滤波器系数调整装置和方法

专利名称：滤波器系数调整装置和方法
技术领域：
本发明和数字相干光接收机相关，更准确地说，和滤波器系数调整 装置和方法相关。
背景技术：
偏振复用技术通过分别对空间中具有正交偏振态的两路载波光调制 不同的信息可以使光通信系统的频谱利用率或容量翻倍。另一方面相干 检测技术可以将两个正交偏振方向的光信号的幅度和相位信息搬移到基 带，从而使所有偏振信息得到保留，这使得在基带数字域上利用信号处 理技术进行偏振解复用成为可能。
与移动通信不同，光网络需要为上层业务提供连续的、透明的传送 功能。这就要求光接收机中的信号处理功能尽量与所传信息无关，或者
说所有的信号处理都是非数据辅助(Ncm-data-aided)的处理。目前两种 常用的非数据辅助的偏振解复用算法是恒模算法(Constant Modulus Algorithm)和判决指导(Decision Directed)算法。
Andreas Leven等人利用FPGA实现了恒模算法并成功地进行了实时 的10Gbit/s偏振解复用实验("Areal-time CMA-based 10 Gb/s polarization demultiplexing coherent receiver implemented in an FPGA" ， OFC2008, Paper OTu02)。恒模算法(CMA)的原理是通过调整一组滤波器的系数， 使得输出信号的模值与所给参考值尽可能地接近。这个过程不需要知道 所传信息，因此CMA是一种盲算法。但是CMA要求所传输的信号具有 恒定功率特性(如PSK信号)，这使得其应用范围受限。
CMA最大的问题是奇异性问题，即两路输出信号收敛到同一个信号 源的问题。CMA产生奇异性问题的原因是，CMA的代价函数本身是一 个多极值函数，导致奇异性问题的滤波器系数仍然是它的局部最优解，在迭代过程中CMA较容易收敛至局部最优点。该问题在系统存在偏振依 赖损耗(PDL)时尤为明显。
T. Pfau等人利用FPGA实现了判决指导算法并成功地进行了实时的 2.8Gbit/s偏振解复用实验("Polarization-multiplexed 2.8 Gbit/s synchronous QPSK transmission with real-time digital polarization tracking" , ECOC2007, Paper 8.3.3)。判决指导(DD)的原理是利用判决输出的数据来代替传统 LMS方法中的训练序列来对滤波器系数进行优化。该方法最大的问题是 收敛速度问题，如果信道条件很恶劣的话，甚至不能收敛。另外，该方 法还需要用相位恢复模块所估算的相位误差来构造参考信号，因此复杂 度较高。
另外，还可以将CMA和DD两种方法结合起来使用。S. J. Savory 在其离线实验中首先用CMA来捕获信号，当信号初步分开后启动DD算 去来足艮踪l言号 ("Transmission of 42.8Gbit/s polarization multiplexed NRZ-QPSK over 6400km of standard fiber with no optical dispersion compensation" ， OFC2007, OTuAl)。这样做虽然回避了 DD的收敛速度 问题，但无法避免CMA的奇异性问题。

发明内容
本发明鉴于上述情况作出，提供了滤波器系数调整装置和方法，用 以克服现有技术的一种或更多种缺点，至少提供一种有益的选择。 为实现上述目的，本申请提供了以下发明。
发明1、 一种滤波器系数调整装置，所述滤波器系数调整装置用于 偏振解复用装置中，所述偏振解复用装置利用滤波器对输入信号进行解 复用，获得解复用输出信号，所述滤波器系数调整装置用于调整所述滤 波器的系数，其特征在于，所述滤波器系数调整装置包括
对数偏导计算单元，用于计算所述解复用输出信号的目标概率密度 函数在自变量取值为当前解复用输出信号值时的对数偏导值；
梯度计算单元，用于根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏
导值计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的梯度；以及
滤波器系数更新单元，根据所述梯度计算单元计算出的梯度，更新 所述滤波器的系数。
发明2、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述目标概率密度函数是对相位不敏感的概率密度函数。
发明3、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述目标概率密度函数是相位服从0 2;c均匀分布的概率密度函数。
发明4、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述目标概率密度函数是针对MPSK调制格式信号设计的自变量为MPSK 信号的模值的麦克斯韦分布、高斯分布、瑞利分布、莱斯分布、指数分 布或其他具有比圆高斯分布的峰度更小峰度的概率密度函数中的一种。
发明5、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，，所 述目标概率密度函数是针对具有多个幅度的调制格式信号所设计的具有 与多个幅度对应的多峰值结构的、自变量为信号模值的组合麦克斯韦分 布、组合高斯分布、组合瑞利分布、组合莱斯分布、组合指数分布或其 他具有比圆高斯分布的峰度更小峰度的概率密度函数的组合概率密度函 数中的一种。
发明6、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述解复用输出信号包括水平偏振解复用输出信号和垂直偏振解复用输出 信号，所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解复用输出信号的 调制格式不一样，针对所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解 复用输出信号的目标概率密度函数也不一样。
发明7、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述解复用输出信号包括水平偏振解复用输出信号和垂直偏振解复用输出 信号，所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解复用输出信号的 调制格式一样，针对所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解复 用输出信号的目标概率密度函数也一样。
发明8、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述梯度计算单元根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值、所述输入信号、所述滤波器系数更新单元的输出反馈，计算用于对所述解 复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的标准梯度。
发明9、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所
述梯度计算单元根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值、所 述解复用输出信号、所述滤波器系数更新单元的输出反馈，计算用于对 所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的自然梯度。
发明10、根据发明1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于， 所述滤波器系数调整装置还包括梯度类型选择器，所述梯度类型选 择器用于选择所述梯度计算单元所计算的梯度的类型；并且
根据所述梯度类型选择器的选择结果，所述梯度计算单元利用所述 对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值、所述解复用输出信号、所述 滤波器系数更新单元的输出反馈，计算用于对所述解复用输出信号的分 布进行优化的目标优化函数的梯度；或利用所述对数偏导计算单元所计 算出的对数偏导值、所述输入信号、所述滤波器系数更新单元的输出反 馈，计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的 梯度。
发明ll、根据发明8所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，各 所述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整装置还包括寄存单元， 所述寄存单元用于寄存所述输入信号的多个采样值，所述寄存单元寄存 的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
发明12、根据发明9所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，各
所述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整装置还包括寄存单元， 所述寄存单元用于寄存所述解复用输出信号的多个采样值，所述寄存单 元寄存的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
发明13、根据发明10所述的滤波器系数调整装置，其特征在于， 各所述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整装置还包括第一寄存 单元和第二寄存单元，
所述第一寄存单元用于寄存所述输入信号的多个采样值，所述第一 寄存单元寄存的釆样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同；所述第二寄存单元用于寄存所述解复用输出信号的多个采样值，所 述寄存单元寄存的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
发明14、根据发明l所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述滤波器系数调整装置还包括目标概率密度函数发生器，所述目标概率 密度函数发生器用于产生或选出所述目标概率密度函数。
发明15、根据发明5所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所 述组合麦克斯韦分布或所述组合高斯分布是根据星座图圆环的半径的比 例关系选择的。
发明16、根据发明1一15任一项所述的滤波器系数调整装置，其特 征在于，所述滤波器系数调整装置还包括-
时钟单元，其用于控制所述对数偏导计算单元和所述梯度计算单元
的工作定时；
第一开关单元，在所述时钟单元的控制下使所述对数偏导计算单元 工作或不工作；
第二开关单元，在所述时钟单元的控制下使所述梯度计算单元工作 或不工作。
发明17、 一种滤波器系数调整方法，所述滤波器系数调整方法在偏 振解复用装置中使用，所述偏振解复用装置利用滤波器对输入信号进行 解复用，获得解复用输出信号，所述滤波器系数调整方法用于调整所述
滤波器的系数，其特征在于，所述滤波器系数调整方法包括
对数偏导计算步骤，用于计算所述解复用输出信号的目标概率密度
函数在自变量取值为当前解复用输出信号值时的对数偏导值；
梯度计算步骤，用于根据所述对数偏导计算步骤所计算出的对数偏 导值计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的 梯度；以及
滤波器系数更新步骤，根据所述梯度计算步骤计算出的梯度，更新 所述滤波器的系数。
发明18、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述目标概率密度函数是对相位不敏感的概率密度函数。发明19、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述目标概率密度函数是相位服从0 2兀均匀分布的概率密度函数。
发明20、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述目标概率密度函数是针对MPSK调制格式信号设计的自变量为 MPSK信号的模值的麦克斯韦分布、高斯分布、瑞利分布、莱斯分布、 指数分布或其他具有比圆高斯分布的峰度更小峰度的概率密度函数中的 一种。
发明21、根据发明1所述的滤波器系数调整方法，其特征在于，所 述目标概率密度函数是针对具有多个幅度的调制格式信号所设计的具有 与多个幅度对应的多峰值结构的、自变量为信号模值的组合麦克斯韦分 布、组合高斯分布、组合瑞利分布、组合莱斯分布、组合指数分布或其 他具有比圆高斯分布的峰度更小峰度的概率密度函数的组合概率密度函 数中的一种。
发明22、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述解复用输出信号包括水平偏振解复用输出信号和垂直偏振解复用输 出信号，所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解复用输出信号 的调制格式不一样，针对所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振 解复用输出信号的目标概率密度函数也不一样。
发明23、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述解复用输出信号包括水平偏振解复用输出信号和垂直偏振解复用输 出信号，所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解复用输出信号 的调制格式一样，针对所述水平偏振解复用输出信号和所述垂直偏振解 复用输出信号的目标概率密度函数也一样。
发明24、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于，
所述梯度计算步骤根据所述对数偏导计算步骤所计算出的对数偏导值、 所述输入信号、所述滤波器系数更新步骤的输出反馈，计算用于对所述 解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的梯度。
发明25、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于，
所述梯度计算步骤根据所述对数偏导计算步骤所计算出的对数偏导值、所述解复用输出信号、所述滤波器系数更新步骤的输出反馈，计算用于 对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的梯度。
发明26、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述滤波器系数调整方法还包括梯度类型选择步骤，所述梯度类型 选择步骤用于选择所述梯度计算步骤所计算的梯度的类型；并且
根据所述梯度类型选择步骤的选择结果，所述梯度计算步骤利用所 述对数偏导计算步骤所计算出的对数偏导值、所述解复用输出信号、所 述滤波器系数更新步骤的输出反馈，计算用于对所述解复用输出信号的 分布进行优化的目标优化函数的梯度；或利用所述对数偏导计算步骤所 计算出的对数偏导值、所述输入信号、所述滤波器系数更新步骤的输出 反馈，计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数 的梯度。
发明27、根据发明24所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 各所述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整方法还包括寄存步骤， 所述寄存步骤用于寄存所述输入信号的多个釆样值，所述寄存步骤寄存 的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
发明28、根据发明25所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 各所述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整方法还包括寄存步骤， 所述寄存步骤用于寄存所述解复用输出信号的多个采样值，所述寄存步 骤寄存的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
发明29、根据发明26所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 各所述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整方法还包括第一寄存 步骤和第二寄存步骤，
所述第一寄存步骤用于寄存所述输入信号的多个采样值，所述第一 寄存步骤寄存的釆样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同；
所述第二寄存步骤用于寄存所述解复用输出信号的多个采样值，所 述寄存步骤寄存的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
发明30、根据发明17所述的滤波器系数调整方法，其特征在于， 所述滤波器系数调整方法还包括目标概率密度函数发生步骤，所述目标概率密度函数发生步骤用于产生或选出所述目标概率密度函数。
发明31、根据发明21所述的滤波器系数调整方法，其特征在于，
所述组合麦克斯韦分布或所述组合高斯分布是根据星座图圆环的半径的 比例关系选择的。
发明32、根据发明17—31任一项所述的滤波器系数调整方法，其 特征在于，所述滤波器系数调整方法还包括
定时步骤，其用于控制所述对数偏导计算步骤和所述梯度计算步骤 的工作定时；
第一开关步骤，在所述时钟步骤的控制下使所述对数偏导计算步骤 工作或不工作；
第二开关步骤，在所述时钟步骤的控制下使所述梯度计算步骤工作
或不工作。
发明33、 一种偏振解复用装置，其包括发明1一16任一项所述的滤 波器系数调整装置。
发明34、 一种偏振解复用方法，其使用发明17—33任一项所述的 滤波器系数调整装置。
发明35、 一种计算机程序，在被计算机或逻辑部件执行时，或解释 或编译后执行时，使所述计算机或逻辑部件实现发明1一16任一项所述 的滤波器系数调整装置的功能。
发明36、 一种计算机程序，在被计算机或逻辑部件执行时，或解释 或编译后执行时，使所述计算机或逻辑部件实现发明17—33任一项所述 的滤波器系数调整方法。
发明37、 一种存储介质，用于存储发明35或36所述的计算机程序。
本发明提出了一种光相干接收机中的偏振解复用的方法和装置。该 方法和装置利用信号源的统计特性来对滤波器系数进行调整，以使输出 信号的概率密度与目标概率密度尽可能地接近。因为目标概率密度是在 两路信号收敛到不同信源的条件下计算出来的，所以该方法和装置可以 避免奇异性问题。另外，可以针对所传信号的调制格式设计目标概率密 度函数，因此该方法不局限于PSK调制格式，可以用于任意调制格式(如
12QAM， ASK等)。该方法的收敛速度和跟踪能力与CMA相当。


图1示出了可采用依据本发明的滤波器系数调整装置和方法的偏振 分集光相干接收机；
图2a—2c示出了依据本发明的三种实施方式的滤波器系数调整装置
的方框图3示出了依据本发明的滤波器系数调整装置中用到的寄存单元的 结构；
图4a—图4c示出了依据本发明的三种实施方式的低速滤波器系数 调整装置；以及
图5示出了依据本发明的一种实施方式的滤波器系数调整方法的流 程图。
具体实施例方式
下面结合附图详细描述本发明的实施方式。
图1示出了可以采用本发明的滤波器系数调整装置和方法的偏振分 集相干光接收机。
如图1所示，4个数字滤波器119 122 (通常为有限冲激响应滤波 器(FIR滤波器))、滤波器系数调整装置130以及两个加法器123和124 构成了偏振解复用装置129。偏振解复用装置129的输入信号可以来自于 偏振分集光相干接收机前端100的输出信号113和114，.也可以是输出信 号113经均衡器115均衡后的信号117和输出信号114经均衡器116均衡 后的信号118。均衡器115和116的目的是初步补偿色散等传输损伤，以 减少偏振解复用装置129中所需的滤波器长度。当系统残余色散不大时， 可将均衡器115和116去掉，而将这些少量的色散留待偏振解复用装置 129中的滤波器组119 122去补偿，这样可以简化接收机结构。在偏振 解复用装置129中，信号117 (或113)分别输入给第一滤波器119和第 二滤波器120，信号118 (或114)分别输入给第三滤波器121和第四滤波器122。第一滤波器119和第三滤波器121的输出分别连接至第一加法 器123的两个输入端，第二滤波器120和第四滤波器122的输出分别连 接至第二加法器124的两个输入端。加法器123的输出为经过偏振解复 用后的水平偏振信道信号yh 125，加法器124的输出为经过偏振解复用后 的垂直偏振信道信号yv126。光通信中，光纤信道引入的信号偏振态变化 速率相对于载波频差和相位噪声引起的相位变化速率来说要慢得多，偏 振解复用装置129无法跟踪载波相位的变化，因此偏振解复用装置129 的输出125和126还要分别经过相位恢复和数据恢复模块127和128才 能得到发送端所传数据。
图1中同时还给出了偏振分集光相干接收机前端100的一种实现方 式。在该实现方式中，偏振分集光相干接收机前端IOO由偏振分集90度 光混频器104、平衡光电探测器105 108和模数转换器109 112组成。 偏振复用光信号101经传输后进入了偏振分集90度光混频器104的信号 输入端，同时本振激光器102产生的连续光信号103进入了偏振分集90 度光混频器104的本振输入端。在偏振分集90度光混频器104中，光信 号101和103分别被偏振分束成水平偏振光和垂直偏振光，然后按照偏 振方向分别输入给水平偏振90度光混频器和垂直偏振90度光混频器(所 述水平偏振方向和垂直偏振方向由偏振分集90度光混频器104定义，可 以为任意一对正交的偏振方向)。所述水平偏振卯度光混频器和垂直偏 振90度光混频器的输出构成了偏振分集90度光混频器104的四个输出。 偏振分集90度光混频器104的四个输出分别连接4个平衡光电探测器 105 108，所述平衡光电探测器也可由普通光电探测器后接交流耦合器 代替。平衡光电探测器105 108的输出基带电信号经分别经模数转换器 109 112采样后得到了 4组基带数字信号序列。模数转换器109的输出 Ih和模数转换器110的输出Qh构成了水平偏振信道的复信号序列113 rh=Ih+j*Qh。类似地，模数转换器111的输出Iv和模数转换器112的输出 Qv构成了水平偏振信道的复信号序列114 rv=Iv+j*Qv。
以上对偏振分集光相干接收机前端100、相位恢复以及数据恢复模 块127和128、偏振解复用装置129等的描述都是示例性的，不是对本发明的限制，可以采用现有技术的其它的方式实现。
本发明的实施方式与现有技术的不同主要在于滤波器系数调整装置
130不同。下面对依据本发明的滤波器系数调整装置130的具体实现方式 进行详细说明。
图2a给出了依据本发明一种实施方式的滤波器系数调整装置130a 的方框图。
如图2a所示，依据本发明的一种实施方式，滤波器系数调整装置 130a包括目标概率密度函数发生器201、对数偏导计算器202、梯度计算 器203、滤波器系数更新器204、寄存单元(第一寄存单元)205、寄存 单元(第二寄存单元)206以及梯度类型选择器207。
该结构可以实现本发明所提出的目标概率密度函数法(Targeted Probability Density Function, TPDF )。与CMA和DD方法不同，本方法的 优化目标是使输出信号yh 125和yv 126的联合概率密度函数与所给定的 输出信号的目标概率密度函数尽可能地接近。
目标概率密度函数发生器201根据信号的调制格式产生所期望得到 的偏振解复用后的输出信号yh和yv的概率密度函数。由于两路传送信号 都是独立的，所以目标概率密度函数^(h,;0具有以下形式
/rC^,>0 = / (h)yrvOO (1)
下面以MPSK信号为例来说明如何设计目标概率密度函数。理论上 来说，如果滤波器系数更新得足够快，可将按照MPSK信号的理想概率 分布来设计目标概率密度函数人(^,;0，这样的话偏振解复用装置129甚 至可以进行频差补偿和相位恢复。但是，滤波器系数的收敛时间在数千 至数万符号周期的量级，即，需要数千至数万符号周期的时间收敛一次， 而频差引起的相位一般在符号周期或数十符号周期量级变化，相位噪声 一般在数十至数百符号量级变化，因此在光通信中，偏振解复用装置无 法补偿频差和相位噪声。因此，希望偏振解复用装置除了将两路信号分 离外，不要影响信号的相位，而让后续相位恢复模块来恢复信号的相位。 基于以上分析，在本发明中采用对复自变量的相位不敏感或相位服从0 2兀均匀分布的目标概率密度函数。这表现为目标概率密度函数只与复自变量的模值有关。在频差、相位噪声作用下，yh和yv的分布应具有圆对 称的特性，对于MPSK调制格式可以选择输出信号的模值服从麦克斯韦 分布
^(力)-C^^exp(-^A /^0，;^/z或v (2)
或高斯分布
/"力)=7T^~exP[-(1 ^1,〗〃*>0，r v (3)
或其他具有类似环状结构的概率密度函数。上面两种目标分布中的
C为归一化常数，目的是使概率密度函数在整个复平面上的积分等于1，
从后面的推导中会看到它对滤波器系数没有影响。均值p可根据信号平
均功率P来设定，高斯分布中的标准差cj可根据平均功率和信噪比SNR
大致确定，如可以取ji《V ， (j"VF/V^。
对于具有多个幅度的调制格式，其星座图在频差和相位噪声的影响 下具有多个圆环结构，各圆环的半径的比例关系与信号的多个幅度值的
比例关系一致。以16QAM信号为例，它有三个幅度值，其比例关系为 1:VJ:3，因此可以选择目标概率密度函数为
'2> 、,p 乂--'2、」b^7T exP(--
2 2 2 (4)
103n p5;z^2 乂 183/2 p 9 ^2
"、 ,「 (I，
,"^W^(exP[—(5)
+ 2eXp[-(|W—，)2] + eXP[-(W，)2]} ^0,"0,"A或v 2cr 2cr g与平均功率P的关系为i!^VF/V^。
本领域技术人员可以看出，公式4的目标概率密度函数是3个相应
的麦克斯韦分布的组合，在本文中，也称为组合麦克斯韦分布。对于其
它的具有多个幅度的调制格式，如32QAM、 64QAM等也可以适当组合 对应的麦克斯韦分布。即根据星座图圆环的半径的比例关系选择合适的 组合麦克斯韦分布。另外，本领域技术人员也可以看出，公式5的目标概率密度函数是 3个相应的高斯分布的组合，在本文中，也称为组合高斯分布。对于其它 的具有多个幅度的调制格式，如32QAM、 64QAM等也可以适当组合对 应的高斯分布。即根据星座图圆环的半径的比例关系选择合适的组合高 斯分布。
在以上的描述中，发送端两个偏振复用信号采用(水平偏振信道和垂 直偏振信道)的调制格式是一样的，所以所选目标概率密度函数也一样， 如果这两个偏振复用信号的调制格式不一样，则可以选择两种不同的目 标概率密度函数。例如，如果水平偏振信道采用PSK调制方式，垂直偏 振信道采用16QAM调制方式，则可选择式(2)为水平偏振信道的目标概 率密度函数，式(4)为垂直偏振信道的目标概率密度函数。以上是目标概 率密度函数发生器201所完成的操作。
式(2)、式(3)、式(4)、式(5)或根据调制格式和以上设计原则设计的目 标概率密度函数均可作为目标概率密度函数发生器201的输出信号211， 具体选择哪一种应视具体调制格式而定。
应该注意，上面对麦克斯韦分布和高斯分布的选择只是示例性的， 还可以选择输出信号的模值服从瑞禾lJ(Rayleigh)分布、莱斯(Ridan)分布、 指数(exponential)分布或其他具有比圆高斯分布的峰度(kurtosis)更小峰度 的概率密度函数(即kurt0Sis<2)。另外，同样的，对于具有多个幅度的 调制格式，也可以将以上分布进行适当组合来获得适合的目标概率密度 函数。
目标概率密度函数发生器201可以自己生成目标概率密度函数，也 可以从预先设定的多个目标概率密度函数中选择合适的目标概率密度函 数。应该注意的是，在具体的实现中，可以预先选择好目标概率密度函 数。这样可以省略目标概率密度函数发生器201。
目标概率密度函数发生器201的输出信号(目标概率密度函数)211 作为对数偏导计算器202的输入信号。对数偏导计算器202针对目标概 率密度函数211计算在自变量取值为解复用输出信号125和126时的对 数偏导值，计算方法如下-目标概率密度函数的对数偏导O(Y)二
< 3 、
5
(6)
艮卩，屯(Y)-
广3 、 3
下面以式(2)和式(3)两种目标概率密度为例说明如何计算对数偏导，
将式(2)代入式(6)得少".
1
1
4-)、
4
将式(3)代入式(6)得
,^ (丄l)、
€>(Y)=
凡
、'
、| yv .,
式(6)的所得值即为对数偏导计算器202的输出(对数偏导所得值)
212=
然后对数偏导所得值212被输入给了梯度计算器203的第一输入端， 上一工作周期的输出滤波器系数131输入给梯度计算器203的第二输入 端。梯度类型选择器207的输出217输入给梯度计算器203的第三输入 端，输出217用于控制梯度计算器203所选用的梯度计算方法。
根据输出217所指示的梯度方法的不同，控制梯度计算器203可以 选用解复用之前的信号或解复用后的信号作为第四输入信号。如果输出 217指示了标准梯度法，则控制梯度计算器203选择解复用之前的信号 117和118经寄存单元205后的信号215作为第四输入信号。若滤波器 119 122的长度为1个抽头，则无需使用寄存单元205。如果信号217 指示采用自然梯度法，则控制梯度计算器203选择解复用之后的信号125 和126经寄存单元206后的信号216作为第四输入信号。同样的，若有 限冲激响应滤波器(FIR) 119 122的长度为1个抽头，则无需使用寄存 单元206。
18梯度计算器213计算优化目标函数的梯度。
下面推导梯度的计算方法，先考虑最简单的情况，即4个滤波器 119 122都是只有1个抽头的情况，然后再推广到多个抽头的情况。
本发明所述的目标概率密度函数方法的优化目标函数用于使滤波器 输出信号的概率密度函数与所设定的目标概率密度函数尽可能地接近 (即用于对输出信号的概率密度函数进行优化)，在一种实施方式中，为
其中，力(h，;O为偏振解复用后输出信号的联合概率密度函数， 为所设定的目标概率密度，D(1卜)为信息论中常用的
Kullback-Leibler距离，用来度量两个概率密度函数的相似程度，其定义
为
II /"A，W)=邻n々","] (8)
式中解复用后信号的实际概率密度函数/Y(yh,yv)是很难得到的，因此 下面将其转换为解复用前信号的概率密度函数。偏振解复用装置的输入 和输出信号满足如下关系
11 '' 12
『 『
、^ 21 " 22 ,
、
V、乂
(9)
其中Wll、 W12、 W21和W22分别为第一滤波器119、第三滤波器
121、第二滤波器120和第四滤波器122的抽头系数。参见Irwin Miller,
MaryleesMiller,数理统计与应用(第7版)，P248，清华大学出版社，由
式(9)可知输入信号(Xh,Xv)和输出信号(yh，yv)的概率密度函数满足
/"H) = VI (10)
其中J为雅可比(Jacobian)行列式，/-detC^^/abcA.) ， det(')表示求
行列式运算。将式(10)代入目标函数(7)并忽略与滤波器系数无关项可得到
新的优化目标函数
薩邻n I / i + In /ra (力)+ In /rv (_yv)] (11)
将式(ll)中期望操作中的函数对滤波器系数求偏导可以得到标准梯
度(Standard Gradient)<formula>formula see original document page 20</formula>
式(12)右上角标"H"表示矩阵的共轭转置运算，"-H"表示先共轭 转置再矩阵求逆(顺序也可颠倒)运算，O(Y)为对数偏导计算器202的 输出信号212。式(12)为梯度计算器203采用标准梯度法计算得到的输出 信号213。式中*表示求复数共轭。
由于计算标准梯度涉及到矩阵求逆运算，这会导致采用该方法时计 算量异常巨大。为了避免矩阵求逆运算，可以采用自然梯度法。
在采用自然梯度法时，需要将梯度计算器203的第二输入信号切换
至解复用后的信号125和126。采用自然梯度法的另一个好处是根据代价
函数的黎曼结构调整了梯度方向，改善了收敛性能。将式(12)右乘WHW，
则得到了优化目标(ll)的自然梯度
<formula>formula see original document page 20</formula>
式中I为2x2单位矩阵。式(13)为梯度计算器203采用自然梯度法计 算得到的输出信号213。
下面考虑滤波器的抽头数大于1的情况。通常FIR滤波器的抽头数 为奇数，记为2L+1 (L为正整数)。这样解复用矩阵W就沿时间轴扩展 成了包含2L+1个解复用矩阵的解复用矩阵组(Wp, P=-L,-L+l，...,L}。偏振 解复用装置的输入和输出信号的关系由式(9)变为
<formula>formula see original document page 20</formula>
优化目标函数仍然为式(7)，只是待优化的滤波器系数由2x2个变为 2x2x(2L+l)个，这样在做梯度运算时需要分别对(2L+l)个解复用矩阵的元 素求偏导数。同样的，可以得到第p个解复用矩阵Wp的标准梯度(选择 寄存单元205的输出215作为第二输入信号)G(w=j 2①(Y(")X"(A: —/ )(15) J — "[2W。—"十2①(Y(yt))XW(A:)如果/ = 0
及自然梯度(选择寄存单元206的输出216作为第二输入信号)
=Wp2丄-l))U"(卜p) (16) 其中
U(一iX》萍-《) (17)
这样当滤波器119 122的长度为2L+1时，梯度计算器203的输出 信号213按式(15)或式(16)计算得到。由于计算梯度时需要解复用前信号 或解复用后信号的多个时刻的采样值，因此还需要寄存单元205或206 来存储这些数据。
滤波器系数更新器204根据输入的梯度信号213来调整滤波器系数， 其调整原理是使解复用矩阵沿着梯度方向前进一小步，从而使优化目标 函数(ll)增大。下面给出采用标准梯度或自然梯度，滤波器抽头数为1或 抽头数大于1这四种情况下的滤波器系数更新器204中的计算公式
标准梯度，l个抽头-
W(hl) = W(w + ^Gs (18) =W(a;) + ;U[W-w (a) + O(Y)X"]
式中k指第k个工作周期也就是第k次系数调整的时刻。
自然梯度，l个抽头
w("i) = ww+a
-[i + pCI+owyIwcao (19)
s[i + ZiO)(Y)Y"]W(a:) 标准梯度，2L+1个抽头
=W^) + /^p。 W。，" + O(Y0:))XH "-;;)] 其中，^在p二0时为l，而在p不等于0时为0。 自然梯度，2L+1个抽头
=Wp w +岸)[Wp w + O, - 2丄-l))Utf - p)]
上面的四个滤波器系数迭代更新表达式将梯度中的常数因子"2"包 含在了步长p中。滤波器系数更新器204按照式(18)或式(19)或式(20)或
21式(21)对滤波器系数进行更新，解复用矩阵的初始值对于1抽头的情况可
取2x2单位阵，对于多个抽头的情况可取W(p2x2单位阵，其它Wp均为 零矩阵。
按照上述的滤波器系数更新方法，在一个工作周期之内，滤波器系 数更新器204对滤波器系数进行调整，并将调整后的滤波器系数131输 出给119 122。
本发明的目标概率密度函数法所实现的滤波器系数调整装置130a在 一个工作周期的工作过程总结如下
目标概率密度函数发生器201根据所传信号的特征选择合适的目标 概率密度函数及参数，并将该目标概率密度函数211告知对数偏导计算 器202。对数偏导计算器202使用目标概率密度函数和解复用信号125、 126计算目标概率密度函数的对数偏导值212，并作为第一输入信号输入 给梯度计算器203。梯度计算器203的第二输入信号为滤波器系数调整装 置130a在上一工作周期所输出的滤波器系数131。梯度计算器203根据 第三输入端得到的由梯度类型选择器207所指定的梯度类型信号217选 择第四输入信号，如设定采用标准梯度法就选择解复用前的信号117、 118 或117、 118经寄存单元205缓存后的输出215作为第四输入信号并按式 (12)或(15)计算标准梯度，如设定采用自然梯度法则选择解复用后的信号 125、 126或125、 126经寄存单元206缓存后的输出216作为第四输入信 号并按式(13)或(16)计算自然梯度。梯度计算器203将计算所得梯度213 输入给滤波器系数更新器204。如果采用标准梯度，滤波器系数更新器 204按式(18)或(20)更新滤波器系数，如果釆用自然梯度，滤波器系数更 新器204则按式(19)或(21)更新滤波器系数。每一次滤波器系数调整装置 工作周期的最后，滤波器系数调整装置130a将计算所得的一组新的滤波 器系数131输出给4个滤波器119 122，同时也输出给梯度计算器203 用于下一次梯度计算。以上便是滤波器系数调整装置130a的一个完整工 作周期，然后等待下一个工作周期，如此往复。
另外，也可以只让梯度计算器203实现某一种梯度计算方法，从而 可以简化滤波器系数调整器130的结构。如只采用标准梯度的滤波器系数调整装置130b的框图如图2b所示，只采用自然梯度的滤波器系数调 整装置130c的框图如图2c所示。
另外，应该注意，如上所述，在具体的应用中，可以省略寄存单元 205和206、和/或目标概率密度函数发生器201。
在本文中，在对本发明的描述中，除非需要对滤波器系数调整装置 130a、 130b和130c等进行区分，或者上下文中有特定的说明，否则将它 们统称为滤波器系数调整装置130。
如上所述，当滤波器119 122的抽头数大于1时，滤波器系数调整 装置103需要寄存单元205对偏振解复用前的信号117和118进行缓存 以计算标准梯度或者需要寄存单元206对偏振解复用后的信号125和126 进行缓存以计算自然梯度。寄存单元205 (或206)的结构例如如图3所 示，当滤波器的抽头数为2L+1时(L为正整数)，需要2L个级联的寄存 器对两个输入信号在当前时刻之前1到2L个时刻的采样值进行寄存，并 将当前时刻釆样值与所寄存的2L个采样值输出给梯度计算器213。梯度 计算器根据两个输入信号的这2L+1个采样值，分别对(2L+1)个解复用矩 阵的元素求偏导数。
滤波器系数调整装置130的工作周期可以是一个符号周期，如果每 个符号有Ns个采样，则意味着每隔Ns-l个采样计算并更新一次滤波器 系数。为了降低对硬件处理能力的要求，滤波器系数调整装置130的工 作周期也可以大于一个符号周期，如每Nls个符号工作一次，这意味每 隔NlS*Ns-1个采样计算并更新一次滤波器系数，低速实现的代价是解复 用装置129跟踪信道变化的速度降低了 Nls倍。
图4a—4c分别给出了与滤波器系数调整装置130a、 130b和130c对 应的低速实现框图130'a、 130'b和130'c。该低速系数调整装置与前述图 2主要的不同是对数偏导计算器202的输入信号125、 126，梯度计算器 的第四输入信号215或216都分别受开关405、 403、 404的控制。开关 403 405则受频率为Rs/NlS的时钟401控制，在每个时钟周期内403 405打开一次，分别将数据输入给梯度计算器203和对数偏导计算器202， 这样偏导计算器202和梯度计算器203每N^个符号周期工作一次，从而将整个滤波器系数调整装置130'的工作周期增大为Nu个符号周期。
图5给出了依据本发明的一种实施方式的滤波器系数调整方法的流 程图。
在滤波器系数调整装置开始工作后(步骤501)，先对滤波器系数进 行初始化(步骤502)，初始值可以取W。为单位矩阵。然后根据信号的 调制格式选择或设计目标概率密度函数(步骤503)，之后进入循环工作 模式。在循环工作模式的一个周期之内，首先计算目标概率密度函数在 自变量取值为当前偏振解复用输出信号值的情况下的对数偏导值(步骤 504)，然后该对数偏导值被用于计算梯度值(步骤505)，在该步骤，可 以计算标准梯度或自然梯度。计算标准梯度还是计算自然梯度可以是预 先确定的。另选地，可以增加梯度类型选择步骤，对计算标准梯度或自 然梯度进行选择。进一步，在滤波器具有多个抽头的情况，还需要第一 寄存步骤或第二寄存步骤，分别用于对输入信号或输出反馈信号进行寄 存。最后根据梯度值更新滤波器组的系数，并将新的系数值输出给滤波 器组和梯度计算器(步骤506)。这样便完成一个系数调整的工作周期。 然后在步骤507判断是否到了下一个工作周期，如果已到下一工作周期 (步骤507，是)，则返回步骤504计算对数偏导，并进行步骤505、 506 的处理。如果未到下一工作周期(步骤507，否)，则在步骤508进行等 待，直到到了下一工作周期。系数调整装置的工作周期可以是一个符号 周期(最快的工作方式)，也可以是若干个符号周期(低速实现)。此时， 可以增加定时步骤，其用于控制所述对数偏导计算步骤和所述梯度计算 步骤的工作定时；第一开关步骤，在所述时钟步骤的控制下使所述对数 偏导计算步骤工作或不工作；第二开关步骤，在所述时钟步骤的控制下 使所述梯度计算步骤工作或不工作。
以上只对本发明的方法的流程图进行了简要的说明，本领域技术人 员参照前面对装置的描述可以清楚地知道它们的其它实施方式及其实 现。
本发明可以由单纯的硬件实现，也可仅由软件实现，也可由硬件和 软件的混合来实现。在由软件实现时，该软件在被计算机执行时，可以使计算机实现上述的方法或装置。本发明还涉及存储该软件的存储介质。
存储介质例如可以是CD、 DVD、软盘、MO、闪存、磁带等。
以上说明仅仅是示例性的，不是对本发明的限制。本发明的范围仅 仅由权利要求及其等同物确定。
权利要求
1、一种滤波器系数调整装置，所述滤波器系数调整装置在偏振解复用装置中使用，所述偏振解复用装置利用滤波器(119-120)对输入信号(117、118)进行解复用，获得解复用输出信号(125、126)，所述滤波器系数调整装置用于调整所述滤波器的系数，其特征在于，所述滤波器系数调整装置包括对数偏导计算单元(202)，用于计算所述解复用输出信号的目标概率密度函数在自变量取值为当前解复用输出信号值时的对数偏导值；梯度计算单元(203)，用于根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的梯度；以及滤波器系数更新单元(204)，根据所述梯度计算单元计算出的梯度，更新所述滤波器的系数。
2、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所述 目标概率密度函数是相位服从0 2兀均匀分布的概率密度函数。
3、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所述 目标概率密度函数是针对MPSK调制格式信号设计的自变量为MPSK信 号的模值的麦克斯韦分布、高斯分布、瑞利分布、莱斯分布、指数分布 或其他具有比圆高斯分布的峰度更小峰度的概率密度函数中的一种。
4、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所述 目标概率密度函数是针对具有多个幅度的调制格式信号所设计的具有与 多个幅度对应的多峰值结构的、自变量为信号模值的组合麦克斯韦分布、 组合高斯分布、组合瑞利分布、组合莱斯分布、组合指数分布或其他具 有比圆高斯分布的峰度更小峰度的概率密度函数的组合概率密度函数中 的一种。
5、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所述 梯度计算单元根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值、所述输入信号、所述滤波器系数更新单元的输出反馈，计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的标准梯度。
6、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，所述 梯度计算单元根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值、所述解复用输出信号、所述滤波器系数更新单元的输出反馈，计算用于对所 述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的自然梯度。
7、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于， 所述滤波器系数调整装置还包括梯度类型选择器，所述梯度类型选择器用于选择所述梯度计算单元所计算的梯度的类型；并且根据所述梯度类型选择器的选择结果，所述梯度计算单元利用所述 对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值、所述解复用输出信号、所述 滤波器系数更新单元的输出反馈，计算用于对所述解复用输出信号的分 布进行优化的目标优化函数的自然梯度；或利用所述对数偏导计算单元 所计算出的对数偏导值、所述输入信号、所述滤波器系数更新单元的输 出反馈，计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函 数的标准梯度。
8、 根据权利要求1所述的滤波器系数调整装置，其特征在于，各所 述滤波器具有多个抽头，所述滤波器系数调整装置还包括第一寄存单元(205)和第二寄存单元(206)，所述第一寄存单元用于寄存所述输入信号的多个采样值，所述第一 寄存单元寄存的釆样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同；所述第二寄存单元用于寄存所述解复用输出信号的多个采样值，所 述寄存单元寄存的采样值的个数与各所述滤波器的抽头数相同。
9、 根据权利要求l一8任一项所述的滤波器系数调整装置，其特征 在于，所述滤波器系数调整装置还包括时钟单元(401)，其用于控制所述对数偏导计算单元和所述梯度计 算单元的工作定时；第一开关单元(405)，在所述时钟单元的控制下使所述对数偏导计 算单元工作或不工作；第二开关单元(403、 404)，在所述时钟单元的控制下使所述梯度计算单元工作或不工作。
10、 一种滤波器系数调整方法，所述滤波器系数调整方法在偏振解 复用装置中使用，所述偏振解复用装置利用滤波器(119一120)对输入 信号(117、 118)进行解复用，获得解复用输出信号(125、 126)，所述 滤波器系数调整方法用于调整所述滤波器的系数，其特征在于，所述滤 波器系数调整方法包括对数偏导计算步骤(504)，用于计算所述解复用输出信号的目标概 率密度函数在自变量取值为当前解复用输出信号值时的对数偏导值；梯度计算步骤(505)，用于根据所述对数偏导计算步骤所计算出的 对数偏导值计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化 函数的梯度；以及滤波器系数更新步骤(506)，根据所述梯度计算步骤计算出的梯度， 更新所述滤波器的系数。
全文摘要
本发明涉及滤波器系数调整装置和方法。该滤波器系数调整装置用于偏振解复用装置中，所述偏振解复用装置利用滤波器对输入信号进行解复用，获得解复用输出信号，所述滤波器系数调整装置用于调整所述滤波器的系数，其特征在于，所述滤波器系数调整装置包括对数偏导计算单元，用于计算所述解复用输出信号的目标概率密度函数在自变量取值为当前解复用输出信号值时的对数偏导值；梯度计算单元，用于根据所述对数偏导计算单元所计算出的对数偏导值计算用于对所述解复用输出信号的分布进行优化的目标优化函数的梯度；以及滤波器系数更新单元，根据所述梯度计算单元计算出的梯度，更新所述滤波器的系数。
文档编号H04J14/06GK101599801SQ20081010892
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月6日 优先权日2008年6月6日
发明者张慧剑, 谷村崇仁, 陶振宁 申请人:富士通株式会社