数字滤波器、部分响应均衡器及数字相干接收机设备及方法
【专利摘要】本发明的方面包括用于在通信系统中接收信号的设备和方法。部分响应均衡器包括用于对接收到的信号进行均衡的全响应线性均衡设备；以及用于对均衡后的信号进行后滤波的部分响应后滤波器。本发明的设备和方法的方面用于光学通信系统中的信号的相干接收。接收机前端将接收到的部分响应光学信号转换成部分响应数字信号。均衡设备对预滤波后的全响应数字信号进行均衡。全响应载波恢复设备对由均衡设备均衡后的信号进行载波恢复。后滤波器对已经经历了通过全响应载波恢复设备的载波恢复的信号进行滤波。
【专利说明】数字滤波器、部分响应均衡器及数字相干接收机设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明的领域是通信系统，并且特别是数字滤波器、部分响应均衡器及相干接收机及方法。
[0002]总是不断增长的带宽要求已经驱动通信系统达到更高的容量。因此，存在很强的动机来增强频谱效率以提高总的容量。从频谱复用的角度来看，给定了特定的调制格式，存在用来改善频谱效率的多种方法。一种直接的方法是通过窄带滤波在各个复用的信道上实现带宽限制。通过这种方法，频谱被压缩并且可以获得高的频谱效率。然而，因为在存在窄带滤波时的等价信道将具有带有长存储的强ISI，因此无法保持无符号间干扰(ISI)的条件。而且，ISI形式(即信道冲激响应)通常是未知和无条件限制的，这必然需要复杂的信道估计。部分响应均衡可能是这种类型的系统的好的解决方案。部分响应均衡能够将未知的信道冲激响应整形为已知的部分响应类别(class)(例如,双二进制(duobinary))。只要信道响应与目标部分响应类似，就可能产生轻微的性能损失(D.D.Falconer和F.R.Magee、Jr.等在1973年11月的贝尔系统技术杂志的第52卷第9期第1541-1562页的“Adaptivechannel memory truncation for maximum-1 ikeIihoodsequenceestimationO ° 不同于广泛研究的全响应均衡器，所报告的部分响应均衡器几乎都是判决导引模式或判决反馈模式。前馈响应均衡器的 设计可能是相干光学通信系统特别想要的。本发明的领域不限制在光学通信系统。
[0003]最近，如P.J.Winzer在2010年的IEEE通信期刊的第48卷的第7期的第26-30页的“BeyondlOOGEthernet”，以及S.J.Savory在2010年9月/10月的IEEE期刊选编顶级量子电子的第 16 卷第 5 期的第 1164-1179 页的“DigitalCoherentOpticalReceivers:AlgorithmsandSubsystems”中描述的，结合数字信号处理(DSP)的相干检测已经被视为是用于IOOG光学通信系统和超光学通信系统的关键技术。如S.J.Savory在2010年9月/10月的IEEE期刊选编顶级量子电子的第16卷第5期的第1164-1179页的“Digital CoherentOpticalReceivers:AlgorithmsandSubsystems”中描述的，在数字光学相干接收机中，大多数线性传输损害(impairment)可以通过数字线性均衡器进行补偿。线性均衡器可以提供方便和低复杂度的方法，以进行偏振解复用并以自适应的方式补偿多个时变损害。曾经报告的多种多样的线性均衡器几乎都是适于小的ISI信道的全响应线性均衡器。线性均衡器在具有良好表现的频谱特性(即小的ISI)的信道上服从好的性能，但是这可能不是存在严重的ISI的情况下的期望选择，存在严重的ISI的情况是由于如J.G.Proakis在2001年由纽约的McGraw-Hill出版社出版的数字通信第四版中所描述的噪声增强效应造成的。此外，在光学通信系统中也已经开发了许多其他的全响应DSP。强烈希望保留这些全响应均衡器和其他相应的DSP而无需修改。本发明可以解决上述问题。
[0004]另一个考虑是关于在实践中的实现复杂度。在多种部分响应类别中，因为双二进制在理论上能够利用一个符号的存储将频谱裁剪为奈奎斯特带，所以其是具有吸引力的。为了便于理解，双二进制响应作为示例在本部分和其他部分中进行了描述。例如，根据将要考察的系统中的特定的信道冲激响应，也可以使用类别2、类别3、修改的双二进制、扩展的类别4、以及类别5等任何其他的部分响应类别。由于目标双二进制响应的短的存储，MLSD 的复杂度相对于 J.一X.Cai> C.R.Davidson、D.G.Foursa、A.J.Lucero>0.V.Sinkin、ff.ff.Patterson、A.N.Pilipetski1、G.Mohs 和 N.S.Bergano 在 2011 年 2 月的期刊 Lightw.Technol.的第 29 卷第 4 其月的第 491-498 页的 “Transmissionof96x100_Gb/sbandwidth-constrained PDM-RZ-QPSKchanneIswith300 % spectralefficiencyoverl0610kmand400 % spectralefficiencyover4370km，，；J.—X.Cai> Y.Cai> C.R.Davidson、A.Lucero、H.Zhang、D.G.Foursa、0.V.Sinkin、ff.ff.Patterson、A.Pilipetski1、G.Mohs 和N.S.Bergano 在 2011 年 3 月的会议论文集 0FC2011 中的论文 PDPB4 “20Tbit/scapacitytransmissionover6, 860km”;以及我们在2011年9月的会议论文集EC0C2011中的论文10.Pl.73“Spectrum-narrowingtolerantl71-Gbit/sPDM_16QAMtransmissionoverl，200km usingmaximum likelihood sequence estimation，，急剧降低。
【发明内容】
[0005]本发明的方面包括用于接收通信系统中的信号的设备和方法。在一个方面，部分响应均衡器包括用于均衡所接收到的信号的全响应线性均衡设备；以及用于对所均衡的信号进行后滤波的部分响应后滤波器。
[0006]在本发明的另一个方面中，接收机前端将所接收的部分响应光学信号转换成部分响应数字信号。均衡设备均衡预滤波的全响应数字信号。全响应载波恢复设备执行由均衡设备均衡的信号的载波恢复。后滤波器对已经经过全响应载波恢复设备的载波恢复的信号进行滤波。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1示出了部分响应均衡器的示意图。
[0008]图2示出了用于实现的滤波器模型的实例。
[0009]图3示出了带有载波恢复设备的部分响应均衡器的示意图。
[0010]图4示出了说明用于光学通信系统的完整接收方法的示意图。
[0011]图5示出了频谱整形的QAM系统的模型。
[0012]图6(a)和图6(b)是用于M = 2和M = 4的M进制PAM的网格图的示例说明。
[0013]图7示出了双二进制信道的简化模型。
【具体实施方式】
[0014]本发明的方面涉及数字滤波器、部分响应均衡、数字相干接收机设备、以及数字相干接收机方法。这些方面保护用于偏振复用系统、模式复用系统、空间复用系统、及类似系统的相干接收方法。这些方面减轻了来自现有技术中的复杂度，同时保持了同样的或更好的性能水平。这些方面允许使用最初为全响应信号开发的传统的DSP算法。此外，本发明的方面提供了简单却高灵敏度的用于带宽受限信号的相干接收方法。而且，本发明的方面在频谱有效的WDM光学通信系统中是强大的。
[0015]本发明的方面可以在多种场景中实现，其中的三种场景如下:[0016]I) 一般的同步通信系统，其中的全响应线性均衡器引入了强噪声或线性串扰增强；
[0017]2)在其中相位噪声是需要考虑的问题的通信系统；以及
[0018]3)用于包含多个传统的DSP设备的光学通信系统的相干接收方法。
[0019]图1示出了部分响应均衡器的示意图10。后滤波器13是数字滤波器，并且其被以前馈的方式放置在全响应线性均衡器11之后。这两种设备的组合执行部分响应均衡的功能。全响应线性均衡器11可以是能够将带有ISI的输入信号均衡为无ISI信号的任何类型的均衡器。期望部分响应后滤波器的频率响应就其形状而言与信道响应类似。而且，期望该部分响应后滤波器的冲激响应是已知的响应并且其长度N应当是有限的。图2示出了用于实现的滤波器模型的实例。图2中的结构确定了目标部分响应的类型。抽头系数可以是任意的，而同时抽头数目也可以是任意的。双二进制是图2中存在两个抽头时的特殊实例。对应的抽头系数都是I。
[0020]图3是说明带有载波恢复设备33的部分响应均衡器30的第二个例子的示意图。这种均衡器的前馈结构允许其容易地使用全响应载波恢复方法。该载波恢复设备可以被放置在全响应线性均衡器35和后滤波器37之间。
[0021]图4是说明相干数字接收机40的第三个例子的示意图，该相干数字接收机40包括前端不完美补偿41、全响应线性均衡器43、全响应载波恢复设备45、部分响应后滤波器47、以及部分响应数据检测设备49。因为信号将被均衡成具有部分响应的信号，所以数据检测设备49可以是任何类型的已知的用于部分响应的检测器。仅仅根据非限制性实例的方式，检测器可以是如 本技术中已知的逐符号检测器，或者可以是最大似然序列检测器。
[0022]涉及通过使用低复杂度双二进制整形和检测改善波分复用系统中的频谱效率的一个具体实现是，如所描述并作为引用并入的Jianjun Yu和Jianqiang Li的“ApproachingNyquist Limit in Wavelength-Division Multiplexing Systems by Low-ComplexityDuobinary Shaping and Detection，，。
[0023]图5示出了频谱整形的QAM系统的模型。可以通过在频带中的两个信号支路上的两个窄带低通滤波器(LPF)或者频带中的带通滤波器(BPF)来进行频谱整形。在光学通信系统的情景中，上面的两种方法对应于两种实现域:在光学调制之前的电学域(通过数字装置或模拟装置)和在光学调制之后的光学域。
[0024]如在J.G.Proakis的“数字通信”第四版中描述的，存在一些用于检测带有受控的ISI或已知的存储的信息信号的技术。一种是相对实现简单的逐符号次优检测器。这种方法忽略了固有存储，从而遭受降低的SNR灵敏度。另一种方法是MLSD，该方法将其判决建立在基于在多个连续时间间隔上对符号序列的观察，具体内容如在J.G.Proakis的“数字通信”第四版、H.Kobayashi在1971年9月的IEEE信息理论学报的IT-17卷的第5期的第 586-94 页的 “Correlative level coding and maximum likelihood decoding” 和G.D.Forney、Jr.在1972年5月的IEEE信息理论学报的IT-18卷的第3期的第363-378页的“Maximum likelihood sequence estimation of digital sequences in the presence ofintersymbol interference”中描述的。MLSD使用已知的存储并且最小化错误概率。MLSD的复杂度与所涉及的存储长度有关。例如，如果信道响应被整形为包含一个符号存储的双二进制形式，那么MLSD的使用不会占用大量的计算开销。然而，例如，如果信道响应被整形为包含两个符号的不同的形式，那么MLSD的使用可能占用更多的计算开销。
[0025]MLSD可以在QAM信号的同相支路和正交支路上实现，在每个支路上的信号都具有M进制的脉冲幅度调制(PAM)格式。作为带有存储的信道的一种类型，双二进制整形信道可以被建模成有限状态机，该有限状态机可以通过状态转移图(即网格图)表示。图6(a)和图6(b)是M= 2和M = 4的M进制PAM网格图的示例说明。所示出的网格图是用于双二进制的例子，然而，可以使用任何类别的部分响应。包含M个状态的双二进制信道的网格图开始于初始状态S。。Sk表示在第k个时隙的状态。因为双二进制的存储长度是一个符号，所以状态sk由原始输入Xk直接给出，Xk的数值取自于M个PAM等级(m = I, 2,..., M)的字符集X的Xm。因为Xk和Sk是可以互换的，所以Xk可以被用来表示其后的用于一致性的状态。双二进制成形的等级yk = Xk+XH被添加到网格图中的每个分支。通常，每个状态具有M个可能的转移路径，并且从k = 2的时间开始接受M个输入路径。
[0026]图7示出了对应于图6(a)和图6(b)的网格图的双二进制信道的简化模型，其中Zk是在第k个时隙接收的信号采样。
[0027]需要了解的是，本发明的方法和设备可以运用包含简单计算机和复杂计算机的机器和仪器来执行。而且，上述架构和方法可以部分或全部存储在机器可读介质的形式上。例如，本发明的操作可以被存储在比如磁盘或光盘的机器可读介质上，这些磁盘或光盘通过磁盘驱动器(或计算机可读介质驱动器)访问。可选择地，进行上述操作的逻辑可以被实现在比如离散的硬件组件(如大规模集成电路(LSI))、专用集成电路(ASIC)、固件(比如电可擦写可编程只读存取器(EEPROM))等其他计算机和/或机器可读介质上。特定实施方式的实现还可以采用机器实现的形式(包括web实现的计算机软件的形式)。
[0028]尽管已经示 出和描述了本发明的多个方面，但是对于本领域的那些技术人员将明显的是，可能进行不背离本文的创新性构思的许多更改。因此，本发明不被下面的权利要求中的精神之外的内容所限制。
【权利要求】
1.一种部分响应均衡器，包括: 全响应线性均衡设备，其用于对接收到的信号进行均衡；以及 部分响应后滤波器，其用于对均衡后的信号进行后滤波。
2.如权利要求1所述的部分响应均衡器，还包括全响应载波恢复设备，用于对由所述均衡设备均衡后的信号进行载波恢复。
3.如权利要求2所述的部分响应均衡器，其中所述全响应载波恢复设备位于所述全响应线性均衡设备和所述部分响应后滤波器之间。
4.一种相干接收机，包括: 接收机前端，其用于将接收的部分响应光学信号转换成部分响应数字信号； 均衡设备，其用于对预滤波后的全响应数字信号进行均衡； 全响应载波恢复设备，其用于对由所述均衡设备均衡的信号进行载波恢复；以及后滤波器，其用于对已经经历了通过所述全响应载波恢复设备的载波恢复的信号进行后滤波。
5.如权利要求4所述的相干接收机，还包括: 部分响应数据检测设备，其用于检测经后滤波的信号。
6.如权利要求5所述的相干接收机，其中所述部分响应数据检测设备是逐符号检测器。
7.如权利要求5所述的相干接收机，其中所述部分响应数据检测设备是最大似然序列检测器。
8.一种方法，所述方法包括: 均衡接收到的信号；以及 对均衡后的信号进行后滤波。
9.如权利要求8所述的方法，还包括: 对信号进行载波恢复。
10.一种用于在光学通信系统中接收信号的方法，包括: 将接收到的部分响应光学信号转换成部分响应数字信号； 对预滤波后的全响应数字信号进行均衡； 对由均衡设备均衡的信号进行载波恢复；以及 对已经经历了通过全响应载波恢复设备的载波恢复的信号进行后滤波。
11.如权利要求10所述的方法，还包括检测经后滤波的信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述检测包括逐符号检测。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述检测包括最大似然序列检测。
14.一种制品，所述制品包括计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储了指令，所述指令包括如下指令: 用于对接收到的信号进行均衡的指令；以及 用于对均衡后的信号进行后滤波的指令。
15.如权利要求14所述的制品，还包括用于对信号进行载波恢复的指令。
16.一种制品，所述制品包括计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储了指令，所述指令包括如下指令:用于将接收到的部分响应光学信号转换成部分响应数字信号的指令；用于对预滤波后的全响应数字信号进行均衡的指令；用于对通过均衡设备均衡的信号进行载波恢复的指令；以及用于对已经经历了通过全响应载波恢复设备的载波恢复的信号进行后滤波的指令。
17.如权利要求16所述的制品,还包括:用于对经后滤波的信号进行检测的指令。
18.如权利要求17所述的制品，其中所述检测包括逐符号检测。
19.如权利要求17 所述的制品，其中所述检测包括最大似然序列检测。
【文档编号】H04L25/40GK104025527SQ201280065631
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月30日
【发明者】余建军, 建强·李 申请人:中兴通讯(美国)公司