专利名称：相干光信号接收器中的数据模式相关信号失真补偿的制作方法
技术领域：
本公开涉及信息的光传输，并且更具体来说，涉及相干光信号接收器中的数据模式相关失真补偿。
背景技术：
信号可用于远距离传送数据。在光通信系统中，例如，数据可在一个或多个光波长上调制以产生可通过光波导(例如，光纤)传送的调制光信号。可用于光通信系统中的一种调制方案是相移键控，其中通过调制光波长的相位以使得光波长的相位或相变表示编码一个或多个比特的符号来传送数据。例如，在二进制相移键控(BPSK)调制方案中，可使用两个相位表示每个符号1比特。在正交相移键控(QPSK)调制方案中，可使用四个相位编码每个符号2比特。其它相移键控格式包括差分相移键控(DPSK)格式以及相移键控格式和差分相移键控格式的变体，例如归零DPSK(RZ-DPSK)。另一种调制格式是正交幅度调制 (QAM)，其中信息调制到传送信号的相位和幅度两者上。为了接收数据，可对信号进行检测和解调。例如，在相位调制光通信系统中，相干光接收器可使用相干检测来检测调制光信号，并且相对于使用非相干检测的接收器可提供灵敏度优势。在此类系统中可实现数字信号处理(DSP)，用于处理接收信号以提供解调数据。接收信号的数字信号处理提供了速度和灵活性并可用于执行多种功能，包括估计接收信号的载波相位和使用估计的载波相位进行数据检测。但是，信号失真(例如，传输期间在传输终端中，或在接收终端中)可对检测和解调信号后获得的数据的完整性造成不利影响。在使用相位调制方案的光通信系统中，非线性效应(例如，自相位调制(SPM))可导致调制信号中的相位失真，而这可极大降级相干检测性能并减少相干检测相对于非相干检测具有的接收器灵敏度优势。在 2006年光纤通信和国家光纤工程师大会Yi Cai等人的“On Performance of Coherent Phase-Shift-Keying Modulation in 40Gb/s Long-Haul Optical Fiber Transmission Systems (关于40(ib/S长距离光纤传输系统中的相干相移键控调制的性能)，，(论文 JThBl 1，2006年3月)中更详细地描述了 BPSK信号的降级，通过引用将其完整地结合到本文中。在使用相位调制方案的光信号中还可能出现符号间干扰。调制信号中的失真(例如，调制光信号中的符号间干扰或相位失真)通常与数据模式或比特模式相关。图9和图10示出可能出现在基于单信道非线性传播模拟的光通信系统中的比特模式相关相位失真。图9显示失真的BPSK信号的星座图，其中星座点延伸到实轴上方和下方，指示了相位失真的影响。图10显示对应于多种比特模式的相位失真并示出相位失真如何与比特模式相关。已经提出了用于减轻由数据模式相关失真(例如，光相干接收器中的非线性相位失真)引起的性能惩罚(penalty)的方法。一种方法基于作为接收信号强度函数的、估计的相位失真来补偿非线性相位失真，例如，如在K. Ho和J. Kahn的“Electronic compensation technique to mitigate nonlinear phase noise (减轻非线性相位噪声的电子补偿技术)”，Journal of Lightwave Technology, 22, 779-783 (2004)以及 K. Kikuchi 的"Electronic Post-compensation for nonlinear Phase Fluctuations in a 1000-km 20-Gb/s Optical Quadrature Phase-shift Keying Transmission System Using the Digital Coherent Receiver (使用数字相干接收器在1000-km 20-Gb/s光正交相移键控传输系统中对非线性相位波动进行电子后补偿)，，，Optics Express, Vol. 16，No. 2,2007中描述的那样，通过引用将它们完整地结合到本文中。但是，当光信号强度在传播期间显著变化时(在采用实际色散图的光通信系统中通常出现这种情况)，这种方法可能会失败。另一种方法通过数字反向传播补偿非线性失真，例如，如在X.Li、X.Chen、 G. Goldfarb、Ε· Mateo、I. Kim、F. Yaman 禾口 G.Li 的"Electronic post-compensation of WDM transmission impairments using coherent detection and digital signal processing (使用相干检测和数字信号处理对WDM传输损伤进行电子后补偿)，，，Optics Express, vol. 16，no. 2，880-888 页，2008 年 1 月 21 日以及 Ε. Ip、A. P. Τ. Lau> D. J. Barros 禾口 J. Μ· Kahn 的"Compensation of chromatic dispersion and nonlinearity using simplified digital backpropagation(使用简化数字反向传播对色散和非线性进行补偿)”，OSA相干光学技术及应用专题会会议论文集，马萨诸塞州波士顿，2008年7月13 日-16日中描述的那样，通过引用将其完整地结合到本文中。这种反向传播方法涉及复杂的计算并且在10 100(ib/S光传输中可能不实用。
通过阅读以下结合附图的详细描述，将更好地理解这些及其它特征和优点，在附图中图1是符合本公开的系统的一个示范实施例的框图；图2是符合本公开的接收器的一个示范实施例的框图。图3是符合本公开的一实施例的包含具有失真补偿系统的接收器的通信系统的框图，该失真补偿系统用于对数据模式相关信号失真进行补偿。图4是示出符合本公开的一实施例的、用于对数据模式相关信号失真进行补偿的方法的流程图。图5是示出符合本公开的一实施例的、用于训练失真补偿系统的方法的流程图。图6和图7是分别示出不具有用于失真补偿的MAP检测和具有用于失真补偿的 MAP检测的模拟光系统中的不同相位调制方案的Q因数的曲线图。图8是示出作为具有和不具有用于失真补偿的MAP检测并且具有不同调制格式的模拟光学系统的信道功率的函数的Q因数的曲线图。图9是示出失真的BPSK信号的星座图。图10是示出与不同比特模式相关联的比特模式相关相位失真的简图。
图11是符合本公开的在复用器和解复用器中进行过度滤波的WDM传输系统的一个示范实施例的框图。
具体实施例方式一种符合本公开的失真补偿系统和方法可用于对相干光信号接收器中接收的信号中的数据模式相关信号失真进行补偿。一般来说，该失真补偿系统和方法比较接收信号的区域(即，相位和幅度)和与已知数据模式相关联的、存储的失真信号波形，并选择与接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的补偿值。该失真补偿系统和方法使用所选择的补偿值对接收信号进行补偿，并由此减轻数据模式相关信号失真的影响。本文所使用的“失真补偿”是指修改接收信号以对接收信号中存在的失真提供至少一些减少。虽然失真补偿可包括消除失真以使得接收信号与出现失真之前的传送信号基本相同，但这不是限制并且本文所述的实施例不要求如此。根据示范实施例，本文所述的失真补偿系统和方法可用于光通信系统中，以减轻相位调制光信号中比特模式相关相位失真的影响。相位调制光信号可使用相移键控调制方案(例如，BPSK、QPSK、DPSK、DQPSK或一些其它更高阶的nPSK方案)或其一些变体(例如， RZ-DPSK)进行调制。在光通信系统中，比特模式相关信号失真可由光纤非线性效应(例如， 自相位调制(SPM)或其它非线性度)引起，或由符号间干扰或其它线性失真引起。本文所述的失真补偿系统和方法还可用于传送信号中出现数据模式相关信号失真的其它通信系统中。图1是WDM传输系统100的一个示范实施例的简化框图，在该系统中可使用符合本公开的失真补偿系统和方法。传输系统服务于通过光信息通路102将多个光信道从传送终端104传送到一个或多个远程定位接收终端106。示范系统100可以是长距离水下系统， 配置用于将信道从传送器传送到距离5000km或以上的接收器。虽然示范实施例在光学系统的上下文中描述并且在结合长距离WDM光学系统时是有用的，但是本文讨论的宽广的概念可在传送和接收其它类型信号的其它通信系统中实现。本领域技术人员将认识到，为了便于说明，系统100描绘为极简化的点对点系统。 例如，传送终端104和接收终端106当然均可配置为收发器，由此每个都可配置成执行传送和接收功能两者。但是为了便于说明，本文中仅针对传送功能或接收功能来描绘和描述终端。要理解，符合本公开的系统和方法可结合到大量网络组件和配置中。本文示出的示范实施例仅作为说明而不是限制来提供。在示出的示出的示范实施例中，多个传送器TX1、TX2···TXN的每个在关联输入端口 108-1、108-2…108-N上接收数据信号，并在关联波长λ ” λ 2··· λ Ν上传送数据信号。 传送器TXl、ΤΧ2-ΤΧΝ中的一个或多个可配置成使用PSK调制格式(例如，DBPSK, DQPSK, RZ-DPSK、RZ-DQPSK等)在相关联的波长上调制数据。为了便于说明，传送器当然以极简化形式示出。本领域技术人员将认识到，各传送器可包含配置用于在其相关联的波长传送具有所需幅度和调制的数据信号的电组件和光组件。分别在多个通路110-1、110_2…110-N上载运传送的波长或信道。数据信道由复用器或组合器112组合到光路102上的汇聚信号中。光信息通路102可包括光纤波导、光放大器、光滤波器、扩散补偿模块、以及其它有源组件和无源组件。
汇聚信号可在一个或多个远程接收终端106接收。解复用器114将波长λ工、 λ2··· 传送信道分离到与相关联的接收器RX1、RX2"*RXN耦合的相关联的通路116-1、 116-2···116-Ν上。接收器RX1、RX2··· RXN中的一个或多个可配置成对传送信号进行解调， 并且在相关联的输出通路118-1、118-2、118-3···118-Ν上提供相关联的输出数据信号。图2是符合本公开的一个示范接收器200的简化框图。示出的示范实施例200包含用于接收通路116-Ν上的输入信号的相干接收器配置202，以及用于处理相干接收器的输出以在通路118-Ν上提供输出数据信号的数字信号处理(DSP)电路204。按照PSK调制格式在光输入信号的载波波长λ Ν上调制数据。相干接收器202将接收的光输入信号转换成一个或多个数字信号，它们作为DSP电路204的输入提供。DSP电路对来自数字信号的数据进行解调，以便在通路118-Ν上提供表示在载波波长λ Ν上调制的数据的输出数据流。相干接收器202可采用多种配置。在示出的示范实施例中，接收器包含偏振分束器(PBQ 206，第一 90°光混合(optical hybrid)和第二 90°光混合208、210，本地振荡器仏0)212，平衡检测器214、216、218、220以及模数(A/D)转换器222、224、226、228。下面简要描述相干光信号接收器中的这些组件的操作。一般来说，输入光信号的不同偏振由PBS 206分裂到分离的通路上。各偏振被提供给相关联的90°光混合208、210。各光混合在复数域空间中将其输入信号与LO振荡器信号的四种四边形状态混合。然后，各光混合将四个混合的信号递送到两对平衡检测器214、216、218、220。平衡检测器的输出由A/D转换器 222,224,226,228转换成数字信号。A/D转换器的数字输出作为DSP电路204的输入提供。一般来说，DSP涉及使用一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或配置用于(例如，直接地和/或在软件指令的控制下) 执行特定指令序列的专用处理器的信号处理。在示出的示范实施例中，DSP电路204显示为包含预处理功能230、失真补偿功能231、可选本地振荡器(LO)频偏跟踪功能232、载波相位估计功能234、比特判定功能236以及可选的PRBS误码率功能238。这些功能可使用硬件、软件和/或固件的任何组合在多种配置中实现。虽然各功能分离地示出，但是要理解， 这些功能中的任何一个或多个可在单个集成电路或处理器中、或在集成电路和/或处理器的组合中执行。另外，实现DSP功能的集成电路和/或处理器可完整或部分地在所示功能之间共享。DSP的预处理功能230可包括在不同类型的基于DSP的相干检测接收器中实现的多种光信号检测功能。例如，预处理功能可包括波形恢复和对准功能、时钟恢复功能、同步数据重采样功能、以及偏振跟踪和偏振模式色散(PMD)补偿功能。失真补偿功能231可配置成对符合本文所述实施例的接收信号中的数据模式相关失真进行补偿。可选的LO频偏跟踪功能232可配置成跟踪和补偿接收信号和LO信号之间的频偏。一般来说，由于PSK调制信号中的数据以光载波信号的相位编码，因此基于DSP的接收器中PSK调制信号的解调涉及估计和跟踪载波相位。载波相位估计功能234提供用于此目的并可配置为双级载波相位估计功能。来自载波相位估计功能的载波相位估计提供到确定由调制信号中的载波相位表示的数据值或比特值的比特判定功能236。在一些实施例中，比特判定功能236还可减轻数据模式相关信号失真(例如，相位失真)的影响。然后， 可将数据提供在通路118-N的输出上，来表示在载波波长入，上调制的数据。可选的差错率测试功能238可配置用于在训练序列信号上执行误码率(BER)测试，以测试DSP电路204的性能。图3示出结合失真补偿系统300的简化通信系统，失真补偿系统300可用于执行接收信号的失真补偿，以减轻信号中的数据模式相关失真的影响。失真补偿系统300可在如上所述耦合到相干接收器202的DSP电路204中实现。为了简洁和易于说明，该系统显示为仅包含用于接收仅单个波长的单个相干接收器。应该理解，该系统可配置为包含解复用器和用于接收多个波长的多个接收器的WDM系统。在其它实施例中，失真补偿系统300 可用于具有其它类型的接收器的其它通信系统中。在示范实施例中，相干接收器202接收、检测和数字化由传送器或传送终端104传送的光信号。例如，在传送相位调制光信号的光学系统中，相干接收器202接收光信号，检测接收光信号的电场，以及产生表示光信号中的符号的相位的数字化接收信号(并由此在光信号上调制的数据)。预处理功能230可执行对数字化接收信号的预处理。然后，失真补偿系统300可处理数字化接收信号以对数据模式相关失真进行补偿，例如，在载波相位估计功能234提供载波相位估计之前。在示范实施例中，失真补偿系统300通过比较接收信号的区域和存储的失真信号波形，并通过选择和施加与接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的失真补偿值来处理样本。然后，判定功能236可确定由载波相位估计表示的数据值(例如，比特值)并提供包含该数据或比特值的输出。因此，失真补偿系统300可通过将具有更少失真的数字化信号提供给载波相位估计功能234 而允许改进的载波相位估计。在一实施例中，载波相位估计功能234可使用双级载波相位估计，例如，如美国临
时专利申请序号61/159，018和美国专利申请序号_(档案号TCM256/ST-00022)中公
开的那样，通过引用将它们结合到本文中。失真补偿系统300可用于具有载波相位估计的系统中，所述系统例如使用相干PSK或差分编码PSK (例如，DCPSK, DCBPSK, DCQPSK等)的系统。失真补偿系统300还可用于在不具有载波相位估计的系统中(例如，在使用相干差分相移键控(例如，DPSK、DBPSK、DQPSK等)的系统中)，对接收信号中的失真进行补偿。失真补偿系统300包含失真补偿表310，其用于存储与已知数据模式相关联的失真信号波形和与之相关联的失真补偿值。失真补偿系统300还包含失真补偿器320，其用于比较接收信号的区域和存储的失真信号波形并选择与最接近一致的存储的信号波形相关联的失真补偿值。失真补偿器320可在长度对应于失真补偿表310中存储的失真信号波形的长度的移位窗口内获得接收数字化信号的一部分(例如，使用移位寄存器)。失真补偿表 310可例如存储在DSP电路内或耦合到DSP电路的存储器中。失真补偿器320可在DSP电路中作为硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在示范实施例中，存储的信号波形可以是包含预定数量(N)个符号的模式的N符号片段(例如，5比特模式可包含00000、00001、00010，…)。因此，失真补偿表310可以是存储具有N个符号的长度的N符号信号波形(及相关联的失真补偿值)的N符号表，而失真补偿器320可使用N符号移位窗口来获得N符号接收信号的区域。失真补偿表310还可由对应于N符号波形的数据模式或比特模式索引。在N符号接收信号的区域馈送到失真补偿器320时，失真补偿器320比较N符号接收信号的区域和表310中的条目，并通过使用相似度计算(例如，最大后验概率(MAP)检测算法)来搜索与N符号接收信号的区域最接近一致的存储的失真信号波形。例如，失真补偿器320可计算和比较N符号接收信号的区域与失真补偿表310中的存储的N符号失真信号波形之间的欧几里德距离。具有到接收信号的区域最小欧几里德距离的、存储的N符号信号波形被确定为最接近一致。N符号窗口内的接收信号的区域(rSl、rS2、…、1^)与存储的N符号波形(SSl、S&、-,ssN)之间的欧几里德距离可计算如下
权利要求
1.一种用于对信号中的数据模式相关信号失真进行补偿的系统，所述系统包括失真补偿表，其配置成存储与已知数据模式相关联的多个失真信号波形和与所述失真信号波形相关联的失真补偿值，所述失真信号波形具有某个长度；以及失真补偿器，其配置成获得对应于所述失真补偿表中存储的所述失真信号波形的所述长度的接收信号的一部分，比较接收信号的区域和所述失真补偿信号表中的所述失真信号波形，选择与所述接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的失真补偿值，以及使用所选择的失真补偿值对所述接收信号进行补偿。
2.如权利要求1所述的系统，还包含训练器，其配置成生成作为所述失真补偿表存储的、所述失真信号波形和相关联的失真补偿值。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述训练器配置成接收与训练数据序列相关联的信号，基于所述训练数据序列中的数据模式将接收信号波形安排到数据模式相关集合中， 计算用于所述接收信号波形的失真补偿值，以及将带有所述失真补偿值的所述接收信号波形存储为由所述数据模式索引的所述失真补偿表。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述失真补偿表配置成存储包含预定数量(N)个符号的N符号失真信号波形。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述失真补偿器配置成使用最大后验概率(MAP)检测来比较所述接收信号的区域和所存储的失真信号波形，并确定与所述接收信号的区域最接近一致的失真信号波形。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述失真补偿器配置成通过计算所述接收信号的区域与所述失真补偿表中的所述失真信号波形之间的欧几里德距离并通过选择与具有最小欧几里德距离的存储的失真信号波形相关联的失真补偿值，来比较所述接收信号的区域和所存储的失真信号波形并确定与所述接收信号的区域最接近一致的失真信号波形。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述接收信号是从调制光信号转换的电信号，所述调制光信号上的数据使用相移键控调制，并且其中，所述电信号表示所述调制光信号中的符号的相位。
8.如权利要求7所述的系统，还包括载波相位估计功能以及判定功能，所述载波相位估计功能配置成响应所述补偿的接收信号提供载波相位估计，所述判定功能配置成响应所述载波相位估计确定来自所述电信号的数据值，以提供表示所述光信号上调制的数据的输出ο
9.如权利要求8所述的系统，还包含软判定前向纠错(FEC)解码器，其配置成从所述判定功能接收软判定数据流，并对由所述软判定数据流表示的编码数据进行解码以产生解码数据。
10.一种基于数字信号处理器(DSP)的接收器，包括相干接收器，其配置成接收、检测和数字化调制光信号以产生包含接收信号样本的电信号；以及DSP，其配置成存储包含与已知数据模式相关联的多个失真信号波形和与所述失真信号波形相关联的失真补偿值的失真补偿表，获得长度对应于所述失真补偿表中存储的所述失真信号波形的长度的接收信号的一部分，比较接收信号的区域和所述失真补偿表中的所述失真信号波形，选择所述失真补偿表中与所述接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的失真补偿值，以及使用所选择的失真补偿值对所述接收信号进行补偿。
11.如权利要求10所述的基于DSP的接收器，其中，所述调制光信号使用相移键控调制，并且其中，所述电信号表示所述调制光信号中的符号的相位。
12.如权利要求10所述的基于DSP的接收器，其中，所述失真补偿表配置成存储包含预定数量(N)个符号的N符号失真信号波形。
13.如权利要求10所述的基于DSP的接收器，其中，所述DSP配置成接收与训练数据序列相关联的信号，基于所述训练数据序列中的数据模式将接收信号波形安排到数据模式相关集合中，计算所述接收信号波形的失真补偿值，以及将带有所述失真补偿值的所述接收信号波形存储为由所述数据模式索引的所述失真补偿表。
14.如权利要求11所述的基于DSP的接收器，其中，所述DSP配置成响应所述补偿的接收信号执行载波相位估计以提供载波相位估计，以及响应所述载波相位估计执行判定功能以确定来自所述电信号的数据值，从而提供表示所述光信号上调制的数据的输出。
15.如权利要求14所述的基于DSP的接收器，还包含软判定前向纠错(FEC)解码器，其配置成从所述判定功能接收软判定数据流，并对由所述软判定数据流表示的编码数据进行解码以产生解码数据。
16.一种用于对信号中的数据模式相关信号失真进行补偿的失真补偿方法，所述方法包括提供失真补偿表，所述失真补偿表包含与已知数据模式相关联的多个失真信号波形和与所述失真信号波形相关联的失真补偿值；接收调制光信号并将所述调制光信号转换成数字化电信号；在数字信号处理器中处理所述数字化信号以获得长度对应于所述失真补偿表中存储的所述失真信号波形的长度的所述接收信号的一部分，比较接收信号的区域和所述失真补偿表中的所述失真信号波形，选择与所述接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的失真补偿值，以及使用所选择的失真补偿值修改所述接收信号以对失真进行补偿。
17.如权利要求16所述的失真补偿方法，其中，所述失真补偿表配置成存储包含预定数量(N)个符号的N符号失真信号波形。
18.如权利要求16所述的失真补偿方法，其中，比较所述接收信号的区域和所存储的失真信号波形包括计算所述接收信号的区域与所述失真补偿表中的所述失真信号波形之间的欧几里德距离，并且其中，选择所述失真补偿值包括选择与具有最小欧几里德距离的存储的失真信号波形相关联的失真补偿值。
19.如权利要求16所述的失真补偿方法，其中，所述数字化信号进一步处理成旋转所述接收信号的区域的相位，比较所述接收信号的区域的多个相位旋转和失真信号波形，并且在考虑所述相位旋转的每一个之后，选择与所述接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的失真补偿值。
20.如权利要求16所述的失真补偿方法，其中，所述调制光信号从使用符号速率为约 25Gbaud的双极化QPSK信道在约25GHz波分复用(WDM)的间距上调制的WDM信号解复用， 并且其中，所述调制光信号以约100(ib/S传送数据。
全文摘要
一种失真补偿系统和方法可用于对相干光信号接收器中接收的信号中的数据模式相关信号失真进行补偿。一般来说，该失真补偿系统和方法比较接收信号的区域和与已知数据模式相关联的、存储的失真信号波形，并选择与接收信号的区域最接近一致的失真信号波形相关联的补偿值。该失真补偿系统和方法使用所选择的补偿值对接收信号进行补偿，并由此减轻数据模式相关信号失真的影响。
文档编号H04B10/00GK102349246SQ201080011763
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月8日 优先权日2009年3月10日
发明者Y·蔡 申请人:泰科电子海底通信有限责任公司