CN101310499A - 用于多码片dbpsk信号的软检测的数字设备 - Google Patents

用于多码片dbpsk信号的软检测的数字设备 Download PDF

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Abstract

一种用于使用数字部件来实现3码片差分二进制相移键控(DBPSK)光信号的软决策的系统。通过确定最可能的数据序列的数字逻辑来执行和分析三个差分检测的信号的成对比较。在第一种变型中，同时检测相邻数据比特对，而在第二种变型中，单独地检测数据比特。该数字逻辑可以使用常规的逻辑门来实现。

Description

用于多码片DBPSK信号的软检测的数字设备
技术领域
本发明涉及高速光数据通信领域，尤其涉及被调制的光信号的检测。
背景技术
光学差分相移键控(DPSK)已经成为一种引人关注的调制格式，其提供高的接收器灵敏度以及对于某些诸如交叉相位调制和四波混频之类的光纤非线性效应的高容限。已经论证了使用DPSK的若干记录设置、长距、高速(≥10Gb/s)光纤传输。
近来，提出了称为光学多码片DPSK(MC-DPSK)的光学DPSK系列。(参见例如M.Nazarathy等人“Multichip differential phaseencoded optical transmission，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.17，no.5，pp.1133-1135，May 2005，此后称为“Nazarathy”。)MC-DPSK起源于无线通信。(参见例如D.Divsalar等人“Multiple-symbol differential detection of MPSK，”IEEE Trans.Commun.，vol.COM-38，no.3，pp.300-308，March 1990，此后称为“Divsalar”。)
在MC-DPSK中，在多个连续符号间隔的窗口上执行多个差分检测，所述符号间隔也称为“码片”。软决策电路用来基于最大似然法提取传输的数据。随着码片数目的增加，MC-DPSK的性能接近相干检测PSK的性能。(参见例如Y.Yadin等人“Soft detection of multichip DPSKover the nonlinear fiber-optic channel，”IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.17，no.9，pp.2001-2003，September 2005，此后称为“Yadin”以及Nazarathy。)
MC检测提供了对于多级DPSK信号的大的接收器灵敏度增益。(参见Nzarathy和Divsalar。)对于差分二进制相移键控(DBPSK)而言，MC检测增益在线性区中是小的(＜0.5dB)。(参见Yadin。)在其中由Gordon-Mollenauer效应引起的非线性相位噪声变成主要惩罚源的非线性区域中，可以增强MC-DPSK增益。(参见J.P.Gordon等人“Phasenoise in photonic communications systems using linearamplifiers，”Opt.Lett.，vol.15，pp.1351-1353，1990。)甚至利用3码片检测，对于DPSK也可以获得超过1dB的灵敏度增益。
Yadin描述了一种用于3码片DBPSK的软检测电路，例如图1中示出的电路。电路100包括差分检测电路110和软决策电路120。如图1所示，Yadin软决策电路120需要具有高速模拟输入和输出的电加法器(∑)以及用于选择最大加法器输出的选择器。这些加法器实现下列方程组：
q00＝qT[k]+qT[k-1]+q2T[k]，    q01＝-qT[k]+qT[k-1]-q2T[k]，    (1)
q10＝qT[k]-qT[k-1]-q2T[k]，    q11＝-qT[k]-qT[k-1]+q2T[k]，
其中qT[k]、qT[k-1]和q2T[k]是三个分别基于第k和第(k-1)比特对之间、第(k-1)和第(k-2)比特对之间以及第k和第(k-2)比特对之间的比较的差分检测的信号。称为“决策变量”的变量q00-q11指示了由其标号表示的二比特序列的似然性。软决策电路120(使用模拟加法器)确定决策变量q00-q11，选择最大决策变量，并且输出与该最大决策变量对应的两个比特。DBPSK的“硬”检测可以仅仅基于qT[k]的值来执行。然而，已经发现软检测提供了更好的性能。
诸如由Yadin描述的模拟软决策电路具有若干缺点，包括高速模拟加法器的制造在技术上有很大挑战并且在商业上尚不可用这一事实。此外，从四个决策变量中选择最大的决策变量需要相当数量的附加电路。
发明内容
在一个示范性实施例中，本发明提供了一种用于通过使用数字部件来实现3码片DBPSK信号的软决策的电路。本发明的这个软决策电路包括一组成对比较器，其耦合到包括诸如与门和或非门之类的数字逻辑门的选择器。该选择器基于最大似然法产生两个输出比特。这些输出比特通过适当的数据交织器组合以便获得恢复的数据流。
在另一个示范性实施例中，提供了一种3码片软决策电路，其一次产生一个输出比特。这个实施例可以用更少的元件来实现。
附图说明
图1为用于3码片DBPSK的常规模拟软决策电路的示意图。
图2为依照本发明用于3码片DBPSK的数字软检测电路的第一个示范性实施例的示意图。
图3为依照本发明用于3码片DBPSK的数字软检测电路的另一个示范性实施例的示意图。
具体实施方式
图2示意性地示出了依照本发明的软检测电路200的示范性实施例。该软检测电路200包括3码片DBPSK检测电路210和软决策电路220。
3码片差分检测电路210可以按照常规方式来实现，以便从DBPSK调制的输入信号中产生三个信号qT[k]、qT[k-1]和q2T[k]。像在上面讨论的图1常规电路的情况中一样，qT[k]、qT[k-1]和q2T[k]是三个分别基于输入DBPSK光信号的第k和第(k-1)比特对之间、第(k-1)和第(k-2)比特对之间以及第k和第(k-2)比特对之间的比较的差分检测的信号。
在所示的这个示范性实施例中，检测电路210包括产生三个差分检测的信号qT[k]、qT[k-1]和q2T[k]的差分放大器211和212，其具有关于0伏的标称对称电压摆幅，例如逻辑“1”为+500mV，逻辑“0”为-500mV。一般情况下，这些信号的标称电压电平优选地是相等的。
将三个被检测的信号提供给具有六个成对比较器231-236的阵列。如图2所示，每个比较器231-236具有第一(a)和第二(b)输入，并且基于第一和第二输入的比较产生二进制输出信号(c)：例如如果第一输入的电压电平超过第二输入的电压电平(a＞b)，那么在输出端产生二进制高信号(例如c＝1)，否则在输出端产生二进制低信号(例如c＝0)。对于比较器231、232和235而言，第二输入(b)在与第一输入(a)比较之前被反相(-b)。比较器231-236可以以各种众所周知的方式来实现。
在图2中示出的这个示范性决策电路220中，第一被检测的信号qT[k]耦合到比较器231的第一输入、比较器233的第二输入、比较器235的第一输入以及比较器236的第一输入；第二被检测的信号qT[k-1]耦合到比较器231的第二反相输入、比较器232的第一输入、比较器233的第一输入以及比较器234的第一输入；并且第三被检测的信号q2T[k]耦合到比较器232的第二反相输入、比较器234的第二输入、比较器235的第二反相输入以及比较器236的第二输入。
比较器231-236的输出指示了四个决策变量qij(i∈{0，1}并且j∈{0，1})的各种状态。如上面所讨论的，每个决策变量与相邻输入DBPSK信号比特的二比特序列ij关联。在这个示范性实施例中，“0”代表两个相邻DBPSK比特之间的0相位变化，而“1”代表两个相邻DBPSK比特之间的π相位变化。
如上面所讨论的，这四个决策变量qij如下由方程组1定义：
q00＝qT[k]+qT[k-1]+q2T[k]，    q01＝-qT[k]+qT[k-1]-q2T[k]，    (1)
q10＝qT[k]-qT[k-1]-q2T[k]，    q11＝-qT[k]-qT[k-1]+q2T[k]，
可以将最大似然决策法则应用到这些决策变量，以便得到对于原始数据流中每个2比特数据序列的最佳推测。更具体地说，四个决策变量qij的最大值指示了最可能的二比特序列ij。
比较器231处的逻辑高输出(c＝1)指示了q00＞q11；比较器232处的高输出指示了q00＞q10；比较器233处的高输出指示了q01＞q10；比较器234处的高输出指示了q01＞q11；比较器235处的高输出指示了q00＞q01；比较器236处的高输出指示了q10＞q11。
在示出的这个示范性实施例中，比较器231-236的输出耦合到逻辑与门241-244，其输出依次又连接到逻辑或非门251和252。这些比较器和门电路耦合，使得或非门251、252的输出分别指示了输入数据流的每个二比特序列ij的比特i和j的值。更具体地说，比较器231和232的输出耦合到与门241的输入；比较器233和234的输出耦合到与门242的输入；比较器231和235的输出耦合到与门243的输入；比较器233和236的输出分别耦合到与门244的反相输入和非反相输入。
与门241、242、243和244处的逻辑高输出分别代表下列状态：q00＞max(q10，q11)；q01＞max(q10，q11)；q00＞max(q01，q11)和q10＞max(q01，q11)。与门241和242的输出由或非门251进行或非运算以便产生第一比特(i)的最佳推测，而与门243和244的输出由或非门252进行或非运算以便产生第二比特(j)的最佳推测。
可以将给定二比特序列的最佳推测(G1，G2)表示成：
G1＝NOR[AND(A＞-B，B＞-C)，AND(B＞A，B＞C)]，
G2＝NOR[AND(A＞-B，A＞-C)，AND(NOT(B＞A)，A＞C)]，    (2a)
其中A＝qT[k]，B＝qT[k-1]异且C＝q2T[k]。
按照决策变量qij，最佳推测(G1，G2)可以被表示为如下：
G1＝NOR[AND(q00＞q11，q00＞q10，AND(q01＞q10，q01＞q11)]，
G2＝NOR[AND(q00＞q11，q00＞q01)，AND(NOT(q01＞q10)，q10＞q11)]，    (2b)
或非门251和252的比特估计输出耦合到产生串行比特流的适当交织器260(例如2:1多路复用器)，所述串行比特流重建在DBPSK输入信号中接收的数据。
图3示出了依照本发明的软检测电路的另一个示范性实施例。图3的电路包括一次解码一个比特并且能够比上述电路220更简单地实现的软决策电路320。在图3的这个实施例中，由检测电路310输出的三个差分检测的信号耦合到具有四个成对比较器331-334的阵列，这与上面描述的相似。对于比较器331和332中的每个而言，第二输入(b)在与第一输入(a)比较之前被反相。
如图3所示，第一被检测的信号qT[k]耦合到比较器331的第一输入和比较器333的第二输入；第二被检测的信号qT[k-1]耦合到比较器331的第二反相输入、比较器332的第一输入、比较器333的第一输入和比较器334的第一输入；并且第三被检测的信号q2T[k]耦合到比较器332的第二反相输入和比较器334的第二输入。
比较器331-334的输出端的二进制高值分别指示了下列状态：q00＞q11，q00＞q10，q01＞q10以及q01＞q11，其中决策变量qij如上述所定义。
比较器331和332的输出由与门341进行与运算，而比较器333和334的输出由与门342进行与运算。门电路341处的逻辑高输出指示了q00＞max(q10，q11)，而门电路342处的高输出指示了q01＞max(q10，q11)。与门341和342的输出由或非门351进行或非运算，其输出指示了当前检测的数据比特的最可能值。由于单独地对每个数据比特进行决策，因此不需要交织器。
给定DBPSK输入比特的最佳推测(G)可以表示成：
G＝NOR[AND(A＞-B，B＞-C)，AND(B＞A，B＞C)]，    (3a)
其中A＝qT[k]，B＝qT[k-1]并且C＝q2T[k]。
按照决策变量qij，最佳推测(G)可以如下表示：
G＝NOR[AND(q00＞q10，q00＞q11)，AND(q01＞q10，q01＞q11)]，    (3b)
在本发明的另一个方面，对于诸如色散的现象做出了规定。色散引起DBPSK信号中相邻比特之间的相关相位失真。等式1-3中实现的最大似然检测法则基于这样的失真不相关的假设。由于被检测的信号q2T[k]来源于输入DBPSK信号中两个非相邻比特之间的比较，因此它将倾向于比其他两个信号更加受到因为色散造成的失真的损害。如图3所示，可以提供加权因子应用元件305来修改由软决策电路执行的似然决策中q2T[k]信号的影响。为了降低q2T[k]信号的影响(以便例如补偿色散失真)，元件305可以是衰减器(即0≤加权因子≤1)。元件305是可变的，以便允许针对不同状态对检测电路进行优化。例如，据发现，大约50％的衰减为由大约1700ps/nm的色散所分散的10Gb/s DBPSK信号带来显著的性能改善。
虽然已经参照3码片DBPSK说明了本发明，但是本发明可以应用于包括多码片DPSK的其他多码片方案。
可以按照已知的方式来实现所示出的示范性实施例的各种部件(例如检测器、延迟(delay)、比较器、门电路、衰减器等等)，不需要对其进行更详细的描述。此外，众所周知，诸如由本发明使用的数字逻辑可以按照各种等效的方式来实现，包括组合与时序逻辑实现。例如，假定微处理器的速度足以处理涉及的数据速率，那么该逻辑可以用微处理器来实现。
应当理解的是，上面描述的实施例仅仅说明了可代表本发明应用的一些可能的特定实施例。本领域技术人员可以进行许多不同的其他布置，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种软决策电路，用于从多个差分检测的中间信号中确定差分相移键控(DPSK)调制光信号的最可能的数据内容，其包括：
多个比较器，每个比较器比较所述多个中间信号中的两个信号并且根据该比较产生数字信号；以及
数字逻辑，该数字逻辑基于比较器信号确定最可能的数据内容。
2.根据权利要求1所述的软决策电路，其中所述多个差分检测的中间信号包括三个信号，所述三个信号基于DPSK调制光信号的三个邻近数据比特的序列中的配对之间的比较。
3.根据权利要求1所述的软决策电路，其中DPSK信号是差分二进制相移键控(DBPSK)信号。
4.根据权利要求3所述的软决策电路，其中：
G＝NOR[AND(B＞-C，A＞-B)，AND(B＞A，B＞C)]，
其中，A代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第二比特之间的比较的第一中间信号，B代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第二和第三比特之间的比较的第二中间信号，C代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第三比特之间的比较的第三中间信号，并且G代表最可能的数据内容。
5.根据权利要求2所述的软决策电路，其中数字逻辑选择多个决策变量qij中的最大值，其中：
q00＝A+B+C，
q01＝-A+B-C，
q10＝A-B-C，
q11＝-A-B+C，
其中，A代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第二比特之间的比较的第一中间信号，B代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第二和第三比特之间的比较的第二中间信号，C代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第三比特之间的比较的第三中间信号，并且qij代表比特序列ij的似然性。
6.根据权利要求2所述的软决策电路，其中：
G1＝NOR[AND(A＞-B，B＞-C)，AND(B＞A，B＞C)]，
G2＝NOR[AND(A＞-B，A＞-C)，AND(NOT(B＞A)，A＞C)]，
其中，A代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第二比特之间的比较的第一中间信号，B代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第二和第三比特之间的比较的第二中间信号，C代表基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第三比特之间的比较的第三中间信号，G1代表所述最可能的数据内容的第一比特，并且G2代表所述最可能的数据内容的第二比特。
7.一种软检测电路，包括三码片差分相移键控(DPSK)检测电路和权利要求1所述的软决策电路，其中三码片DPSK检测电路基于DPSK调制光信号的三个邻近数据比特的序列中的配对之间的比较产生三个差分检测的中间信号。
8.根据权利要求7所述的软检测电路，其中所述三个差分检测的中间信号中的至少一个信号按照加权因子进行衰减。
9.根据权利要求8所述的软检测电路，其中所述三个差分检测的中间信号中的一个信号基于所述三个邻近数据比特的序列中的第一和第三比特之间的比较，并且所述三个差分检测的中间信号中的所述一个信号按照所述加权因子进行衰减。
10.根据权利要求9所述的软检测电路，其中所述加权因子近似为0.5。
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