光纤通信系统中的信号处理的方法和设备与流程

本公开总体上涉及通信领域，并且更具体地，涉及光纤通信系统中的信号处理的方法和设备。

背景技术：

在超大密度的分布式小型小区系统中，无线接入前端回传技术得到广泛应用，用于室内无线接入和通过固定网络架构传送信号是一种常见选择，例如使用光纤通信系统作为固定网络架构传输信号。而点到多点的分布式系统需要大的功率分流比以支持大容量数据传输。

在光纤通信系统中，存在光信噪比osnr和线性程度的冲突，二者都能够影响系统的传输性能。为了满足对于信号的线性调制的要求，必须牺牲信噪比snr以满足小信号模型(ssm)的限制；而如果将高的snr作为目标，则不受欢迎的非线性损害就会不可避免的出现。如果使用非线性补偿，则作为新的挑战的寄生问题又会出现。

非线性补偿依赖于强度，因此它是一个时域概念，由快速傅里叶变换(fft)函数在所有的子载波上的信号信息决定。因此，信道响应变得不仅具有频率选择性，还高度依赖于在所有其他频率信道上的所有的信号状态的总和。也就是说，实际上这类光传输链路需要在两个维度(频率和时间)上找到合适的解决方案以保证传输性能，但目前还没有成熟的可用方案解决这类问题。

技术实现要素：

本公开采用频域信道补偿和时域非线性映射的混合的方法来替 代传统的信道估计和补偿方法。

根据本公开的第一方面，公开了一种光纤通信系统中的信号处理的方法。该方法包括将待发送的电信号由频域变换到时域；将电信号的驱动幅度提升到线性阈值幅度以上，该线性阈值幅度基于光纤通信系统的调制的线性特性而确定；将电信号转换为光信号以便发送。

在一些实施例中，将电信号的驱动幅度提升到线性阈值幅度以上包括：从光纤通信系统的接收方接收时域信道信息，该时域信道信息至少指示电信号的线性程度；响应于线性程度小于线性阈值水平，将电信号的驱动幅度提升到线性阈值幅度以上。

在一些实施例中，上述方法还包括：光纤通信系统的接收方接收频域信道信息；利用该频域信道信息对电信号进行预补偿，以用于频域信道预补偿。

在一些实施例中，上述方法还包括：至少利用线性阈值幅度以下的电信号，对光纤通信系统中用于提升电信号的驱动幅度的放大器进行初始化。

根据本公开的第二方面，公开了一种光纤通信系统中的信号处理的方法。该方法包括：将从光纤通信系统的发送方接收到的光信号转换为电信号，该电信号具有非线性调制特性；基于电信号的非线性调制特性，为电信号确定时域非线性映射；使用时域非线性映射对电信号进行时域非线性补偿；以及将补偿后的电信号由时域变换到频域。

在一些实施例中，上述方法还包括：确定电信号的线性程度；将线性程度作为时域信道信息的一部分发送给发送方。

在一些实施例中，上述方法还包括：获取电信号的频域信道信息；以及将频域信道信息发送给发送方，以用于频域信道预补偿。

在一些实施例中，上述方法还包括：迭代地对时域非线性映射关系表进行更新。

根据本公开的第三方面，公开了一种光纤通信系统中的信号处 理的设备。该设备包括：频时变换单元，被配置为将待发送的电信号由频域变换到时域；调制驱动幅度提升单元，被配置为将电信号的调制驱动幅度提升到线性阈值幅度以上，线性阈值幅度基于光纤通信系统的调制的线性特性而确定；电光转换单元，被配置为将电信号转换为光信号以便发送。

根据本公开的第四方面，公开了一种光纤通信系统中的信号处理的设备。该设备包括：光电转换单元，被配置为将从光纤通信系统的发送方接收到的光信号转换为电信号，电信号具有非线性调制特性；映射建立单元，被配置为基于电信号的非线性调制特性，为电信号建立时域非线性映射关系表；时域非线性补偿单元，被配置为使用时域非线性映射关系表对电信号进行时域非线性补偿；时频变换单元，被配置为将补偿后的电信号由时域变换到频域，并进行频域均衡。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本公开内容的实施例的光纤通信系统的架构框图；

图2示出了根据本公开内容的实施例的第一方面的光纤通信系统的信号处理方法的流程图；

图3示出了根据本公开内容的实施例的第二方面的光纤通信系统的信号处理方法的流程图；

图4示出了根据某些实施例的光纤通信系统的信号处理方法的流程图；

图5示出了根据某些实施例的光纤通信系统的信号处理方法的流程图；

图6示出了根据本公开内容的实施例的第三方面的光纤通信系 统的信号处理设备的框图；

图7示出了根据本公开内容的实施例的第四方面的光纤通信系统的信号处理设备的框图；

图8示出了根据本公开内容的实施例的光纤通信系统的整体的信号处理系统框图；以及

图9示出了光信噪比相对于归一化调制深度的变化图。

具体实施方式

下面将参考附图中所示出的若干示例性实施例来描述本公开的原理和精神。应当理解，描述这些具体的实施例仅是为了使本领域的技术人员能够更好地理解并实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。

一般而言，非线性损害对于模拟传输系统的影响较大。因此在传统的光纤无线电(rof)中，只有使用小信号模型(smallsignalmodel,ssm)来达到满意的系统线性程度。然而，该线性程度只能在牺牲光信噪比(osnr)的代价下获得。由于osnr不足，光纤分流比从根本上受到限制，特别是对于分布的小型基站的室内部署，影响了能够部署的基站的数量。

为了增大光信噪比，需要突破小信号模型，而这会引入调制的非线性。通过将信道分解为频域信道和时域信道的混合，并对两种信道分别进行非线性补偿，可以解决非线性的问题，从而提高光纤功率分流比，以便增大系统容量，从而支持小型小区的异构应用。

将信道分解为频域信道和时域信道的混合是由于信道响应与频率相关，也就是信道响应(可以是诸如snr退化、非线性失真等损害)依赖于所有其他信道的状况。

信号经过无源信道和有源信道后的信号输出比较如下：

在无源信道中，对于特定的子信道，此处使用以频率ωk为中心的第k个子载波，输入信号和输出信号之间的函数表达如下：

其中rk(t)、sk(t)分别表示在第k个子载波上接收和发送的信号；cfd-k(ω)表示频域上的第k个子载波信道的信道响应；ak和ωk分别表示第k个信号的幅度和相位。

在有源信道中，对于特定的子信道，此处使用以频率ωk为中心的第k个子载波，因为对于信道响应依赖于输入幅度，因而输入信号和输出信号之间的函数是是时变的，该函数的表达式如下：

其中rk(t)、sk(t)分别表示在第k个子载波上接收和发送的信号；ck(ω)表示第k个子载波信道的信道响应；ctd-k(ω)和cfd-k(ω)分别表示ak和ωk分别表示时域和频域上的第k个子载波信道的信道响应；ak和ωk分别表示第k个信号的幅度和相位。

从表达式(2)中可以看到，信道响应是二维的概念，依赖于其他的所有输入条件，如该式中的末项所示，信道响应可以分解为独立的频域和时域部分。而从积极方面来看，本项对所有子信道都是通用的，因此从理论上来说所有子信道得到补偿是可能的。

本公开的方法首先在光域牺牲调制线性以获得额外的snr增益，然后再纠正先前引入的非线性损害。为了达到这个目的，使用混合频域信道稳定和时域非线性映射方法代替传统的信道估计和补偿方法。

图1示出了根据本公开内容的实施例的光纤通信系统100的框图。该光纤通信系统100包括发送方110、光纤链路120、接收方130。根据本公开的实施例，发送方110可以是光线路终端olt，接收方130可以是光网络单元onu，光纤链路120可以是光分布网络，该光分布网络可以是诸如pon的点到多点网络。

根据本公开的实施例，发送方110在发送数据时，首先将该电信号从频域变换到时域，然后提升信号的驱动幅度，使得信号超出线性调制的范围，然后将该电信号转换为光信号以通过光纤链路120发送。相应地，接收方130在接收数据时，先将从光纤链路120上接收到的光信号转换为电信号，该电信号具有非线性调制特性，建立时域非线性映射以补偿该电信号的非线性。经过非线性补偿后再将该电信号从时域变换到频域并进行频域均衡。

图2示出了根据本公开内容的实施例的光纤通信系统中的发送方处理信号的方法200的流程图。在某些实施例中，方法200例如可以由发送方110来实现。应当理解的是，方法200还可以包括未示出的附加步骤和/或可以省略所示出的步骤。本文所描述主题的范围在此方面不受限制。

在步骤210，将待发送的电信号由频域变换到时域。在某些实施例中，可以使用快速傅里叶逆变换(ifft)实现将待发送的电信号由频域变换到时域。当然，这并非是限制性的，任何目前已知或者将来开发的频域到时域的变换方法均可与本公开的实施例结合使用。

在步骤220，将电信号的驱动幅度提升到线性阈值幅度以上，该线性阈值幅度基于该光纤通信系统的调制的线性特性而确定。也就是说，根据本公开的实施例，电信号的幅值可以突破传统方案中ssm的限制，使得调制呈现非线性。该非线性可以在接收方130使用时域非线性映射进行补偿，通过补偿可以使得时域的信道传输响应恢复到线性水平。只要非线性还在能够补偿的范围内，就可以继续提升电信号的驱动幅度。

在某些实施例中，发送方110可以根据来自接收方的反馈信息而一次或多次提升电信号幅值，这方面的实施例将在下文描述。备选地，在另一些实施例中，也可以在发送电信号之前直接将其幅度提高到线性阈值幅度之上，从而突破ssm的限制。

在某些实施例中，对电信号的幅度提升可以使用光纤通信系统 100中的放大器或驱动器(未示出)来实现。在这样的实施例中，放大器或者驱动器的参数可以事先进行自适应的设置。这方面的示例实施例将在下文描述。

在步骤230，将电信号转换为光信号以便发送。在某些实施例中，可以使用强度调制实现将电信号转换为光信号，该强度调制可以是直接调制或外部调制。当然，这仅仅是示例性的。应当理解，任何将电信号转换为光信号的技术都可与本公开的实施例结合使用，不论是目前已知的或者将来开发的。

图3示出了根据本公开内容的实施例的光纤通信系统中的接收方处理信号的方法300的流程图。某些实施例中，方法300例如可以由接收方130来实现。应当理解的是，方法300还可以包括未示出的附加步骤和/或可以省略所示出的步骤。本文所描述主题的范围在此方面不受限制。

在步骤310，将从光纤通信系统100的发送方110接收到的光信号转换为电信号，该电信号具有非线性调制特性。该非线性调制特性即调制器的输入信号和输出信号之间的关系是非线性的。作为一种非限制性的实现方式，使用直接检测将光信号转换电信号。

在步骤320，基于该电信号的非线性调制特性，为电信号确定时域非线性映射。在某些实施中，时域非线性映射可以被实现为时域非线性映射关系表。备选地或者附加地，在其他实施例中，还可以使用矩阵、向量、函数的形式来表现这种时域非线性映射。本公开的范围在此不受限制。作为一种非限制性的实现方式，使用训练序列作为输入信号获得该非线性映射。

在步骤330，使用时域非线性映射对电信号进行时域非线性补偿。该时域非线性补偿可以使用电信号与时域非线性映射的相互作用来实现。作为一种非限制性的实现方式，可以使用矩阵相乘、向量相乘、函数变换、关系表映射等方式实现该时域非线性映射。

在步骤340，将补偿后的电信号由时域变换到频域，并进行频域均衡。在某些实施例中，可以使用快速傅里叶变换(fft)实现将待 发送的电信号由时域变换到频域。作为一种非限制性的实现方式，该频域均衡可以是线性均衡或非线性均衡。作为一种非限制性的实现方式，该频域均衡使用自适应滤波器来实现。当然，这并非是限制性的，任何目前已知或者将来开发的时域到频域的变换方法以及频域均衡方法均可与本公开的实施例结合使用。

上文已经分别参照图2和图3描述了发送方110和接收方120的操作的原理和流程。下面，将参考图4和图5分别在某些实施中用于信号发送和接收的方法400和500。将会理解，方法400可被认为是方法200的一种示例实现，而方法500可被认为是方法300的一种示例实现。

如图4所示，方法400开始于步骤402，从所述光纤通信系统的接收方接收频域信道信息。该接收方(例如onu)在特定时间内记录频域信道响应，包括信道噪声和频率振荡等信息。将会理解，在某些实施例中可以得到频域信道响应的矩阵，然后将该矩阵的逆矩阵后反馈给发送方(例如olt)。

在步骤404，利用该频域信道信息对频域信道进行预补偿。由于光纤信道的信道变化相对缓慢，使得频域信道预补偿技术能够实现。值得注意的是频域预补偿技术对于接收方130的时域非线性映射和纠正的步骤非常重要，即如果没有频域预补偿，时域非线性映射将无法带来有效的性能增益。实际上，频域信道预补偿能够显著地避免接收方接收的信号的噪声增强效果。在某些实施例中，发送方的驱动器使用线性特征进行初始化，即在起始阶段使用小信号得出频域信道预补偿的参数。在对信道进行频域预补偿过程中，接收方将线性程度反馈给发送方，即在信号为线性信号时得到频域信道预补偿的相关参数，在后来信号被放大到超出了线性的范围时，更新该相关参数。

在步骤410，将待发送的电信号由频域变换到时域，步骤410对应于上文中的步骤210，此处不再赘述。

在步骤412，从接收方接收时域信道信息，该时域信道信息至少 指示电信号的线性程度。在某些实施例中，该线性程度是指发送方110的调制器的输出信号和输入信号之间是否满足线性关系。在上文以及以下描述的实施例中，线性程度和非线性程度是相关的概念，线性程度包括了非线性程度。

在步骤414，判断线性程度是否小于线性阈值水平。如果判断结果为是，则转入步骤420；如果判断结果为否，则转入步骤430。判断线性程度是否小于线性阈值水平是为了判断由于提升信号幅度造成的非线性能否通过时域非线性映射来补偿。当线性程度小于线性阈值水平时，意味着信号的非线性还在可以补偿的范围之内，此时可以继续增大信号的驱动幅度。而线性程度超过线性阈值水平，即意味着继续增大信号幅度会使非线性失真达到不能补偿的程度，此时可以认为驱动幅度已达到最优，可以锁定驱动器的放大倍数等参数。

在步骤420，将该电信号的幅度提升到线性阈值幅度以上。在步骤430，将电信号转换为光信号以便发送。在上文中已进行了描述，此处不再赘述。

将会理解，频域信道的预补偿和时域非线性映射并没有严格的先后执行顺序。在初始化阶段，需要使用线性的小信号确定频域信道预补偿所需要的参数。发送方驱动器锁定时，已经能够获得高的光信噪比osnr增益值，这时需要对频域信道信息进行更新。

如图5所示，方法500开始于步骤510，将从光纤通信系统的发送发接收到的光信号转换为电信号。可以使用直接检测的方法将光信号转换为电信号，该直接检测属于光纤通信系统中的一种解调的方法这并非是限制性的，任何目前已知或者将来开发的从光信号转换为电信号的方法均可与本公开的实施例结合使用。

在步骤512，确定信号的线性程度。接收方(例如onu)会监测接收到的信号的snr和线性程度。作为一种非限制性的实现方式，可以使用训练序列作为输入信号，此时发送的序列、应该接收到的序列以及实际接收到的序列都可以由接收方130获知，由此可以得 到信号的线性程度。

在步骤514，将线性程度作为时域信道反馈的一部分发送给发送方。此时反馈的目的是为了使发送方获知当前的线性程度是否还在可以补偿的范围之内，当仍在补偿范围之内时，就可以使发送方继续增大信号的驱动幅度。

在步骤520，基于该电信号的非线性调制特性，为电信号确定时域非线性映射。作为非限制性的实现方式，可以建立补偿不同线性程度的信号的时域非线性映射关系表、时域非线性映射矩阵、时域非线性映射函数等。

在步骤522，迭代地对时域非线性映射进行更新。即通过提升发送方110的信号幅度，会造成不同程度的非线性，通过记录不同信号幅度下的补偿值，更新所建立的时域非线性映射。

在步骤530，使用时域非线性映射对电信号进行时域非线性补偿。在步骤540，将补偿后的电信号由时域变换到频域，并进行频域均衡。步骤530和步骤540分别对应于上文中描述的步骤330和步骤340，此处不再赘述。

在步骤542，获取电信号的频域信道信息。该频域信道信息包括但不限于接收方130检测的信道噪声、频率偏移等信息。作为一种非限制性的实现方式，在传输可用数据之前使用训练序列作为发送方110的输入信号，从而在接收方130得频域信道信息。

在步骤544，将频域信道信息发送给发送方，以用于频域信道预补偿。该步骤通过将频域信道的响应信息发送给发送方110，以便发送方110对频域信道进行预补偿。作为一种非限制性的实现方式，该预补偿可以通过滤波器实现。

图6示出了根据本公开内容的实施例的第三方面的光纤通信系统的信号处理设备600的框图。设备600包括频时变换单元610、调制驱动幅度提升单元620、电光转换单元630。

频时变换单元610被配置为将待发送的电信号由频域变换到时域。作为一种非限制性的实现方式，频时变换单元610使用快速傅 里叶逆变换将电信号由频域变换到时域。

调制驱动幅度提升单元620，被配置为将电信号的调制驱动幅度提升到线性阈值幅度以上，该线性阈值幅度基于光纤通信系统的调制的线性特性而确定。该调制驱动幅度提升单元可以包括信号驱动器或信号放大器。电光转换单元630，被配置为将电信号转换为光信号以便发送。将会理解，该电光转换单元630可以是调制器。作为一种非限制性的实现方式，使用光电二极管或激光器作为该电光转换单元630的调制光源。

在某些实施例中，调制驱动幅度提升单元620可以包括时域信道信息接收单元，被配置为从光纤通信系统的接收方接收时域信道信息，时域信道信息至少指示电信号的线性程度；以及响应于线性程度小于线性阈值水平，将电信号的调制驱动幅度提升到线性阈值幅度以上。

在某些实施例中，设备600还可以包括频域信道信息接收单元，被配置为从光纤通信系统的接收方接收频域信道信息；利用频域信道信息对电信号进行预补偿，以用于频域信道预补偿。在某些实施例中，设备600还可以包括初始化单元，被配置为至少利用线性阈值幅度以下的电信号对光纤通信系统中用于提升电信号的驱动幅度的放大器进行初始化。

图7示出了根据本公开内容的实施例的第四方面的光纤通信系统的信号处理设备700的框图。设备700包括光电转换单元710、映射建立单元720、时域非线性补偿单元730、时频变换单元740。

光电转换单元710将从光纤通信系统的发送方接收到的光信号转换为电信号，该电信号具有非线性调制特性。作为一种非限制性的实现方式，该光电转换单元710使用光电二极管实现。映射建立单元720，基于电信号的非线性调制特性，为电信号建立时域非线性映射关系表。作为一种非限制性的实现方式，该映射建立单元720包括存储单元。时域非线性补偿单元730，使用时域非线性映射关系表对电信号进行时域非线性补偿。时频变换单元740，将补偿后的电 信号由时域变换到频域。

在某些实施例中，设备700还可以包括：线性程度确定单元，被配置为确定电信号的线性程度；线性程度发送单元，被配置为将线性程度作为时域信道信息反馈的一部分发送给发送方。在某些实施例中，设备700还可以包括获取单元，获取电信号的频域信道信息；以及发送单元，将频域信道信息发送给发送方，以用于频域信道预补偿。在某些实施例中，设备700还可以包括更新单元，被配置为迭代地对时域非线性映射关系表进行更新。

出于清楚的目的，在图6和图7中没有示出设备600和700的某些可选单元。然而，应当理解，上文参考图1-5所描述的各个特征同样适用于设备600和700。而且，设备600和700的各个单元可以是硬件单元，也可以是软件单元。例如，在某些实施例中，设备600和700可以部分或者全部利用软件和/或固件来实现，例如被实现为包含在计算机可读介质上的计算机程序产品。备选地或附加地，装置600可以部分或者全部基于硬件来实现，例如被实现为集成电路(ic)、专用集成电路(asic)、片上系统(soc)、现场可编程门阵列(fpga)等。本公开的范围在此方面不受限制。

图8示出了根据本公开内容的实施例的光纤通信系统的整体的信号处理系统框图100。可以理解，列出本框图的目的仅在于使得更为容易地理解本公开，而不作为本公开实现的限制。100还可以包括未示出的附加模块和/或可以省略所示出的模块。框图100中的模块可以分为前数字信号处理、信号经过混合频域-时域信道、后数字信号处理三个阶段。在图8中，还示出了时域非线性映射814对于驱动器804的反馈以及频域信道均衡820对于频域信道预补偿802的反馈。

框图100的信号处理的过程包括：输入信号首先进入模块802，基于接收方的频域信道反馈实现频域信道预补偿；模块804，信号经过fft转换；模块806，驱动器用来放大信号，该驱动器取代了现有技术中的用于光信噪比(osnr)增强的线性驱动器；模块808， 信号经过强度调制(im)，该强度调制可以是直接调制或外部调制方案，模块120，通过光分配网络传输信号，网络通常是诸如pon点到多点网络；模块812，通过直接检测(dd)将光信号转换为电信号，模块814，接收信号之后对信号进行时域非线性映射，并且该时域非线性映射被递归更新并且反馈给发送方的snr驱动器；模块816，时钟恢复和其它的如重采样等的必要函数；模块818，快速傅里叶变换fft；模块820，频域信道均衡。然后输出信号进入后续的处理流程。

从图8可以看到，为了构造混合时不变和时变信道模型，将信道响应分解为两个维度，也就是频域(fd)和时域(td)，并且相对地和单独地构造和补偿信道响应模型中的每一部分。相对于当前常用的后均衡方法，本公开对于信号处理流程的改进在于：1.在发送方进行频域预补偿；2.调制深度增大，打破线性小信号模型并且在光域得到增大的snr；3.在接收方进行时域非线性响应映射(td-nl-mapping)，以补偿大信号引起的非线性；4.在接收方构造频域信道信息均衡。

本公开的实施例能够增大光信噪比，从而能够提高系统容量。图9示出了光信噪比相对于归一化调制深度的变化图。通过增大信号幅度可以增大调制深度。可以理解的是，小的调制深度具有更少的光信噪比osnr输出，对于过大的调制深度，非线性发生且osnr也退化。其中最下面的实线表示未经补偿时的动态调制响应。而实线上方的多条虚线则表示了经过了补偿的响应曲线。图中示出了从-3db到-27db的补偿。对于-27db的补偿，最优的归一化调制深度从0.2的水平变为0.6的水平。可以理解，图9示出的是单个子载波的情形，对于多个子载波的情形，可以分别进行补偿。在图中使用不连续线段示出了16-qam和64qam的snr阈值要求，表示调制深度的范围使得snr达到阈值以上，以实现正常的数据传输。即通过本公开的频域信道补偿和时域非线性补偿技术，可以实现更高的光信噪比。

在对本公开的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。

应当注意，本公开的实施例可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开的方法的操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，流程图中描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤组合为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。还应当注意，根据本公开的两个或更多装置的特征和功能可以在一个装置中具体化。反之，上文描述的一个装置的特征和功能可以进一步划分为由多个装置来具体化。

虽然已经参考若干具体实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于所公开的具体实施例。本公开旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等效布置。