CN104365039B - 在相干光通信中减少周跳 - Google Patents

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Abstract

载波相位估计技术被提供用于处理具有根据调制方案调制的载波的接收到的光信号。对从光载波导出的数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作，该光载波是使用相干光接收从接收到的光信号中获得的。第一载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，并且第二载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波中相对较慢的相位变化以产生第二载波相位估计。计算第一载波相位估计和第二载波相位估计之间的差值。当该差值大于阈值时确定发生周跳。当经低通滤波的差值超过阈值时对第一载波相位估计加以校正。

Description

在相干光通信中减少周跳
技术领域
本公开涉及光网络和通信系统。
背景技术
在相干光通信系统中，光信号的一个或多个光载波在幅度和相位上被调制以用于在光纤上从一点到另一点的传输。在接受器上，接收到的光信号与本地光载波相混合，并且使用信号处理技术来恢复接收到的光信号的一个或多个载波。
周跳在相干光通信系统中是比较常见的。在接收器中进行处理的过程中周跳涉及接收到的符号星座(constellation)的非期望旋转。在接收器中，在解码接收到的符号之前使用载波相位估计器函数/组件。周跳率随着载波相位估计函数的带宽的增加、发送器处的激光相位噪声的增大、放大自发射噪声的增大和交叉相位调制噪声的增大而升高。减少周跳的发生能够提升在接收机处进行的前向纠错解码操作。
附图说明
图1是光通信的框图的示例，其中光接收器包括被配置为减少周跳的多带宽载波相位估计器。
图2是多带宽载波相位估计器的示例框图。
图3是大体描述多带宽载波相位估计器操作的流程图。
图4A-4D是示出了未执行减少周跳操作时光接收器的各个点处的信号的信号图。
图5A-5D是示出了当多带宽载波相位估计器被用于减少周跳时如图4A-4D中的相同点处的信号的信号图。
具体实施方式
概述
提供了用于处理接收到的光信号的载波相位估计技术，接收到的光信号具有根据调制方案调制的光载波。从接收到的光信号中获得光载波，并且将光载波转换成电信号。将电信号转换成由复数表示的数字信号，每个复数根据调制方案与符号星座的星座点相关联。对从光载波导出的数字信号执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作，该光载波是使用相干光接收从接收到的光信号中获得。第一载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较快的相位变化，以产生第一载波相位估计，第二载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较慢的相位变化，以产生第二载波相位估计。计算第一载波相位估计和第二载波相位估计之间的差值。当该差值大于阈值时确定发生周跳。当经低通滤波的差值大于该阈值时对第一载波相位估计加以校正。
示例实施例
首先参考图1，图1示出了包含光发送器50和光接收器100的光通信系统10。光发送器50通过光纤40向光接收器100发送一个或多个光信号。光发送器50和光接收器100之间的距离可达数千千米。
光接收器100包括90°光混合器110、光本地振荡器111、光电转换器(O/E)112、模数转换器(ADC)114、均衡器116和载波恢复部分120。载波恢复部分120的下游是解码器(例如，前向纠错(FEC)解码器)，但为了简单起见在图1中没有示出该解码器。光混合器110是包括线性除法器和组合器的多端口设备，线性除法器和组合器是以使得来自光本地振荡器111(例如，激光器)的本地振荡器(LO)光信号的不同附加和接收到的光信号被获得的方式进行互连。光混合器110和光LO 111组成了相干光接收器，并操作来使用相干光接收技术从接收到的光信号中获得光载波。就这点而言，光混合器110起到光混频器的作用。因为在该配置中光接收器30采用了光混合器110和光LO，所以光接收器30被称为数字相干接收器。
由发送器50发送的光信号包括根据调制方案在幅度和相位上进行了调制的光载波。调制方案的一个示例是正交相移键控(QPSK)。调制方案的其他示例包括8正交幅度调制(QAM)、16QAM等。光混合器110的输出是光载波信号(以用于光信号的发送的波长)。
O/E 112是例如将从光混合器110输出的光载波信号转换成电信号的光电探测器。ADC 114将电信号转换成数字信号，并且均衡器对数字信号执行均衡操作以对光信号路径中的线性和非线性失真以及其他问题做出说明。根据用于调制由光发送器50发送的光信号的调制方案，数字信号以复数的形式表示，其中每个复数与符号星座的星座点相关联。在图1中均衡器116的输出被表示为r[k]，并且r[k]是均衡数字信号。图1示出了包括与复数输入符号相关联的四个点119(1)、119(2)、119(3)和119(4)的符号星座118。需要指出的是图1示出了对一个载波(波长)的信号处理链。在使用多波长子通道(多载波)以同时发送多个光信号(以各自不同的波长)的光系统中，存在针对每个波长的子通道的由光混合器、本地振荡器、O/E、ADC和均衡器组成的信号处理链。
图1示出了信号r[k]的载波相位φ，该载波相位是星座118的达+/-180度的旋转。该载波相位需要被估计并随后通过施加-φ角度的旋转以进行校正。由于例如QPSK星座的90°的模糊(ambiguity)，载波相位估计可能给出90°倍数的误差。这种误差被称为周跳。即使在有周跳的情况下，数字差分编码和解码仍能够用于光接收器100中的硬判决FEC解码器的稳定操作。降低周跳的机率对于在接收器100中“一流的(best-in-class)”软判决FEC解码器的稳定操作是可取的。
载波恢复部分120被配置为使用如下文所述的在均衡数字信号(符号)r[k]上并行执行的第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作来减少周跳。载波恢复部分120包括正规化块122、4次幂[(.)4]块124、延迟块126、旋转块[e-j(.)]128和在4次幂块124和旋转块128之间的多带宽周跳减少块130。正规化块122对复数输入r[k]执行正规化操作以产生正规化复数符号r’[k]。4次幂块124对正规化复数符号r’[k]执行4次幂计算以产生r’4[k]的量。
通常，多带宽周跳减少块130对4次幂块124的输出上执行并行第一载波相位估计操作和第二载波的相位估计操作。具有相对短期平均值的第一载波相位估计操作被执行以追踪接收到的光信号的光载波的相对较快的相位转变，用以产生第一载波相位估计。具有相对长期平均值的第二载波相位估计操作被执行以追踪接收到的光信号的光载波的相对较慢的相位转变，用以产生第二载波相位估计。
多带宽周跳减少块130的输出是提供给旋转块128的角度φunw[k]。旋转块128生成指数矢量以旋转来自延迟块126的延迟符号输出，用以产生复数输出符号r^[k]。图1示出了具有如118’所示的移除或补偿角度φ的复数输出符号r^[k]的示意图。
多带宽周跳减少块130操作的基础理论是交叉相位调制噪声是“零均值”，也就是说它的平均值不发生改变。换句话说，交叉相位调制噪声没有随机游走(walk)。交叉相位调制相位噪声的带宽相对较大，这意味着需要载波相位估计器中的高带宽能够追踪很快的相位改变。第一载波相位估计负责这些(例如由交叉相位调制引起的)相对较快的相位变化。另一方面，激光相位噪声变化缓慢，从而能够使用低带宽(例如，小于2MHz)和较慢的载波相位估计。
载波恢复部分120的操作可以在固定的或可编程的信号处理设备中通过数字信号处理技术(例如，通过被配置为执行本文所述的计算的数字逻辑硬件门)实现。例如，信号处理器设备可以被具体化为专用集成电路(ASIC)、诸如现场可编程门阵列或可编程处理设备(例如，执行存储在计算机可读存储介质(例如存储器)中的软件指令的微处理器150)之类的可编程逻辑设备中的数字逻辑门。存储器152可包括只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电、光或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常存储器152可包括一个或多个编码有软件的有形(非暂态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，该软件包括计算机可执行指令并且当该软件(由处理器150)执行时可操作以执行本文所述的操作。在软件/微处理器实现方式中，处理器150会将均衡器116的输出作为输入接收。
现在参考图2对多带宽周跳减少块130更详细的描述。多带宽周跳减少块130包括具有对内部载波相位估计(内部CPE)带宽取平均的第一平均路径133(1)和对外部CPE带宽取平均的第二平均路径133(2)的双重带宽平均块132。第一平均路径133(1)使量r’4[k]对从-CPEinn/2至+CPEinn/2的符号的第一数量取平均值，并且第二平均路径使量r’4[k]对从-CPEout/2至+CPEout/2的符号的第二数量取平均值，其中，符号的第一数量CPEinn小于符号的第二数量CPEout。第一平均路径133(1)和第二平均路径133(2)可以通过两个加法树或一个加法树实现。在取平均值时，CPE的值越高，就需要对更多的符号取平均，导致载波恢复的较低带宽。为了移除由ASE引起的噪声，CPE的低带宽是可取的。另一方面，为了跟随载波相位的(例如，由于交叉相位调制引起的)快速波动，带宽应该足够高。
第一平均路径133(1)的输出作为输入被提供给内部CPE(高带宽)处理路径134(1)，并且第二平均路径133(2)的输出作为输入被提供给外部CPE(低带宽)处理路径134(2)。处理路径134(1)和134(2)的每一个都有除以4的反正切(1/4 atan(.))操作136，随后是展开(unwrap)操作138。内部CPE处理路径134(1)和外部CPE处理路径134(2)中通过反正切操作计算得出的角度表示从负45度到正45度之间的值。在这些处理路径中的每个处理路径中的展开操作138遵从相位漂移，并且在需要时加上或减去90度，以使得展开的相位张成(span)整个圆。内部CPE(高带宽)处理路径134(1)的输出被称为第一载波相位估计，并且外部CPE(低带宽)处理路径134(2)的输出被称为第二载波相位估计。
当仅有单一平均路径(和单一带宽处理路径)被(作为常见载波相位恢复技术)使用时，对于高相位噪声或高ASE噪声校正展开操作可能被错误地执行导致周跳，从而如图1中118所示在载波恢复后引起符号星座内正/负90度的旋转。这种周跳事件发生的可能性随着载波相位估计器带宽的增加而增加。然而，通过具有两个并行(同步)载波相位估计路径，其中一个(使用高带宽)追踪相对较快的相位变化而另一个(使用低带宽)追踪相对较慢的相位变化，所产生的载波相位估计能够是精确的同时具有比较低的周跳率。内部CPE(高带宽)处理路径134(1)的输出是第一载波相位估计(角度)，并且外部CPE(低带宽)处理路径134(2)的输出是第二载波相位估计(角度)。
内部CPE(高带宽)处理路径134(1)的输出被提供给执行z-n操作的Z变换操作块140，该操作是n个符号周期的延迟。Z变换操作块140的输出被提供给校正(cor)块142的一个输入。Z变换操作块140对控制定时(即施加校正的时间)是有用的。外部CPE(低带宽)处理路径134(2)的输出被提供给加法器144的一个输入。内部CPE(高带宽)处理路径134(1)的输出被提供给加法器144的另一个输入(负输入)，以使得加法器144从外部CPE(低带宽)处理路径134(2)的输出中减去内部CPE(高带宽)处理路径134(1)的输出以产生差值。由加法器144产生的差值是第一载波相位估计与第二载波相位估计之间的差值，并且该差值以90°的倍数表示检测到的符号星座的错误旋转。存在连接到加法器144输出端的低通滤波器，和连接到低通滤波器146输出端的另一个校正块148。
低通滤波器146接收由加法器144输出的差值作为输入。低通滤波器146过滤该差值以产生低通滤波的差量。校正块142和148由比较器149控制。比较器149将低通滤波差值的绝对值和阈值φth进行比较，并且如果低通滤波差值大于阈值，则校正块142和148被激活以施加校正。特别地，如果低通滤波差值超过阈值，则校正块142施加正或负90度的校正，其中使用了低通滤波信号的负号。校正块142对Z-变换块140的输出施加校正以产生从第一载波相位估计导出的相位旋转估计，以φunw表示。通过图1中旋转块128被向复数符号的延迟版本r^[k]施加相位旋转估计。同样地，如果低通滤波差值超过阈值，则校正块148向通过比较器149的比较操作中使用的低通滤波差值施加(正或负90度的)校正。校正块142和148具有完全相同的功能。
现在参考图3对流程图的描述，该流程图描述并总结了多带宽周跳减少块130的操作。在200，接收光信号，该光信号包括已经根据调制方案在幅度和相位上进行调制的光载波，并且该光载波是使用(通过光混合器110和光LO 111的操作的)相干光接收接收到的光信号中获得的。在205，光载波(例如，通过O/E 112)被转换成电信号。在210，电信号被转换成由复数表示的数字信号，每个复数根据调制方案与符号星座的星座点相关联。
在215，对数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作。第一载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，第二载波相位估计操作(通过对接收到的光的光载波的噪声取平均值)追踪相对较慢的相位改变以产生第二载波相位估计。在220，计算第一载波相位估计和第二载波相位估计之间的(低通滤波)差值，以检测符号星座的正或负90度旋转。在225，将低通滤波差值和阈值相比较，当该差值大于阈值时检测到周跳的发生，并且当低通滤波差值超过阈值时(检测到周跳)对第一载波相位估计施加(正或负90度)的校正以产生相位旋转估计。合适的阈值示例是67.5度。在230，基于在操作225得到的相位旋转估计将相位旋转施加到这些复数值。
现在参考图4A-4D。这些示意图示出了当相位旋转未被执行或使用时在图2中标记的点A-D采集到的信号的示例图。图4A示出了外部CPE处理块134(2)的输出端的信号图。图4B示出了cor块142的输出端的信号图。图4B示出了发生在图中标出的时间间隔上的周跳(相位旋转)。图4C示出了计算得出的第一载波相位估计和第二载波相位估计的输出之间的差值的图。图4D示出了未对载波相位旋转进行校正的信号图将包括反映图4B的图中指示的周跳事件的相位偏移。显然，图4B示出了具有周跳并且在周跳发生的时间段内有90度的相位输出的信号，其中该信号被用于控制由旋转块140(图1)施加的相位旋转。
图5A-5D示出了与图4A-4D相似的信号图，但图5A-5D的信号图中施加校正以减少周跳。在本示例中，阈值φth被设定为90度的3/4，即67.5度。图5A和图5C分别是类似于图4A和图4C的信号图。图5D示出了校正块148(在图2中)的输出端的信号，并且由于比较器149确定加法器144的低通滤波输出超过了阈值φth所以图5B示出了当施加校正时校正块142的输出。如图5B所示，通过施加使用图2和图3中描述的信号处理操作进行的周跳检测，载波中的快速变化能够在没有周跳的情况下被追踪。
以下的仿真是为了测试本文所述技术的优点而做出的。该仿真对于低通滤波器146的操作使用了(9个符号的)移动平均数。该仿真所用参数如下：
随机游走相位噪声：σ＝0.05
彩色相位噪声
AWGN：σ＝0.4
慢处理路径和快处理路径的组合：
BER＝2.8e-2
相移概率＝1e-4
因此，该模拟表明使用本文所述的多带宽载波相位估计技术可大大地降低相移，可能伴有BER的略微增加。
总之，本文所述技术涉及高带宽载波相位估计与低带宽载波相位估计的比较。如果两者之间比较的偏差超过阈值，则高带宽载波相位估计的结果被校正(达正/负90度)。Z变换操作(z-n)被用于控制施加载波相位估计校正的时间。
本文所述技术可以被用作估计每单位时间需要进行的校正的次数的周跳估计器。检测到周跳周围的几个符号可以被设置为预定值(例如“0”)以用作可提高FEC解码器性能的“消除(erasure)”。因此，比较器149的输出可用于存储随时间发生的周跳发生次数的指示。
如上面结合图1所述，可在多个波长子通道上同时从光发送器接收光信号。因此，本文所述的周跳减少/补偿技术可用于每个波长子通道。
除本文所述的方法之外，周跳减少技术可体现在包括有光混合器、光电转换器、模数转换器和信号处理器的装置中。光混合器被配置为从光纤接收包括光载波的接收到的光信号以使用本地振荡器光信号获得光载波，该光载波已经根据调制方案在幅度和相位上进行了调制。光电转换器被配置为将光载波转换成电信号。模数转换器被配置为将电信号转换成由复数表示的数字信号，每个复数根据调制方案与符号星座的星座点相关联。信号处理器被耦合以接收数字信号作为输入并被配置为：对数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作，第一载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，并且第二载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较慢的相位变化以产生第二载波相位估计；计算第一载波相位估计和第二载波相位估计之间的差值；以及当该差值大于阈值时确定发生周跳。
此外，减少周跳的概念可以体现在一个或多个编码有软件的计算机可读存储介质中，该软件包括计算机可执行指令，并且当该软件被执行时可操作来：对从接收到的光信号导出的数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作，接收到的光信号的光载波是使用相干光接收获得的，该数字信号由复数表示，每个复数根据用于调制光信号的一个或多个载波的调制方案与符号星座的星座点相关联，第一载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，并且第二载波相位估计操作追踪接收到的光信号的光载波的相对较慢的相位变化以产生第二载波相位估计；计算第一载波相位估计和第二载波相位估计之间的差值；以及当差值大于阈值时确定发生周跳。
以上描述旨在仅作为示例。

Claims (20)

1.一种用于处理光信号的方法，包括：
接收包括光载波的光信号，并使用相干光接收从接收到的光信号中获得所述光载波，所述光载波根据调制方案在幅度和相位上进行了调制；
将所述光载波转换为电信号；
将所述电信号转换为由复数表示的数字信号，每个复数根据所述调制方案与符号星座的星座点相关联；
对所述数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作，所述第一载波相位估计操作追踪所述接收到的光信号的光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，并且所述第二载波相位估计操作追踪所述接收到的光信号的所述光载波的相对较慢的相位变化以产生第二载波相位估计；
计算所述第一载波相位估计和所述第二载波相位估计之间的差值；以及
当所述差值大于阈值时确定发生周跳。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
对所述差值进行低通滤波以产生经低通滤波的差值；
将所述经低通滤波的差值和阈值相比较；以及
当所述经低通滤波的差值大于所述阈值时，向所述第一载波相位估计施加校正，以产生相位旋转估计。
3.如权利要求2所述的方法，其中，向所述第一载波相位估计施加校正包括：施加正或负90度的校正。
4.如权利要求2所述的方法，还包括：在向所述第一载波相位估计施加所述校正之前，对所述第一载波相位估计执行延迟。
5.如权利要求2所述的方法，还包括：向所述数字信号的延迟版本施加所述相位旋转估计。
6.如权利要求1所述的方法，其中，执行所述第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作包括：针对所述第一载波相位估计操作，对第一数量的符号取平均以产生第一平均数，以及针对所述第二载波相位估计操作，对第二数量的符号取平均以产生第二平均数，其中所述第一数量小于所述第二数量。
7.如权利要求6所述的方法，其中，执行所述第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作还包括：使用所述第一平均数的反正切操作计算第一角度，以及使用所述第二平均数的反正切操作计算第二角度。
8.如权利要求7所述的方法，其中，执行所述第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作还包括：对所述第一角度执行展开操作以产生所述第一载波相位估计，以及对所述第二角度执行展开操作以产生所述第二载波相位估计。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：存储随时间的所述周跳的发生次数的指示。
10.如权利要求1所述的方法，还包括：当所述差值大于阈值时向所述第一载波相位估计施加校正。
11.如权利要求1所述的方法，还包括：在检测到所述周跳时将一个或多个符号的值设置为预定值。
12.一种用于处理光信号的装置，包括：
光混合器，其被配置为从光纤接收包括光载波的光信号，并使用本地振荡器光信号从接收到的光信号中获得所述光载波，所述光载波根据调制方案在幅度和相位上进行了调制；
光电转换器，其被配置为将所述光载波转换为电信号；
模数转换器，其被配置为将所述电信号转换为由复数表示的数字信号，每个复数根据所述调制方案与符号星座的星座点相关联；以及
信号处理器，其被耦合以接收所述数字信号作为输入，所述信号处理器被配置为：
对所述数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作，所述第一载波相位估计操作追踪所述接收到的光信号的所述光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，并且所述第二载波相位估计操作追踪所述接收到的光信号的所述光载波的相对较慢的相位变化以产生第二载波相位估计；
计算所述第一载波相位估计和所述第二载波相位估计之间的差值；以及
当所述差值大于阈值时确定发生周跳。
13.如权利要求12所述的装置，其中，所述信号处理器还被配置为：
对所述差值进行低通滤波以产生经低通滤波的差值；
将所述经低通滤波的差值和阈值相比较；以及
当所述经低通滤波的差值大于所述阈值时，向所述第一载波相位估计施加校正，以产生相位旋转估计。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述信号处理器被配置为：向所述第一载波相位估计施加正或负90度的校正。
15.如权利要求14所述的装置，其中，所述信号处理器还被配置为：向所述数字信号的延迟版本施加所述相位旋转估计。
16.如权利要求12所述的装置，其中，所述信号处理器还被配置为：存储随时间的所述周跳的发生次数的指示。
17.一种用于处理光信号的设备，包括：
用于接收包括光载波的光信号并使用相干光接收从接收到的光信号中获得所述光载波的装置，所述光载波根据调制方案在幅度和相位上进行了调制；
用于将所述光载波转换为电信号的装置；
用于将所述电信号转换为由复数表示的数字信号的装置，每个复数根据所述调制方案与符号星座的星座点相关联；
用于对从接收到的光信号导出的数字信号并行执行第一载波相位估计操作和第二载波相位估计操作的装置，所述第一载波相位估计操作追踪所述接收到的光信号的所述光载波的相对较快的相位变化以产生第一载波相位估计，并且所述第二载波相位估计操作追踪所述接收到的光信号的所述光载波的相对较慢的相位变化以产生第二载波相位估计；
用于计算所述第一载波相位估计和第二载波相位估计之间的差值的装置；以及
用于当所述差值大于阈值时确定发生周跳的装置。
18.如权利要求17所述的设备，还包括：
用于对所述差值进行低通滤波以产生经低通滤波的差值的装置；
用于将所述经低通滤波的差值和阈值相比较的装置；以及
用于当所述经低通滤波的差值大于所述阈值时对所述第一载波相位估计施加校正以产生相位旋转估计的装置。
19.如权利要求18所述的设备，其中，用于施加所述校正的装置被配置为向所述第一载波相位估计施加所述校正，所述校正包括正或负90度的校正。
20.如权利要求19所述的设备，还包括：用于向所述数字信号的延迟版本施加所述相位旋转估计的装置。
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