CN102439877A

CN102439877A - 载波频率恢复方法和光内差相干接收机

Info

Publication number: CN102439877A
Application number: CN2009801575111A
Authority: CN
Inventors: 解长松
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: US20120087680A1; EP2436127A4; WO2010145075A1; EP2436127A1; US8855501B2; CA2765362C; CN102439877B; ES2673994T3; CA2765362A1; EP2436127B1

Abstract

提供一种相干光传输系统中的载波频率恢复方法，其中，在频域中至少进行接收信号的一种均衡，所述方法包括：根据频率偏移的估计值，在接收信号的频域中进行频率偏移补偿；获取频率偏移补偿后的信号。此外，提供一种相干光接收机，其包含：一个均衡单元，用于在频域中进行接收信号的至少一种光失真补偿；一个频率偏移补偿单元，用于根据频率偏移估计值在接收信号的频域中进行频率偏移补偿，以获取频率偏移补偿信号。本发明提供的载波频率恢复方法和接收机只需信号频谱的频移，因此可以显著降低计算复杂程度，从而加快处理过程并节约大量资源。

Description

载波频率恢复方法和光内差相干接收机

技术领域

本发明涉及信号接收，更具体地涉及高速光传输中相干检测的信号接收。

背景技术

此部分所作的描述仅提供与本发明相关的背景信息，并不一定构成现有技术。

拥有比直检更高的性能使得相干光传输越来越受到关注。在内差相干光传输中，接收机端的本振激光器可能无法精确跟踪发射机端的激光频率。因此两端之间会发生载波频率偏移。这种频率偏移会导致接收信号出现中频包络。该效应应在接收机中使用数字信号处理(DSP)算法来补偿。

在现有技术中(例如，请参阅现有技术文档[1]、[2]、[3]、[4]和[5])，补偿载波频率偏移的解决方案是，首先估计频率偏移并将频率偏移转换为各个取样信号的相位偏移，然后使用该估计的相位反向旋转上述信号。根据现有技术文档[1]，通过信号的相位反转来补偿频率偏移。逆向相位旋转在时域中实施。根据后面引用的文档，对于每个样本信号，逆向旋转需要执行4次实数乘法、3次加法、1次取模、1次移位运算。

然而，光传输具有大容量，例如40Gbit/s或更大。即使采用正交相移键控(QPSK)外加偏振复用，符号率仍然高达10Gsymbol/s。鉴于如此高的速度，即使是简单的乘法器对于DSP也是一个挑战。现有技术文档[5]提出了一种光QPSK相干接收机的预判决相位恢复。提出的方法仅使用加法器、减法器、表查找和某些逻辑电路，而未使用乘法器。与传统的Viterbi&Viberbi的四次乘方方法相比，根据现有技术文档[5]的这种方法需要的计算时间被缩短。然而实践中使用这种方法来实现接收机似乎也不容易。

除载波频率偏移外，光纤的光色散也会导致传输信号失真。接收机必须补偿这个失真来改善信号质量，从而保证信号被正确地检测到。因此，在光信号接收系统中有信号均衡器来补偿信号的失真。例如，这种均衡可以是用来补偿色散的和/或用于补偿偏振模色散的。在诸如现有技术文档[6]的现有技术中，频率偏移补偿和色散补偿是独立进行的。根据现有技术文档[6]，为了实现光信号失真补偿，可使用时域滤波器或/和使用快速卷积法在频域中进行滤波，以将整个DSP的复杂性降至最低。即在频域中的滤波需要执行卷积，例如快速傅里叶变换(FFT)，以及逆卷积，例如快速傅里叶逆变换(IFFT).在大色散情况下，在频域中的这种滤波需要的运算要少于在时域中滤波需要的运算。

完成几种复杂的失真补偿需要一个复杂的接收器结构。

现有技术文档：

[1]Digital phase estimator，digital phase locked loop and optical coherent receiver，UnitedStates Patent Application Publication，No.：US 2008/0205905，Aug.28，2008；

[2]Apparatus and method for a carrier recovery，United States Patent ApplicationPublication，No.：US 2004/0091066，May 13，2004；

[3]Phase estimation for coherent optical detection，United States Patent ApplicationPublication，No.：US 2006/0245766，Nov.2，2006；

[4]Wide-range，accurate and simple digital frequency offset compensator for opticalcoherent receivers，OFC 2008；

[5]Multiplier-free phase recovery for optical coherent receivers，OFC 2008；

[6]Digital filters for coherent optical receivers，OPTICS EXPRESS，Jan.2008，Vol.16，No.2，pp.804-817。

发明内容

因此本发明的一个目标在于，提供一种解决方案用于高速光传输中信号的相干检测和接收，降低相干光接收机的复杂度。

此概要公开了本发明的若干方面和实施方式，通过它们可以分别实现上述目标。

根据本发明的第一个方面，提供一种方法用于在相干光传输系统中实现载波恢复，其中，在频域中对接收信号进行至少一种均衡，所述方法包括：

-根据频率偏移的一个估计值，在接收信号的频域中进行载波频率偏移补偿；

-获取上述频率偏移补偿后的信号。

相关领域技术人员周知，有很多方法可以将接收的信号从时域变换到频域，并将频率偏移补偿后的信号转换到时域，。这些程序包含：包括快速傅里叶变换(FFT)在内的傅里叶变换(FT)，以及包括快速傅里叶逆变换(IFFT)在内的傅里叶逆变换(IFT)。因此，根据第一个方面的一个实施方式，依据频率偏移的一个估计值在接收信号的频域中执行频率偏移补偿还可包括：

-在上述信号上执行一次傅里叶变换FT，以获取该信号的第一频谱；

-对该第一频谱进行上述频率偏移的估计值的频谱移位，以在频域中获取该信号的第二频谱；

-在该信号的第二频谱上执行傅里叶逆变换IFT。

根据上述第一个方面的一个具体实施方式，在频域中执行载波频率偏移补偿之后，再在频域中实施信号均衡。在该实施例中，因为在载波频率偏移补偿后的信号上实施均衡，使均衡的性能得到增强。

根据上述第一个方面的一个具体实施方式，所述均衡包括偏振模色散补偿和色散补偿。

根据上述第一个方面的另一具体实施方式，所述均衡包括色散补偿。

根据上述第一个方面的另一具体实施方式，所述均衡包括偏振模色散补偿和色散补偿。根据后者的一个具体实施方式，所述均衡同时包括偏振模色散补偿和色散补偿，偏振模色散补偿在色散补偿之后执行。在该实施例中，因为偏振模色散补偿在色散补偿后的信号上执行，偏振模色散补偿的性能得到增强。如上所述，如果是在频域中执行载波频率偏移补偿之后再在频域中执行色散补偿，并且在执行色散补偿之后在频域中再执行偏振模色散补偿，那么在特定场景下色散补偿和偏振模色散补偿的性能均可得到更多的提升。

根据本发明的第二个方面，相干光接收机的结构如下，它包括：一个均衡单元，用于在频域中的对一个收到的信号的进行至少一种光失真补偿；和一个频率偏移补偿单元，用于根据一个频率偏移的估计值对一个收到的信号在频域中执行频率偏移补偿，以获取所述频率偏移补偿后的信号。

根据所述第二个方面的一个具体实施方式，该接收机还包含：一个傅里叶变换FT单元，用于在所述信号上执行傅里叶变换FT，以获取所述信号的第一频谱；以及一个傅里叶逆变换IFT单元，用于在所述信号的第二频谱上执行傅里叶逆变换IFT。

根据后者的一个具体实施方式，所述均衡单元在向所述IFT单元发送所述信号之前在所述信号的第二频谱上进行光失真补偿。

根据所述第二个方面的另一具体实施方式，所述接收机包括一个用作频率偏移补偿单元的频移单元，用于对所述信号的第一频谱做频率偏移的估计值的移位。

根据所述第二个方面的另一具体实施方式，所述均衡单元包括一个偏振模色散补偿单元，用于进行偏振模色散补偿。

根据所述第二个方面的另一具体实施方式，所述均衡单元包括一个色散补偿单元，用于进行色散补偿。

根据所述第二个方面的另一具体实施方式，均衡单元包括一个偏振模色散补偿单元，用于进行偏振模色散补偿；以及一个色散补偿单元，用于进行色散补偿。

根据后者的具体实施方式的具体之一，所述偏振模色散补偿单元用于在色散补偿完成后进行偏振模色散补偿。

附图说明

附图仅起到解释说明的作用，不会以任何方式限制本发明的范围。

图1是现有技术的相干光接收机的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的相干光接收机的结构示意图；

图3是本发明另一实施例的相干光接收机的结构示意图；

图4是本发明另一实施例的相干光接收机的结构示意图；

图5是本发明另一实施例的相干光接收机的结构示意图。

具体实施方式

下文所作的描述只是例示性说明，而非限制本发明、实施或使用。

本文中使用的“一个实施例”、“实施例”、“具体实施例”或类似词汇的单数或者复数表明，与实施例相关的一个或多个具体的功能、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，本文不同地方出现的短语“在一个实施例中”，“在实施例中”，“在特殊实施例中”或类似短语的单数或者复数所指的并不一定都是是同一实施例。此外，具体的特征、结构或特性可能在一个或多个实施例中以任何适当方式结合。色散补偿单元作为均衡单元的一个示例显示在了附图中。但该色散补偿单元只是一个示例，可以替换为光信号上进行任何色散补偿，例如色散补偿、偏振模补偿或两者兼具的任何均衡单元。此外，虽然未显示在图中，但在一些实施例中，在所述信号流的其他位置上的频域和/或时域中可以有多个色散补偿单元。

根据本发明的示例性实施例，提供一种光传输中的载波频率恢复方法和一种相干光数字接收机，该接收机在接收的信号频域中根据频率偏移估算值进行频率偏移补偿，以获取经过频率偏移补偿后的信号。

对于取样信号，补偿频率偏移仅需要移动取样信号块的频谱。换言之，一个取样只需要进行几个移位运算，而无需像现有技术一样，进行4次乘法、3次加法、1次取模、1次移位运算。与传统方法相比，通过移动频谱来补偿频率偏移将显著地降低复杂性。处理过程加快，且所需资源大大减少。

此外，像色散补偿和/或偏振模色度补偿的均衡可在频域中频率偏移补偿之前或之后在信号上进行.其中，任一种上述提及的均衡都可以在时域中进行。因此，输出的信号既有频率偏移补偿又有光色散补偿。

图1是现有技术下的相干光接收机的结构示意图。

假定该相干光接收机接收了一个有频率偏移的下变频后的信号，该信号为x(t)，其频谱为X(ω)。相干光接收机的处理流程可能如下：

一个色散补偿单元13接收上述信号，对该信号进行色散补偿，并将该信号输出至一个定时恢复单元15；所述定时恢复单元15对上述带有色散补偿的信号进行时钟同步，但频率偏移仍存在；一个PMD补偿单元16从上述定时恢复单元15获取上述信号，对上述带有色散补偿的信号进行PMD补偿，但频率偏移仍存在；一个相位评估器单元200提供相移

和一个频率偏移评估器单元17为频率偏移补偿单元100提供频率偏移估计值

以通过信号的逆向旋转来补偿频率偏移，所述逆向旋转在时域中进行。对于各个信号样本，需要进行4次实数乘法、3次加法、1次取模、1次移位运算。上述复杂的运算对于接收机是很大的负担，且进行运算时需要大量资源。

一个相位补偿单元300从所述频率偏移补偿单元100获取上述信号，进行相位补偿，并将该信号输出至判决单元18，以在需要时，输出信号。

图2是本发明一个实施例的相干光数字接收机的结构示意图。同时还公开了一种载波频率恢复方法。

假定相干光数字接收机接收了一个带频率偏移的下变频信号，该信号为x(t)，其频谱为X(ω)。根据本发明的一个实施例，相干光接收机的处理流程可以如下：

一个频率偏移补偿单元110接收该信号x(t)，对该信号在频域中根据频率偏移的估计值进行频率偏移补偿，以获取上述经过频率偏移补偿后的信号，其中所述估计值来自频率偏移评估器单元17。

一个色散补偿单元13从所述频率偏移补偿单元110接收上述经过频率偏移补偿后的信号，对该信号进行色散补偿。所述色散补偿可在时域或频域中进行。其他单元的后续处理可保持不变。

因此频率和色散同时或连续补偿，以使得在后续单元，如定时恢复15、PMD补偿单元16等，信号的频率偏移被修复了。这将可以改进系统的整体性能。

图3至图5显示了本发明的相干光接收机中频率偏移补偿单元和色散补偿单元间各种组合实施例。这些实施例以及图3至图5还公开了载波信号恢复的不同方法流程。

图3所示的本发明的一个实施例可以描述如下：

一个FT单元101，用于接收取样信号，获取该信号的频谱，比如在x(t)上进行傅里叶变换，FT，以获取上述信号x(t)的频谱X(ω)。上述信号x(t)是由模/数转换器，ADC，输出的采样信号。FT可以用快速傅里叶变换FFT。除快速傅里叶变换FFT算法外，其他傅里叶变换算法也可用于时域与频域间的转换。

一个频移单元102，用于根据频率偏移估计

来移位X(ω)，以获取频域中频率偏移

的信号。所述频率偏移从一个前馈相位估计器获取。

一个色散补偿单元103，用于对来自所述频移单元102的上述信号上进行色散补偿，通过

乘以色散补偿函数

来实现。

一个IFT单元104，用于对从所述色散补偿单元103获取的上述信号进行傅里叶逆变换IFT，以获取经过频率偏移补偿后的和色散补偿后的的信号

在IFT被执行之前，该信号可以描述为

如果所述FT单元101进行快速傅里叶变换，那么上述IFT可以是快速傅里叶逆变换。

所述向定时恢复单元15输出的信号是同时经过了频率偏移补偿后的和色散补偿后的。

根据本实施例，假设我们有一个带频率偏移x(t)的下变频信号，该信号具有频谱X(ω)。此外，估计的频率偏移为

且时刻t的相移为

则相移补偿可以被表示为

根据FT的特性，其频谱可表示为

这意味着只需将x(t)的频谱移位

便可产生补偿信号

的频谱。因此只需对信号频谱进行频率移位，与传统方法相比，可以显著降低运算复杂性，因而处理速度变快并可节省所需资源。此外，频率和色散先后或同时被补偿，使得后续单元块，如定时恢复、PMD补偿等，输入信号的频率偏移已经被修复了。

图4是色散补偿单元203和FT单元201、IFT单元204以及频移单元202结合的又一示意图。图4也公开了相应的方法流程。对上述信号的色散补偿在该信号进行了IFT后进行。频率偏移补偿在频域中进行，色散补偿在时域中进行。根据上述描述并参考图4，本领域技术人员可以很容易比较出信号流相对于图2至图3发生的变化。

图5是色散补偿单元403和FT单元401、IFT单元404以及频移单元402的另一组合示意图。色散补偿在移位X(ω)前进行，X(ω)是根据所述频移单元402估算的频率偏移

在对x(t)进行傅里叶变换，FT，之后以获取所述信号x(t)的频谱X(ω)。频率偏移补偿和色散补偿均在频域中进行。根据上述描述并参考图5，本领域技术人员可以很容易比较出信号流相对于图2至图4发生的变化。

通过本发明的附图以及对优选实施例的描述，本领域普通技术人员应当理解，在不违背附属权利要求规定的本发明范围的前提下，可以做出各种形式及具体内容的变化。

Claims

1.相干光传输系统中的载波频率恢复方法，其中，在频域中对一个收到的信号进行至少一种均衡，所述方法包括：

根据一个频率偏移的估计值，对一个收到的信号在频域中进行频率偏移补偿；

获取所述经过频率偏移补偿后的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述均衡至少包括一种偏振模色散补偿和色散补偿。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在频域中对所述接收的信号进行移位之后，在频域中进行均衡。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述均衡包括偏振模色散补偿和色散补偿，其中，偏振模色散补偿在色散补偿后进行。

5.相干光接收机，其包含：

一个均衡单元(13、103、203、403)，用于在频域中对收到的信号进行至少一种光失真补偿；

一个频率偏移补偿单元(110)，用于根据一个频率偏移的估计值对一个收到的信号在频域中进行频率偏移补偿，以获取所述经过频率偏移补偿后的信号。

6.根据权利要求5所述的接收机，其还包含：

一个傅里叶变换，FT，单元(101、201、401)，用于对所述信号进行傅里叶变换，FT，以获取所述信号的第一频谱；

一个用作频率偏移补偿单元(110)的频移单元(102、202、402)，用于通过所述频率偏移的估计值移位所述信号的所述第一频谱，以在所述频域中获取所述信号的第二频谱；

一个傅里叶逆变换，IFT，单元(104、204、404)，用于对所述信号的第二频谱进行傅里叶逆变换，IFT。

7.根据权利要求6所述的接收机，其中，所述均衡单元(13、103、203、403)在向所述IFT单元(104)发送所述信号之前对所述信号的第二频谱进行光失真补偿。

8.根据权利要求6或7所述的接收机，其中所述均衡单元(13、103、203、403)包括至少一个偏振模色散补偿单元，用于进行偏振模色散补偿；以及一个色散补偿单元，用于进行色散补偿。

9.根据权利要求8所述的接收机，其中所述均衡单元(13、103、203、403)包括一个偏振模色散补偿单元和一个色散补偿单元，其中，偏振模色散补偿单元用于在色散补偿完成后进行偏振模色散补偿。