CN104615561B - 一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统。片上或者板间的信号发送节点发出的信号分别依次经过各自的信号调制器和电光转换器后输入到光信号传输模块，光信号传输模块的各路输出信号分别经光电转换器连接到多输入多输出信号处理模块进行信号均衡处理，多输入多输出信号处理模块的各路输出信号分别经各自的信号解调器连接到对应的信号接收节点，光信号传输模块中光信号的传输采用模分复用‑解复用结构、波分复用‑解复用结构或者平板波导。本发明有效提高了片上或者板间互连节点之间的传输容量，同时降低了器件制作的工艺要求，保证了传输质量，使得片上或板间光互连的性能和可靠性得到提高，拓展了其应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号传输系统，尤其是涉及一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统。
背景技术
随着大规模集成电路的发展，传统的电互连方式逐渐显现出带宽低、时延高、能耗高、抗干扰性差等方面的缺点。而光互连由于其带宽高、低延时、低能耗、串扰小等特点，在未来通信系统的应用具有很大潜力。目前，片上和板上多核系统的快速发展，对互连传输能力提出了更高的要求，进一步扩展光互连的传输容量具有重要意义。
将模分复用、波分复用或平板波导自由传输等技术应用在片上板间光互连中，可以有效的增加单条波导的传输容量，满足多核系统对传输带宽的要求。在理想情况下，基于模分复用或波分复用的传输系统，在同一波导传输的不同的信号互不干扰。然而，由于实际中器件工艺的限制，不同信号之间总是存在着一定的串扰，影响了传输质量。而多路光信号在平板波导中自由传输时，信号之间的串扰更是无法避免。因此本发明所提出的传输系统需要引入多输入多输出信号处理技术对多路信号进行处理，消除信号之间的串扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统，其所实现的互连传输容量的增加和器件制作工艺要求的降低，使得片上或者板间光互连传输具有更大现实意义和应用前景。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括信号调制器、电光转换器、光信号传输模块、光电转换器、多输入多输出信号处理模块和信号解调器；片上或者板间的信号发送节点发出的信号分别依次经过各自的信号调制器和电光转换器后输入到光信号传输模块，光信号传输模块的各路输出信号分别经光电转换器连接到多输入多输出信号处理模块进行信号均衡处理，多输入多输出信号处理模块的各路输出信号分别经各自的信号解调器连接到对应的信号接收节点，光信号传输模块中光信号的传输采用模分复用-解复用结构、波分复用-解复用结构或者平板波导。
所述的多输入多输出信号处理模块采用基于训练序列的均衡方法或者盲均衡方法对输入的信号进行均衡处理。
所述的信号发送节点和信号接收节点的数量为任意大于等于2的整数。
所述的信号调制器的信号调制方式为开关键控、相移键控或者正交幅度调制。
本发明的有益效果是：
本发明充分利用波分复用、模分复用或平板波导自由传输等复用技术，在单条波导中传输多路光信号，大大增加了单条波导的传输容量。针对单条波导传输多路信号不可避免的信号串扰问题，在电域对多路信号进行统一的多输入多输出信号处理，消除多路信号之间的串扰，使得信号的传输质量得到保证。同时，由于多输入多输出信号处理技术的引入，可以弥补器件工艺水准不足所带来的串扰较高的问题，降低了对器件工艺的要求，使得多路复用传输技术更具可行性。综上，本发明可广泛用于实现高速片上板间光互连传输系统。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图2是实施例不同调制方式下误码率与光信噪比的关系图。
图3是实施例中不同光信噪比下误码率与串扰的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括信号调制器、电光转换器、光信号传输模块、光电转换器、多输入多输出信号处理模块和信号解调器；片上或者板间的信号发送节点发出的信号分别依次经过各自的信号调制器和电光转换器后输入到光信号传输模块，光信号传输模块的各路输出信号分别经光电转换器连接到多输入多输出信号处理模块进行信号均衡处理，多输入多输出信号处理模块的各路输出信号分别经各自的信号解调器连接到对应的信号接收节点，光信号传输模块中光信号的传输采用模分复用-解复用结构、波分复用-解复用结构或者平板波导，即传输方式采用模分复用传输、波分复用传输或者平板波导自由传输。
如图1所示，本发明信号从多个发送节点发出，经过复用传输后被相应的接收节点接收，传输过程中在电域对信号进行处理，以实现单条波导大容量传输。多个信号发送节点发出的信号经过调制和电光转换后进入光信号传输模块，然后各路信号分别经过光电转换后进入多输入多输出信号处理模块进行处理，最后经过信号解调到达相应的信号接收节点。
多输入多输出信号处理模块采用基于训练序列的均衡方法或者盲均衡方法对输入的信号进行均衡处理。
信号发送节点和信号接收节点的数量为任意大于等于2的整数。
信号调制器的信号调制方式为开关键控(OOK)、相移键控(MPSK)或者正交幅度调制(MQAM)。
本发明的具体实施过程如下：
1)首先对N个信号发射节点发出的信号进行调制，信号的调制方式可以是开关键控、相移键控或者正交幅度调制，这里N为大于等于2的整数。
2)调制后的信号进行电光转换。若光信号传输使用波分复用，则有N个光源；若光信号传输使用模分复用或者平板波导自由传输，则只使用一个光源。
3)N路光信号进入同一个光信号传输模块。若光信号传输使用模分复用，则光信号依次经过模分复用器、传输波导和模分解复用器；若光信号传输使用波分复用，则光信号依次经过波分复用器、传输波导和波分解复用器。若光信号传输使用平板波导自由传输，则光信号经过平板波导。
4)N路光信号分别经过光电转换后变为电信号，其中光电转换利用光探测器实现。
5)光电转换后的所有信号统一进入多输入多输出信号处理模块中，信号处理模块使用基于训练训练的均衡方法对信号进行处理。
6)经过多输入多输出信号处理模块处理的信号又分为N路，分别被对应的信号接收节点所接收。
其中，5)所使用的信号处理方法如下：
多路光信号在单条波导中的传输可以用传输矩阵H表示，为了进行多输入多输出信号处理，首先需要对传输矩阵H进行估计。
传输矩阵H使用LS(最小二乘)信道估计法进行估计，LS信道估计法需要最小化代价函数J(H)：
J(H)＝||yT-xTH||2＝(yT-xTH)H(yT-xTH)
令代价函数关于H的偏导数为0，即
可得LS信道估计的解为
HLS＝xT -1yT
其中，H为传输矩阵，HLS为LS估计得到的传输矩阵，(·)H表示矩阵的厄米共轭，(·)-1代表矩阵的逆，xT为训练序列，yT为对应于训练序列的接收信号。
估计得到的信道矩阵可以用于信号的均衡。信号的均衡使用复杂度很低的均衡方法。
A、一种方法为ZF(迫零)方法。ZF方法使用信道频率响应矩阵的逆来消除信号失真。理想情况下，如果系统不存在噪声，ZF方法可以完全消除模式间干扰(IMI)。该方法的均衡矩阵如下：
W＝pinv(H)＝(HHH)-1HH
则均衡得到的发送信号为：
其中W为均衡矩阵，H为传输矩阵，pinv(H)表示H的伪逆，HH表示H的厄米共轭。(·)-1代表矩阵的逆，为均衡得到的发送信号，y为接收到的信号。
B、另一种方法为MMSE(最小均方误差)方法。相比于ZF方法，MMSE方法可以在一定程度上抑制噪声，但是需要知道噪声和发送信号的统计特征。MMSE方法需要找到一个均衡矩阵W，使得下式最小：
当上式最小时，W可以表示为
则均衡得到的发送信号为
其中，E代表总体平均，W为均衡矩阵，H为传输矩阵，HH表示H的厄米共轭，(·)-1代表矩阵的逆，为均衡得到的发送信号，y为接收到的信号，和分别是噪声和发送信号的方差，I表示单位矩阵。
本发明的实施例如下：
为了证实本发明方法在片上或板间光互连传输的有效性，通过实施例进行验证。
实施例1
仿真系统的结构与图1所示相同，光信号传输模块使用模分复用-解复用结构，信号发送节点数和信号接收节点数均为4。4个信号发送节点发出的信号经各自的数字信号调制器调制后，分别使用马赫-曾德尔调制器进行电光转换，所有马赫-曾德尔调制器的输入光由同一个光源提供。4路调制后的光信号通过模分复用器，分别激发不同的模式，在同一条传输波导中进行传输，而后模分解复用器将传输波导中的光信号再次分为对应的4路光信号，分别经光探测器由光信号转换为电信号。4路电信号统一进入数字信号处理器进行多输入多输出信号处理，处理得到的4路信号分别经数字信号解调器解调后被相应的信号接收节点接收。
实施例2
仿真系统的结构与图1所示相同，光信号传输模块使用波分复用-解复用结构，信号发送节点数和信号接收节点数均为4。4个信号发送节点发出的信号经各自的数字信号调制器调制后，分别使用马赫-曾德尔调制器进行电光转换。每路信号电光转换所使用的马赫-曾德尔调制器的输入光由一个光源提供，传输系统所使用的4个光源的波长相互不同。4路调制后的光信号通过波分复用器后合为一束光，在同一条传输波导中进行传输，而后波分解复用器将传输波导中的光信号再次分为对应的4路光信号，分别经光探测器由光信号转换为电信号。4路电信号统一进入数字信号处理器进行多输入多输出信号处理，处理得到的4路信号分别经数字信号解调器解调后被相应的信号接收节点接收。
实施例3
仿真系统的结构与图1所示相同，光信号传输模块使用平板波导，信号发送节点数和信号接收节点数均为4。4个信号发送节点发出的信号经各自的数字信号调制器调制后，分别使用马赫-曾德尔调制器进行电光转换，所有马赫-曾德尔调制器的输入光由同一个光源提供。4路调制后的光信号进入同一个平板波导中并行传输，而后分别经光探测器由光信号转换为电信号。4路电信号统一进入数字信号处理器进行多输入多输出信号处理，处理得到的4路信号分别经数字信号解调器解调后被相应的信号接收节点接收。
上述实施例具体的仿真参数如下进行设置。
单路信号比特速率为50Gbit/s，每比特采样数为8，采样速率为400GHz，仿真时间窗为5.24μs。马赫-曾德尔调制器的消光比为60dB，插入损耗为5dB。光探测器的灵敏度为1A/W，暗电流为10nA。光信号传输采用模分复用传输或平板波导自由传输时，光源的频率为193.1THz，功率为1mW，线宽为0.1MHz。光信号传输采用波分复用传输时，4个光源的频率为分别为192.9THz、193.1THz、193.3THz和193.5THz，4个光源的功率均为1mW，线宽均为0.1MHz。采用基于训练序列的多输入多输出均衡方法，信道估计使用LS信道估计方法，信号的均衡使用ZF方法。
实施例的仿真结果如下：
图2表示使用不同的信号调试方式时，传输系统的误码率与OSNR(光信噪比)的关系。图中各个图线代表含义见右上方图例。
可以看到随着OSNR的增大，无论采用何种信号调制方式，其误码率都逐渐下降。当其他条件保持不变时，使用更高阶的信号调制，其误码率相对于低阶的调制有所上升。当实际传输系统的OSNR较高时，高阶与低阶调制都可以实现较好的误码率。在满足信号传输误码率的前提下，使用相对高阶的信号调制可以实现更大的传输容量。
图3表示OSNR分别为14dB、16dB和18dB时，传输系统使用和不使用多输入多输出信号处理时误码率和多路信号之间的串扰的关系。图中各个图线代表含义见左上方图例。
可以看到，当多路信号之间的串扰逐渐增加时，如果不使用多输入多输出信号处理，传输系统的误码率会快速上升，使得误码率难以满足正常传输的需要。而使用多输入多输出信号处理后，虽然随着串扰的增大，传输系统的误码率也有所增加，但是相比于不使用多输入多输出信号处理，其误码率已经得到较大的改善。这使得器件制作工艺水准不足带来的高串扰可以利用多输入多输出信号处理技术进行弥补。
另外，可以注意到当串扰较小而OSNR较低时，使用多输入多输出信号处理技术后其误码率反而较不使用时略微增大，这是因为ZF均衡方法会对噪声有一定的放大，导致误码率增大。当OSNR较大时，即使在串扰很低时，使用多输入多输出信号处理技术依然可以在一定程度上降低误码率。而实际中的片上板间互连系统的OSNR为一个较高的值，这使得使用多输入多输出信号处理技术更具有现实意义。
由此，本发明的基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统在增大光互连传输容量，降低器件工艺要求，推动片上板间光互连系统的实用化上有较大潜能，具有显著的技术效果。上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统，其特征在于：包括信号调制器、电光转换器、光信号传输模块、光电转换器、多输入多输出信号处理模块和信号解调器；片上或者板间的信号发送节点发出的信号分别依次经过各自的信号调制器和电光转换器后输入到光信号传输模块，光信号传输模块的各路输出信号分别经光电转换器连接到多输入多输出信号处理模块进行信号均衡处理，多输入多输出信号处理模块的各路输出信号分别经各自的信号解调器连接到对应的信号接收节点，光信号传输模块中光信号的传输采用模分复用-解复用结构、波分复用-解复用结构或者平板波导；
所述的多输入多输出信号处理模块进行信号均衡处理具体是：
多路光信号在单条波导中的传输用传输矩阵H表示，先对传输矩阵H使用LS(最小二乘)信道估计法进行估计，构建以下最小化代价函数J(H)：
J(H)＝||yT-xTH||2＝(yT-xTH)H(yT-xTH)
令代价函数关于H的偏导数为0，即
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>J</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>H</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mo>&part;</mo>
<mi>H</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
估计计算获得LS信道估计的信道矩阵为：
HLS＝xT -1yT
其中，H为传输矩阵，HLS为LS估计得到的传输矩阵，(·)H表示矩阵的厄米共轭，(·)-1代表矩阵的逆，xT为训练序列，yT为对应于训练序列的接收信号；
将估计得到的信道矩阵采用以下两种方法的一种进行信号均衡：
A、一种方法为ZF方法，ZF方法使用信道频率响应矩阵的逆来消除信号失真，方法的均衡矩阵如下：
W＝pinv(H)＝(HHH)-1HH
则均衡得到的发送信号为：
<mrow>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mi>W</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>y</mi>
</mrow>
其中，W为均衡矩阵，H为传输矩阵，pinv(H)表示H的伪逆，HH表示H的厄米共轭，(·)-1代表矩阵的逆，为均衡得到的发送信号，y为接收到的信号；
B、另一种方法为MMSE方法，MMSE方法是找到一个均衡矩阵W，使得下式最小：
<mrow>
<mi>E</mi>
<mo>{</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>W</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>y</mi>
<mo>-</mo>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>H</mi>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>W</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>y</mi>
<mo>-</mo>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>}</mo>
</mrow>
当上式最小时，均衡矩阵W表示为：
<mrow>
<mi>W</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msup>
<mi>H</mi>
<mi>H</mi>
</msup>
<mi>H</mi>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>I&delta;</mi>
<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>/</mo>
<msubsup>
<mi>&delta;</mi>
<mi>s</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mi>H</mi>
<mi>H</mi>
</msup>
</mrow>
则均衡得到的发送信号为：
<mrow>
<mover>
<mi>x</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>=</mo>
<mi>W</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>y</mi>
</mrow>
其中，E代表总体平均，W为均衡矩阵，H为传输矩阵，HH表示H的厄米共轭，(·)-1代表矩阵的逆，为均衡得到的发送信号，y为接收到的信号，和分别是噪声和发送信号的方差，I表示单位矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统，其特征在于：所述的多输入多输出信号处理模块采用基于训练序列的均衡方法或者盲均衡方法对输入的信号进行均衡处理。
3.根据权利要求1所述的一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统，其特征在于：所述的信号发送节点和信号接收节点的数量为任意大于等于2的整数。
4.根据权利要求1所述的一种基于多输入多输出技术的片上板间光互连传输系统，其特征在于：所述的信号调制器的信号调制方式为开关键控、相移键控或者正交幅度调制。
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