CN102057640B - 用于相位恢复的方法和设备以及包括这种设备的通信系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于至少两个信道的相位恢复的方法和设备，包括步骤：(i)针对每个信道估计相位；(ii)通过耦合因数将每个信道的估计相位与至少一个其它估计相位进行叠加。此外，建议了一种包括这种设备的通信系统。

Description

用于相位恢复的方法和设备以及包括这种设备的通信系统

技术领域

本发明涉及一种用于相位恢复的方法和设备以及包括这种设备的通信系统。

背景技术

为了增加带宽效率以及针对失真的鲁棒性，光通信系统要求较高阶的调制格式，例如100Gbit/s的四相相位键控(CP-QPSK)的相干解调偏振复用。因此，PolMUX的偏振(例如，x偏振和y偏振)和复信号(QPSK)的星座(constellation)均被用于运送数据(例如，作为符号)。

随着调制格式的增加，光系统中的符号速率有所降低。例如，在每个符号4个比特的100Gbit/s CP-QPSK的情况下，符号速率总计为100/4＝25G符号/s。这使得传输相对于如色散(CD)或偏振模色散(PMD)的光失真更加鲁棒。这种符号速率的降低还允许接收器处较低的处理功率。

图1示出了光通信信号的相干解调的典型配置。在光“90°混合”模块101和模拟/数字转换(ADC)单元102之后，可获得作为电信号的光场的采样和量化表示形式，其包含统计噪声失真以及确定性信道失真。

时钟恢复103估计到来信号的符号的开始和结束。自适应均衡单元104估计信道并且去除确定性信道失真。

出于信号传输的目的，复信号的相位和振幅可以被用来传送信息。在QPSK的情况下，2个比特被映射到四种可能的相位星座。

在接收器处，该相位可能被用来对信号进行下混频的空转本地振荡器(LO)所影响。所述相位还可能被信道通过非线性效应所影响，所述非线性效应随相邻信道的功率和数量而增强(交叉相位调制，XPM)。

相位恢复实体105需要估计并校正所接收信号的相移。本地振荡器所导致的相位误差相对于符号速率变化相当缓慢，而基于相邻信道的干扰(XPM)的相位误差则由于它们直接依赖于相邻信道的比特在相同时刻的功率而随符号进行变化。

在存在相邻信道的情况下，x和y偏振中信号的相位由于非线性相位失真而不再相同，并且两个相位的简单联合估计会导致严重的损耗。

出于经济的原因，优选地，特别包括时钟恢复、均衡、相位估计和检测的信号处理以数字实现，这意味着在ADC 102之后仅对数字数据进行处理。由于需要高的处理速度(这基于所接收光数据的符号速率)并且由于明显的处理复杂度，现有的硬件对于处理速度和/或成本而言可能成为瓶颈。

发明内容

所要解决的问题是克服以上所提到的缺点，尤其是提供一种允许相位恢复有所改进的解决方案。

该问题根据独立权利要求的特征而得以解决。进一步的实施例得自于从属权利要求。

为了克服该问题，提供了一种用于至少两个信道的相位恢复的方法，包括步骤：

-针对每个信道估计相位；

-通过耦合因数将每个信道的估计相位与至少一个其它估计相位进行叠加。

特别地，针对每个信道估计相位的步骤包括相位的预先校正阶段而并不首先考虑任何的其它信道。接着，预先校正的信号利用耦合因数将一个信道与至少一个其它信道进行叠加。这使得能够通过有效考虑相邻信道来进行相位恢复，由此很大程度上避免了错误的相位估计。

在一个实施例中，所述至少两个信道是至少两个正交信道。所述至少两个信道尤其可以是光信道。

在另一个实施例中，根据以下调制机制之一对每个信道进行调制：

-所有类型的PSK机制，特别是QPSK、BPSK、8PSK；

-QAM，特别是高阶QAM。

这样的调制机制分别定义了在复平面(I/Q-平面)中的星座(符号)，其中每个星座具有需要被确定以便正确评估接收符号的相位。

在进一步的实施例中，所述耦合因数对于所确定的至少两个相位有所不同。

因此，不同的耦合因数例如可以对每个信道(并且由此对每个所估计的相位)应用一个耦合因数。

在下一个实施例中，所述耦合因数对于至少两个信道(例如，所要估计的相位)可以相同。

作为又一个实施例，所述方法被用于确定接收器处的本地振荡器的频率偏移。

根据另一实施例，所述耦合因数包括至少一个固定数值。

依据另一个实施例，所述耦合因数被自适应调节。

根据另一个实施例，基于光纤长度和/或输入功率确定所述耦合因数。

以上所提到的问题还通过一种设备得以解决，所述设备包括处理器单元和/或硬线电路和/或逻辑设备，和/或与所述处理器单元和/或硬线电路和/或逻辑设备相关联，所述处理器单元和/或硬线电路和/或逻辑设备被配置为能够在其上执行这里所描述的方法。

根据一个实施例，所述设备为通信设备或者与其相关联，所述通信设备特别是光网络组件。

之前所提到的问题进一步通过一种包括这里所描述的设备的通信系统而得以解决。

附图说明

本发明的实施例在以下示图中示出和说明：

图2示出了(三个符号上)具有预先校正的联合偏振相位估计；

图3示出了考虑到光纤长度而建议的方法的性能收益(误码率)。

具体实施方式

这里所提供的方法允许相位估计在存在来自相邻信道的干扰的情况下(例如，交叉相位调制XPM的情形)得到显著改善。

因此，通过独立于偏振的各自相位的预先校正并且通过例如根据光纤长度和/或输入功率而应用可变耦合因数来实现正交输入信道或信号(例如，输入信号的x和y偏振两者)的联合相位估计，对于已知的光纤链路而言，所述光纤长度和/或输入功率可以自适应调节或者为常数。

对于QPSK而言，相位估计可以基于如[1]中所描述的“Viterbi-and-Viterbi相位估计”，其对最可能发送的符号计算所传送符号的相移并且随后校正所接收的符号。

可应用的调制机制例如为通常的所有PSK机制(BPSK、QPSK、8PSK)以及如QAM的较高阶格式，其中内在的相位估计算法优选地适用于所述调制机制。

有利地，与相位的预先校正相耦合的相位估计可以独立于每个偏振的相位估计(这样的偏振也可以被称作正交输入信道或信号)。

特别地，所提供方法的特定属性和/或优势可以如下：

a.所述耦合因数对于例如两个偏振的正交输入信号而言并不必是相同的。

b.并不必对低的非线性信道串音执行预先校正。

c.预先校正不仅可以影响相位，而且还可以对振幅有所影响。

d.所提供的方法能够被用于本地振荡器的频率偏移估计，所述频率偏移通常在估计信号的剩余相位之前被估计并且从符号中减去。

e.通过所建议方案所实现的性能提高会使得传输范围有所延伸，成本降低并且系统设计更为动态。这尤其可以使得光网络能够与任意的传统相邻信道相互配合。

图2示出了联合偏振相位估计的示例，其中在3个符号上对相位进行估计。

框201描绘了x偏振的偏振相位估计，而框203描绘了y偏振的相位估计。特别地，两个偏振彼此正交。然而，基于所提到的不同相移，每个偏振可以在一定程度上影响另一偏振。因此，出于相位恢复的目的，考虑各自其它的偏振。

框201和203特别包括每个信号的预先校正阶段。

框202示出了将各自其它偏振的相移与预先确定的小于或等于1的耦合因数X进行叠加的联合处理。

关于框201，符号xin被输入到包括三个抽头x[n+1]，x[n]和x[n-1]的位移寄存器中。所述位移寄存器包括两个延迟单元T。每一抽头被乘以数值

p₀＝exp(-jφ_x(n-1))

并且随后通过(.)⁴算子进行处理。接下来，(.)⁴算子的所有输出被添加到信号204并且提供给框202。

对于MPSK调制而言，根据[1]的Viterbi-Viterbi的第M个功率相移估计能够被用来从复符号去除符号相位信息，留下复矢量，所述复矢量具有的相位等于M乘以到最接近的未失真符号的相移。在具有四个不同相位的四元相位调制的情况下，M等于4并且算子变为(.)⁴。为了确定相移，取所述复矢量的幅角并且以M(1/M*arg)相除。

以类似的方式在框203对符号y_in应用相同方法，其中位移寄存器包括三个抽头y[n+1]，y[n]和y[n-1]，其中每抽头被乘以数值

q₀＝exp(-jφ_y(n-1))

并且随后通过(.)⁴算子进行处理。接下来，(.)⁴算子的输出被添加到信号205并且提供给框202。

在框202中，信号204与已经乘以耦合因数X_y的信号205进行合并。该合并的结果被提供给处理单元206。此外，信号205与已经被乘以耦合因数X_x的信号204进行合并。该合并的结果被提供给处理单元207。

抽头信号x[n]被提供给延迟单元209，而抽头信号y[n]被提供给延迟单元208。

数值p₀得自于处理单元206的输出，其被延迟单元210延迟预先确定的时间周期。相应地，数值q₀得自于处理单元207的输出，其被延迟单元211延迟预先确定的时间周期。

优选地，延迟单元208和209中的延迟等于相位反馈预先校正的处理时间，第4个功率算子和两个相加运算以所计算的相移领先输入符号的校正。

延迟单元209的输出乘以处理单元206的输出产生输出偏振x_out。延迟单元208的输出乘以处理单元207的输出产生输出偏振y_out。

在图2所示的该示例中，耦合因数对于每个偏振有所不同。然而，优选地，其可以为小于或等于1的数值。

对于单个符号的相位估计而言，使用了一个前达(precursor)和一个后达(postcursor)作为示例。该数字为变量，并且可以针对光纤链路进行手工或自适应调节。

输入符号用对每个偏振最后计算的信号的相移进行校正。在预先校正之后，所述符号信息被(.)⁴算子所去除并且被平均以提供更好的估计并消除噪声。

于是，所述估计通过以特定耦合因数X叠加其它偏振的相移矢量而得以改进，所述特定耦合因数X即信号x的耦合因数X_y和信号y的耦合因数X_x。

对两个偏振计算相位并且该相位被用来校正所述相移，而且被用于对后续的符号进行预先校正。

在去除频率偏移之后，本地振荡器(LO)的相位漂移并且主要是XPM引起的相位变化在第二步骤中得以校正。XPM的效应取决于偏振，如在具有相邻信道‘2’的信道‘1’的传播的x偏振的耦合非线性等式中所示的：

$\frac{\mathrm{\δ}{A}_{x1}}{\mathrm{\δz}}+\frac{1}{{\mathrm{\ν}}_{\mathrm{gx}1}}\frac{\mathrm{\δ}{A}_{x1}}{\mathrm{\δt}}+\frac{i{\mathrm{\β}}_{21}}{2}\frac{{\mathrm{\δ}}^2{A}_{x1}}{\mathrm{\δ}{t}^2}+\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2}{A}_{x1}$

$=i{\mathrm{\γ}}_1({\left|A_{x1}\right|}^2+2{\left|A_{x2}\right|}^2+B{\left|A_{y1}\right|}^2+B{\left|A_{y2}\right|}^2)A_{x1}$

其中对于线性双折射光纤而言，B＝2/3。

所述非线性的交叉信道相移依赖于相邻信道的偏振，并且对于x和y偏振可能有所不同。基于XPM非线性相移的部分耦合，在第一步骤中，通过

${\mathrm{\φ}}_x=\frac{1}{4}\arg \left\{\underset{k=-(N-1)/2}{\overset{(N-1)/2}{\mathrm{\Σ}}}(x_k{\left(e\right)}^4+X\·y_k{\left(e\right)}^4)\right\}$

${\mathrm{\φ}}_y=\frac{1}{4}\arg \left\{\underset{k=-(N-1)/2}{\overset{(N-1)/2}{\mathrm{\Σ}}}(X\·x_k{\left(e\right)}^4+y_k{\left(e\right)}^4)\right\}$

给出具有耦合因数X并且在N个符号上进行平均的联合偏振相位估计的加权方法。

如果在前向(FF)估计中使用耦合，则由于相位的高度相关性而能够针对低的非线性提高性能，而对于XPM受限的情况而言，具有耦合的FF相位估计会导致性能的恶化，与非耦合的情形相比没有任何收益。在第二步骤中，能够通过利用之前的相移的反馈(FB)信号对符号进行预先校正，增加两个偏振之间的相关性来进一步提高性能。

将针对每个偏振中具有一个前达和后达的相位估计评估信道性能，这产生有益的整体性能。

与具有对每个测量数据集合所评估的最优的X∈[0；1]的最小BER的独立于偏振的相位估计(X＝0)相比，图3针对变化的输入功率示出了相对于传输距离的误码率(BER)。性能提高显著，高达-4dBm，并且当相位愈发不相关时开始饱和到-3dBm以上。

有利地，(通过具有“Xopt”的图形所指示的)所建议的方案允许性能收益有所提高，由此与传统系统相比，允许较高的范围，或者对于相同的范围允许较低的功率。

参考文献：

[1]A.J.Viterbi and A.M.Viterbi，“Nonlinear Estimation ofPSK-Modulated Carrier Phase with Application to Burst DigitalTransmission”，IEEE Trans.Inf.，IT-29，543-551页，1983年7月

缩写：

8PSK 8相移键控

ADC  模数转换器

ASIC 应用专用集成电路

BER  误码率

BPSK 二进制相移键控

CD   色散

CP   相关解调偏振复用

FPGA 现场可编程门阵列

PMD  偏振模色散

PolMUX 偏振多路复用

QAM  正交幅度调制

QPSK 四相移键控

XPM  交叉相位调制

Claims (14)

1.一种用于至少两个信道的相位恢复的方法，包括步骤：

-针对每个信道估计相位；

-通过耦合因数将每个信道的估计相位与至少一个其它估计相位进行叠加；

其中所述至少两个信道是光信道。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少两个信道是至少两个正交信道。

3.如权利要求1所述的方法，其中根据以下调制机制之一对每个信道进行调制：

-所有类型的PSK机制；

-QAM。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述PSK机制是QPSK、BPSK、8PSK，所述QAM是高阶QAM。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述耦合因数对于至少两个相位有所不同。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中一个耦合因数被用于至少两个相位。

7.如权利要求1-4中任一项所述的方法，被用于确定在接收器处的本地振荡器的频率偏移。

8.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述耦合因数包括至少一个固定数值。

9.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述耦合因数被自适应调节。

10.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中基于光纤长度和/或输入功率确定所述耦合因数。

11.一种用于至少两个信道的相位恢复的设备，包括：

-针对每个信道估计相位的部件；

-通过耦合因数将每个信道的估计相位与至少一个其它估计相位进行叠加的部件；

其中所述至少两个信道是光信道。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述设备位于通信设备中。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述通信设备是光网络组件。

14.一种通信系统，包括权利要求11-13中任一项所述的设备。