用于光学16QAM的光纤非线性补偿的方法和系统与流程

本申请要求2014年4月11日递交的发明名称为“用于光学19QAM的光纤非线性补偿”的第61/978,678号美国临时专利申请案的在先申请优先权和权益，该在先申请的全部内容以引入的方式并入本文本中。

背景技术：

在光纤通信中，光纤非线性一直是限制信号覆盖范围/性能的严重问题。在相干光通信中，信号覆盖范围和性能受线性与非线性失真之间平衡点的影响，即，在低发射功率下，信号将会陷入线性噪声，而在高功率下，信号相位将会受到强烈干扰，并且由于光纤克尔效应而对信号产生不利影响。目前，许多商业光学系统利用偏振分割多路复用正交相移键控(polarization-division-multiplexing quadrature-phase-shift-keying，PDM-QPSK)格式，该格式携带每个光载波4个比特/符号。面对容量需求的持续增长，已经开发了高正交幅度调制(quadrature amplitude modulation，QAM)格式，例如16QAM。例如，随着PDM-QPSK到PDM-16QAM的升级，每个光载波的比特/符号可从4个增长到8个，从而使容量加倍。然而，使用16QAM的代价是信号覆盖范围/性能减少/下降，这是因为16QAM在噪声方面存在漏洞。虽然提高发射功率可能提高信噪比，但是这还将会引入严重的非线性失真，这些非线性失真会影响信号。

降低和/或解决光纤非线性以扩大16QAM信令的覆盖范围将是有利的。

技术实现要素：

在本发明的一些实施例中，公开了一种用于降低链路光纤非线性的装置。所述装置包括其中存储有计算机可执行指令的存储器和执行存储在所述存储器中的计算机可执行指令的处理器。所述可执行指令包括将高阶QAM输入分解为多个成分。所述指令包括将多个逻辑运算应用到所述多个成分。所述指令包括基于将所述多个逻辑运算应用到所述多个成分来确定非线性补偿项。

在其它实施例中，公开了一种由处理器执行的用于降低链路光纤非线性的方法。所述方法包括将高阶QAM输入分解为多个成分。所述方法包括将多个逻辑运算应用到所述多个成分。所述方法包括基于将所述多个逻辑运算应用到所述多个成分来确定非线性补偿项。

在本发明的其它实施例中，公开了一种用于降低链路光纤非线性的系统。所述系统包括通信网络。所述系统包括耦合到所述通信网络的多个发射器和多个接收器，其中，发射器或接收器中的至少一个用于通过以下步骤降低链路光纤非线性：将高阶QAM输入分解为多个成分，将多个逻辑运算应用到所述多个成分，以及基于将所述多个逻辑运算应用到所述多个成分来确定非线性补偿项。

在阅读各种绘图中说明的实施例的以下详细描述之后，本领域普通技术人员将认识到本发明各种实施例的这些和其它目的以及优势。

附图说明

附图包含在并且构成本说明书的一部分，其中相同的数字描绘相同的元件，附图说明本发明的实施例，并且与描述内容一起用于解释本发明的原理。

图1描绘了图示用于光纤通信的模型中的非线性项的图。

图2描绘了根据本发明一项实施例的图示用于降低链路光纤非线性的方法的流程图。

图3描绘了根据本发明一项实施例的图示将16QAM格式的输入信号分解为两个QPSK符号的图。

图4描绘了根据本发明一项实施例的图示将以QAM调制的输入信号扩展为QPSK符号的图。

图5描绘了根据本发明一项实施例的用于在发送和接收QAM格式的信号时降低链路光纤非线性的系统。

图6描绘了根据本发明一项实施例的用于在发射QAM格式的信号时降低链路光纤非线性的发射器。

图7描绘了根据本发明一项实施例的用于在接收QAM格式的信号时降低链路光纤非线性的接收器。

具体实施方式

现将详细地对本发明的各种实施例、附图示出的示例做出参考。虽然会结合这些实施例进行描述，但可以理解的是它们并不用于将本发明限制于这些实施例。相反，本发明公开旨在覆盖可以包括在由所附权利要求书限定的本发明公开的精神和范围内的替代物、修改和等同物。另外，在以下本发明的详细描述中，阐述了许多特定细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，可以理解的是，实际应用中，可以不包括本发明的这些特定细节。在其它实例中没有详细描述众所周知的方法、流程、部件和电路，以免对本发明的各方面造成不必要地模糊。

相应地，本发明各实施例通过将各个QAM符号分解来降低为QPSK符号来降低相干光高阶QAM(例如，16QAM)通信的光纤非线性，以避免使用复杂乘法。

以下详细描述的一些部分从流程、步骤、逻辑块、处理以及可在计算机存储器上执行的对数据位的操作的其它符号表示方面呈现。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们的工作内容传递给本领域的其他技术人员的手段。本文中的流程、计算机生成的步骤、逻辑块、过程等通常设想为产生所需结果的步骤或指令的自洽顺序。步骤要求物理量的物理操纵，并且是指计算系统的动作和过程等，包括用于将计算机系统的寄存器和存储器内的表示为物理(电子)量的数据操纵并转换为计算机系统存储器或寄存器或其它这类信息存储、传输或显示设备内的同样表示为物理量的其它数据。

根据本发明的一项或多项实施例提供用于降低光纤非线性的方法的示例的流程图。尽管流程图中公开了特定步骤，但这类步骤是示例性的。即，本发明各实施例适于执行各种其它步骤或流程图中列举的步骤的变体。并且，本文描述的各实施例可在存在于计算机可读存储介质的某一形式，例如，程序模块，上的由一个或更多计算机或其它设备执行的计算机可读指令的一般上下文中论述。例如，但并不限于此例，软件产品可存储在非易失性或非瞬时计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可包括非瞬时计算机存储介质和通信介质。通常，包括例程、程序、对象、部件、数据结构等在内的程序模块执行特殊任务或实施特殊抽象数据类型。这些程序模块的功能可在各种实施例中根据需要来组合或分布。

在数字通信中，使用高阶QAM调制速率的调制技术提供提高的数据速率和更高的频谱效率水平。然而，这些高阶QAM调制技术易受非线性噪声和干扰影响。下文描述的本发明各实施例用于通过避免乘法运算来降低相干光QAM通信的光纤非线性。

一般而言，光纤非线性的行为受控于三阶失真，意味着其数学形式可通过时域中任意三个符号的乘法来描述。光纤非线性模型可以描述为如下等式1：

$E^{\′}\left(n\right)=E\left(n\right)+{\mathrm{\Σ}}_{\∀p,q}{C}_{pq}E(n+p)E(n+q)E^{*}(n+p+q)---\left(1\right)$

在等式1中，E(n)和E'(n)是不具有(例如，E(n))和具有非线性失真的信号的符号分隔离散时间表示。图1为图示如在时间轴150上扩展的E'(n)的非线性项的图100，例如由波形110表示的E(n)、由波形120表示的E(n+p)、由波形130表示的E(n+q)以及由波形140表示的E(n+p+q)。并且，C_pq表示由在链路中使用的光纤和信号发射功率确定的非线性系数。并且，p和q是估计信道内存的整数，该信道存储器的长度随色度色散(chromatic dispersion，CD)量而缩放。

此外，在等式1中以及如图1所示，各个非线性项(p,q)要求多个复杂乘法。具体地，每对(p,q)有三个复杂乘法。非线性项的总量由存储长度(p,q)确定，该存储长度可为标准单模光纤(standard single-mode fiber，SSMF)的数百个以上符号，例如，约960km，这可能需要非线性项的大量乘法。如果与QPSK格式一起使用，这些乘法事实上可以由简单逻辑运算代替。也就是说，因为各个QPSK符号属于{±1,±j}的集合，其中j是虚数单位，所以等式1中E(n+p)E(n+q)E^*(n+p+q)的乘积仍将属于{±1,±j}。因此，本方案仅要求交换实数和虚数值，或者实数或虚数值的极性倒置。这将避免使用大量乘法，降低了实施复杂度。

然而，用于QPSK格式的上述技术不适用于更高容量的QAM格式(例如，16QAM)。也就是说，因为16QAM包括更多复杂符号，例如，{±1±j,±1±3j,±3±j,±3±3j}，所以无法通过简单地交换实数和虚数部分或者倒置实数或虚数部分的极性来获得E(n+p)E(n+q)E^*(n+p+q)的乘积，从而导致等式1的许多乘法。为了克服光纤非线性，本发明各实施例中引入了新的无乘数非线性补偿来降低16QAM的链路光纤非线性。根据一个方面，为高阶相干光QAM(例如，16QAM)提供针对光纤非线性的无乘数补偿方法。根据一项或更多实施例，本方法将各个QAM符号分解为QPSK符号以避免使用复杂乘法，从而简化实施。

图2为根据本发明一项实施例的图示用于降低链路光纤非线性的方法的流程图200。在一项实施例中，流程图200图示了用于降低链路光纤非线性的计算机实施方法。在另一项实施例中，流程图200在计算机系统内实施，该计算机系统包括处理器和耦合到处理器的存储器并且其中存储有程序指令，当计算机系统执行这些程序指令时，使系统执行用于降低链路光纤非线性的方法。在又一项实施例中，用于执行方法的指令存储在非瞬时计算机可读存储介质上，该非瞬时计算机可读存储介质具有使计算机系统执行用于降低链路光纤非线性的方法的计算机可执行指令。例如，流程图200的方法可在图5的系统500的各种部件内实施，各种部件包括图6的发射器600和图7的接收器700。

在210处，该方法包括将高阶QAM输入分解为多个成分。QAM输入的大于或等于4的阶数(例如，4QAM、8QAM、16QAM、32QAM、64QAM等)通过在确定QAM输入中非线性的补偿时降低执行复杂度获得最大益处。

在220处，该方法包括将多个逻辑运算应用到多个成分。具体而言，逻辑运算不包括降低执行复杂度的乘法运算，从而实现更高速的执行。例如，逻辑运算包括AND、OR、NOR等，其可在基于硬件的逻辑电路内实施。在一项实施例中，成分包括QPSK符号。在另一项实施例中，成分包括4QAM符号。

在230处，方法包括基于将多个逻辑运算应用到多个成分来确定总非线性补偿项。具体而言，总非线性项通过确定和/或解决总非线性补偿项的一个或更多非线性项来计算和/或估计，其中各个非线性项与逻辑运算相关联。项选择依赖于可接受执行成本。也就是说，总非线性补偿项的高精度估计要求执行更多非线性项，而总非线性补偿项的低精度估计要求执行较少非线性项。在许多情况下，尽管执行成本降低也不会牺牲精度，如将在下文描述的那样。

具体而言，图3描绘了根据本发明一项实施例的图示将QAM输入信号(例如，16QAM)分解为两个QPSK符号的图300。例如，图300图示在图2的210处描述的高阶QAM输入(例如，16QAM)的分解。如图3所示，原始QAM信号可以表示为两个或更多QPSK符号之和。例如，16QAM输入信号可以如下在等式2中表示：

E(n)＝2A(n)+B(n) (2)

如图3和等式2所示，A(n)和B(n)是属于{±1,±j}的独立QPSK符号。例如，16QAM信号E(n)通过具有16个点的星座图310表示，并且可以分解为通过具有4个点的星座图320表示的2*A(n)项和通过具有另外4个点的星座图330表示的B(n)项。

因此，等式1所示的非线性项E(n+p)E(n+q)E^*(n+p+q)的乘积可以扩展到QPSK的八个乘积的总和中。具体而言，图4为根据本发明一项实施例的图示将非线性项E(n+p)E(n+q)E^*(n+p+q)405扩展到多个QPSK符号中的图400。例如，非线性项E(n+p)E(n+q)E^*(n+p+q)405可以近似为第一项410、第二项420、第三项430和第四项440的总和。各个项410、420、430和440均可通过QPSK项表示，这些QPSK项通过执行简单的逻辑运算获得(无需使用乘法)。

在这种情况下，非线性项E(n+p)E(n+q)E^*(N+p+q)405可以通过使用逻辑运算估计各个QPSK乘积(项410、420、430和440)来获得。结果以因数2的幂缩放(例如，1、2、4、8等)。在一项实施例中，通过移位(例如，将n位转移到左边以乘以2ⁿ)来执行缩放。然后(例如，使用加法器[未示出])将该结果相加。

在一项实施例中，因为各个项410、420、430和440具有不同的系数(例如，2的幂)，所以这意味着它们对执行非线性补偿的益处的影响会不同。也就是说，对非线性补偿具有更大影响的项可被保留(例如，系数大于4的项)。并且，对非线性补偿具有较小影响的项可被丢弃(例如，系数小于4的项，比如具有系数1和2的那些项)。因此，多个成分通过丢弃具有较小系数的至少一个项来过滤。当然，被保留系数的值的选择可以变化，使得系数2可保留，或系数4可丢弃，等等。在具有系数1和2的项被确定为对非线性补偿的确定有较小影响的情况下，可丢弃块490中的项，例如项430和440。通过这种方式，确定非线性项的复杂度以及其补偿可以降低多达各个乘积的百分之五十，甚至大于百分之五十。

在仅保留非线性项E(n+p)E(n+q)E^*(n+p+q)405的第一子项的极端情况下，过程可转为“退化”方法，其立即将各个16QAM符号退化为单个QPSK，以一定误差量为代价。

在另一项实施例中，图2至4中描绘的QAM分解方法还可以应用于更高阶的QAM。例如，在高阶64QAM的情况下，各个64QAM输入可以表示为三个QPSK符号之和：E(n)＝4A(n)+2B(n)+C(n)。

图5描绘了根据本发明一实施例的用于降低链路光纤非线性的系统500。具体而言，系统500包括通信网络550(例如，光网络)、电耦合到网络550的多个发射器600和电耦合到网络550的多个接收器700。通过这种方式，特定发射器600能够与特定接收器700通信，使得信号使用QAM(例如，16QAM)发射和接收。在发射器600和接收器700的任一者或两者处，可以执行用于降低链路光纤非线性的过程。即，在实施例中，发射器和接收器700的任一者或两者可用于执行图2至图4中概述的方法。

具体而言，发射器600和接收器700两者均能够将高阶QAM输入分解为多个成分、将多个逻辑运算应用到多个成分以及基于将多个逻辑运算应用到从输入信号分解出来的多个成分来确定非线性补偿项。例如，这些运算可以在位于系统500内的基于数字信号处理器(digital signal processor，DSP)收发器内执行。

图6描绘了根据本发明一项实施例的用于降低链路光纤非线性的发射器600。例如，发射器600可在图5的系统500内实施。此外，在本发明的实施例中，发射器600用于执行图2至图4中概述的方法。

如图6所示，发射器600可包括处理器625和存储器627，其中，处理器625用于执行存储在存储器627中的计算机可执行指令。此外，处理器625可包括在能够执行计算机可读指令的单或多处理器计算设备或系统内。在其最基本的形式中，计算设备可包括至少一个处理器和一个系统存储器。系统存储器627耦合到处理器625，通常表示能够存储数据和/或其它计算机可读指令的任意类型或形式的易失性或非易失性存储设备或介质。系统存储器的示例包括但不限于随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read only memory、ROM)、闪存或任何其它合适的存储设备。

处理器625和存储器627可包括在特定用于降低链路光纤非线性的块620内。例如，方框620插入在信号源E(n)610与数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)660之间。更具体地说，方框620通过以下步骤降低和/或补偿链路光纤非线性：首先在计算器630处确定非线性项ΔE(n)，然后将非线性项从输入信号E(n)中减去。过滤的项由可位于方框620与DAC 660之间的前置均衡器650接收。转换之后，信号由调制器670调制并通过网络发射。

图7描绘了根据本发明一项实施例的用于降低链路光纤非线性的接收器。例如，接收器700可在图5的系统500内实施。此外，在本发明各实施例中，接收器700可用于执行图2至图4中概述的方法。

如图7所示，接收器700可包括处理器725和存储器727，其中，处理器725用于执行存储在存储器727中的计算机可执行指令。此外，处理器725可包括在能够执行计算机可读指令的单或多处理器计算设备或系统内。在其最基本的形式中，计算设备可包括至少一个处理器和一个系统存储器。系统存储器727耦合到处理器725，通常表示能够存储数据和/或其它计算机可读指令的任意类型或形式的易失性或非易失性存储设备或介质。系统存储器的示例包括但不限于随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read only memory、ROM)、闪存或任何其它合适的存储设备。

处理器725和存储器727可包括在特定用于降低链路光纤非线性的方框720内。例如，方框720可位于常规均衡器710的正后方，常规均衡器710在相位恢复之后接收信号并输出均衡信号R(n)。双削波器730接收均衡信号R(n)并用于减轻噪声影响，更重要地，以确保所有符号都在原始符号位置上接收，使得非线性补偿可以采用QAM分解和逻辑运算。

在双削波器730之后，估计器740确定非线性项ΔE(n)。然后，非线性项补偿器750将非线性项ΔE(n)从均衡信号R(n)中减去。

因此，根据本发明各实施例，描述了用于降低光网络中的链路光纤非线性的系统和方法。

虽然前述公开提出使用特定方框图、流程图和示例的各种实施例，但本文描述和/或图示的各个方框图部件、流程图步骤、运算和/或部件可使用广泛的硬件、软件或固件(或其任意组合)配置单独和/或集体实施。此外，包含在其它部件内的部件的任何公开都应视为示例，因为可以实施许多其它架构以实现相同功能。

本文描述和/或图示的过程参数和步骤顺序仅作为示例给出并可以按需改变。例如，虽然本文图示和/或描述的步骤可以特别的顺序示出或论述，但这些步骤不一定需要以图示或论述的顺序执行。本文描述和/或图示的各种示例方法还可省略本文描述或图示的一个或更多步骤，或者除了公开的步骤之外还包括额外步骤。

虽然本文已经在全功能性计算系统的背景下对不同的实施例进行了描述和/或图示，这些示例实施例中的一个或多个能够以多种方式作为一个程序产品来分发，而不管用于实际进行该分发的计算机可读介质的具体形式如何。本文中所披露的实施例还可以通过使用执行一些特定任务的软件模块来实施。这些软件模块可以包括脚本、成批文件或其它可执行文件，其中这些可以存储在一种计算机可读介质上或者一种计算机系统中。这些软件模块可以配置一个计算机系统以用于执行本文中所披露的一个或多个示例实施例。本文中所披露的一个或多个软件模块可以在云计算环境中实施。云计算环境可以通过互联网提供不同的业务和应用程序。这些基于云的业务(例如，软件即服务、平台即服务、基础设施即服务等等)可以通过网络浏览器或其它远程接口进行访问。本文中所述的各种功能可以通过远程桌面环境或任意其它基于云的计算环境来提供。

虽然已详细地描述了本发明及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。根据上述教导，许多修改和变更是可能的。选出和描述的各个实施例的目的是为了更好地解释本发明的原理和其实际应用，因而使本领域技术人员能够更好利用本发明各个实施例和适合预期特定用途的各种变更。

此外，本发明的范围并不局限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法和步骤的具体实施例。所属领域的一般技术人员可从本发明中轻易地了解，可根据本发明使用现有的或即将开发出的，具有与本文所描述的相应实施例实质相同的功能，或能够取得与所述实施例实质相同的结果的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法或步骤。相应地，所附权利要求范围包括这些流程，机器，制造，物质组分，构件，方法，及步骤。

根据本发明的实施例如此处所述。虽然本发明已经在特定实施例中进行了描述，但是应理解，本发明不应该被解释为这些实施例的限制，而是根据以下权利要求书进行解释。