CN103620989B - 用于相干光信号的正交时间偏斜检测 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于检测和测量高速DP‑QPSK相干光接收器中的时间偏斜的方法。

Description

用于相干光信号的正交时间偏斜检测

相关申请的交叉引用

本说明书要求保护对名称为“Quadrature time skew detection for coherentoptical signals”且2011年3月1日提交的美国临时申请No. 61/448,105和名称为“Quadrature time skew detection for coherent optical signals”且2011年9月23日提交的美国实用新型申请No. 13/243,885在35 U.S.C.§ 119(e)下的优先权，这两个申请的全部公开通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及光通信系统，且特别涉及高速光相干接收器中的时间偏斜（skew）检测。

背景技术

下一代长途光纤通信系统被设计成在1,000千米或更多的距离上以每秒100吉比特进行操作。已经提出相干光接收器来作为用于高速光纤系统的传统直接检测接收器的替换方案，因为除了其他原因之外它们恢复光电场的相位。当已知光信号的同相（I）和正交（Q）分量时，线性信道损伤的精确均衡在原理上是可能的，并且可以减小非线性损伤的影响。

相干光通信系统中的时间“偏斜”涉及系统的I和Q信道中发送的数据之间的定时未对准。理想地，I和Q中的高速数据比特同步地到达接收器。然而，实际上，I中的数据可以稍稍在Q中的数据之前或之后到达，并且数据被称为“偏斜”。当偏斜被最小化时，获得最佳接收器性能（例如最低误比特率）。然而，在偏斜可以被校正之前，必须首先检测和测量偏斜。

附图说明

图1是用于测量高速正交相移键控（QPSK）光信号的正交分量之间的偏斜的系统和方法的示意图。

图2是用于演示在本说明书中公开的技术的实验设置的框图。

图3A和3B示出Q因子惩罚相对于X和Y偏振中I-Q偏斜的等高线图，并表示利用结合图2描述的实验设置获得的实验结果。

图4是用于测量和调整通信系统中的高速正交相移键控（QPSK）光信号的正交分量之间的偏斜的另一系统和方法的示意图。

具体实施方式

本说明书描述了用于检测高速相干光接收器中的偏斜的方法。所公开的方法允许测量超高速（例如，>1Gb/s）QPSK光信号的I和Q分量之间的时间偏斜的符号和量值二者。在32Gb/s光学测试系统中，利用皮秒分辨率在多达一半比特周期的范围内测量了偏斜。偏斜测量基于在接收到已知测试信号时产生的经过滤波的I和Q信号的相关。

在相干光学系统中，光信号载波和光学本地振荡器（LO）之间的频率偏移和激光相位噪声导致所接收到的信号具有上和下边带，其阻止通过在检测和采样之后使I和Q简单地相关来获得有用结果。然而，对信号进行滤波以移除边带之一导致作为偏斜的函数的相关。

图1是用于测量高速QPSK光信号的正交分量之间的偏斜的方法100的示意图。在图1中，将所发射的光信号105与本地振荡器（LO）信号110 进行混频115，以生成所接收到的光信号120 。这里，是测试数据信号，是发射器载波频率，是本地振荡器频率，是LO和发射器频率之间的差，且是发射器和LO信号之间的相位差。可以通过仅以正交分量之一发送测试信号来迫使其成为实数（即，不是复数）。

在检测125之后，所接收到的信号的同相分量和正交分量是：

其中是同相（I）和正交（Q）数据信号之间的时间偏斜。通过模数转换（ADC）130和135来对这些信号进行数字化。

现在假设测试数据是正弦的以使得，则：

可以使用三角恒等式将它们重写为：

。

和（等式（5）和（6））中的每一个具有下边带分量和上边带分量。快速傅里叶变换（FFT）140和145识别这些频率分量，并且数字低通滤波（LPF）150和155移除高频（即上边带）项，留下：

。

在可替换实施方式中，可以使用高通滤波来移除等式（5）和（6）中的低频项而不是高频项。滤波留下和，每一个在相关之前具有仅一个频率。

和的相关160给出：

。

在等式（9）中，T是正弦函数的周期。可以在时域或频域中执行相关（9）。

因此，I和Q之间的偏斜165可以被写为：

其中和是在滤波后的所接收到的测试信号的同相分量和正交分量，以确保每一个具有仅一个频率分量。可以被估计为滤波前的或（等式（5）和（6））的傅里叶变换中的音峰之间的距离的一半。在可替换实施方式中，可以被忽略。可以根据经过滤波的频率分量的相关来确定偏斜的符号和量值二者。在偏振复用QPSK系统中可以将图1的方法独立地应用于每个偏振。

在上面的示例中，是纯正弦信号。然而，更一般地，任何周期性信号可以被表示为正弦曲线的叠加。因此，只要具有可被识别的主导频率分量，就可以使用上面的方法。

可以通过在初始化或测试数据序列中使用周期性数据模式（例如）来生成正弦信号。为了方便起见，如果在比特率保持恒定的同时“1”和“0”比特被重复N次，则这样的信号的频率可以除以N。例如，通过发送，测试模式的频率可以除以N=2。一般来说，可以从0和1比特的模式来构造光QPSK测试信号，其中该模式的周期是比特周期的整数（1、2、3、4等等）倍。

当I和Q之间的偏斜大于一个比特周期时，低频数据模式（例如N=2、3、4…）可以用于粗略偏斜估计和校正。那么，对于精确测量和精细偏斜调整，可以增加测试数据的频率，即N=1。因此，可以使用两部分过程，其中可以利用具有比其比特周期的两倍更长的周期的测试信号来测量多比特周期偏斜，并且然后可以利用具有等于其比特周期的两倍的周期的测试信号来测量子比特周期偏斜。下面结合图4描述用于测量和调整通信系统中的偏斜的这种两部分过程的示例。

测试信号的一个示例性源是由（标称）67%光归零（RZ）调制器（“RZ雕刻机”）调制的CW光源。CW源和67% RZ雕刻机产生交替相位、67%占空比、周期性模式，其可以被用于本说明书中描述的方法中的。使用图2中示出的系统执行了当使用67% RZ雕刻机作为信号源时对误比特率相对于X和Y偏振中I-Q时间偏斜的测量，并且在图3A和3B中呈现所述测量。可替换地，可以使用50%或33% RZ雕刻机来生成测试信号。50%雕刻机需要全时钟速率输入，而67%和33%雕刻机以一半时钟速率输入来操作。

在图2中，“RZ”是归零雕刻机，“PM-QPSK”意指偏振复用-正交相移键控，“CW”意指连续波，“PBS”是偏振分束器，且“PMS”是偏振保持分束器。“档1”和“档2”标记开关的两个位置。在位置“档1”中，RZ雕刻机的输出提供接收器的用于偏斜（等效地，“延迟”）测量的光测试信号。在位置“档2”中，PM-QPSK调制器创建用于接收器性能测试的光数据信号。

在图2的系统中，具有用于每个信道的可变偏斜控制的四信道50Gs/s范围监视光QPSK接收器的X和Y偏振的I和Q输出。在实验中，在开关处于位置“档1”中的情况下根据上面的等式（10）校准了对于X和Y偏振的接收器中I和Q信号之间的时间延迟。接下来，在开关处于位置“档2”中的情况下，将实时126Gb/s信号引入到接收器输入端并且在该范围内收集了数据。在零延迟位置周围执行了二维参数扫描（即，X偏振I-Q偏斜和Y偏振I-Q偏斜）。使用离线计算记录和处理了对于每个点的数据，所述离线计算包括定时恢复后跟利用64抽头半符号间隔自适应均衡器的均衡。该过程被重复两次：一次以背靠背配置（没有光传输线）且一次针对具有1,700ps/nm色散的光传输线。

图3A和3B示出Q因子惩罚相对于双偏振正交相移键控（DP-QPSK）相干光接收器的X和Y偏振中I-Q偏斜的等高线图。图3A示出背靠背传输的结果，而图3B示出具有1,700ps/nm色散的光纤通过100km的传输的结果。在图3A和3B中，轴是X和Y偏振的I和Q分量之间的时间偏斜，并且根据上面的等式（10）来确定零偏斜点（即，曲线图的中心）。

等高线示出了零偏斜是最佳误比特率性能的点。每个等高线使用误比特率来表示Q因子惩罚中的0.5dB变化。惩罚是关于X和Y偏振分量对称的。对于零色散，针对仅一个偏振中多达6ps偏斜（在X中6ps，在Y中0ps）或者X和Y偏振中多达4ps偏斜（在X中4ps，在Y中4ps）获得0.5dB或更小的Q惩罚。色散提高了对偏斜的灵敏度：当存在1,700ps/nm色散时，针对仅一个偏振中仅3ps偏斜或者这两个偏振中少达2ps偏斜获得0.5dB惩罚。

用于确定DP-QPSK光接收器中I/Q时间偏斜的符号和量值的方法基于在进行滤波之后使所接收到的测试信号相关。可以从RZ雕刻机或使用二进制测试数据序列生成测试信号。在通信系统中，可以不时地将数据散置于测试数据序列以允许动态偏斜监视和校正。可以使用上面在本说明书中描述的方法来执行这样的偏斜监视。

图4示出用于测量和调整通信系统中的偏斜的过程400的示例的流程图。在405处，相干光发射器发射具有比其比特周期的两倍更长的周期的第一光QPSK测试信号。在410处，相干光接收器接收所发射的第一光QPSK测试信号。在420处，相干光接收器将上面结合图1描述的方法100应用于所接收到的第一光QPSK测试信号。在430处，作为将方法100应用于第一光QPSK测试信号的结果，相干光接收器获得第一光QPSK测试信号的I和Q分量之间的多比特周期偏斜。在440处，响应于已获得多比特周期偏斜，相干光接收器指示相干光发射器减小所发射的光QPSK信号的I和Q分量之间的多比特周期偏斜。例如，这样的指示可以由相干光接收器经由反馈信号发射到相干光发射器。

在445处，响应于来自相干光接收器的指示，相干光发射器减小所发射的光QPSK信号的多比特周期偏斜。在455处，作为减小多比特周期偏斜的结果，相干光发射器发射具有等于其比特周期的两倍的周期的第二光QPSK测试信号。在460处，相干光接收器接收所发射的第二光QPSK测试信号。在470处，相干光接收器将上面结合图1描述的方法100应用于所接收到的第二光QPSK测试信号。在480处，作为将方法100应用于第二光QPSK测试信号的结果，相干光接收器获得第二光QPSK测试信号的I和Q分量之间的子比特周期偏斜。以这种方式，相干光接收器可以监视从相干光发射器接收到的光QPSK测试信号的多比特周期或子比特周期偏斜。

所公开的方法不仅可以检测存在于所接收到的光信号（诸如（图1中的120））中的偏斜，而且可以检测可存在于数字接收器的电子装置中的偏斜。作为示例，可以通过上面在本说明书中描述的方法来检测源自跨导放大或模数转换的偏斜。

本文档中描述的主题和操作的实施方式连同本文档中公开的光学组件及其结构等同物或者以它们中的一个或多个的组合可以被配置在数字电子电路中或者以计算机软件或固件配置。对于硬件实施方式，可以在一个或多个专用集成电路（ASIC）、混频信号电路、数字信号处理器（DSP）、数字信号处理器件（DSPD）、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、处理器、控制器、微控制器、微处理器和/或被设计成执行本文描述的功能的其他电子单元或者其组合内实现实施例（或其模块）。

当以软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段来实现实施例时，它们可以被存储在机器可读介质（或计算机可读介质）中，诸如存储组件。代码段可以代表过程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类、或者指令、数据结构或程序语句的任何组合。可以通过传送和/或接收信息、数据、主题、参数或存储内容将代码段耦合到另一代码段或硬件电路。

本文档中描述的主题的实施方式可以被配置为在计算机存储介质上编码以由数据处理装置执行或用于控制数据处理装置的操作的一个或多个计算机程序，即计算机程序指令的一个或多个模块。可替换地或附加地，程序指令可以被编码在人工生成的传播信号（例如机器生成的电、光或电磁信号）上，所述传播信号被生成以对要传输到适当接收器装置以由数据处理装置执行的信息进行编码。计算机存储介质可以是计算机可读存储器件、计算机可读存储基底、随机或串行存取存储器阵列或器件或者它们中的一个或多个的组合，或者计算机存储介质可以被包括在其中。此外，尽管计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是在人工生成的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是一个或多个分离的物理组件或介质（例如多个CD、盘或其他存储器件）或者被包括在其中。

本文档中描述的操作可以被实现为由数据处理装置对被存储在一个或多个计算机可读存储器件上的或从其他源接收到的数据执行的操作。术语“数据处理装置”包括用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，举例来说其包括可编程处理器、计算机、芯片上系统或者前述各项中的多个或前述各项的组合。该装置可以包括专用逻辑电路，例如FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路）。除了硬件之外，该装置还可以包括创建所讨论的计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或者它们中的一个或多个的组合的代码。该装置和执行环境可以实现各种不同计算模型基础结构，诸如web服务、分布式计算和网格计算基础结构。

可以以任何形式的编程语言（包括编译或解释语言、说明性或过程语言）来编写计算机程序（也被称为程序、软件、软件应用、脚本或代码），并且它可以以任何形式部署，包括作为独立程序或作为模块、组件、子例程、对象或适于在计算环境中使用的其他单元。计算机程序可以但不必与文件系统中的文件相对应。程序可以被存储在文件中保存其他程序或数据（例如，被存储在标记语言文档中的一个或多个脚本）的部分中、专用于所讨论的程序的单个文件中、或者多个协调文件（例如，存储一个或多个模块、子程序或代码部分的文件）中。计算机程序可以被部署成在一个计算机或者位于一个站点处或分布在多个站点上且由通信网络互连的多个计算机上执行。

可以通过下述操作来执行本文档中描述的过程和逻辑流程：一个或多个可编程处理器通过对输入数据进行操作且生成输出，执行一个或多个计算机程序以实施动作。该过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路（例如FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路））来执行，并且装置也可以被实现为专用逻辑电路（例如FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（专用集成电路））。

举例来说，适于执行计算机程序的处理器包括通用和专用微处理器二者以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这二者接收指令和数据。计算机的必需元件是用于根据指令执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储设备。一般来说，计算机还将包括一个或多个用于存储数据的大容量存储设备（例如磁盘、磁光盘或光盘）或者操作耦合以从所述大容量存储设备接收数据或向其传送数据或这二者。然而，计算机不必具有这样的设备。此外，计算机可以被嵌入到另一设备中，仅举几个例子例如移动电话、个人数字助理（PDA）、移动音频或视频播放器、游戏控制台、全球定位系统（GPS）接收器或便携式存储设备（例如通用串行总线（USB）闪存驱动器）。适于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储设备，举例来说包括半导体存储设备（例如EPROM、EEPROM和闪存设备）、磁盘（例如内部硬盘或可移除盘）、磁光盘、以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者被合并到其中。

为了提供与用户的交互，本文档中描述的主题的实施方式可以被实现在具有用于向用户显示信息的显示设备以及用户可通过其向计算机提供输入的键盘和指点设备的计算机上，所述显示设备例如CRT（阴极射线管）或LCD（液晶显示器）监视器，所述指点设备例如鼠标或轨迹球。也可以使用其他种类的设备来提供与用户的交互；例如向用户提供的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以任何形式从用户接收输入，包括声、话音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户所使用的设备发送文档或者从该设备接收文档（例如通过响应于从网页浏览器接收到的请求将网页发送给用户的客户端设备上的网页浏览器）来与用户交互。

尽管本文档包含许多具体实施细节，但是这些不应该被理解为对任何发明或可要求保护的内容的范围的限制，而是应该被理解为对专用于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在单独实施方式的上下文中本文档中所描述的某些特征还可以在单个实施方式中组合地配置。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何适当子组合配置在多个实施方式中。此外，尽管特征可能在上面被描述为以某些组合起作用且甚至最初由此被要求保护，但是在某些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中消除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，尽管在图中按特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解成需要按所示的特定顺序或按相继顺序来执行这样的操作或者需要执行所有所示的操作来实现期望的结果。在某些情形中，多任务和并行处理可以是有利的。此外，上面描述的实施方式中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，而是应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以被一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。

提供了所公开的实施例的以上描述以使得本领域任何技术人员能够作出或使用本公开。对本领域技术人员来说，对这些实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不偏离本公开的范围的情况下，本文限定的原理可以适用于其他实施例。因此，本公开不意图限于本文所示的实施例，而是应当符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (20)

1.一种用于检测正交相移键控QPSK信号的同相I分量和正交Q分量之间的时间偏斜的方法，包括：

在相干光接收器处接收光QPSK测试信号；

将光QPSK测试信号与由所述相干光接收器本地的振荡器生成的振荡器信号进行混频，所述混频产生所检测到的信号；

利用模数转换器对所检测到的信号的I和Q分量进行采样且计算所述I和Q分量的傅里叶变换；

对经过傅里叶变换的I和Q分量进行滤波；以及

使经过滤波的I和Q分量相关，以获得作为所述相关的结果的时间偏斜。

2.根据权利要求1的方法，所述光QPSK测试信号具有正弦包络。

3.根据权利要求2的方法，所述光QPSK测试信号由通过以测试信号的比特率的一半来操作的标称67%归零雕刻机所调制的连续波光源来生成。

4.根据权利要求2的方法，所述光QPSK测试信号由通过以测试信号的比特率的一半来操作的标称33%归零雕刻机所调制的连续波光源来生成。

5.根据权利要求2的方法，所述光QPSK测试信号由通过以测试信号的比特率操作的标称50%归零雕刻机所调制的连续波光源来生成。

6.根据权利要求2的方法，所述滤波是移除QPSK和本地振荡器信号之间的偏移频率与正弦包络的频率的和频率的低通滤波。

7.根据权利要求2的方法，所述滤波是移除QPSK和本地振荡器信号之间的偏移频率与正弦包络的频率的差频率的高通滤波。

8.根据权利要求1的方法，所述光QPSK测试信号由交替0和1比特的比特模式来生成。

9.根据权利要求1的方法，所述光QPSK测试信号由0和1比特的模式来生成，所述模式的周期是比特周期的两倍。

10.根据权利要求1的方法，所述光QPSK测试信号由0和1比特的模式来生成，所述模式的周期是比特周期的整数倍，其中所述整数大于1。

11.根据权利要求1的方法，其中所述光QPSK测试信号是偏振复用正交相移键控PM-QPSK信号，并且其中对PM-QPSK测试信号的第一偏振执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关，以获得与PM-QPSK测试信号的第一偏振相关联的时间偏斜，以及对PM-QPSK测试信号的第二偏振执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关，以获得与PM-QPSK测试信号的第二偏振相关联的另一时间偏斜。

12.根据权利要求11的方法，其中所述第一偏振和所述第二偏振是正交的。

13.根据权利要求1的方法，其中所述光QPSK测试信号包括具有比其比特周期的两倍更长的第一周期的第一测试信号和具有等于其比特周期的两倍的第二周期的第二测试信号，并且其中对所述第一测试信号执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关以解决多比特周期偏斜，以及对所述第二测试信号执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关以解决子比特周期偏斜。

14.根据权利要求13的方法，其中所述第一测试信号是0和1比特的模式，所述模式的周期是比特周期的整数倍，其中所述整数大于1。

15.根据权利要求13的方法，其中所述第二测试信号是交替0和1比特的比特模式。

16.根据权利要求13的方法，其中

所述第一测试信号是偏振复用正交相移键控PM-QPSK信号，并且其中对所述第一测试信号的第一偏振执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关，以获得与所述第一测试信号的第一偏振相关联的时间偏斜，以及对所述第一测试信号的第二偏振执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关，以获得与所述第一测试信号的第二偏振相关联的第二时间偏斜；以及

所述第二测试信号是另一偏振复用正交相移键控PM-QPSK信号，并且其中对所述第二测试信号的第一偏振执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关，以获得与所述第二测试信号的第一偏振相关联的第三时间偏斜，以及对所述第二测试信号的第二偏振执行所述接收、所述混频、所述采样、所述滤波和所述相关，以获得与所述第二测试信号的第二偏振相关联的第四时间偏斜。

17.根据权利要求16的方法，其中所述第一偏振和所述第二偏振是正交的。

18.一种高速相干光接收器，包括：

光混合器，其包括用于生成本地振荡器信号的本地振荡器，所述光混合器被配置成：

从相干光发射器接收具有比其比特周期的两倍更长的周期的第一光QPSK测试信号，以及

将所述第一光QPSK测试信号与所述本地振荡器信号进行混频以产生第一检测到的信号；以及

包括模数转换器的电路电子装置，其被配置成：

利用所述模数转换器对所述第一检测到的信号的I和Q分量进行采样以及计算所述I和Q分量的傅里叶变换，

对所述第一检测到的信号的经过傅里叶变换的I和Q分量进行滤波，

使所述第一检测到的信号的经过滤波的I和Q分量相关，以获得作为相关的结果的与所述第一检测到的信号的经过滤波的I和Q分量相关联的多比特周期偏斜，以及

响应于已获得所述多比特周期偏斜，指示所述相干光发射器减小测试信号的I和Q分量之间的多比特周期偏斜，

所述光混合器还被配置成：

响应于来自所述高速相干光接收器的指示，从所述相干光发射器接收具有等于其比特周期的两倍的周期的第二光QPSK测试信号，以及

将所述第二光QPSK测试信号与所述本地振荡器信号进行混频，以产生第二检测到的信号；

所述电路电子装置还被配置成：

利用模数转换器对所述第二检测到的信号的I和Q分量进行采样以及计算所述I和Q分量的傅里叶变换，

对所述第二检测到的信号的经过傅里叶变换的I和Q分量进行滤波，以及

使所述第二检测到的信号的经过滤波的I和Q分量相关，以获得作为相关的结果的子比特周期偏斜。

19.根据权利要求18的高速相干光接收器，其中

所述第一和第二光QPSK测试信号分别是第一和第二偏振复用正交相移键控PM-QPSK信号，

所述光混合器被配置成对所述第一和第二PM-QPSK信号进行操作以产生对应第一和第二检测到的信号的第一和第二偏振，以及

所述电路电子装置被配置成：

对所述第一检测到的信号的第一和第二偏振进行操作，以获得与所述第一检测到的信号的第一偏振相关联的多比特周期偏斜，以及与所述第一检测到的信号的第二偏振相关联的第二多比特周期偏斜，以及

对所述第二检测到的信号的第一和第二偏振进行操作，以获得与所述第二检测到的信号的第一偏振相关联的子比特周期偏斜，以及与所述第二检测到的信号的第二偏振相关联的第二子比特周期偏斜。

20.根据权利要求19的高速相干光接收器，其中所述第一偏振和所述第二偏振是正交的。