(/)的最佳选择使得F取其最小值。在一个实施例中F 可以使用模拟电路计算。另外，F可以使用F的时间平均来计算，该时 间平均通过诸如电容型积分器的电路来获得。然后F可以使用模拟到数 字转换器来转换为数字信号。通过使用F的时间平均，可以使用较慢的 模拟到数字转换器。例如，信号的比特率可以是10Gb/s。模拟到数字转 换器可以以lMhz运行。积分器的时间常数可以是1微秒。
然后将F的数字化的值馈送到微控制器中。微控制器可以运行最优 化算法以确定应该将什么系数应用到线性滤波器以使F最小化。因此， 当线性滤波器的系数基于F的值由微控制器调整时，F向其最小值收敛。 微控制器上的数字到模拟转换器可用来为线性滤波器设定滤波器系数， 该线性滤波器用来生成均衡器传递函数g(/)。在本发明的一些实施例中， 微控制器还包括测量—(/)l的谱分析器。通过使用s(/)的谱，F的最小值 可更快地收敛。
针对诸如图2所示的开眼图讨论了用于本发明的一个实施例的一个 品质因数函数F。开眼图是信号质量的图形表示。眼越打开，即"1"比 特阈值离"0"比特阈值越远，则信号质量越好。实际上，BER可以基 于开眼图来计算。 一个品质因数函数F使用相对于眼中心的均衡的电信 号振幅的第二和第四矩函数M2和M4。电信号振幅在下文中称为A,)。电
信号振幅40是差分的，使得由正的AO表示逻辑"1",而由负的」(0表 示"0"。 M,是^(/)的时间平均。^4是,(0的时间平均。当
品质因数的最小值，F-l只在存在完美的开眼图时发生。 现在参考图3，示出了显示信号调节器300中的品质因数函数F的 使用的框图。图3示出了接收信号^)，其通过可调整的线性滤波器302。 可调整的线性滤波器302的输出是电信号振幅」(0。品质因数函数由模拟电路304来计算。品质因数函数使用模拟到数字转换器310来数字化 并传递到微控制器306。微控制器306使用一个或多个数字到模拟转换 器312来调整可调整的线性滤波器302的系数。例如，标准的最优化例 程可用来使函数R(yl， y2, y3,…，yn)最小化，这里yl， y2， y3，…，yn是可 调整的线性滤波器的系数，并且最优化在n维系数空间之上。图3还图 示了测量接收信号W)的谱的谱分析器308。谱分析器308可以将接收信 号的谱的分析结果输出到微控制器306。
在本发明的一些实施例中，这些结果可以由微控制器306使用以控 制可调整的线性滤波器302。然而，经验测试已示出本发明的实施例不 需要谱分析器308，且可以不使用谱分析器308而获得可接受的结果。 使用谱分析器308提供了更多的信息，使得微控制器306可以更精确地 调整线性滤波器的系数。例如，通过使用谱分析器，微控制器可以能够 引起品质因数更快地收敛到其最小值。
现在关注图4和5，示范了示出本发明的一个实施例的有效性的测 试结果。在图示的测试中，300米的多模光纤被用作光纤线缆102。输入 信号W)为每秒10吉比特的信号。数据使用具有6吉赫兹带宽和每比特 两个采样的Agilent实时示波器来记录。在测试中，在三次样条插值之后 将算法应用于数据以生成每比特十个采样。品质因数函数F利用60抽 头横向滤波器来实施，即线性滤波器函数有60个系数，且分数间隔等于 1/2比特。在本发明的一些实施例中，可以使用更少的可调整的抽头， 诸如10到15。
图4示出了接收信号W)，并示范了完全闭合的输入眼。在使接收 信号W)通过可调整的线性滤波器302之后，获得了诸如图5所示的信号 振幅AO。在使接收信号^)通过可调整的线性滤波器302之后获得的 BER为1(T16。通常规定用于每秒10吉比特系统的BER为l(T12。因此 经验数据示范了本发明的实施例有效地打开了光数据传输配置中的眼。
另外， 一旦眼打开，通过检查用来生成最小品质因数函数F的x(O函数，就可以诸如图6所示地提取光纤线缆的通道响应M/)。 一旦提取了 特定通道的通道响应，就可以移除信号调节器300的一些部件。只要特 定通道的通道响应不改变，具有合适的系数设置的线性滤波器可以有效 地补偿通道响应。可替换地，数字信号处理器可以通过将接收信号^/)除 以通道响应/r(/)以获得数据信号6(/)来取消通道响应的效应而代替线性 滤波器。
在光纤通信环境中，本发明可以在许多场合实施，包括作为后置放 大器的一部分或作为时钟数据恢复电路的一部分。本发明还可实施为离 散调谐工具，以恢复特定通道的通道响应。然后可移除该离散调谐工具 并且将合适的补偿器放置在通道中。
尽管在多模光纤分散的情形中构造了上面的实例，但上述系统和方 法在其它应用诸如色散补偿、偏振模式分散补偿或需要均衡高速电信号 的应用中也可以是有用的。特别地，上述系统和方法可在将高频电信号 输入到诸如印刷电路板传输线或任何其它电路径的任何器件时使用。在 行迸通过器件之后，过度的分散可以通过使用上述系统和方法来均衡。
本发明可以以其它特定的形式实施而不背离其精神或基本特征。所 描述的实施例应考虑为在任何方面只是说明性的而不是限制性的。因此， 本发明的范畴由所附权利要求来指示，而不是由前面的描述来指示。进 入权利要求的等价物的含意和范围内的所有变化将包含在它们的范畴 中。
权利要求
1. 一种减轻高频通信通道中的分散效应的方法，所述方法包括使信号通过可调整的线性滤波器，所述可调整的线性滤波器具有多个系数，所述可调整的线性滤波器的输出为电信号；计算表示所述电信号的质量的品质因数；以及至少基于所述品质因数的值来调整所述可调整的线性滤波器的系数，以便使所述品质因数最小化并且改善所述电信号的质量。
2. 权利要求1的方法，其中所述分散效应可以表示为通道响应，所 述方法进一步包括根据所述品质因数和所述线性滤波器的系数来计算通 道响应。
3. 权利要求1的方法进一步包括 测量所述信号的谱的量值；基于至少所述信号的谱的量值来调整所述线性滤波器的系数。
4. 权利要求1的方法，其中计算所述品质因数包括使用所述品质因 数的时间平均。
5. 权利要求1的方法，其中计算品质因数包括计算所述电信号的第 二和第四矩。
6. —种用于减轻信号中的分散效应的信号调节器，所述信号调节器 包括-可调整的线性滤波器，包括多个可调整的系数，所述可调整的线性 滤波器配置成接收信号并基于所述线性滤波器的可调整的系数来产生输 出信号；电路，耦合到所述可调整的线性滤波器，所述电路配置成通过计算 所述输出信号的第二和第四矩来计算品质因数；以及微控制器，耦合到所述电路并耦合到所述可调整的线性滤波器，所 述微控制器配置成基于所述品质因数的值来提供所述可调整的系数。
7. 权利要求6的信号调节器，所述电路为模拟电路，所述信号调节 器进一步包括在所述微控制器和所述电路之间耦合的模拟到数字转换器，所述模拟到数字转换器配置成数字化所述品质因数。
8. 权利要求6的信号调节器，进一步包括在所述微控制器和所述可调整的线性滤波器之间耦合的数字到模拟转换器，所述数字到模拟转换 器配置成将来自所述微控制器的信号转换成可以由所述可调整的线性滤 波器使用的可调整的系数。
9. 权利要求6的信号调节器，其中所述电路包括配置成产生所述品 质因数的时间平均值的积分器。
10. 权利要求9的信号调节器，其中所述积分器为模拟电容型积分器。
11. 权利要求6的信号调节器，进一步包括配置成测量所述接收的 信号的谱的谱分析器，所述微控制器配置成当提供可调整的系数时使用 所述测量的谱。
12. 权利要求6的信号调节器，其中所述信号调节器适用于减轻多 模光纤线缆中的分散效应。
13. 权利要求6的信号调节器，其中所述信号调节器适用于减轻色散。
14. 权利要求6的信号调节器，其中所述信号调节器适用于减轻偏 振模式分散。
15. 权利要求6的信号调节器，其中所述信号调节器适用于减轻高 速电传输线中的分散。
16. —种用于解释信号的信号调节器，所述信号经历了至少由符号 间干扰所引起的分散，所述信号调节器包括可调整的线性滤波器，其接收输入信号，其中所述可调整的线性滤 波器的线性系数改变所述输入信号以移除所述输入信号中的分散的至少 一部分；电路，其根据所述可调整的线性滤波器的输出信号来确定品质因数， 其中所述品质因数与所述输出信号的至少相位分量相关；以及微控制器，其使用由所述电路确定的所述品质因数来调整所述可调 整的线性滤波器的线性系数，使得所述输出信号的质量改善。
17. 权利要求16的信号调节器，所述电路为模拟电路，所述信号 调节器进一步包括在所述微控制器和所述电路之间耦合的模拟到数字转 换器，所述模拟到数字转换器配置成数字化所述品质因数。
18. 权利要求16的信号调节器，进一步包括在所述微控制器和所 述可调整的线性滤波器之间耦合的数字到模拟转换器，所述数字到模拟 转换器配置成将来自所述微控制器的信号转换成可以由所述可调整的线 性滤波器使用的线性系数。
19. 权利要求16的信号调节器，其中所述电路包括配置成产生所 述品质因数的时间平均值的积分器。
20. 权利要求19的信号调节器，其中所述积分器为模拟电容型积 分器。
21. 权利要求16的信号调节器，进一步包括配置成测量所述信号 的谱的谱分析器，所述微控制器配置成当提供可调整的系数时使用所述 测量的谱。
22. 权利要求16的信号调节器，其中所述信号调节器适用于解释 由多模光纤线缆引起的信号。
23. 权利要求16的信号调节器，其中所述信号调节器适用于解释 由色散引起的信号。
24. 权利要求16的信号调节器，其中所述信号调节器适用于解释 由偏振模式分散引起的信号。
25. 权利要求16的信号调节器，其中所述信号调节器适用于解释 由高速电传输线引起的信号。
全文摘要
减轻由光或电信号的分散所引起的误差。由高频系统中的分散所引起的误差通过使接收的信号通过可调整的线性滤波器来减轻，所述线性滤波器抵消了通道的通道响应，所述接收的信号在通道上行进以产生电信号。所述可调整的线性滤波器具有许多系数。针对所述电信号计算品质因数，其中所述品质因数包括电信号的第二和第四矩。所述线性滤波器的系数基于所述品质因数的值来调整以便使所述品质因数最小化。
文档编号H04B10/18GK101432975SQ200480028861
公开日2009年5月13日 申请日期2004年10月7日 优先权日2003年10月10日
发明者托马斯·莱诺斯基 申请人:菲尼萨公司