CN103329497A - 数字解调器架构 - Google Patents

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CN103329497A CN2012800054621A CN201280005462A CN103329497A CN 103329497 A CN103329497 A CN 103329497A CN 2012800054621 A CN2012800054621 A CN 2012800054621A CN 201280005462 A CN201280005462 A CN 201280005462A CN 103329497 A CN103329497 A CN 103329497A
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Abstract

在此描述了多种用于数字解调器装置处理所接收到的光信号的方法、系统和装置。该装置可包括一个正交误差滤波器，该正交误差滤波器接收光信号的数字化版本并消除正交误差，以产生一系列滤波后的数据样本。该装置还可包括一个频率偏移消除模块，用于对该系列滤波后的数据样本进行频率旋转。该装置可包括一个色散补偿模块，其从水平和垂直偏振信道中消除色散。该装置可以包括一个偏振模色散（PMD）/偏振相关损耗（PDL）补偿模块，其补偿PMD和PDL所造成的干扰。该装置还可以包括一个被配置成跟踪和校正相位的相位恢复模块。

Description

数字解调器架构
交叉引用
本申请要求于2011年1月22日提交的题为“高速率光通信（HIGHRATE OPTICAL COMMUNICATION）”的美国临时专利申请号61/435,278及于2011年8月8日提交的题为“数字解调器架构（DIGITAL DEMODULATOR ARCHITECTURE）”的美国专利申请号13/205,431的权益，两者都通过引用以其整体结合于此。
背景技术
本公开涉及用于光纤通信系统中的解调的系统、装置及方法。
网络通信系统中的光纤信道被广泛部署，并且被认为对于数据传输而言十分有效，从而允许相对较高的带宽数据通信。光纤通常是柔韧的并且可以捆绑到电缆中。它经常被用于长途通信，因为与电力缆线相比，光通过光纤传播时几乎没有衰减。当今典型的商业光纤系统在10Gbps或40Gbps下传输数据。在一种被称为波分复用（WDM）的技术中，每个光纤可以携带多个独立的信道，每个信道使用不同波长的光。
由于对带宽的需求增加，提高的数据传输速率将是令人希望的。然而，在光纤系统中，随着数据速率的增加，各种光学现象开始显现并且会限制数据传输速率。例如，来自色散（CD）、偏振模色散（PMD）和偏振相关损耗（PDL）的光学效应开始对数据传输率具有显著影响。
发明概述
在此描述了多种用于数字解调器装置处理所接收到的光信号的方法、系统、装置和计算机程序产品。该装置可包括一个正交误差滤波器，该正交误差滤波器接收光信号的数字化版本并且消除正交误差，以生成一系列校正后的数据样本。该装置可包括一个频率偏移消除模块，用于对该系列校正后的数据样本进行频率旋转。它还可包括一个色散补偿模块用以消除水平和垂直偏振信道中的色散，以及一个偏振模色散（PMD）/偏振相关损耗（PDL）补偿模块用以补偿PMD和PDL所造成的干扰。相位恢复模块可被配置成跟踪和校正相位。
在一些实施例中，码元定时捕获和跟踪模块可使用一个早/晚码元半径匹配方案和PI控制器来估算码元定时，并生成一个误差信号以校正码元定时。帧同步和接口模块可以处理数据，以实现帧同步。可以如在下面更详细描述的实现其他功能。
一个用于所接收到的光信号的数字解调器装置可包括：一个正交误差滤波器模块，被配置成接收光信号的数字化版本并且消除正交误差，以生成一系列校正后的数据样本；一个频率偏移消除模块，被配置成对该系列校正后的数据样本进行频率旋转；一个色散补偿模块，被配置成从水平和垂直偏振信道中消除色散；一个偏振模色散（PMD）/偏振相关损耗（PDL）补偿模块，被配置成补偿PMD和PDL所造成的干扰；以及一个相位恢复模块，被配置成跟踪和校正相位。
在一些实施例中，该正交误差滤波器被配置成通过接收包括水平同相流、垂直同相流、水平正交流、和垂直同相流的四个平行流来接收光信号的数字化版本。该正交误差滤波器可被配置成通过以下方式消除正交误差：检测并且消除同相与正交分量之间的偏斜；检测并且消除直流偏差；检测并且消除同相和正交振幅失衡；和/或检测并且消除同相和正交相位失衡。在一些实施例中，该正交误差滤波器被配置成在其被该频率偏移消除模块接收之前消除该光信号的正交误差。在一些实施例中，该解调信号可以包括硬决策或软决策数据。
在其他实施例中，该装置还包括一个载波频率捕获和跟踪模块，该模块被配置成计算一个频率误差度量用于反馈到该频率偏移消除模块。在一些此类实施例中，该载波频率捕获和跟踪模块可以在该PMD/PDL补偿模块补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后处理该光信号，并且该频率偏移消除模块使用该频率误差度量进行该旋转。
在进一步的实施例中，该装置还可以包括：一个载波频率捕获和跟踪模块，被配置成计算一个滤波后的频率误差度量，用于控制本地振荡器；一个匹配滤波器抽取器，被配置成实现一个插值函数，该插值函数提供了对以码元速率的大致2+ε倍取得的样本的抽取；一个码元定时捕获和跟踪模块，被配置成在该PMD/PDL补偿模块补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后和在该光信号上的载波相位恢复之前进行该光信号的码元定时捕获和跟踪；一个帧同步模块，被配置成相对于彼此偏斜、交换、并旋转所接收到的信道；和/或一个差分解码器，被配置成差分地解码一个解调光信号并将该解码输出提供到该帧同步模块。在各种实施例中，该装置还可以包括一个处理器。
一种系统可包括：用于接收光信号的数字化版本的装置，用于消除正交误差以生成一系列校正后的数据样本的装置，用于对该系列校正后的数据样本进行频率旋转的装置，用于从该光信号的一个处理后版本的水平和垂直偏振信道中消除色散的装置，用于补偿PMD和PDL所造成的干扰的装置，以及用于跟踪和校正相位的装置。
一种方法可包括：接收光信号的数字化版本，消除正交误差以生成一系列校正后的数据样本，对该系列校正后的数据样本进行频率旋转，从该光信号的一个处理后版本的水平和垂直偏振信道中消除色散，补偿PMD和PDL所造成的干扰，以及跟踪和校正相位。
根据一些实施例，接收该光信号的该数字化版本包括接收包括水平同相流、垂直同相流、水平正交流、和垂直同相流的四个平行流。在其他的实施例中，消除这些正交误差包括：检测并且消除同相与正交分量之间的偏斜；检测并且消除直流偏差；检测并且消除同相和正交振幅和相位失衡。该为该光信号消除正交误差发生在该对该光信号进行频率旋转之前。
在一些实施例中，该方法还包括：为该光信号的PMD和PDL补偿后的版本计算一个频率误差度量并且反馈该频率误差度量以在该进行频率旋转的过程中使用；为该光信号的PMD和PDL补偿后的版本计算一个滤波后的频率误差度量并且为一个本地振荡器提供该滤波后的频率误差度量；实现一个插值函数，该插值函数提供了对以码元速率的大致2+ε倍取得的样本的抽取；在对该PMD/PDL补偿模块的补偿补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后和在载波相位恢复之前进行该光信号的码元定时捕获和跟踪；和/或差分地解码一个解调光信号并且提供硬解码输出并且相对于彼此同步所接收到的该硬解码输出的信道。
附图简要说明
参照以下附图，可以实现对本发明的各种实施例的性质和优点的进一步理解。附图中，类似的部件或特征可以具有相同的参考标号。此外，通过在参考标号的后面加上一个短划线和区分类似部件的第二个标号，就可以区分相同类型的各个部件。如果说明书中只使用了第一个参考标号，不管第二参考标号为何，该描述适用于具有相同第一参考标号的任何一个类似部件。
图1是一个包括根据本发明的各种实施例配置的组件的光通信系统的框图。
图2是根据本发明的各种实施例的一个数字编码和调制单元的框图。
图3是根据本发明的各种实施例的一个数字解调和解码单元的框图。
图4是根据本发明的各种实施例的一个解调单元的框图。
图5是根据本发明的各种实施例的一个数字解调单元的框图。
图6是根据本发明的各种实施例的一个正交误差滤波器的框图。
图7是根据本发明的各种实施例的一个PMD/PDL补偿单元的框图。
图8是根据本发明的各种实施例的一个频率捕获和跟踪模块的框图。
图9是根据本发明的各种实施例的一种用于光信号的数字解调的方法的流程图。
图10是根据本发明的各种实施例的一种用于光信号的数字解调的替代方法的流程图。
发明详述
在此描述了多种用于在数字解调器装置中处理所接收到的光信号的方法、系统和装置。可以接收到由四个平行流组成的光信号的数字化版本：水平同相流、垂直同相流、水平正交流、和垂直同相流。该装置可包括一个正交误差滤波器，该正交误差滤波器接收该光信号的该数字化版本并且消除正交误差，以生成一系列校正后的数据样本。该装置还可包括一个频率偏移消除模块，用于对该系列校正后的数据样本进行频率旋转。该设计还可以补偿色散、偏振模色散（PMD）和偏振相关损耗（PDL）。相位恢复模块可被配置成跟踪和校正相位。可以如在下面更详细描述的实现附加功能。
本说明书提供了示例，并不旨在限制本发明实施例的范围、适用性或配置。相反，随后的描述将为本领域普通技术人员提供用于实现本发明实施例的一个促成说明。可以对元件的功能和布置进行各种改动。
因此，各种实施例可以省略、替代、或者添加各种适当的程序或部件。例如，应当认识到，这些方法可以会以与以上描述的不同的顺序执行，并且可以添加、省略或合并各种步骤。并且，相对于某些实施例描述的方面和元件可在各种其他实施例中组合。还应当认识到，以下系统、方法、装置和软件可以是一个更大的系统的单独或共同的部件，其中其他程序可以更为优先或以其他方式修改它们的应用。
在此描述了用于将光纤光缆用作数据传输介质的光通信系统的系统、装置、方法和软件。图1展示了光学数据传送系统100的示例。在本实施例中，光学数据传送系统100包括一个数据源，该数据源向数字编码和调制单元105提供数据。该数据源可包括多个常见数据源中任意一个，如用户电信装置、有线电视运营商头端单元、电信供应商中央局、计算机服务器、或网络附接存储系统，仅举几个例子。在许多实施例中，该数据源生成将要传送通过光学数据传送系统100的显著数量的数据。数字编码和调制单元105接收此数据，并对该数据进行成帧、前向纠错编码和调制功能。电-光（E-O）单元110将该数据转换成光信号，并且通过光纤连接115传输包含该数据的光信号。光纤连接115可以包括这种连接的众所周知的部件，包括光纤电缆。光-电（O-E）单元120接收来自光纤连接115的光信号，并且将该数据变换到电域。数字解调和解码单元120接收该光信号的该数字化版本，并对来自该光信号的数据进行解调、前向纠错解码、和解帧功能。然后，数字解调和解码单元120可以输出该数据（例如，输出到用户电信装置、有线电视运营商头端单元、电信供应商中央局、计算机服务器、或网络附接存储系统）。
图2展示了一个数字编码和调制单元105-a。在图示的实施例中，该数字编码和调制单元105-a包括一个数据传送层成帧器模块205、一个FEC编码器模块210、一个调制器模块215、以及一个发送器光接口模块220。数据传送层成帧器模块205可将接收自该数据源的数据放到包帧中进行传输。这些包帧可以符合光通信系统中使用的包帧的许多公共协议中的一种，其通常包括报头和有效载荷，并还可以包括报尾，如CRC。很好理解的是，在传输过程中报头可以被有效载荷交织，这取决于光传输所用的具体协议。FEC编码器模块210计算并将前向纠错（FEC）信息添加到从数据传送层成帧器模块205收到的数据帧。各种实施例的FEC信息的具体类型一般包括系统地生成的冗余纠错码（ECC）数据，该数据与这些帧一起传输。在一些实施例中可以使用了差分编码。调制器模块215对这些帧和FEC信息进行调制，将该数据转发到发送器光接口模块220。发送器光接口模块220可以向该E-O模块转发调制的数据，其中，可以通过双极性（双极）正交相移键控（QPSK）调制发送到光域中，导致四个平行光流。其他示例中也可以使用其他调制方案。
如图3所示，数字解调和解码单元125-a也可以包括数个模块。在本实施例中，该数字解调和解码单元125-a包括一个接收器光接口模块305、一个解调器模块310、一个FEC解码器模块315、和一个数据传送层解帧器模块320。接收器光接口305是从该O-E单元120的接口。接收器光接口模块305向解调器模块310提供电信号。解调器模块310的各种实施例将在下面进一步详细讨论。来自解调器模块310的信息被提供给FEC解码器模块315进行解码，并可以纠正从纠错码中识别出的传输错误。FEC解码器模块315将解码后的数据提供到数据传送层解帧器模块320，该数据传送层解帧器模块根据光传输中使用的特定协议将来自该信号的数据解帧，并提供输出数据。该数据输出可以是例如一个用户或任何接收系统。
这些部件可以用一个或多个被适配成执行硬件中的部分或全部可应用功能的特定用途集成电路（ASIC）单独或集体实现。可替代地，这些功能可以由一个或多个集成电路上的一个或多个其他处理单元（或处理核）执行。在其他实施例中，可以使用其他类型的集成电路（例如，结构化/平台ASIC，现场可编程门阵列（FPGA）和其他的半定制的IC），其可以以本领域中已知的任何方式编程。每个单元的功能还可以用指令被全部或部分地实现，这些指令体现在存储器中并被格式化以由一个或多个通用或特定用途的处理器执行。
现在转向图4，示出了数字解调器400的一个示例。这可以是图3中展示的解调器模块310的一个示例。数字解调器400包括一个正交误差滤波器模块405、一个频率偏移消除模块410、一个色散补偿模块415、一个PMD/PDL补偿模块420、和一个相位跟踪和恢复模块425。
可以接收到一个光信号的数字化版本。其可以由四个平行流组成：水平同相流、垂直同相流、水平正交流、和垂直正交流（例如来自接收器光接口模块）。正交误差滤波器405接收光信号的数字化版本并且消除正交误差，以生成一系列校正后的数据样本。可以有一个频率偏移消除模块410，用于对该系列校正后的数据样本进行频率旋转。色散补偿模块415从水平和垂直偏振信道中消除色散。PMD/PDL补偿模块420可以补偿PMD和PDL所造成的干扰。该装置还可以包括一个被配置成跟踪和校正相位的相位跟踪和恢复模块425。
在一些实施例中，正交误差滤波器模块405被配置成通过检测和消除同相和正交偏斜、直流偏差、同相和正交振幅失衡、或同相和正交相位失衡来消除正交误差。正交误差滤波器模块405可以在频率偏移消除模块410接收到该光信号的一部分之前消除来自该部分的此类正交误差。在PMD/PDL补偿模块420之后和在相位跟踪和恢复模块425之前还可以有一个载波频率捕获和跟踪模块（未示出）。该载波频率捕获和跟踪模块可被配置成计算一个频率误差度量用于传输到频率偏移消除模块410。该载波频率捕获和跟踪模块可计算一个滤波后的频率误差度量，用于从该装置传输到一个本地振荡器。
现在参见图5，描述了一个解调器单元500。这可以是图4的数字解调器单元400，或是图3的解调器单元310。在本示例中，接收了两个偏振分量，一个水平分量（H）和一个垂直分量（V）。该H和V分量中的每一个包括同相（I）分量和正交（Q）分量两者。作为参考，该水平偏振中的两个分量被称为HI（水平同相分量）和HQ（水平正交分量）。类似地，该垂直偏振中的两个分量被称为VI（垂直同相分量）和VQ（垂直正交分量）。解调器单元500处理这两个偏振分量的该I和Q分量的数字化样本，以恢复所传输的数据。在输入端，解调器单元500接受携带HI、HQ、VI和VQ样本的该四个并行流。在一个实施例中，每个流每时钟包含多个样本。在其输出端，该解调器可向该FEC解码器模块（例如，图3的FEC解码器模块315）提供解调硬决策数据（尽管在其他示例中可以提供软决策数据）。解调器单元500可识别FEC帧的开始。此外，在一些实施例中，解调器单元500接收来自FEC解码器模块315的有关汇聚状态的反馈信号用于纠错。
在一些实施例中，解调器单元500被实现为一个包括数个功能模块的特定用途集成电路（ASIC）。在此类实施例中，解调器单元500可具有一条连接到主机处理器510的控制和监控接口总线505，允许配置解调器参数（滤波器系数、环路增益等）和提取解调器状态。继续参见图5，描述了各种实施例的解调器单元500内的若干子模块。在本实施例中，正交误差滤波器（QEF）模块405-a提供了数据格式化、误差检测和校正功能的集合。在一个实施例中，预期输入数据样本为2进制偏移/偏移2进制格式，并被转换为2的补码格式（2C），用于数字信号处理器内的处理。在一些实施例中，如果需要的话，传入的HI、HQ、VI和VQ流还可以被独立地交换和反相，允许可能转化为偶然反相或IQ交换的任何设计问题。可以处理这些各种实施例的每个数据流以消除偏振偏斜（H和V极之间）以及极内I-Q偏斜。QEF模块405-a可提供四种类型的正交信号误差的检测和消除：I/Q偏斜、DC偏差、I/Q振幅失衡、和I/Q相位失衡。在一些实施例中，可以通过处理器接口独立地启用或禁用所有四个误差检测器，并且通过此相同的接口将所检测到的误差值输出为状态值。QEF模块405-a还可以输出一个可以由该系统的其他部件使用的增益控制信号。
QEF模块405-a与频率偏移消除模块410-a连接。在一个示例中，频率偏移消除模块410-a对来自QEF模块405-a的数据样本进行频率旋转。频率旋转的量由频率误差输入控制，该频率误差输入的来源是载波频率捕获和跟踪（CFAT）模块520。此类频率偏移消除功能可除去该光域中的LO激光调谐剩下的残余频率。色散补偿模块415-a从该水平和垂直偏振信道中消除大量色散。补偿可以通过频域中的滤波器进行应用。在本实施例中，校正量可由来自解调器模块500之外的色散滤波器输入控制，并通过主机处理器510及控制和监控接口总线505提供。
匹配滤波器抽取器（MFD）模块515可以实现一个内插函数，该内插函数提供了对以码元速率的大致2+ε倍（2加一个任意的小正量）取得的样本的抽取。在一个实施例中，该四个数据流中的每一个具有带选定系数的一个独立的FIR滤波器存储体。通过这些滤波器存储体处理传入数据，以便为每个数据流产生每码元两个样本。数据样本被一个样本块汇编器收集并汇编到每流每时钟固定样本数量的块中。该汇编功能可以与每个偏振中的I和Q流完全相同，所以一个汇编块可以为两个流提供服务。PMD/PDL补偿模块420-a可以利用自适应均衡来补偿该光信道中的PMD和PDL所引入的正交偏振干扰、IQ信道干扰、和相邻码元干扰以及其他残余损害，如上述残余色散。在一个实施例中，自适应均衡器以一个或两个样本/码元从MFD模块515吸收数据并且通过带自适应滤波器抽头系数的一个FIR滤波器存储体处理该数据。
在一些实施例中，码元定时捕获和跟踪（STAT）模块525可使用一个早/晚码元半径匹配方案和PI控制器来估算码元定时，并生成一个误差信号以校正码元定时。在实施例中，此STAT模块525还具有一个输出码元锁定指示符的码元定时锁定检测机构。在各种实施例中，该PI控制器有两套增益（用于捕获的宽频带和用于跟踪的窄频带）。当无定时锁定时，可以使用宽带增益，否则可以使用窄带增益。STAT模块525可以在PMD/PDL补偿模块补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后和在该光信号的一部分上的载波相位恢复之前执行该光信号的该部分的码元定时捕获和跟踪。
CFAT模块520可以负责捕获以及跟踪载波频率。载波频率捕获是使用一些技术中的一种实现的，例如通过快速傅立叶变换（FFT）及适当的平均和峰值频率分量检测。CFAT模块520可以为频率偏移消除模块410-a提供一个频率误差输入。在一些实施例中，CFAT模块520还为本地振荡器（LO）频率偏移输出提供了一个控制输出，其可以与来自帧同步和接口模块540的数据一起使用。载波相位跟踪和恢复模块530可使用带块相位估计器和相位旋转功能的前馈算法，以消除残余频率和相位误差。载波相位跟踪和恢复模块530可以对由该PMD补偿模块产生的准时数据样本进行操作。在各种实施例中，差分解码器535可以负责接受来自载波相位跟踪和恢复模块530的码元流（例如，以每码元1个样本）。差分解码器535可以被配置成差分地解码该信号，并向帧同步和接口模块540提供解码输出（例如，硬决策输出数据流）。帧同步和接口模块540处理数据以实现帧同步，并且可包括用于数据调正、帧同步检测、以及时钟传送的功能块。该帧同步模块可被配置成相对于彼此偏斜、交换、并旋转所接收到的信道。
图6展示了正交误差滤波器（QEF）模块405-b的一个示例。这可以是图4或图5的QEF模块405。QEF模块405-b可包括DC偏差消除子模块605、偏斜消除子模块610、I/Q振幅失衡子模块615、I/Q相位失衡子模块620、和误差信号测量模块625。
QEF模块405-b可接收四个平行流：水平同相流（HI）、垂直同相流（VI）、水平正交流（HQ）、和垂直正交流（VQ）。样本可以是来自ADC的二进制偏移/偏移二进制格式，并且可以被转换成2的补码格式（2C），用于该DSP内的处理。
DC偏差消除子模块605可以为每个流检测并消除DC偏差。可以通过一个很窄频带的、第一阶IIR低通滤波器来检测DC偏差。该IIR环路增益可以是在从2-11到2-26可编程的。可以从原始数据样本中减去该滤波器输出值以消除任何DC偏差。每个流的DC偏差值可被提供为状态输出。
偏斜消除子模块610可以处理每个流以消除偏振偏斜（在H和V极之间）以及极内I-Q偏斜。对于偏振偏斜消除可以使用一个延迟元件，其可以使这些极相对于彼此延迟一个可编程数目的整数样本持续时间。这可以允许在校准时间消除粗糙的偏振偏斜。校准时间的任何残余子样本持续时间偏振偏斜或该偏振偏斜中的任何缓慢时间变化以后都可以被PMD均衡器（例如，图4或图5的PMD/PDL补偿模块420）跟踪到。该整数样本延迟可在偏振内的这些I和Q流上独立可得，以帮助消除粗糙的I/Q偏斜。
对于在校准时间的粗糙的I/Q偏斜调整，可以使用偏振偏斜消除过程中提到的移位控制。可以使用内插延迟滤波器来微调I-Q流之间的子样本时间延迟。在校准时间，以及在冷启动时，可以使用试错法来识别偏斜调整设置，该偏斜调整设置提供了QEF块内生成的最低误差信号。为了跟踪此偏斜中随时间的缓慢变化，可以监控与当前偏斜设置相对应的误差信号（以及比当前设置高一和低一的偏斜设置），并且如果用于其他设置的误差信号变得比当前设置更小，DSP可以切换当前偏斜设置。
I/Q振幅失衡子模块615可以测量每个偏振（H和V）的I和Q样本信道之间的平均功率差。I和Q之间的功率差可以乘以一个非常小的增益项（例如，从2-11到2-26可编程）并且所乘得的误差可被输入到一个累加器。该累加器的输出可以作为一个增益应用到该Q信道中的所有样本，从而消除该增益。此失衡消除使该信道达到与该参考信道相同的平均功率（或振幅）水平。
I/Q相位失衡子模块620可以测量每个偏振（H和V）的I和Q样本信道之间的平均互相关。每个偏振的互相关值可以乘以一个非常小的增益项（从2-11到2-26可编程）并输入到一个累加器。该累加器的输出表示I信道‘扩散’到该偏振中的Q信道的量。此值可作为增益应用于给定偏振中的所有I样本，以消除相位失衡。可以从相应的Q样本中减去该乘法的结果，以消除互相关。I/Q相位失衡子模块620的输出可以被转发到图4或图5的频率偏移消除模块410。
I/Q相位失衡子模块620的输出可被馈送到误差信号测量模块625中用于误差测量。该误差可以被反馈回偏斜消除子模块610、I/Q振幅失衡子模块615、及I/Q相位失衡子模块620中用于其处理。
接下来转到图7，框图展示了PMD/PDL补偿模块420-b的一个示例配置。这可以是图4或图5的PMD/PDL补偿模块420。它可包括一个FIR滤波器存储体子模块705、一个自适应EQ抽头更新子模块710、和一个质心校正子模块715。PMD/PDL补偿模块420-b可被配置成检测和消除该光信道中的PMD和PDL所引入的正交偏振干扰、IQ信道干扰、和相邻码元干扰。
在图示的示例中，PMD/PDL补偿模块420-b是一个自适应均衡器，其以2个样本/码元吸收数据（例如，从图5的匹配滤波器抽取器（MFD）模块515），并通过带自适应滤波器抽头系数的FIR滤波器存储体子模块705处理该数据。PMD/PDL补偿模块420-b可接收四个平行流：水平同相流（HI）、垂直同相流（VI）、水平正交流（HQ）、和垂直正交流（VQ）。在一个示例中，FIR滤波器存储体子模块705是一个FIR滤波器存储体，由以每码元2个抽头运转的四个16抽头的复杂滤波器组成。这些滤波器抽头可以被初始化为中心抽头权重为1.0并且所有其他抽头设置为0.0的全通滤波器。启用时这些抽头被该自适应EQ抽头更新算法更新。
在一个示例中，该自适应均衡器抽头更新算法是一个恒模算法（CMA）。此算法将每个偏振上的星座点（在最佳码元定时）驱动到具最小半径变化的期望半径的圆中。该自适应均衡器将以很高的概率汇聚成一个适当地对这两个偏振进行去耦的解决方案。然而，有一些个别情况，该EQ将汇聚成在两个偏振输出上输出相同的偏振。此误差事件是在下游检测到的。检测到该误差时，用于该垂直极输出的滤波器抽头可以被重置。
FIR滤波器存储体子模块705可提供部分输出，自适应EQ抽头更新子模块710接收这些部分输出，根据需要提供进一步的补偿，并输出最后的PMD/PDL补偿的输出。质心校正子模块715被配置成将码元添加到该输出或从该输出中消除码元，以根据需要补偿滤波器抽头中的相应移位。滤波后的输出可以被从PMD/PDL补偿模块420-b发送到图5的CFAT模块520、STAT模块525、和/或载波相位跟踪和恢复模块530。
接下来转到图8，框图展示了载波相位捕获和跟踪（CFAT）模块520-a的一个示例配置。这可以是图5的CFAT模块520。CFAT模块520-a可包括模式选择子模块805、FFT子模块810、平均子模块815、峰值频率检测子模块820、PI控制器子模块825、DFT子模块830、平均分模块840、及频率误差计算子模块845。
CFAT模块负责捕获以及跟踪载波频率。用带适当平均和峰值频率分量检测的一个256点FFT可以实现载波频率捕获。用带适当平均和可变跟踪带宽的一个2点DFT可实现载波频率跟踪。可以通过一个PI控制器处理频率误差，以产生一个滤波后的频率误差。CFAT模块还可以使用一个载波频率锁定检测机构。无频率锁定时，可以使用较宽的DFT带宽，否则可以使用较窄的DFT带宽。该频率锁定信号还可以用来决定图5的帧同步和接口模块540是否应将数据转发到该解码器。
图8中示出的CFAT模块520-a可被配置成对来自两个偏振的准时I/Q数据样本进行操作。CFAT模块520-a不对所有数据样本进行操作，而是每隔64个时钟对256个连续码元的块进行操作以允许块之间的处理时间。可以通过一个4Θ转换块处理传入数据以将QPSK调制折叠成一个音调。根据如模式选择子模块805所确定的操作模式通过两个路径中的一个对4Θ转换块出来的数据进行处理。在启动时，CFAT模块520-a将在捕获模式下，直到大量频率偏移测量是在该频率跟踪环路的跟踪带宽内。一旦该过程完成，该模块将在跟踪模式下运转。
在捕获模式下，可以通过在FFT子模块810中实现的一个256点的复杂FFT处理每个偏振的4ΘI/Q数据。该FFT结果可被输出到平均子模块815，以便一个块平均功能将该复杂的FFT二进制结果块平均到8组FFT上。平均后的FFT结果可被输出到峰值频率检测子模块820，其将该复杂FFT结果转换成幅值响应，并且在该响应内搜索一个有效的峰值频率分量。一旦检测到一个有效峰值，峰值频率检测子模块820便计算出频率误差。该频率误差可被用来更新PI控制器子模块825。在捕获模式下，PI控制器子模块825的输出是大量频率偏移，并被输出来用于调谐该LO激光器。控制状态机可以监控输入到PI控制器子模块825的频率误差。只要该频率误差为非零值（或在一个接近零的阈值以上），该模块的DFT部分（图8的下半部分）可以保持在空闲状态。
当该FFT检测的频率误差为零（FFT的峰值在0分量）时，模式选择子模块805可以控制CFAT模块520-a进入跟踪模式。可以启用该DFT数据处理和相关联的PI控制器并且禁用该FFT逻辑。在跟踪模式下，可以通过DFT子模块830使用一个2点的复杂DFT处理每个偏振的4ΘI/Q数据。DFT子模块830可以在±Δf频率位置计算频率二进制。Δf的值依赖于频率锁定信号的状态。DFT结果被输出到平均子模块840，其将两个复杂DFT的二进制结果块平均到每偏振多个码元价值的数据（symbols worth of data）上。
平均后的DFT结果被输入到一对频率误差计算块，其将平均后的复杂DFT结果转换成每偏振一对幅值。误差值被计算为每偏振正和负幅值的差值。频率误差计算子模块845从这两个偏振中接收频率误差值，并用它们乘以一个加权系数（β），并对它们求和以产生组合双偏振信号的平均频率误差。β的标称值为0.50，但它可以在{0.0，1.0}的范围内被编程。复合频率误差值可以被PI控制器子模块825每数据块使用一次。PI控制器子模块825跟踪模式输出可以是反馈回图4或图5的频率偏移消除模块410的频率误差，以将传入数据位移到基带。PI控制器子模块825跟踪模式输出还可以被用来在跟踪模式下为该LO激光器提供连续的频率误差更新。
图9是根据本发明的各种实施例的一种用于光信号的数字解调的方法900的流程图。该方法900可以由图1或图3的数字解调和解码单元125执行。更具体地，该方法900可以分别由图3、图4或图5的解调器单元310、400、500执行。
在框905中，接收到一个光信号的数字化版本。在框910，消除了正交误差，以生成一系列滤波后的数据样本。在框915，对该系列滤波后的数据样本进行了频率旋转。在框920，从水平和垂直偏振信道中消除了色散。对PMD和PDL所造成的干扰的补偿发生在框925。在框930，相位被跟踪和校正。
图10是根据本发明的各种实施例的一种用于光信号的数字解调的替代方法的流程图。该方法1000可以由图1或图3的数字解调和解码单元125执行。更具体地，该方法1000可以分别由图3、图4或图5的解调器单元310、400、500执行。该方法1000可以是图9的方法900的一个示例。
在框1005中，接收到一个光信号的数字化版本，包括四个平行流：水平同相（HI）流、垂直同相（VI）流、水平正交（HQ）流、和垂直正交（VQ）流。在框1010，消除了I/Q偏斜、DC偏差、I/Q振幅和相位失衡，以生成一系列滤波后的数据样本。在框1015，对该系列滤波后的数据样本进行了频率旋转。在框1020，从水平和垂直偏振信道中消除了色散。对PMD和PDL所造成的干扰的补偿发生在框1025。
在框1030，为该光信号的PMD和PDL补偿的版本计算了一个频率误差度量，该度量被用来在该光信号的稍后部分上进行频率旋转。在框1035，为该光信号的PMD和PDL补偿的版本计算了一个滤波后的频率误差度量用于传输到一个本地振荡器。在框1040，相位被跟踪和校正。在框1045，进行了差分解码以生成硬决策。在框1050，进行了帧同步。
这些部件可由被适配成执行硬件中的部分或全部可应用功能的一个或多个特定用途集成电路（ASIC）单独或集体实现。可替代地，这些功能可以由一个或多个集成电路上的一个或多个其他处理单元（或核心）执行。在其他实施例中，可以使用其他类型的集成电路（例如，结构化/平台ASIC，现场可编程门阵列（FPGA）和其他的半定制的IC），其可以以本领域中已知的任何方式编程。每个单元的功能还可以由指令全部或部分地实现，这些指令体现在存储器中并被格式化以由一个或多个通用或特定用途的处理器执行。
应该注意到，上面所讨论的方法、系统和装置仅旨在示例的目的。必须强调的是，各种实施例可以省略、替代、或者添加各种适当的程序或部件。例如，应当认识到，在替代实施例中，这些方法可以会以与所描述的不同的顺序执行，并且可以添加、省略或合并各种步骤。并且，相对于某些实施例描述的特征可在各种其他实施例中组合。实施例中不同的方面和元件可以类似的方式组合起来。并且，应当强调的是，技术不断发展，并且因此许多元素本质上是示例性的并且不应被解释为限制本发明的范围。
说明书中给出了具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员都应该明白可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，示出众所周知的电路、过程、算法、结构和技术时没有不必要的细节，以避免模糊实施例。
并且，注意到的是实施例可被描述为一个过程，该过程被描绘为一个流程图或框图。虽然每个实施例都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，可以重新安排操作顺序。一个过程可以具有图中不包括的额外步骤。
此外，如本文所披露的，术语“存储器”可以代表一个或多个用于存储数据的装置，包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁性RAM、磁芯存储器、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置或其他用于存储信息的计算机可读介质。术语“计算机可读介质”包括但不限于便携式或固定存储装置、光存储装置、无线信道、sim卡、其他智能卡、和能够存储、包含或携带指令或数据的其他各种介质。
此外，实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言、或其任意组合实现。当在软件、固件、中间件或微代码中实现时，要执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在计算机可读介质中，例如存储介质。处理器可以执行必要的任务。
已经描述了若干个实施例，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明精神的情况下，也可以使用各种修改、替代构造和等同物。例如，以上元素可以仅仅是一个更大系统的部件，其中其他规则可以更为优先或以其他方式修改本发明的应用。并且，可以在考虑以上元素之前、在考虑的过程中或在考虑之后采取一些步骤。相应地，上面的描述不应被视为限制本发明的范围。

Claims (28)

1.一种用于所接收到的光信号的数字解调器装置，该数字解调器装置包括：
一个正交误差滤波器模块，被配置成：
接收一个光信号的数字化版本；以及
消除正交误差，以生成一系列校正后的数据样本；
一个频率偏移消除模块，被配置成对该系列校正后的数据样本进行频率旋转；
一个色散补偿模块，被配置成从水平和垂直偏振信道中消除色散；
一个偏振模色散（PMD）/偏振相关损耗（PDL）补偿模块，被配置成补偿PMD和PDL所造成的干扰；以及
一个相位恢复模块，被配置成跟踪和校正相位。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该正交误差滤波器被配置成通过接收包括水平同相流、垂直同相流、水平正交流、和垂直同相流的四个平行流来接收该光信号的数字化版本。
3.如权利要求1所述的装置，其中，该正交误差滤波器被配置成通过以下方式消除正交误差：
检测并且消除同相与正交分量之间的一个偏斜。
4.如权利要求1所述的装置，其中，该正交误差滤波器被配置成通过以下方式消除正交误差：
检测并且消除直流偏差。
5.如权利要求1所述的装置，其中，该正交误差滤波器被配置成通过以下方式消除正交误差：
检测并且消除同相和正交振幅失衡。
6.如权利要求1所述的装置，其中，该正交误差滤波器被配置成通过以下方式消除正交误差：
检测并且消除同相和正交相位失衡。
7.如权利要求1所述的装置，其中，该正交误差滤波器被配置成在其被该频率偏移消除模块接收之前消除该光信号的正交误差。
8.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
一个载波频率捕获和跟踪模块，被配置成计算一个频率误差度量用于反馈到该频率偏移消除模块。
9.如权利要求8所述的装置，其中，
该载波频率捕获和跟踪模块在该PMD/PDL补偿模块补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后处理该光信号；以及
该频率偏移消除模块使用该频率误差度量进行该旋转。
10.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
一个载波频率捕获和跟踪模块，被配置成计算一个滤波后的频率误差度量，用于控制本地振荡器。
11.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
一个匹配滤波器抽取器，被配置成实现一个插值函数，该插值函数提供了对以码元速率的大致2+ε倍取得的样本的抽取。
12.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
一个码元定时捕获和跟踪模块，被配置成在该PMD/PDL补偿模块补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后和在该光信号上的载波相位恢复之前进行该光信号的码元定时捕获和跟踪。
13.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
一个帧同步模块，被配置成相对于彼此偏斜、交换、并旋转所接收到的信道。
14.如权利要求1所述的装置，进一步包括：
一个差分解码器，被配置成差分地解码一个解调光信号，并将该解码输出提供到该帧同步模块。
15.如权利要求1所述的装置，其中，该解调信号包括硬决策或软决策数据。
16.如权利要求1所述的装置，其中，该装置包括一个处理器。
17.一种系统，包括：
用于接收一个光信号的数字化版本的装置；
用于消除正交误差以生成一系列校正后的数据样本的装置；
用于对该系列校正后的数据样本进行频率旋转的装置；
用于从该光信号的一个处理后版本的水平和垂直偏振信道中消除色散的装置；
用于补偿PMD和PDL所造成的干扰的装置；以及
用于跟踪和校正相位的装置。
18.一种方法，包括：
接收一个光信号的数字化版本；
消除正交误差，以生成一系列校正后的数据样本；
对该系列校正后的数据样本进行频率旋转；
从水平和垂直偏振信道中消除色散；
补偿PMD和PDL所造成的干扰；以及
跟踪和校正相位。
19.如权利要求18所述的方法，其中，该接收该光信号的数字化版本包括：
接收包括水平同相流、垂直同相流、水平正交流、和垂直同相流的四个平行流。
20.如权利要求18所述的方法，其中，该消除这些正交误差包括：
检测并且消除同相与正交分量之间的一个偏斜。
21.如权利要求18所述的方法，其中，该消除这些正交误差包括：
检测并且消除直流偏差。
22.如权利要求18所述的方法，其中，该消除这些正交误差包括：
检测并且消除同相和正交振幅失衡；以及
检测并且消除同相和正交相位失衡。
23.如权利要求18所述的方法，其中，该为该光信号消除这些正交误差发生在该对该光信号进行频率旋转之前。
24.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
为该光信号的PMD和PDL补偿后的版本计算一个频率误差度量；以及
反馈该频率误差度量以在该进行频率旋转的过程中使用。
25.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
为该光信号的PMD和PDL补偿后的版本计算一个滤波后的频率误差度量；以及
向一个本地振荡器提供该滤波后的频率误差度量。
26.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
实现一个插值函数，该插值函数提供了对以码元速率的大致2+ε倍取得的样本的抽取。
27.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
在对该PMD/PDL补偿模块的补偿补偿了PMD和PDL所造成的干扰之后和在载波相位恢复之前进行该光信号的码元定时捕获和跟踪。
28.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
差分地解码一个解调光信号并且提供硬解码输出；以及
相对于彼此同步所接收到的该硬解码输出的信道。
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