数据发送装置的制作方法

本实用新型涉及数据通信系统。

背景技术：

目前，互联网和移动应用需要大量的带宽来发送照片、视频、音乐和其他多媒体文件。通过部署高速数据通信系统以满足带宽和容量需求。通过进行研究和开发工作以提高光学通信系统的带宽。例如，考虑到光学通信链路的物理限制，通过使用高级技术(例如，高阶QAM，DSP处理等)来达到高数据速率(例如400Gbps)。

技术实现要素：

根据一个实施方式，本实用新型提供了一种发送装置。该装置包括用于处理数据流并生成阶梯编码块的阶梯(SC)编码器。该设备还包括用于生成码帧的成帧电路(framing circuit)。每个码帧都有编码部(coded section)和非编码部。该设备还包括第一交织电路，用于将阶梯编码块分布到码帧的编码部中。该设备还包括用于将码帧扩展成交织单元的第二交织电路。该设备还包括汉明编码器，用于生成汉明码字并将汉明码字插入到交织单元以形成连结数据。该装置还包括用于将连结数据映射成正交幅度调制(quadrature-amplitude-modulation，QAM)符号的映射电路。汉明码字被映射成汉明QAM符号。该设备还包括用于分布汉明QAM符号的第三交织电路。该装置还包括用于生成导频符号并将导频符号插入到QAM符号中的导频符号电路。导频符号与汉明QAM符号同步。

根据另一实施方式，本实用新型提供了一种发送装置，其包括用于接收数据流的通信接口。该装置还包括用于对准数据流的对准电路。该装置还包括用于从数据流中去除RS码的里德-所罗门(RS)解码器。该装置还包括用于处理数据流并生成阶梯编码块的阶梯(SC)编码器。该装置还包括用于生成码帧的成帧电路。每个码帧都有编码部和非编码部。该设备还包括第一交织电路，用于将阶梯编码块分布到码帧的编码部中。该装置还包括用于将码帧扩展成交织单元的第二交织电路。该装置还包括汉明编码器，用于生成汉明码字并将汉明码字插入到交织单元中以形成连结数据。该装置另外包括用于将连结数据映射成QAM符号的映射电路。该装置还包括用于将汉明码字分布到QAM符号中的第三交织电路。

附图说明

图1是示出在网络应用中使用的400G-ZR发射机的简化的框图。

图2是示出根据本实用新型实施方式的发射机操作的简化的数据流程图。

图3是示出根据本实用新型实施方式的阶梯编码的实现的简化图。

图4是示出根据本实用新型实施方式的连结(concatenated)FEC的性能的图。

图5是示出根据本实用新型实施方式的数据发送装置的简化的功能框图。

图6是示出根据本实用新型实施方式的码帧的简化的框图。

图7是示出根据本实用新型实施方式的卷积交织器的简化图。

图8是示出根据本实用新型实施方式的可选卷积交织器的框图。

图9是示出根据本实用新型实施方式的示例性QAM16灰度映射方案的简化图。

图10是示出根据本实用新型实施方式的导频符号(pilot symbol)生成和插入的简化图。

具体实施方式

本实用新型涉及数据通信系统。具体而言，本实用新型的实施方式提供了一种数据发送装置。数据使用阶梯编码器进行编码，并且阶梯编码块首先交织然后组合成外部码帧。码帧还包括同步字(sync word)和填充位。将第二次交织应用于码帧的位，并且对第二交织器的输出执行汉明编码(Hamming encoding)。汉明码字被灰度映射到双极化正交幅度调制(dual-polarized quadrature-amplitude-modulation，DP-QAM)符号，并且执行来自一组连续汉明码字的符号的第三次交织。导频符号被周期性地插入到DP-QAM符号流中。同样存在其他实施方式。

应该理解，本实用新型的实施方式提供了传统技术不具备的许多优点。通过将硬判决可解码阶梯编码(hard-decision-decodeable staircase coding)和软判决可解码汉明编码连结起来，根据本实用新型，数据发送系统可以同时实现高数据速率和低错误率。正如下文的解释，将阶梯FEC和汉明FEC与多个交织器相结合显著增加了系统对突发误差、相关相位噪声和偏振相关损伤的容限。

如上所述，通常通过使用高级数据处理技术以实现高数据速率(例如，100Gbps及以上)。在各种实施方式中，本实用新型提供了使用高级前向纠错(forward error correction，FEC)机制、内部交织技术和/或导频符号的数据发送系统。根据光互联论坛(forward error correction，OIF)的400G-ZR标准，具体地实施本实用新型的某些实施方式。

图1是示出在网络应用中使用的400G-ZR发射机的简化的框图。所示的400G-ZR发射机耦接至400GE交换机相连。例如，400G-ZR发射机和400GE交换机用于数据中心并安装在机架单元上。例如，400GE交换机每个机架单元(RU)可需要12.8Tbps。当与400GE交换机一起部署时，400G-ZR发射机配置的规格(例如，COBO，OSFP，QSFP-DD等)支持每个RU 12.8Tbps的密度。

应该理解，本实用新型的实施方式能够容易满足400G-ZR标准和其他相关标准和应用的要求。例如，根据本实用新型实施方式，光学发射机被当作用于支持高级调制格式(例如，QPSK，8QAM，16QAM，64QAM等)的相干系统。随着调制级别和符号率的增加，对带宽、分辨率和放大增益的要求变得更加严格。幸运的是，由于发送端和接收端都具有优化的数字信号处理(DSP)功能，因此可以放宽发送端和接收端的物理要求。例如，DSP功能包括交织连结FEC，其由硬判决可解码的阶梯外部编码(hard-decision-decodeable staircase outer encoding)、用于内部编码的软判决可解码的汉明码、用于同步汉明码的导频符号组成。通过执行多级交织，来解决误差相关性、突发误差和相位噪声。

图2是示出根据本实用新型实施方式的发射机操作的简化的数据流程图。该图仅仅是一个例子，不应对权利要求的范围进行不当的限制。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。通过多个通信通道和/或多路复用器接收的传入数据首先被对准(aligned)和解偏移(de-skewed)。例如，传入数据可来自一个或多个数据源并且可能已被复用。发射机然后执行PCS通道重新排序和解交织。接下来，执行里德所罗门(Reed Solomon，RS)解码，随后移除RS奇偶校验位。执行阶梯前向纠错(FEC)以编码数据流并生成多个阶梯编码块。使用误差解相关器(error decorrelator)将阶梯编码块交织到数据流中。在各种实施方式中，执行阶梯FEC以用于输入数据的硬判决外部编码。成帧电路将交织的阶梯编码块成帧为外部码帧。

图3是示出根据本实用新型实施方式的阶梯编码的实现的简化图。该图仅仅是一个例子，不应该不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。阶梯码是逐块递归编码的前向纠错方案。它可以被认为是乘积码构建对一类可变延迟码的概括，其中延迟的粒度直接与“台阶”的大小有关，“台阶”本身以类似于乘积的方式连接以创建阶梯结构。在阶梯编码中，符号块包括数据符号和编码符号。数据符号流中的数据符号被映射到一系列二维符号块。编码符号能够以这样的方式在多个符号块上被计算，即，将前一个编码符号块的矩阵转置的行与当前正被编码的符号块的相应行连接形成FEC组件码的有效码字。例如，当对一系列符号块中的第二符号块进行编码时，选择第二符号块的第一行中的编码符号，使得第一符号块的矩阵转置(matrix transpose)的第一行、第二符号块第一行的数据符号以及第二符号块的相同行的编码符号一起形成FEC组件码的有效码字。

在符号块之间具有这类关系，在包括交替的编码符号块和编码符号块的矩阵转置的阶梯结构中，沿着阶梯“踏面(tread)”的每行(两个块宽)的行和沿着阶梯“踢面(riser)”的每列(两个块高)的列形成FEC组件码的有效码字。例如，可以在阶梯结构中处理大型数据帧，并且可以实现接近香农极限(Shannon limit)的信道增益。可以实现低延迟，高增益编码。例如，对于1.25Mb到2Mb的延迟，一些实施方式能够对于239/255的编码速率实现9.4dB的编码增益，同时保持突发错误纠正能力和错误平层(error floor)，这与编码增益较低和/或延迟较高的其他编码技术相一致。

块300显示SC FEC编码的数据块结构。如图所示，SC数据块包括有效载荷部分301和FEC奇偶校验部分302。在具体实施方式中，SC块300是m乘n的数据矩阵，其中n＝510位，m＝512位。例如，数据块Bj的特征由块300的结构来表现。如图所示，数据块被组织成阶梯布置310。

考虑涵盖了B1的第一列和B2^T的第一列的第一双块列。B2的第一行的编码符号将被计算，使得[B1^TB2，LB2，R]是FEC组件码“C”的有效码字。由于B1的第一列将是B1^T中的第一行，并且类似地，B2^T的第一列将是B2的第一行，因此阶梯结构310与前述示例编码符号计算一致。

可以看出，如上所述，可以使用对应的Bi-1^T和Bi的行逐行计算块Bi的编码符号。使用相应的Bi-1和Bi^T列进行逐列计算将是等效的。换言之，可以针对每个符号块Bi中的编码符号位置计算编码符号，其中i是正整数，使得处于序列的二维符号块Bi-1中的沿着一维(行或列)的符号位置处的符号与沿着符号块Bi中的其它维度(列或行)的信息符号和编码符号产生连结，形成FEC组件码的码字。在阶梯编码块中，处于序列的符号块Bi中的沿着一维(行或列)的符号位置处的符号与符号块Bi+1中的沿着其它维度(列或行)的信息符号产生连结，也形成FEC组件码的码字。例如，块B0^T具有用于数据的有效载荷部分303A和用于行码字的FEC部分303B。块B1具有用于数据的有效载荷部分304A和用于列码字的FEC部分304B。

在数据发送系统中使用的基于SC的FEC可以提供高水平的性能。图4是示出根据本实用新型实施方式的连结FEC的性能的图。例如，用于图示的目的，模拟定点解码器的性能。执行软汉明解码和硬阶梯解码后，显示在20.25dB OSNR下净编码增益(net coding gain)约为10.8dB NCG。执行软汉明解码和软梯级解码后，显示在20.05dB OSNR下净编码增益约为11dB。

现返回参考图2。具有阶梯编码的数据被成帧为码帧，然后执行突发交织(用于处理突发错误)。例如，卷积交织技术被应用于SC码帧上以进行突发交织。至于其他特征，突发交织将来自单个交织SC编码块的119位连续输出的块的分布扩展到按照它们的发送顺序按时间先后分离的汉明码字上，由此将突发错误扩展到SC编码块上。汉明编码在突发交织之后执行。例如，使用汉明(128，119)编码方案，但是应该理解，诸如汉明(128，120)编码的其他编码方案也可以使用。接下来，将数据映射到复符号(complex symbol)上，如QAM16符号。对映射的符号执行第三交织处理以解决相位噪声符号。例如，使用四路循环交织技术(four-way round-robin interleaving technique)，确保在导频符号之间的单位间隔方面汉明码字可观察到均匀的信道。每个汉明码字被映射到16个DP-QAM16符号。导频符号在第三次交织处理之后插入。

图5是示出根据本实用新型实施方式的数据发送装置的简化的功能框图。该图仅仅是一个例子，不应对权利要求的范围进行不当的限制。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。应当理解，功能块的布置和功能块执行的处理可以被修改、重新布置和/或重叠。图5中的功能块可以使用一个或多个DSP模块和电路来执行，并且数据发送装置可以具有图5中未示出的其他组件。作为示例，数据发送设备是光学发射机的一部分。光学发射机包括附加组件，例如激光源、光学调制器、驱动电路、光学接口等等。

如上所述，要对将要发送(即从主机侧接收)的数据进行对准并重新排序。还执行里德所罗门(RS)FEC解码和RS奇偶校验移除。例如，通过RS解码器电路执行RS解码和RS奇偶校验移除。例如，块501内的数据处理可以根据IEEE802.3bs标准来执行。

图5中所示的数据发送装置执行外部FEC编码和内部FEC编码。在RS奇偶校验移除之后，数据发送装置生成外部码帧。例如，在包括同步字插入块、SC编码块和填充位插入块的块502处执行线路侧外部码成帧。例如，成帧电路生成外部帧，插入同步字和填充位。在具体实施方式中，SC编码和交织块可以按照ITU G.709标准来实现。作为编码处理的一部分，执行误差解相关(ED)交织处理以分布SC码。此外，ED交织使阶梯块的相关误差位置随机化。例如，在SC编码器的输出端执行ED交织，并且ED交织器作为误差解相关器来降低噪声样本的相关性和由此产生的数据误差。在某些实施方式中，用时变置换(time varying permutation)来执行SC FEC码字的交织。

图6是示出根据本实用新型实施方式的码帧的简化框图。该图仅仅是一个例子，不应对权利要求的范围进行不当的限制。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。线路侧外部码帧包括三个部分，如图所示。同步字段包括874位。同步字段由图5中的同步字插入块插入，同步字段便于数据同步。有效载荷数据和奇偶校验在第二部分提供。在具体的实施中，有效载荷数据包括257*4758＝1222806位，并且奇偶校验包括81920个奇偶校验位。码帧的第一段和第二段构成5个SC码字。更具体地说，SC FEC编码被用于对码帧的第一段和第二段进行编码。在SC FEC编码之后，填充位(例如，1020位)被添加到块结构的第三段。第三段没有编码，并且与SC编码没有关联。在某些应用中，填充位也可以被编码。根据实施情况可以理解，成帧格式可以不同。例如，要在BT模式下使用KP4速率主机接口，成帧格式可以使用1680的同步字长和530位的填充位长度来实现，以获得良好的线路速率。

根据实施情况，也可以使用其他成帧方案。下表1中提供了示例性成帧方案：

表1

现在参照图5。在码帧上执行突发交织。如上所述，可以使用卷积交织技术来实现突发交织器。如图5所示，在汉明编码块和块502之间配置突发交织器，其基于误差解相关器/交织器的输出端的顺序发送位。例如，卷积交织器的基本单位是119位(在128，120汉明编码方案中是120位)。在各种实施方式中，卷积交织器作为16路交织器实施。图7是示出根据本实用新型实施方式的卷积交织器的简化图。该图仅仅是一个例子，不应对权利要求的范围进行不当的限制。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。在图7中，每个延迟运算符“D”表示119b的存储元素。从一行到下一行，两个延迟操作符发生改变(例如，添加或删除)。例如，从第0行移动到第1行，将移除两个延迟运算符。在具体实施中，执行以下步骤：

在时间点i，交换机在行b_i处对准。

从行b_i中读取块119b。

行b_i的内容向右移动119b。

将块119b写入行b_i。

交换机位置更新为b_(i+1)＝b_i+1(mod 16)

应该认识到，也可以使用其他交织技术来解决突发错误。如上所述，突发交织器将来自单个SC-ED块(大小约2千位)的119b输出的分布扩展到汉明码字，汉明码字以其发送的时间顺序被隔开。通过使用突发交织器，在任何SC-ED块中，突发错误被限制在至多119位。

突发交织也能够以其他方式执行。在某些实施方式中，在外部码成帧上执行的读取和写入操作(即交织汉明码字和插入导频符号)的两者是以行为中心的。用于读取和写入操作没有列访问或列置换。汉明编码的位置使用预定公式来计算。举一个例子，考虑一组由512个连续的119b SC数据组成的块，其中SC FEC块由SC误差解相关器交织。基本内存是一个512x128位的数组。如上所述，用于SC编码器的外部交织器用作误差去相关器以减少噪声样本的相关性和由此产生的数据误差。编码数据块用块索引i来标识，0≤i≤511。汉明编码器用于编码第119至128位(汉明128，119)的第i个块。汉明码字将被插入到512×128存储器的第j行中，其中用于确定j的示例公式是：

例如，对于j的评价式，存储器(逐行)的内容对应于输入索引i，如下所示：

480，448，416，...32，

0，481，449，.....33，1，

482，450，...34，2，

511，479，...，63，31

行映射方案的目标是确保错误突发不超过与错误去相关器的单个子块(大小约2K)相对应的128位，否则解码性能将受到负面影响。关于j的公式包涵术语它考虑到了边界情况(在512x128的块的末尾和随后的512x128的块的开始处)。

图8是示出根据本实用新型实施方式的又一种可选择的卷积交织器的框图。该图仅仅是一个例子，不应对权利要求的范围进行不当的限制。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。由块502以SC编码和ED交织生成的码帧被逐行写入64行和32列的数据块中。在映射之后，汉明码字之后将被映射到QAM16符号。例如，每个汉明码字被映射到16个DP-QAM16符号。如图所示，总共32个汉明码字被交织成32列。例如，汉明码字的交织可以被描述为循环分布。汉明码字不交织成固定的列的位置，而是处于列的循环移位位置(例如，将类似于图7所示的过程移动2个位置)。例如，第1列不受影响，第2列移动2个符号，第3列移动4个符号，依此类推。汉明码字交织的数据帧通过逐列读出数据来访问。在读出XPol组件和读出YPol组件之间交替显示列。在图7中，第1、3和31列用于XPol的读出，第2和32列用于YPol的读出(第3列和第31列之间的列未在图7中显示)。

在突发交织之后，执行汉明编码。如上所述，通过实施汉明编码以完成软判决内部FEC编码。例如，根据突发交织技术，将汉明(128，119)或汉明(128，120)码分布到由块502生成的码帧中。例如，当针对400G-ZR标准执行时，汉明码和/或导频符号的内部交织需要容许导频符号之间的相位噪声误差，并且在XI/XQ/YI/YQ组件上具有变化的SNR。为了解决相位噪声，在将数据映射到QAM16符号之后执行第三交织过程。为了使数据发送系统具有至少1000位的突发容限，执行内部交织块以确保内部解码器输出处的突发在阶梯块上充分扩展。执行内部交织过程的代价是发射机和接收机上的延迟增加了大约140ns。

现在参考图5。在进行硬判决SC FEC编码和软判决汉明FEC编码处理之后，将数据符号映射成复符号。灰色映射块将编码的数据符号转换为复QAM符号。图9是示出根据本实用新型实施方式的示例性DP-QAM16灰度映射方案的简化图。例如，左边示出了4位数据到星座(constellation)的映射。图9右侧的表格显示了归一化的信号电平和相应的符号位。

在各种实施方式中，在编码和灰度映射之后、在从内部交织器发送个64符号列之前，导频符号被插入到数据块中的时间点处。

在将数据映射到DP-QAM16符号之后，执行第三交织处理以解决相位噪声问题。除此之外，为了确保汉明码字观察到均匀的信道(关于导频符号之间的UI)，每个汉明码字被映射到16个DP-QAM16符号。4个汉明码字的符号以循环的顺序(round-robin)分布。例如，在导频符号之间有64个单位间隔(UI)，并且需要4行512×128位阵列形成64个双极化QAM16符号(DP-QAM16)。相应地，为了形成64个导频间符号，导频插入块从512×128存储器阵列中读取4个连续行，并将每行映射到128/8＝16个DPQAM16符号(通过8个连续位的块的格雷映射)。通过循环，DP-QAM16符号从4行分布到线路侧。在64个UI的每个块之后，将DP-QAM16导频符号插入到编码帧中。在特定实施方式中，导频符号的长度为512/4＝128位。一旦已经实现导频符号同步(即，将汉明码字的“成帧”嵌入到导频符号中)，导频符号被锁定到内部交织器的边界。

在各种实施方式中，32位导频序列被编码并映射到外部星座点。图10是示出根据本实用新型实施方式的导频序列生成和插入的简化图。该图仅仅是一个例子，不应对权利要求的范围进行不当的限制。本领域的普通技术人员将认识到许多变化形式、替代物和修改形式。包括预定数据串的导频序列在块1001处被差分编码并且映射到块1002处的外部星座点。例如，在相位恢复之前执行基于导频符号的同步。可以使用自相干且简单的方案来同步汉明码。应该理解的是，使用导频符号结合汉明编码可以有效地改进频率偏移采集和跟踪。例如，通过使用导频符号，编码器状态被重置为0以解决相位模糊。块1003示出了示例性导频序列。如图所示，32位导频序列的前缀为十六进制值“FF0”，后缀为十六进制值“8”。导频序列的中间部分填充有预定的偏振识别码。例如，对于X偏振(polarization)，相应的导频序列是“0xFF0E6638”，而对于Y偏振，相应的导频序列是“0xFF0A80A8”。通过使用块1003所示的导频序列的格式，导频符号可以容易地与汉明码同步。极化识别码(polarization identification code)有助于检测和避免偏振碰撞。如上所述，导频符号还确保差分编码器在32位导频符号的末尾回到状态“0”。