CN102656824B - 用于相干光系统中非线性损害监视和减轻的载波相位估计器 - Google Patents

Abstract

本文献涉及光传输系统。具体地，本文涉及用于估计载波相位和用于估计在光传输信道中产生的非线性失真程度的方法和装置。该方法包括提供在连续时刻处的多个信号样本；其中多个信号样本与调制方案和载波相位相关联；其中多个信号样本已经在光传输信道上进行发送；其中多个信号样本分别包括多个信号相位；其中多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；其中多个剩余相位与载波相位相关联。该方法还包括通过考虑调制方案而从多个信号相位中去除(401)多个数据相位；由此产生多个剩余相位；以及针对滞后值集合分别确定(301)多个剩余相位的自相关值集合；由此产生对于光传输信道的非线性度量。

Description

用于相干光系统中非线性损害监视和减轻的载波相位估计器

技术领域

本文涉及光传输系统。具体地，本文涉及用于估计载波相位以及用于估计在光传输信道中产生的非线性失真程度的方法和装置。

背景技术

使用相干光接收机成为对于下一代光转发器的要求，下一代光转发器在基于间距50GHz的网格的光WDM(波分复用)网络上提供100Gb/s的(和更高的)高频谱密度的信道。事实上，相干检测对于诸如色度色散和偏振模色散之类的线性光纤效应提供了良好的容忍度。然而，WDM光传输系统的另一个主要关注点是对于直接影响可达到的范围和/或可达到的传输容量的非线性损害的恢复。这种非线性光纤效应例如是自相位调制(SPM)和/或交叉相位调制(XPM)。

US6600794B1描述了用于从光盘反射的激光的MLSE接收机。Bononi A等人，“Cross-Phase Modulation Induced by OOK Channels onHigher-Rate DQPSK and Coherent QPSK Channels”，发表于Journal ofLightwave Technology，IEEE Service Center，NY，US，vol.PP，no.18，5.09.2009，pages 3974-3983，描述了用于估计受XPM损害的高数据速率QPSK信道的性能的方法。

非线性光纤效应使得所发送的光信号的幅度和相位失真，并且补偿这些失真的重要环节是可靠地并且正确地确定光信号的载波相位作为相位参考。因此，相干光接收机应当包括用于在对发送的符号进行判决之前恢复载波相位的载波相位估计器。这样，取决于在光传输信道中接收的光信号所遭受的非线性效应的载波相位估计器的自动优化方案将是有利的，使得能够得到载波相位良好的估计值，以及由此减轻所引起的非线性损害，并且由此改进光传输系统的性能。而且，提供对于在光传输信道中存在的非线性效应的程度的度量将是有利的。

发明内容

根据一方面，描述了用于测量光纤的光传输信道的非线性的方法。该方法可包括在接收机处提供连续时刻处的多个信号样本的步骤。多个信号样本可以与允许多个可能的数据相位值的调制方案和载波相位相关联。具体地，多个信号样本可以与在对应的发射机处的多个发送信号样本相关联。发送信号样本可以使用调制方案(例如M-PSK)进行编码。随后，发送信号样本可被调制到具有该光载波相位的光载波信号上。实质上，发送信号样本可以通过光传输信道进行发送，其中发送信号样本可能遭受各种线性和/或非线性失真。非线性失真可能是由于SPM和/或XPM导致的。

多个信号样本，即接收信号样本，可分别包括多个信号相位。具体地，信号样本可包括同相和正交相位分量，它们可以在极坐标上表示为信号幅度和信号相位。多个信号相位可分别包括多个数据相位和多个剩余相位，其中数据相位与编码的数据相关联。多个剩余相位可以与载波相位相关联。另外，剩余相位可以与各种噪声分量相关联，例如ASE(放大的自发辐射)噪声、(由于发送激光器和/或本地振荡器激光器的相位噪声所导致的)激光器噪声、和/或(例如由于光传输信道中的非线性效应所导致的)非线性噪声。

该方法可包括通过考虑调制方案而从多个信号相位中去除多个数据相位的步骤；由此产生多个剩余相位。如果调制方案对应于M-PSK(相移键控)，该去除步骤可包括对多个信号相位求M次幂。如果调制方案对应于x-QAM(正交幅度调制)，该去除步骤可包括对多个信号相位求幂，该幂对应于与x-QAM调制方案相关联的可能的数据相位值的数目。

该方法可包括针对滞后值集合分别确定多个剩余相位的自相关值集合的步骤；由此产生光传输信道的非线性度量。该滞后值集合可包括时刻或时隙的不同偏移。作为示例，该滞后值集合可包括一定数目时隙或时刻的偏移。

正如已经提到的，多个剩余相位可分别包括多个非线性引起的相位噪声值和多个激光器相位噪声值。在这种情况下，该方法可包括针对于第一滞后值确定多个剩余相位的自相关值的步骤；由此产生激光器相位噪声的自相关值。典型地，第一滞后值被选择为相对较大的滞后值。作为示例，第一滞后值可以被选择为滞后值集合中的最大值和/或最小值。该方法还可包括通过从多个剩余相位的自相关值集合中减去激光器相位噪声的自相关值而确定非线性引起的相位噪声的自相关值集合。

该方法可包括通过内插针对不等于零的滞后值的非线性引起的相位噪声的自相关值集合的多个自相关值而确定在为零的滞后值处的非线性引起的相位噪声的自相关值的步骤。

该方法可包括确定第二滞后值的步骤，针对第二滞后值的非线性引起的相位噪声的自相关值集合中的值是非线性引起的相位噪声的自相关值集合的最大值的一半；其中第二滞后值是光传输信道的非线性度量。这样，第二滞后值还可以被称为相关长度，可被光传输网络的网络控制层用来进行传输信道分配。而且，第二滞后值可以在载波相位估计器的环境中使用，正如将在下面阐述的。

典型地，第一滞后值应当大于第二滞后值。在一个实施例中，第一滞后值显著大于第二滞后值。优选地，第一滞后值应当充分大于第二滞后值，以便确保非线性引起的相位噪声的自相关值在第一滞后值处是可忽略的。这样，可以说，第一滞后值应当被选择成使得它大于或显著大于要确定的第二滞后值。同样地，滞后值集合的极限应当被选择成使得它们的绝对值大于或显著大于要确定的第二滞后值。

针对给定的滞后值确定多个相位值的自相关值集合的步骤包括将第一时刻处的多个相位值中的一个相位值乘以第二时刻处的多个相位值中的一个相位值的步骤；其中滞后值对应于第二时刻与第一时刻之间的差值，即，对应于第二时刻与第一时刻之间的偏移。

该方法可包括针对为零的滞后值确定多个剩余相位的自相关值的步骤；和由针对为零的滞后值的多个剩余相位的自相关值来归一化针对滞后值集合的多个剩余相位的自相关值集合的步骤。

根据另一方面，描述了用于确定在光纤的光传输信道上发送的信号的载波相位多个估计值的方法。该方法可包括在接收机处接收连续时刻处的多个信号样本的步骤。多个信号样本可以与允许多个可能的数据相位值的调制方案和载波相位相关联。在对应的发射机处，多个信号样本已经通过使用该调制方案而被编码，被调制到具有该载波相位的光载波信号上，并且在该光传输信道上被发送。而且，多个信号样本可分别包括多个信号幅度和信号相位。多个信号相位可分别包括多个数据相位和多个剩余相位。多个剩余相位可以与该载波相位相关联。

该方法可包括通过考虑调制方案而从多个信号相位中去除多个数据相位的步骤；由此产生多个剩余相位。而且，该方法可包括根据本文中阐述的任何方法和方法的方面确定第二滞后值或相关长度的步骤。

该方法可包括用包括对应于第二滞后值两倍的多个滤波器抽头的滤波器来滤波多个剩余相位的步骤；由此产生与连续时刻处的载波相位的多个估计值相关联的多个滤波后的剩余相位。滤波器抽头的权重可以等于0或1，这取决于第二滞后值。具体地，对应于第二滞后值两倍的多个滤波器的权重可被设置为1，而其它滤波器权重被设置为0。

第一时刻的滤波后的剩余相位值可以根据第一时刻之前和之后的时刻处的多个剩余相位中的剩余相位值确定。具体地，第一时刻的滤波后的剩余相位值可以根据第一时刻之前和之后的时刻处的多个剩余相位确定，其中该数目对应于第二滞后值。换句话说，滤波器抽头可以被集中于第一时刻周围。

该方法可包括将多个滤波后的剩余相位除以与调制方案相关联的因子的步骤。在M-PSK调制中，该因子可以是M。而且，该方法可包括将多个已被除的滤波后的剩余相位展开的步骤；由此产生连续时刻处的载波相位的多个估计值。

根据另一方面，描述了被配置成提供光纤的光传输信道的非线性度量的系统。该系统可包括接收单元，被配置成提供连续时刻处的多个信号样本；其中多个信号样本与允许多个可能的数据值的调制方案和载波相位相关联；其中在对应的发射机处，多个信号样本已经通过使用该调制方案而被编码，被调制到具有该载波相位的光载波信号上，并在该光传输信道上被发送；其中多个信号样本分别包括多个信号幅度和信号相位；其中多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；其中多个剩余相位与该载波相位相关联。该系统还可包括数据相位去除单元，被配置成通过考虑该调制方案而从多个信号相位中去除多个数据相位；由此产生多个剩余相位；以及载波相位统计确定单元，被配置成针对滞后值集合分别确定多个剩余相位的自相关值集合；由此产生光传输信道的非线性度量。

根据另一方面，描述了被配置成提供连续时刻处的载波相位的多个估计值的载波相位估计单元。该单元可包括接收单元，被配置成提供连续时刻处的多个信号样本；其中多个信号样本与允许多个可能的数据相位值的调制方案和载波相位相关联；其中多个信号样本已经通过使用该调制方案而被编码，被调制到具有该载波相位的光载波信号上，并在光传输信道上被发送；其中多个信号样本分别包括多个信号幅度和信号相位；其中多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；其中多个剩余相位与该载波相位相关联。载波相位估计单元还可包括数据相位去除单元，被配置成通过考虑该调制方案而从多个信号相位中去除多个数据相位；由此产生多个剩余相位；载波相位统计确定单元，被配置成根据本文中描述的任何方法和方法的方面确定第二滞后值或相关长度；以及滤波单元，被配置成用包括对应于第二滞后值两倍的多个滤波器抽头的滤波器来滤波多个剩余相位；由此产生与连续时刻处的多个载波相位估计相关联的多个滤波后的剩余相位。

根据另一方面，描述了光接收机。该接收机可包括相干接收机，被配置成接收光信号的同相和正交分量；和/或光检测单元，被配置成将光信号转换成电信号；和/或多个模拟-数字转换器，被配置成将电信号的同相和正交分量转换成包括连续时刻处的多个信号样本的数字信号；其中多个信号样本与载波相位相关联。

光接收机可包括载波相位估计单元，被配置成提供连续时刻处的载波相位的多个估计值。载波相位估计单元可包括在本文中阐述的任何方面。光接收机还可包括载波相位补偿单元，被配置成基于载波相位的多个估计值来修改多个信号样本。具体地，载波相位补偿单元可以例如通过加法或减法而分别通过载波相位的多个估计值来对多个信号相位进行偏置。

应当指出，上述的方面可以各种方式互相组合或互相提取。具体地，所有可能的权利要求和特征组合被视为本文所公开的。而且，针对系统阐述的方面和特征同样地可应用于对应的方法。

附图说明

根据以下示例的描述，本发明的目的和特征将变得明显。下面将参照在附图中示意地示出的示例性实施例来描述本发明，其中：

图1示出了示例性相干光接收机；

图2示出了在光接收机中的示例性信号处理；

图3示出了包括载波相位统计确定单元的示例性光接收机；

图4示出了示例性载波相位估计器；

图5示出了用于载波相位估计器的示例性滤波器类型；

图6示出了NL(非线性)相位噪声的示例性自相关函数；以及

图7示出了使用所描述的载波相位估计方法的传输质量的示例性实验结果。

具体实施方式

在光纤通信中，波分复用(WDM)是通过使用不同波长(颜色)的激光承载不同信号而将多个光载波信号复用到单根光纤上的技术。这除了能够在一束光纤上实现双向通信以外，还使得容量加倍。

在光发射机处，某个波长的光载波用某个调制方案进行调制，以便将数据发送到对应的光接收机。不同的调制方案可用于此用途，诸如将一比特数据映射为一个符号的B-PSK(二相相移键控)，将两比特数据映射为一个符号的Q-PSK(四相相移键控)，将log₂(M)个比特的数据映射为一个符号的M-PSK。而且，可以使用x-QAM(正交幅度调制)方案，其中x代表在QAM网格上的星座点的数目。QAM的典型形式是16-QAM、64-QAM、128-QAM和256-QAM。QAM方案也依赖于载波相位估计，可以从中提取NL相位统计。因此，可以使用本文中阐述的NL相位统计确定方案。

下面，假设使用M-PSK调制。在时隙n发送的符号可被写为：

$x_T\left[n\right]=a_T\left[n\right]e^{j\left({\mathrm{\φ}}_d\right[n]+{\mathrm{\φ}}_c)},$

其中，a_T[n]是幅度，对于M-PSK调制，它是常数a_T；φ_d[n]是发送的数据符号m的相位，其中并且m＝0，...，M-1；以及φ_c是光载波的相位。

在调制之后，调制后的光载波信号在光传输网络或光传输信道上被发送到对应的接收机。典型地，光接收机是相干光接收机，其包括用于PSK调制信号的相干检测的相干混频器110。在图1上示意地显示了示例性相干接收机100。某个光载波频率处的接收信号101和某个本地振荡器频率处的本地振荡器(LO)的光信号102在相干混频器110中被组合，产生用于四个输出端口111、112、113、114的四个光干涉信号。混频器110典型地被设计成使得从一个端口到下一个端口，接收光信号101与LO信号102之间的相对相位旋转90°。端口111和113以及112和114被馈送到两组平衡式光电二极管121、122。使用相干混频器110来生成光信号，光信号在射到光电二极管之上后将产生同相I和正交Q分量。换句话说，相干混频器110和光电二极管的组合生成I分量和Q分量。应当指出，本发明还可应用于其它类型的相干接收机和涉及相位调制的其它调制格式。具体地，本发明可应用于任何种类的I分量和Q分量生成方案。

用模拟-数字转换器(ADC)123、124对光信号的模拟的电的同相和正交分量进行采样。然后，采样后的数字信号在数字域中由数字信号处理器125进行处理，以便对数字信号进行预处理并且最终对发送的数据进行解调。

在图2中更详细地阐述了可以对数字接收信号执行的处理步骤。图2示出了用于偏振复用光信号的光接收机200的示例性情形，即，光信号包括两个正交偏振的光信号分量206、207。如上所述，每个偏振的光信号分量包括同相206-1、207-1和正交206-2、207-2信号分量。为了易于说明，在下面只考虑其中一个偏振的光信号分量206。

如上所述，使用ADC 201将模拟接收信号转换成数字信号，由此产生包括同相和正交分量的数字接收信号。在时隙n中，两个数字信号分量的样本可以在转换单元202中从直角坐标转换到极坐标。这样，可以得到时隙n中的接收信号的样本或符号，它们可以由幅度a_R[n]和相位φ_R[n]描述。多个时隙的接收信号的样本和符号在示图210中绘出。

作为数字信号处理的一部分，可以执行线性失真效应的补偿，例如，色度色散(CD)和/或偏振模失真(PMD)。这可以在CD均衡单元203中执行。均衡后的符号的结果在示图211中示出。

如果接收到正交偏振的光信号，则光接收机200可包括偏振解复用器204，其目的是使用自适应均衡器解复用两个正交复用的信号分量或偏振支路。均衡器可以使用例如恒定模算法(CMA)，或判决引导算法。作为结果，得到如示图212中所示的解复用后的符号。

光接收机200还包括载波相位恢复和补偿单元220。到载波相位恢复和补偿单元220的输入是包括幅度a[n]和相位的、可能被预处理的符号。如上所述，在发射机处，符号的相位包括光载波相位φ_c[n]。此载波相位φ_c[n]经受了光传输信道内的各种失真效应。因此，在光接收机200处，此载波相位φ_c[n]是未知的，并且不断地改变。这样，载波相位恢复和补偿单元220包括载波相位估计单元221，它不断地估计载波相位。所估计的载波相位可用于相应地同步本地振荡器(LO)的相位，并且由此用于在相干光接收机100处在光域中对载波相位波动进行直接补偿。可替换地或另外，载波相位波动可以在补偿单元222中在数字域中进行补偿。作为结果，得到如示图213中所示的具有补偿后的载波相位的符号。

可以看到，在示图213中显示的接收的并且被数字处理的符号被分组为对应于Q-PSK调制的星座点的四个团。换句话说，符号状态的星座已作为载波相位波动补偿的结果而被固定。

最终，数字处理后的符号被提交到符号识别单元205，它执行数字处理后的符号到基本调制方案的星座点的映射。

可以看到，在光纤通信中非线性效应影响使用相移键控(PSK)调制格式的相干系统的载波相位。这样，载波相位估计器(CPE)221应当考虑这种非线性失真效应。用于减轻非线性损害的可能的措施是改变载波相位估计器221中使用的滤波器的长度。在一个实施例中，使用等抽头-权重滤波器进行载波相位估计，并且改变等抽头-权重滤波器的长度，即滤波器抽头的数目。改变等抽头-权重滤波器长度的方面可被称为Viterbi & Viterbi算法。图5中显示了这种等抽头-权重滤波器502。等抽头-权重可以取值为0和1。为了示例起见，图5还显示具有可调抽头-权重的滤波器501。

使用长度可修改的等抽头-权重滤波器来估计载波相位时的一个技术问题是要规定一种监视方法，该方法允许根据光信号在光传输信道中所经历的非线性损害而自适应地调节在载波相位估计器221中使用的滤波器的长度。这在导致载波相位快速失真的非线性损害环境中特别重要。针对这个技术问题所提出的解决方案是监视载波相位的相关长度。载波相位的相关长度可以在低速DSP(数字信号处理)中得到，只需要较低的计算工作量。载波相位统计可以在低速数字信号处理中进行评估这一事实的原因是，只要光传输网络中没有发生重新配置，发送的信号经历的非线性效应所引起的劣化的统计就可被视为常数。光网络可能的重新配置可能是由于改变在不同的光传输信道中的功率和/或切换光传输信道而导致的。

图3中示出了所提出的包括载波相位估计器221的光接收机300的示例性结构。图3显示了具有附加载波相位统计确定单元301的光接收机200。虽然在光接收机200中的处理涉及数据速率为例如100Gbit/s的高速处理，但在载波相位统计确定单元301中的处理可以减小的速度进行。作为示例，可以针对初始的信号样本块确定载波相位统计，然后可以在预定的时间间隔内使用。这归因于如下事实：虽然接收的载波相位不断地波动，但载波相位的统计，即造成载波相位波动的非线性效应的统计，在稳定的网络环境中可被视为恒定的。

图4示出了图3的细节，包括载波相位估计单元221和载波相位统计确定单元301。载波相位估计单元221包括数据相位去除单元401，它通过对接收的信号求M次幂(即对应于基本M-PSK调制方案的幂)而去除信号相位。

而且，载波相位估计单元221包括滤波单元402，它基于接收的符号提供载波相位的估计值。在一个实施例中，滤波单元402包括可变长度的等权重的抽头滤波器502。另外，载波相位估计单元221包括除法单元403，它将所确定的载波相位估计值除以对应于基本M-PSK调制方案的值M。这个“除法”运算是“求M次幂”运算的结果，其导致信号相位乘以因子M的乘法。因此，估计的相位应当被因子M除，以便产生载波相位的估计值。类似地，除法运算应当补偿在x-QAM环境中执行的“求幂”运算。最终，载波相位估计单元221包括展开单元404，它将载波相位的估计值展开，即重新构建相位信号的连续性。

载波相位统计确定单元301包括自相关确定单元405，它被配置成基于信号相位的样本确定自相关统计。另外，载波相位统计确定单元301可包括相关长度估计单元或相关长度估计器406，它被配置成确定非线性效应引起的相位噪声的相关长度。这个长度值可以是用于确定滤波单元402内所包括的滤波器的长度的基础。

下面，推导可以在载波相位统计单元301中确定的参数。在CPE级221的输入端处，在第n个时隙，接收的经M-PSK调制的信号可表示如下：

$x\left[n\right]=a\left[n\right]e^{j\widetilde{\mathrm{\φ}}\left[n\right]}=a\left[n\right]e^{j\left({\mathrm{\φ}}_d\right[n]+{\mathrm{\φ}}_c[n]+{\mathrm{\φ}}_n[n\left]\right)},$

其中x[n]是在时隙n接收的信号的样本，φ_d[n]表示发送数据符号的相位，φ_c[n]表示要被恢复的载波相位，以及φ_n[n]表示放大的自发辐射(ASE)噪声引起的相位波动。ASE噪声引起的相位波动φ_n[n]典型地可以用加性白色高斯噪声建模。项a[n]表示接收信号的符号的幅度。

CPE处理的目的是尽可能精确地估计载波相位φ_c[n]，以便从输入信号中去除它，并且由此将发送数据符号的相位φ_c[n]隔离。载波相位项φ_c[n]典型地可被分解如下：

φ_c[n]＝φ_NL[n]+φ_LW[n]，

其中φ_NL[n]表示非线性(NL)效应引起的相位噪声，即，由诸如SPM和/或XPM之类的非线性效应引起的相位噪声。φ_LW[n]表示作为本地振荡器使用的激光器的相位噪声。

在不存在NL引起的相位噪声时，例如，如果非线性光效应可被忽略，则载波相位项减小为激光器相位噪声波动。由于激光器相位噪声以几MHz的量级变化(与100Gb/s的数据速率形成对照)，这些相位波动典型地在大范围的连续样本上可被视为恒定的。在这种情况下，载波相位可以使用大的等抽头-权重滤波器来估计。换句话说，如果非线性引起的相位噪声可被忽略，则滤波器长度的增加将提高载波相位估计器的性能。

然而，当NL引起的相位噪声变为占主导时，例如当进入光纤的光输入功率增加时，载波相位波动要快得多，并且在大范围的样本上不再是相关的。在这种情况下，增加用于估计载波相位的滤波器的长度不能提高所确定的载波相位估计值的质量。事实上，可以看到，增加滤波器长度实际上降低了载波相位估计值的质量。

所以，提出了基于在光传输信道中光信号所遭受的非线性失真程度来选择用于载波相位估计的滤波器的长度。为此，在下面推导光传输信道的非线性失真程度的度量或准则。这种准则可以是NL引起的相位噪声的相关长度。

NL引起的相位噪声φ_NL[n]的自相关函数R_NL[k]＝E[φ_NL[n]φ_NL[n+k]]，其中k是自相关滞后，可以根据接收信号的相位的自相关函数确定。如上所述，接收信号的相位样本可以在数据相位去除单元401中使用“求M次幂”运算来处理，由此产生不再包括数据符号相位的相位样本φ[n]。所以，在数据相位去除单元401的输出端处的相位样本φ[n]由φ[n]＝φ_c[n]+φ_n[n]给出。

典型地，可以假设NL引起的相位噪声φ_NL[n]、激光器相位噪声φ_LW[n]和ASE噪声φ_n[n]是独立的。结果，在数据相位去除单元401的输出端处的相位样本φ[n]的自相关函数R[k]可被写为：

R[k]＝E[φ[n]φ[n+k]]-E²[φ[n]]

＝E[φ_NL[n]φ_NL[n+k]]-E²[φ_NL[n]]+E[φ_LW[n]φ_LW[n+k]]-E²[φ_LW[n]]

+E[φ_n[n]φ_n[n+k]]-E²[φ_n[n]]

＝R_NL[k]+R_LW[k]+R_n[k]

其中R_NL[k]是NL引起的相位噪声的自相关，R_LW[k]是激光器相位噪声的自相关，以及R_n[k]是ASE相位噪声的自相关。

鉴于ASE相位噪声典型地被视为E[φ[n]]＝0的静态白噪声的事实，其针对k≠0的自相关函数R_n[k]是零。而且，如果ASE相位噪声被视为高斯噪声，则针于k＝0的自相关函数对应于ASE噪声的方差，即R_n[0]＝Var(φ_n)。

因此，NL引起的相位噪声的自相关函数可被写为：

R_NL[k]＝R[k]-R_LW[k]-Var(φ_n)，k＝0

R_NL[k]＝R[k]-R_LW[k]，k≠0。

如上所述，典型地，可以作出如下假设：激光器相位噪声φ_LW[n]在MHz的范围中变化。所以，可以假设在相当大的延时范围内，即相当大的滞后值k的范围内，激光器相位噪声φ_LW[n]是常数。同时，可以假设针对大的滞后值k，即针对大的延时，NL引起的相位噪声φ_NL[n]的自相关趋于零。因此，可以假设针对大的滞后值 即针对大的滞后值，激光器相位噪声的自相关由测量的相位的自相关给出。而且，大的滞后值可被选择为显著地大于NL引起的相位噪声的自相关函数的宽度。具体地，大的滞后值可被选择为显著地大于下面描述的相关长度L_c，即，

因为很难确定ASE相位噪声的方差Var(φ_n)，可以针对不等于零的滞后值k确定以上的NL引起的相位噪声的自相关函数。基于针对k≠0得到的R_NL[k]的值，可以插入k＝0处的NL引起的相位噪声的自相关值。具体地，自相关R_NL[0]可以根据在滞后值k＝-k₀和k＝+k₀处的自相关R_NL[k]来确定。

因此，NL引起的相位噪声φ_LW[n]的自相关函数可以根据在数据相位去除单元401的输出端处的测量的相位值φ[n]的自相关函数使用以下等式来确定：

$R_{\mathrm{NL}}\left[k\right]=\left\{\begin{array}{c}R\left[k\right]-R\left[\hat{k}\right],k\≠0\\ \mathrm{Interpolation}\left(R_{\mathrm{NL}}\right[k],k\≠0),k=0\end{array}\right.,$

其中测量的相位值φ[n]的自相关函数可以根据测量的相位值φ[n]的N个样本的块而被确定为：

$R\left[k\right]=\frac{1}{N-k}\underset{n=1}{\overset{N-k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\φ}\left[n\right]\mathrm{\φ}[n-k],$

即，滞后值为k的相位的自相关函数可被确定为时隙n处的相位值乘以时隙n+k处的相位值的样本块上的平均值。应当指出，自相关函数是对称的，从而典型地只需要确定针对正的k的自相关值，因为R[k]＝R[-k]。

这样，NL引起的相位噪声的自相关函数可以根据数据相位去除单元401的输出端处的测量的相位φ[n]的样本来确定。图6示出了针对在光传输信道中使用的逐渐增加的光输入功率水平的NL引起的相位噪声的几个自相关函数601、602、603、604、605、606。针对范围从-20到+20的滞后值k计算自相关。为了确定自相关函数，考虑约50000个相位样本块，以便得到合适的分辨率。此数目的相位样本符合用于确定载波相位统计的慢DSP的目标。应当指出，图6示出了自相关函数的比例化的或归一化的版本，例如

典型地，非线性失真效应随光输入功率增加而增加。从图6可以看到，NL引起的相位噪声的自相关函数R_NL[k]随光输入功率增加而改变它的形状。因此，NL引起的相位噪声的自相关函数R_NL[k]的形状是光传输信道中产生的非线性失真量的良好的指示或度量。具体地，可以看到，自相关函数R_NL[k]的宽度是非线性失真效应的良好的度量。

图6指示了对应于自相关函数601、602、603、604、605、606的可能的宽度值611、612、613、614、615、616。宽度值L_c可被定义为在自相关函数的最大值的一半处的NL引起的相位噪声的自相关函数的一半宽度。在归一化自相关函数的情况下，宽度值L_c可被定义为在归一化自相关函数的值为0.5处的NL引起的相位噪声的归一化自相关函数的一半宽度。可以看到，可被称为NL引起的相位噪声的相关长度的宽度值L_c随非线性失真程度增加而减小。这样，相关长度L_c可被用作在光传输信道中产生的非线性失真的度量。换句话说，相关长度L_c可被用作光传输信道的质量的度量。

具体地，相关长度L_c可用于确定在载波相位估计单元221的滤波单元402中使用的滤波器的长度。鉴于相关长度L_c适用于正的和负的滞后值k的事实，载波相位估计器221的滤波器的滤波器长度N可被设置为相关长度L_c的两倍长度，即，N＝2*L_c。典型地，最接近值2*L_c的整数被选择为滤波器长度。

所提出的基于NL引起的相位噪声的自相关函数选择载波相位估计器221的滤波器长度的技术的好处，在下面使用由两个偏振状态上的QPSK(即，偏分复用QPSK(PDM-QPSK))进行调制的100Gb/s信道得到的实验结果来展示。涉及80个信道的传输实验在800km距离上进行，对应于循环环路内的两个往返。环路由通过包括色散补偿光纤线轴的两级放大器而隔开的100km的非零色散位移光纤(NZDSF)的四段组成。所有放大器的输出功率以1dB为步长从12dB变化到18dB，以便改变所有信道的信道功率。如以上已经提到的，增加信道功率典型地导致更高程度的非线性损害。因此，传输实验允许在改变非线性损害幅度的情况下评估所提出的技术的性能。

图7中示出了实验结果。x轴722对应于从12dBm到18dBm的信道功率(即-7到-1)。y轴721指示Q²因子，它是传输信道的标准质量度量，并且与误比特率成反比。这样，y轴721表示光传输信道的质量。

在第一实验中，使用具有固定长度的等抽头-权重滤波器来估计载波相位。图7显示了使用长度N＝15的滤波器(参考标记为711)、长度N＝11的滤波器(参考标记为712)、长度N＝7的滤波器(参考标记为713)、和长度N＝3的滤波器(参考标记714)的传输信道的质量。不同的曲线图711、712、713、714显示了导致光纤非线性增加的信道功率的增加要求逐步减小滤波器长度，以优化传输信道的性能。可以看到，随着光纤非线性程度的增加，应当减小滤波器的长度，即根据线性失真与非线性失真之间的比率选择滤波器的长度，其中滤波器长度随着非线性失真比例增加而减小，并且其中滤波器长度随着非线性失真比例减小而增加。

在以下的实验中，已经使用上述的载波相位统计确定技术确定了在载波相位估计器中使用的滤波器的长度。对于不同的非线性程度，即不同的信道功率水平，已经确定了相关长度L_c和对应的滤波器长度N。图6中显示了针对不同的非线性程度的自相关函数，即，自相关函数601、602、603、604、605、606。对于每个信道功率，对应的相关长度L_c也可以根据图6被确定为参考标记611、612、613、614、615、616。当使用相关长度L_c两倍的、并且由此取决于信道功率和信道非线性程度的滤波器长度时，得到传输信道的质量值701、702、703、704、705、706。这个结果展示了所提出的技术的有效性，因为所得到的性能对应于静态地改变滤波器长度时得到的最佳性能。因此，可以看到，所描述的相关性监视提供了载波相位估计器的等抽头-权重滤波器的最优长度的良好的估计，由此实现了有效的和自动的优化技术以减轻相干光传输系统的非线性损害。还可以看到，由于根据非线性损害程度来对滤波器长度进行修改而得到的性能增加是相当显著的(在2dB量级)。这突显出及时调整滤波器长度以适应于变化的信道条件的重要性。

如上所述，自相关统计并且具体地相关长度L_c，可以用于除了载波相位恢复优化以外的其他用途。接收信号的自相关特性可以用作光信号沿给定的网络路径所遭受的非线性损害的定量的度量。这可以是在许多可想到的应用中测量所检测的信号的误比特率的替代方式。此信息可被传送到光网络的控制面，例如节点控制器或网络管理装置，以便在波长分配过程中使用。作为示例，自相关统计可用于在一组可用的信道中选择最适合的光信道用于新的光连接。这可能在交换光网络中特别有用，诸如ASON(自动交换光网络)。

在本文中，已经描述了用于确定光信号在光传输网络中所遭受的非线性失真程度的系统和方法。基于接收的数据，可以较低的计算复杂度确定自相关统计。自相关统计可以用于选择用于载波相位估计的适当长度的滤波器。结果，可以改进传输信道的质量。自相关统计也可以被用作光传输信道的质量度量，由此允许在交换光网络中适当分配光传输信道。

应当指出，说明和附图仅仅示出了所提出的方法和系统的原理。因此，应当理解，本领域技术人员将能够设计虽然这里没有明确地描述或显示但是体现了本发明原理的各种布置。而且，这里叙述的所有示例原理上明确地仅仅意图用于教育目的，以帮助读者理解所提出的方法和系统的原理和由本发明人为促进本领域发展所贡献的构思，并且应被解释为不限于这种具体叙述的示例和条件。而且，这里叙述本发明的原理、方面和实施例以及它们的具体示例的所有的陈述意图涵盖它们的等同方式。

而且，应当指出，以上描述的各种方法的步骤和描述的系统的部件可以由编程的计算机执行。这里，某些实施例还意图涵盖程序存储装置，例如数字数据存储介质，它们是机器或计算机可读的和编码有机器可执行的或计算机可执行的指令程序，其中所述指令执行所述以上描述的方法的步骤的某些或所有的步骤。程序存储装置可以是，例如，数字存储器、诸如磁盘和磁带之类的磁存储介质、硬盘驱动、或光可读数字数据存储介质。实施例还意图涵盖被编程以执行以上描述的方法的所述步骤的计算机。

另外，应当指出，在本专利文献中描述的各种单元的功能可以通过使用专用硬件以及结合适当的软件的能够执行软件的硬件而被提供。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器，由单个共享的处理器，或由其中某些可被共享的多个单独的处理器提供。而且，术语“处理器”和“控制器”的明确使用不应当被解释为排他性地指代能够执行软件的硬件，它可以隐含地包括，但不限于，数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、和非易失性存储装置。也可以包括其它传统的和/或定制的硬件。

最后，应当指出，这里的任何的框图表示体现本发明的原理的例示性电路的概念性视图。同样地，应当理解，任何流程图表、流程图、状态转移图、伪代码等等表示的各种过程，基本上可以在计算机可读介质中表示，并且因此由计算机或处理器执行，不管是否明确地显示出这样的计算机或处理器。

Claims (15)

1.一种用于测量光纤的光传输信道的非线性的方法，所述方法包括：

-在接收机处，提供连续时刻处的多个信号样本；其中

-所述多个信号样本与调制方案和载波相位相关联，所述调制方案允许多个可能的数据相位值；

-在对应的发射机处，所述多个信号样本已经使用所述调制方案进行编码，调制到具有所述载波相位的光载波信号上，并且在所述光传输信道上进行发送；

-所述多个信号样本分别包括多个信号幅度和信号相位；

-所述多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；

-所述多个剩余相位与所述载波相位相关联；

-通过考虑所述调制方案而从所述多个信号相位中去除所述多个数据相位；由此产生所述多个剩余相位；以及

-针对滞后值集合分别确定所述多个剩余相位的自相关值集合；由此产生所述光传输信道的非线性度量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个剩余相位分别包括多个非线性引起的相位噪声值和多个激光器相位噪声值，所述方法还包括：

-针对第一滞后值确定所述多个剩余相位的自相关值；由此产生激光器相位噪声的自相关值；以及

-通过从所述多个剩余相位的自相关值集合中减去所述激光器相位噪声的自相关值，确定非线性引起的相位噪声的自相关值集合。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

-通过对所述非线性引起的相位噪声的所述自相关值集合中针对不等于零的滞后值的多个自相关值进行内插，确定在为零的滞后值处的非线性引起的相位噪声的自相关值。

4.根据权利要求2到3中的任一项所述的方法，还包括：

-确定第二滞后值，所述非线性引起的相位噪声的所述自相关值集合中针对所述第二滞后值的值是所述非线性引起的相位噪声的所述自相关值集合中的最大值的一半；其中所述第二滞后值是所述光传输信道的非线性度量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一滞后值大于所述第二滞后值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

-所述调制方案对应于M-PSK，以及所述去除步骤包括对所述多个信号相位求M次幂；或者

-所述调制方案对应于x-QAM，以及所述去除步骤包括对所述多个信号相位求幂，所述幂与所述调制方案的可能的数据相位值的数目相关联。

7.根据权利要求1所述的方法，其中针对滞后值确定所述多个剩余相位的自相关值集合的步骤包括：

-将第一时刻处的所述多个剩余相位中的一个剩余相位乘以第二时刻处的所述多个剩余相位中的一个剩余相位；其中所述滞后值对应于所述第二时刻与所述第一时刻之间的差值。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

-针对为零的滞后值确定所述多个剩余相位的自相关值；以及

-通过针对所述为零的滞后值的所述多个剩余相位的自相关值，归一化针对所述滞后值集合的所述多个剩余相位的自相关值集合。

9.一种用于确定在光纤的光传输信道上发送的信号的载波相位的多个估计值的方法，所述方法包括：

-在接收机处，接收连续时刻处的多个信号样本；其中

-所述多个信号样本与调制方案和载波相位相关联，所述调制方案允许多个可能的数据相位值；

-在对应的发射机处，所述多个信号样本已经使用所述调制方案进行编码，调制到具有所述载波相位的光载波信号上，并且在所述光传输信道上进行发送；

-所述多个信号样本分别包括多个信号幅度和信号相位；

-所述多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；

-所述多个剩余相位与所述载波相位相关联；

-通过考虑所述调制方案而从所述多个信号相位中去除所述多个数据相位；由此产生所述多个剩余相位；

-根据权利要求4到8中的任一项所述的方法，确定第二滞后值；以及

-利用包括对应于所述第二滞后值两倍的多个滤波器抽头的滤波器来滤波所述多个剩余相位；由此产生多个滤波后的剩余相位，所述滤波后的剩余相位与所述连续时刻处的所述载波相位的多个估计值相关联。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述滤波器抽头的权重是相等的。

11.根据权利要求9或10的任一项所述的方法，其中根据第一时刻之前和之后的时刻处的多个剩余相位中的剩余相位值，确定所述第一时刻的滤波后的剩余相位值。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括：

-将所述多个滤波后的剩余相位除以与所述调制方案相关联的因子；以及

-将所述多个已被除的滤波后的剩余相位展开；由此产生所述连续时刻处的所述载波相位的多个估计值。

13.一种被配置成提供光纤的光传输信道的非线性度量的系统，所述系统包括：

-接收单元，被配置成提供连续时刻处的多个信号样本；其中

-所述多个信号样本与调制方案和载波相位相关联，所述调制方案允许多个可能的数据相位值；

-在对应的发射机处，所述多个信号样本已经使用所述调制方案进行编码，调制到具有所述载波相位的光载波信号上，并且在所述光传输信道上进行发送；

-所述多个信号样本分别包括多个信号幅度和信号相位；

-所述多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；

-所述多个剩余相位与所述载波相位相关联；

-数据相位去除单元(401)，被配置成通过考虑所述调制方案而从所述多个信号相位中去除所述多个数据相位；由此产生所述多个剩余相位；以及

-载波相位统计确定单元(301)，被配置成针对滞后值集合分别确定所述多个剩余相位的自相关值集合；由此产生所述光传输信道的非线性度量。

14.一种被配置成提供连续时刻处的载波相位的多个估计值的载波相位估计单元(221)，所述载波相位估计单元(221)包括：

-接收单元，被配置成提供所述连续时刻处的多个信号样本；其中

-所述多个信号样本与调制方案和载波相位相关联，所述调制方案允许多个可能的数据相位值；

-所述多个信号样本已经使用所述调制方案进行编码，调制到具有所述载波相位的光载波信号上，并且在光传输信道上进行发送；

-所述多个信号样本分别包括多个信号幅度和信号相位；

-所述多个信号相位分别包括多个数据相位和多个剩余相位；

-所述多个剩余相位与所述载波相位相关联；

-数据相位去除单元(401)，被配置成通过考虑所述调制方案而从所述多个信号相位中去除所述多个数据相位；由此产生所述多个剩余相位；

-载波相位统计确定单元(301)，被配置成根据权利要求4到8中的任一项所述的方法确定第二滞后值(611)；以及

-滤波单元(402)，被配置成利用包括对应于所述第二滞后值(611)两倍的多个滤波器抽头的滤波器来滤波所述多个剩余相位；由此产生多个滤波后的剩余相位，所述滤波后的剩余相位与所述连续时刻处的所述载波相位的多个估计值相关联。

15.一种光接收机(300)，包括：

-相干接收机(100)，被配置成接收光信号的同相和正交分量；

-光检测单元(121、122)，被配置成将所述光信号转换成电信号；

-多个模拟-数字转换器(123、124)，被配置成将所述电信号的同相和正交分量转换成数字信号，所述数字信号包括连续时刻处的多个信号样本；其中所述多个信号样本与载波相位相关联；

-根据权利要求14所述的载波相位估计单元(221)，被配置成提供所述连续时刻处的所述载波相位的多个估计值；以及

-载波相位补偿单元(222)，被配置成基于所述载波相位的多个估计值修改所述多个信号样本。