CN101425851B - 光通讯用电子色散补偿均衡器及其抽头调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光通讯用电子色散补偿均衡器及其抽头调整方法。电子色散补偿均衡器包括形成对称结构的二个线性均衡器，分别设置在发送端和接收端。本发明结构比判决反馈均衡器简单，而性能也比线性均衡器好。它使用线性拆分算法，在发射端和接收端分别设置相对称的线性均衡器，得到比普通线性均衡器更好的抗干扰效果，同时降低了系统的复杂性。本发明还利用调整步长因子，来调节均衡器的抽头系数，该方法算法简单，收敛效果好。

Description

光通讯用电子色散补偿均衡器及其抽头调整方法

技术领域

本发明是一种用于光通讯系统中，具有电子色散补偿(EDC)技术的高集成度光网络芯片，它对光传输中的信号损伤没有使用传统的光域补偿，而是转化成电信号之后，进行电域均衡。

背景技术

当前的长距离和城域SONET OC-192(10Gbps)光链路采用单模光纤(SMF)能达到的距离大约只有80km，主要是由于光纤的色散和非线性对信号传输造成的影响，光信号在光纤中传输因其不同频率或不同模式成分的群速度不同而引起色散，它使得光信号脉冲展宽、强度下降，从而增加误码率，影响通信质量。从机理上分析，光纤的色散包括材料色散、波导色散、模式色散及偏振色散。材料色散、波导色散与光源相对带宽Δλ有关，减小Δλ有利于减小色散；模式色散仅在多模光纤中占主导地位，它主要取决于光纤的折射率分布；偏振色散与光纤的双折射率有关。

发射机发射的信号经过光信道以后，光纤中的各种色散效应使信号产生失真，而失真对于数字通信来说最大的危害就是产生码间干扰，使得接收机端判决器发生误判，从而系统误码率上升。

随着对增加带宽的需求持续地逐步增长，为了要把网络扩容到10Gbps，而且节约成本利用已有的基础设施，不必部署昂贵的或笨重的色散补偿光纤(DCF)，电子色散补偿技术研究应运而生，己成为光纤通信实现超长距离、超高速传输的关键技术问题之一。

光纤互联网络论坛(OIF)是目前定义针对光链路的10Gpbs互操作性规范的组织，而电子色散补偿(EDC)正是一项由该组织支持的重要技术。这一规范支持的传输距离可达120公里(2400ps/nm)，但是目前指定支持的最大距离只有80公里。

电子色散补偿技术的核心是自适应均衡器，它一般放在接受滤波器之后，用于消除信道造成的码间干扰。自适应均衡能够自动的调节系数从而跟踪信道，很好的补偿信道的非理想特性，从而减轻信号的畸变，降低误码率。

由于传输信道一般是未知的和时变的，此时，为了准确地补偿信道的传输特性，必须动态地跟踪信道的变化，以便及时调整均衡滤波器系数，具有这种“智能特性”的均衡器称之为自适应均衡器。自适应均衡的工作模式一般包括训练和跟踪两个阶段。在训练模式，发送端发送一已知的定长序列，接收机通过该已知信号获得信道的响应特性，并快速的调整均衡器的抽头系数，使得均衡器的特性正好能补偿传输信道的特性，从而使接收机能够从均衡器的输出中得到几乎无差错的发送信号。这一过程被称为训练阶段，即发射机对接收机的训练。相应地所发送的已知序列称为训练信号，此时均衡器工作在训练模式。训练过程结束后，紧接着数据传输开始，此时接收的信号是未知的，由于均衡器处于最佳状态，接收机正确接收概率很高，利用正确的接收数据来修正均衡器的参数，使均衡器的特性跟着信道的特性变化，这时均衡器的工作模式称为跟踪模式或判决修正模式。接收机的训练时间与均衡器的收敛时间有关，它是均衡算法、均衡器结构、传输信道等因素的函数。由于信道的时变特性，均衡器需要周期的重训以使均衡器始终工作在最佳状况。

均衡器主要有线性均衡器和判决反馈均衡器。判决反馈均衡器(DFE)的结构具有许多优点，当判决差错对性能的影响可忽略时DFE优于线性均衡器，显而易见相对于线性均衡器加入判决反馈部分可得到性能上相当大的改善，反馈部分消除了由先前被检测符号引起的符号间干扰，例如相对于LTE较小的噪声增益和MSE、相对于MLSE和格型结构的低运算复杂度、相对于横向结构更容易达到稳态性能等等。然而DFE结构面临的主要问题之一是结构的复杂性。

如图1所示为判决反馈均衡器的结构框图，它包括两个抽头延迟滤波器：一个是线性滤波器(FFF)1，另一个是反馈滤波器(FBF)2。FFF的输入是接收滤波器的输出，其作用和原理与线性横向均衡器类似；FBF的输入是判决器的先前输出，其系数可以通过调整减弱当前估计中的码间干扰。DFE的输出信号可以表示为：

$\hat{s}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}w\left(i\right)\·r(n-i+1)-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}b\left(i\right)\·\hat{s}(n-i+1)---\left(1\right)$

和传统的线性均衡器比较，非线性均衡器的性能更加优异。但由于加入了反馈网络，使得系统结构更加复杂，增加了工程实现的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光通讯用电子色散补偿均衡器，它可以实现10Gbps以太网的电子色散补偿，并且结构简便，补偿效果良好；本发明还提供了该色散补偿均衡器的抽头调整方法，该方法具有执行简单，收敛效果好的特点。

本发明提供的光通讯用电子色散补偿均衡器，包括第一线性均衡器，其特征在于：它还包括第二线性均衡器，第一线性均衡器设置在发送端，第二线性均衡器设置在接收端，二者形成对称结构；

第一线性滤波器预消除信号中的色散，调制成光信号后发送到光纤信道中；经过光纤信道之后的光信号经过光电转换后形成电信号，该电信号进入第二线性均衡器，第二线性均衡器进一步消除该电信号中的色散，形成最终的接收信号。

本发明提供的光通讯用电子色散补偿均衡器的抽头调整方法，其步骤包括：

①设置初始抽头矢量 $w\left(0\right)=(w_1\left(0\right),w_2\left(0\right),\·\·\·,w_L\left(0\right))=\stackrel{\→}{0}$ 或由先验知识得到，令j＝1；

②运用关系式y(j)＝w(j—1)^Tx(j—1)求出第j时刻的输出信号y(j)，其中，(j—1)为第j-1时刻的抽头矢量，x(j—1)表示第j-1时刻的输入信号及其各个延时信号的矢量；

③计算第j时刻的估计误差e(j)：e(j)＝d(j)-y(j)，其中，d(j)表示第j时刻的期望信号；

④利用下式计算第j时刻的抽头矢量w(j)＝w(j—1)+2μ(j-1)x(j-1)，其中μ(j-1)为第j—1时刻的步长因子，μ(j-1)＝β(1-exp(-α|e(j-1)|))，β为初始步长调整因子，0<β<1；α是起始步长的梯度控制因子，为任意实数值；

⑤令j＝j+1，重复步骤②-④，依次迭代求出每一时刻的抽头矢量。

本发明为一种用于光通讯系统中的电子色散补偿均衡器。它对光传输中的信号损伤没有使用传统的光域补偿，而是转化成电信号之后，进行电域均衡。对于光通讯系统中的信号损伤，打破传统的光域补偿方法(如色散补偿光纤，预惆啾技术)，先将光信号转换成电信号，然后用电域均衡的方式进行补偿。具体而言，本发明具有以下技术效果：

(1)电子色散补偿均衡器通过对接收的光信号在电域对其进行抽样、软件优化和信号复原，有效的调整接收信号的波形，恢复由于色散、PMD和非线性引起的光信号展宽和失真，从而达到色散补偿的效果。

(2)本发明所设计的均衡器结构，兼容了线性均衡的简单性和判决反馈均衡器的性能优越的特点，获得比普通线性均衡器更好的抗干扰效果，同时降低了系统的复杂性。

(2)本发明采用线性拆分方法，将判决反馈均衡器分解成两个线性均衡器，相对称地设置在发射机和接收机的两端，可以达到接近于判决反馈均衡器的效果，但结构的复杂性大大降低。

(3)本发明结构不再是一个独立的均衡器，而是拆分为两部分，分别设置在发射端和接收端，二者相辅相成，共同抵消信号干扰，达到降低误码率的效果。

(4)本发明结构本质是两个线性均衡器，其结构为：由一个有限信号冲击响应滤波器FIR(Finite impu1se response filter)构成，输入信号通过分级延时电路，将每一节的输出加权累加得到滤波器的输出。延时电路的级数和级间距取决于由于传输信道造成的脉冲展宽。

(5)本发明提供的新抽头调整方法，基于一种变步长调整方法，在初始阶段使用大步长，且步长控制函数的梯度小，可以保持大步长以加快初始阶段的收敛速度。在接近稳态临域的时候快速调整步长，使用小步长以减少稳态失调。从而最大化收敛速度，同时又能减少稳态失调。经过仿真证明了该方法的有效性和优越性，具有执行简单，收敛效果好的特点。

附图说明

图1为现有的判决反馈均衡器的结构框图；

图2为本发明线性拆分均衡器的结构示意图；

图3为线性拆分均衡器的抽头调整方法结构图；

图4为图3抽头调整方法结构图中控制器的内部结构；

图5为三种变步长调整方法中步长随误差的变化曲线对比图；

图6为三种变步长调整方法与固定步长调整方法在初始步长相等的情况下的比较仿真图；

图7是采用本发明提出的线性拆分均衡器的系统应用模型。

具体实施方式

为了降低电子色散补偿均衡器的复杂度，并且能达到判决反馈均衡器的均衡效果，提高工程的可实现性，本发明将判决反馈均衡器进行了线性化拆分。下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图2所示，本发明提供的光通讯用电子色散补偿均衡器包括第一、第二线性滤波器1、1’，两个线性滤波器结构相同。

具体实现方法是，输入信号10经过延时器4.1形成信号11，信号10是当前时刻的数据，那么信号11便是信号10下一时刻的数据，每个信号分别乘以一个抽头系数，信号10乘以抽头系数w₁，信号11乘以抽头系数w₂，经过L-1个抽头系数之后的信号乘以抽头系数w_L，然后把所有的乘积经过加法器11加和，形成信号12作为发射信号发送到光纤信道中。

经过光纤信道之后的信号经过光电转换形成电信号13，再经过线性均衡器1’，与发射端相同的结构，进一步消除色散，形成最终的接收信号15。

拆分处理后的系统，在发送端和接收端的均衡器，其结构分别为线性均衡器，与非线性的DFE均衡器相比，大大地降低了系统的复杂度。而相比线性均衡器而言，抗干扰效果得到了提高。下面对判决反馈均衡器的线性拆分过程进行说明。

该线性化拆分的过程可以分为拆分和线性化处理两部分。

1)首先，将判决反馈均衡器拆分成线性滤波器和反馈网络。

判决反馈均衡器的线性滤波器部分1，可以灵活地放置于发送端，作为线性拆分均衡器的第一线性滤波器1。

设第一线性滤波器抽头的个数为L，i表示抽头的序号，则延时器的个数为L—1，第i个抽头的系数w_i对应第i-1个延时器，第一线性滤波器的阶数等于L。设n表示当前时刻，当前时刻的输入信号10表示为s(n)，第i个抽头所对应的信号为s(n-i+1)。

则第一线性滤波器输出信号12的表达式为

$r\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}w\left(i\right)\&CenterDot;s(n-i+1)$

该第一线性均衡器1的输出信号12经过光纤信道传输后成为信号13，近似为第二部分的反馈网络2的输入。对第二部分的反馈网络2而言，最终输出信号15即，是前一码元判决量

和接收端接收信号r(n)的线性组合后得到的判决，即

$\hat{s}\left(n\right)=r\left(n\right)-\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}b\left(i\right)\&CenterDot;\hat{s}(n-i+1)$

2)对其进行线性化处理。

将

的数值由前期的r(n-i)的线性组合形式的数值来接近。以此类推，可以将

的判决值近似等效为有限线性组合。因此，第二部分的反馈网络的输出式可以近似为

$\hat{s}\left(n\right)=r\left(n\right)-\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}c\left(i\right)\&CenterDot;r(n-i+1)$

即该接收端的结构可以为一个FIR滤波器，输出信号为接收信号r(n)和其延迟信号分量的线性组合。该部分的作用相当于在DFE均衡器中的后端反馈网络，但不同的是：本质上变成了一种线性滤波器，且和前端的线性滤波器结构1对称，这样就消除了反馈网络，把第二部分的反馈网络2转变成的第二线性滤波器1’，完成了判决反馈均衡器的线性化拆分。

本发明线性拆分均衡器的的抽头调整方法如图3所示。由于第一线性滤波器和第二线性滤波器结构相同，下面仅对第一线性滤波器进行说明。设当前时刻输入信号16.1设为x(n)，经过一个延时器之后的上一时刻的信号16.2设为x(n-1)，均衡器的阶数为L，则经过L-1个延时器之后的信号16.L设为x(n-L+1)。当前时刻输入信号及其各个延时信号用矢量x(n)＝(x₁(n)，x₂(n)，…，x_L(n))表示，当前期望信号19设为d(n)。当前时刻的第一线性滤波器输出18设为y(n)。当前时刻误差信号20设为e(n)。当前时刻L个抽头调整系数用矢量w(n)＝(w₁(n)，w₂(n)，…，w_L(n))表示。其中w₁(n)表示当前时刻第一个抽头的系数，w_L(n)表示当前时刻第L个抽头的系数。

该抽头调整方法的调整步骤是：

1.首先设置初始抽头矢量 $w\left(0\right)=(w_1\left(0\right),w_2\left(0\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,w_L\left(0\right))=\stackrel{\&RightArrow;}{0}$ 或由先验知识得到。

2.运用关系式y(1)＝w(0)^Tx(0)求出第1时刻第一线性滤波器的输出信号；

3.计算第一时刻估计误差e(1)＝d(1)-y(1)，d(1)为第1时刻的期望信号；

4.求得第二时刻的抽头失量w(2)＝w(1)+2^μx(1)，其中μ为步长因子；依次迭代，用关系式y(j)＝w(j-1)^Tx(j-1)求出第j时刻的输出，j＝1，2，…，n；

5.计算第j时刻估计误差e(j)＝d(j)-y(j)

6.更新抽头矢量w(j+1)＝w(j)+2^μx(j)；

重复步骤1-6，便可以依次迭代求出每一时刻的抽头矢量。

具体实现描述如下：16.1，16.2到16.L是经过一行延迟线的L个信号，信号16.1是当前的信号，乘以第一个抽头的系数w₁，w₁的大小由相应的控制器17.1来调整；信号16.2是经过一个延迟器之后的信号，乘以第二个抽头的系数w₂，w₂的大小由相应的控制器17.2来调整；信号16.L是经过L-1个延迟器之后的信号，乘以第L个抽头系数w_L。同样w_L的大小由其相应的控制器17.L来调整。最后把所有的乘积累加形成信号18，作为该部分线性滤波器的输出。信号19是当前时刻的期望信号，期望信号19减去当前均衡器输出得到误差信号20，误差信号20和相应的输入信号一起作为控制器的输入用以调整相应的抽头系数。

图4为图3中抽头调整方法结构图控制器的内部结构；以第一条支路为例进行说明。误差信号22与步长控制因子27相乘再与输入信号相乘得到信号23。其中25是一阶延时器，上一时刻的抽头系数26加上信号23便得到当前时刻的抽头系数。

上述调整方法涉及到一个很重要的控制因子即步长因子μ，步长因子μ是该抽头调整方法的一个很重要的参量。初始收敛速度、时变系统跟踪能力及稳态失调是衡量自适应滤波算法优劣的三个最重要的技术指标，减少步长因子μ可减少自适应滤波算法的稳态失调噪声，提高算法的收敛精度。然而步长因子μ的减少将降低调整方法的收敛速度和跟踪速度。因此，固定步长抽头调整方法在收敛速度、时变系统跟踪速度与收敛精度方面对步长因子μ的要求是相互矛盾的。目前已有一些变步长抽头调整方法，以解决这种矛盾，但性能上并非最优，于是本发明提出了一种新型变步长抽头调整方法。

基于的思想是，在初始阶段使用大步长，且步长控制函数的梯度小，可以保持大步长以加快初始阶段的收敛速度。在接近稳态临域的时候快速调整步长，使用小步长以减少稳态失调。从而最大化收敛速度，同时又能减少稳态失调。

这种新的步长调整函数如下式所示：

μ(n)＝β(1-exp(-α|e(n)|))

β为初始步长调整因子，通常取β小于1；α是起始步长的梯度控制因子，可以取任意值。实例中设置β为0.14，α为2。

图5为已有的两种变步长调整方法与本发明提出的变步长调整方法三种方法的步长随误差的变化曲线对比图。曲线b是步长因子与均值误差的绝对值成正比的抽头调整方法所对应的误差-步长调整曲线，曲线c是步长因子与均值误差的平方成正比的抽头调整方法所对应的误差-步长调整曲线；曲线a表示的是本发明提出的变步长方法所对应的误差-步长调整曲线。我们可以分析一下三条曲线的特点，线性步长控制方法其函数的梯度是常数，步长控制是线性下降的，所以曲线b是线性下降的趋势；而与误差平方成正比的步长控制方法初始步长下降很快，在稳态域内下降很慢，如曲线c所示；而本文提出的步长控制方法初始步长下降慢，就可以在初始的一段时间内保持大步长，而接近稳态临域的时候快速下降，如图a所示。从而可以最大化收敛速度。该方法做到了快速调整步长，同时保证了小的稳态失调量。

图6是三种变步长抽头调整方法与固定步长抽头调整方法在初始步长相等的情况下的比较仿真图。曲线d是采用固定步长调整方法的情况下迭代次数与均方误差的仿真图。从曲线d中可以看出，曲线收敛性能很差，具有较大的稳态失调；曲线e是采用与误差平方成正比的步长控制方法所得出的仿真曲线，由于该方法初始步长下降很快，所以收敛速度比较慢。曲线f是采用步长因子与均值误差的绝对值成正比的抽头调整方法所得出的仿真曲线，由于该方法的步长控制是线性下降的，所以较曲线e有较快的收敛速度，由于其稳态时的调整步长变小，所以较曲线d有小的稳态失调；而本文提出的步长控制方法所得出的仿真曲线为g，具有最大的收敛速度，和较小的稳态失调。这是由于其初始步长下降慢，就可以在初始的一段时间内保持大步长，从而使得收敛速度很快，而接近稳态临域的时候快速下降，从而保证了稳态临域内的小步长调整，使得具有较小的稳态失调。对比这四条曲线，有力地说明了本发明得出的步长控制方法在收敛速度和稳态失调上都是最优的。

图7是本发明线性拆分均衡器在光传输系统中的应用模型。整个系统中，发射机41的10Gb/s NRZ光信号，由伪随机序列发生器38产生的伪随机序列经NRZ脉冲发生器39编码后，先经过线性拆分均衡器的发射端部分40均衡后，再由Mach-Zehnder调制器42调制而成。光信号经过140km的标准单模光纤(SSMF)43和掺饵光纤放大器(EDFA)44的传输后，在接收端先经过光电转换器45转换成电信号，再由线性拆分均衡器的接收端部分46进行色散补偿，然后经检错器47检错，最后得到最终的接收信号。分别分布在发射端和接收端。发射部分和接收部分的均衡器都可以用来补偿信号损失，进行色散补偿。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种光通讯用电子色散补偿均衡器的抽头调整方法，其步骤包括：

①设置初始抽头矢量 $w\left(0\right)=(w_1\left(0\right),w_2\left(0\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,w_L\left(0\right))=\stackrel{\&RightArrow;}{0},$ 令j＝1；其中，L为均衡器的阶数；

②运用关系式y(j)＝w(j-1)^Tx(j-1)求出第j时刻的输出信号y(j)，其中，(j-1)为第j-1时刻的抽头矢量，x(j-1)表示第j-1时刻的输入信号及其各个延时信号的矢量；

③计算第j时刻的估计误差e(j)：e(j)＝d(j)-y(j)，其中，d(j)表示第j时刻的期望信号；

④利用下式计算第j时刻的抽头矢量w(j)＝w(j-1)+2μ(j-1)x(j-1)，其中μ(j-1)为第j-1时刻的步长因子，μ(j-1)＝β(1-exp(-α|e(j-1)|))，β为初始步长调整因子，0＜β＜1；α是起始步长的梯度控制因子，为任意实数值；

⑤令j＝j+1，重复步骤②-④，依次迭代求出每一时刻的抽头矢量。

Images