CN104935385B

CN104935385B - 用于高阶正交幅度调制信号的盲均衡的技术

Info

Publication number: CN104935385B
Application number: CN201510120756.4A
Authority: CN
Inventors: 贾振生; 钱鸿章; 余建军
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-18
Also published as: EP2922221A1; US20150270921A1; EP2922221B1; US9692548B2; CN104935385A

Abstract

本发明公开了用于高阶正交幅度调制信号的盲均衡的技术。提供了高阶QAM信号的盲均衡技术。在光通信网络中的接收机侧实施的方法接收光信号并对所接收的光信号执行两步骤的偏振跟踪过程。使用另一方法，偏振复用的光传输由接收机接收，且偏振跟踪过程通过并行地应用两种不同的算法来执行。一种算法可以是面向判决的最小均方(DD‑LMS)算法。另一算法可以是恒模算法(CMA)。

Description

用于高阶正交幅度调制信号的盲均衡的技术

相关申请的交叉引用

本专利文件要求于2014年3月19日提交的美国临时专利申请号61/955,636的优先权权利。前述专利申请的全部内容通过引用被并入，作为本文件的公开的一部分。

背景技术

本专利文件涉及数字通信，且在一个方面中涉及光通信系统。

存在对在应用领域中的数据通信例如无线通信、光纤通信等的日益增长的要求。对核心网络的要求尤其更高，因为不仅用户设备例如智能电话和计算机由于多媒体应用而使用越来越多的带宽，而且设备(其数据通过核心网络进行传送)的总数日益增加。为了盈利性并为了满足日益增加的要求，设备制造商和网络运营商继续寻找可增加传输带宽同时可降低操作费用和基本建设费用的方式。

发明内容

本文件除了别的以外还描述了用于高阶正交幅度调制(QAM)信号的盲均衡技术的多种技术。使用所公开的技术，可提高数字相干光学系统的性能。例如，与常规技术相比，数字相干光学系统可提供快的收敛速度和低的反馈误差。

在一个方面中，提供了在光通信网络中的接收机侧实现的光通信方法。该方法包括接收偏振复用光信号以及对所接收的光信号执行两步骤的偏振跟踪过程以恢复由偏振复用光信号携带的数据。

在另一方面中，提供了在光通信网络中的接收机侧实现的光通信方法。该方法包括接收偏振光传输；以及通过并行地应用两种不同的算法来执行偏振跟踪过程。

在另一方面中，公开了光接收机装置。该装置包括：接收机模块，其接收光信号；偏振跟踪模块，其通过对所接收的光信号执行两步骤的偏振跟踪过程来计算反馈误差并更新FIR滤波器系数从而提供数字信号；以及载波恢复模块，其接收数字信号并估计数字信号的最佳相角。

在又一方面中，提供了光接收机装置且该光接收机装置包括：接收机模块，其接收光信号；偏振跟踪模块，其通过并行地应用两种不同的算法执行偏振跟踪过程来计算反馈误差并更新FIR滤波器系数；以及载波恢复模块，其接收对应于经均衡的码元的数字信号并估计该数字信号的最佳相角。

在附图、描述和权利要求中阐述了这些和其它方面及其实现和变化。

附图说明

图1描绘光通信系统的例子。

图2描绘在光通信系统中的接收机侧处的数字信号处理(DSP)的示例性过程。

图3描绘两步骤的偏振跟踪过程的第一步骤的方框图。

图4描绘两步骤的偏振跟踪过程的第一步骤的示例性结构。

图5描绘两步骤的偏振跟踪过程的第二步骤的示例性结构。

图6、7、8、9和10示出使用利用两步骤的偏振跟踪过程的盲均衡的仿真结果的例子。

图11示出就常规均衡过程和利用两步骤的偏振跟踪过程的盲均衡之间的解调性能方面的实验比较结果。

图12是光通信方法的流程图表示。

图13是光通信方法的另一流程图表示。

图14示出其中可实现面向判决的最小均方(DD-LMS)算法的系统的例子。

在各个附图中的相似的参考符号指示相似的元件。

具体实施方式

图1描绘光通信系统100，其中可体现目前公开的技术。一个或多个光发射机102经由光网络104与一个或多个光接收机106通信地耦合。光网络104可包括长度上从几百英尺(例如最后一英里距离)延伸到几千千米(远程传送网络)的光纤。所传输的光信号可通过为了清楚而未在图1中示出的中间光学设备，例如放大器、中继器、开关等。

对互联网和专用线路服务的带宽要求每年持续增长大约30％到50％，这由越来越多的视频流式传输和云计算、大数据、社会媒体和移动数据传送的激增推动。与每Hz每比特成本减少的希望相结合的这个趋势使更高的频谱效率(SE)和因而更大容量的基础光传输系统变得有吸引力。目前，100Gb/s的远程传送系统无论在发展中或在布置中都基于与相干检测和数字信号处理(DSP)相关的单载波偏分复用正交相移键控(PDM-QPSK)调制格式。所实现的频谱效率(SE)优于常规50GHz光学光栅2bits/s/Hz，且因此系统容量在光纤C波带传输窗口中增加到大约10Tb/s。

高阶QAM调制可以是支撑业务增长的一种方式，因为较高阶调制(例如大于16QAM的星座)能够实现比PDM-QPSK的SE高得多的SE。可预期以高阶QAM调制格式的超过4bit/s/Hz的SE，因此可预期通过充分利用单个光纤中在C和L波段上的有限带宽的>40Tbit/s的超大波分复用(WDM)容量。

高阶QAM广泛用在数字电缆传输系统中，其中在电缆数据服务接口规范(DOCSIS3.0)中规定了用于单载波系统的256QAM的调制格式，且结合低密度奇偶校验(LDPC)纠错信道编码提出了用于多载波情况的4096QAM的格式。提出了用于这样的系统中的数字接收机中的信号解调的盲自适应均衡器。然而，由于不同的信道损害和均衡机制例如偏振模色散、偏振跟踪、载波频率偏移和激光器线宽导致的相位噪声，目前不能直接在数字相干光学系统中使用这些方法。

在当前高阶QAM光传输系统中使用面向判决的最小均方(DD-LMS)和级联的多模算法(MMA)。然而，纯DD-LMS或MMA方法实现慢的收敛速度和稳态下的高的均方误差(MSE)。新一代高阶QAM光学相干系统不完全满足于该性能。

使用所公开的技术的实施可用于实现一个或多个优点。例如，可提高数字相干光学系统的性能，从而提供优于常规DD-LMS和MMA技术的快的收敛速度和低的反馈误差。

图2示出示例性的解调过程。如图2所示，在前端的不完全补偿、色散估计补偿和定时恢复之后应用盲均衡技术。盲均衡技术可用于64QAM和甚至更高阶的调制格式(256、1024或4096QAM)。此外，盲均衡技术可应用于相干光学系统。在一些实施方式中，盲均衡技术包括两步骤的偏振跟踪和线宽容忍载波相位恢复。

两步骤的偏振跟踪算法的一些实施方式如下进行。在第一步骤中，两种不同算法的组合在同一循环中应用，用于快速预收敛到稳态和低的时间平均反馈误差(MSE)。例如，可在第一步骤中应用恒模算法(CMA)和DD-LMS算法的组合。这两种算法共享具有多输入多输出(MIMO)“蝴蝶”结构的T/2间隔的时域FIR滤波器。改进的DD-LMS算法作为偏振跟踪的第二步骤继续以进一步最小化MSE。

对于载波恢复，可在两步骤的偏振跟踪算法的循环中估计并补偿频率偏移和载波相位。它们也可在两步骤偏振跟踪算法之后在自相干光学系统中进行处理。单阶段盲相位搜索(BPS)方法或混合的BPS和最大似然(ML)算法可用于激光器线宽容忍的相位恢复。

图3是两步骤的偏振跟踪过程的第一步骤的方框图表示。如图3所示，位于信号滤波块310之后的误差估计器块300包括面向判决的误差计算块320和基于恒模的误差计算块330。在一些实施中，面向判决的误差计算块320使用DD-LMS算法，且基于恒模的误差计算块330使用CMA算法。不同于独立的CMA或DD-LMS或级联的CMA和DD-LMS的常规过程，在信号滤波之后的误差估计器块300在循环中以并行方式依赖CMA和DD-LMS。此外，误差估计器块300包括载波恢复块340。因此，误差估计器块300可涉及DD-LMS部分中的载波恢复，以用于更准确的判决输出。因此，经均衡的信号将朝着两个模量和最近的判决点收敛，这提供快的收敛速度和低的反馈误差。

组合的误差计算块提供组合的反馈误差的输出以更新FIR滤波器系数。当均衡过程达到稳态时，第二步骤以继承的系数作为初始条件而继续。

图4描述第一步骤的均衡过程的示例性结构。在图4中，ε1(i)表示在第一步骤中的误差信号，而Z x,y(i)表示经均衡的所接收的码元。此外，“i”是码元时间指数，且“x”和“y”分别表示两个输入的正交偏振信号。恒模Rx,y被设置为：

其中E表示统计期望值，而Z表示判决点。

反馈误差函数由下列公式给出：

具有实部、虚部和组合的实部、虚部的偏振X被设置为：

ε1_x(i)＝ε1_x,实部(i)+1i·ε1_x,虚部(i)

具有实部、虚部和组合的实部、虚部的偏振Y被设置为：

ε1_y(i)＝ε1_y,实部(i)+1i·ε1_y,虚部(i)

图5描绘两步骤的偏振跟踪过程的第二步骤的示例性结构。在图5中，ε2(i)表示在第二步骤中的误差信号，而Z x,y(i)表示经均衡的所接收的码元。此外，“i”是码元时间指数，“x”和“y”分别表示两个输入的正交偏振信号。

在第一步骤的预收敛到稳态之后，增强的DD-LMS算法被应用以实现较低的MSE。在传统的DD-LMS算法中添加了比例因子2。

具有实部、虚部和组合的实部、虚部的偏振X被设置为：

ε2_x(i)＝ε2_x,实部(i)+1i·ε2_x,虚部(i)

具有实部、虚部和组合的实部、虚部的偏振Y被设置为：

ε2_y(i)＝ε2_y,实部(i)+1i·ε2_y,虚部(i)

在均衡的两个步骤中，系数更新方程改变误差信号。如下提供系数更新方程。上标*意指复共轭。

步骤I：h_x,x(i+1)＝h_x,x(i)-μ₁·z_x(i)·ε1_x(i)·x^*(i)

h_x,y(i+1)＝h_x,y(i)-μ₁·z_x(i)·ε1_x(i)·y^*(i)

h_y,x(i+1)＝h_y,x(i)-μ₁·z_y(i)·ε1_y(i)·x^*(i)

h_y,y(i+1)＝h_y,y(i)-μ₁·z_y(i)·ε1_y(i)·y^*(i)

步骤II：h_x,x(i+1)＝h_x,x(i)-μ₂·z_x(i)·ε2_x(i)·x^*(i)

h_x,y(i+1)＝h_x,y(i)-μ₂·z_x(i)·ε2_x(i)·y^*(i)

h_y,x(i+1)＝h_y,x(i)-μ₂·z_y(i)·ε2_y(i)·x^*(i)

h_y,y(i+1)＝h_y,y(i)-μ₂·z_y(i)·ε2_y(i)·y^*(i)

因为光载波的相位比RF载波的相位改变得快得多，基于前向反馈的相位恢复对实际实施是有用的。同时，为了增加针对激光器相位噪声的容限，可结合两步骤的均衡跟踪算法来使用BPS算法以得到比常规的维特比-维特比(Viterbi-Viterbi)算法更好的相位噪声容限。为了进一步降低BPS算法的实施复杂度，也可使用混合的BPS和ML算法。可在两步骤的偏振跟踪算法的循环中执行载波相位恢复。也可在完成两步骤的算法之后执行其。

所公开的盲偏振跟踪算法连同BPS相位恢复的有效性一起通过数值仿真和实验结果来验证。

图6示出使用所公开的盲均衡技术得到的仿真结果。提供了40G波特的PDM-64QAM信号的仿真结果，具有OSNR＝30dB，线宽＝50kHz，μ₁＝2^-20，且μ₂＝2^-20。

图7示出40G波特的PDM-64QAM信号的仿真结果，具有OSNR＝35dB，线宽＝50kHz，μ₁＝2^-20，且μ₂＝2^-20。^算符代表“次方”或指数运算。

图8示出20G波特的PDM-256QAM信号的仿真结果，具有OSNR＝35dB，线宽＝50kHz，μ₁＝2^-25，且μ₂＝2^-25。

图9示出20G波特的PDM-256QAM信号的仿真结果，具有OSNR＝38dB，线宽＝5kHz，μ₁＝2^-25，且μ₂＝2^-25。

图10示出20G波特的PDM-64QAM信号的仿真结果，具有OSNR＝30dB，BER＝3.4e-4，μ₁＝2^-20，且μ₂＝2^-20。

图11示出在所公开的盲均衡技术和常规级联的CMA和DD-LMS之间的性能比较的实验结果。如图11所示，在单偏振和偏振复用情况下都观察到1dB的OSNR提高。

图12是光通信方法1200的流程图表示。方法1200可在光通信网络中的接收机侧实施。例如，方法1200可在光接收机106处实施。

在1202，方法1200接收偏振复用的光传输。例如，在一些实施方式中，可接收(沿着两个正交光学平面的)两个偏振复用的光信号。

在1204，方法1200对所接收的光信号执行两步骤的偏振跟踪过程以恢复由偏振复用的光信号携带的数据。

在一些实施中，方法1200进一步执行相位恢复，其中相位恢复的执行在两步骤的偏振跟踪过程期间或在两步骤的偏振跟踪过程之后进行。

在一些实施中，使用单阶段盲相位搜索(BPS)算法或混合的BPS与最大似然(ML)算法来执行相位恢复。

在一些实施中，两步骤的偏振跟踪过程的执行包括执行两步骤的偏振跟踪过程的第一步骤直到均衡过程达到稳态为止，以及使用在稳态下得到的FIR有限脉冲响应(FIR)滤波器的系数执行两步骤的偏振跟踪过程的第二步骤。

在一些实施中，两步骤的偏振跟踪算法的每个步骤并行地使用两种不同的误差计算算法。例如，两种不同的误差计算算法包括基于面向判决的DD-LMS的误差计算和基于CMA恒模的误差计算。

图13是光通信方法1300的流程图表示。可在光通信网络中的接收机侧实施方法1300。例如，可在光接收机106处实施方法1300。

在1302，方法1300接收偏振复用的光传输。例如，在一些实施方式中，可接收(沿着两个正交光学平面的)两个偏振复用的光信号。

在1304，方法1300通过并行地应用两种不同的算法来执行偏振跟踪过程。

在一些实施中，该方法还执行相位恢复，其中相位恢复的执行在两步骤的偏振跟踪过程期间或在两步骤的偏振跟踪过程之后进行。

在一些实施中，使用单阶段盲相位搜索(BPS)算法或混合的BPS和最大似然(ML)算法来执行相位恢复。

在一些实施中，执行偏振跟踪过程的操作包括：执行两步骤的偏振跟踪过程的第一步骤直到均衡过程达到稳态为止，以及使用在稳态下得到的FIR滤波器的系数来执行两步骤的偏振跟踪过程的第二步骤。

在一些实施中，两步骤的偏振跟踪过程的每个步骤并行地使用两种不同的误差计算算法。例如，两种不同的误差计算算法包括面向判决的误差计算和基于恒模DD-LMS的误差计算和基于CMA的误差计算。

DD-LMS和级联的多模算法的实施例子

图14示出其中可实施面向判决的最小均方(DD-LMS)算法的系统的例子。通过未知的脉冲响应S的线性信道发送数据a_t序列。当特定的调制方案被用在发射侧上的调制时，数据a_t可(理想地)落在星座点之一上。

在接收机侧处，可通过表示逆信号函数(例如S^-1)的传递函数W来传递通过信道S接收的数据a_t。零阶(无记忆)非线性过程(ZNL)可用于将所观察的输出y_t判决(或映射)到已知的码元值的集合中的一个。通常且常常理想地，输出码元判决y_t是输出码元a_t的延迟型式。

在面向判决的最小均方(DD-LMS)技术中，ZNL过程可以是简单的阈值设备。例如，在处于二进制序列的情况下，DDLMS算法可仅仅试图最小化在码元判决和相应的输入码元之间的差异的期望值，其被表示为E[(y_t-sign(y_t))²]。

恒模算法进一步利用关于所传输的码元的知识，例如当QPSK调制被使用时，该码元具有恒模。

将认识到，公开了用于接收偏振复用调制的光信号并从所接收的信号中恢复数据的技术。在一些实施方式中，可减小接收机侧的处理和/或可通过在跟随有信号处理的第二步骤的解调的第一步骤中并行地使用两种不同的优化或信号跟踪算法来减小处理时间。并行地使用的两种算法之一可以是例如基于判决的，且因此可基于在信号被解调时离判决点多远来最小化计算误差。DD-LMS是这样的算法的一个例子。在第一步骤中并行地使用的另一算法可通过最小化所得到的样本离最佳采样点多远的度量来优化。CMA是这样的算法的例子。

可在包括本文件中公开的结构及其结构等价物的数字电子电路中或计算机软件、固件或硬件中或在它们的一个或多个的组合中实施所公开的和其它实施方式以及在本文件中描述的功能操作和模块。所公开的和其它实施方式可被实施为一个或多个计算机程序产品，即，在计算机可读介质上编码的、用于由数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的计算机程序指令的一个或多个模块。计算机可读介质可以是机器可读存储设备、机器可读存储基底、存储器设备、实现机器可读的传送信号的物质的组成或它们中的一个或多个的组合。术语“数据处理装置”包括用于处理数据的所有装置、设备和机器，作为例子包括可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。除了硬件以外，装置还可包括为讨论中的计算机程序创建执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。所传送的信号是人工生成的信号，例如机器生成的电信号、光信号或电磁信号，其被生成以对信息编码用于传输到适当的接收机装置。

可以用包括编译语言或解释语言的任意形式的编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)，且也可以包括作为单独的程序或作为模块、部件、子例程或适合于在计算环境中使用的其它单元的任意形式来使用计算机程序。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可存储在容纳其它程序或数据(例如存储在标记语言文件中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、专用于讨论中的程序的单个文件中或多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)中。计算机程序可用来在一个计算机上或在位于一个站点处或分布在多个站点中并由通信网络互连的多个计算机上执行。

在本文件中描述的过程和逻辑流程可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过对输入数据操作并生成输出来执行功能。过程和逻辑流程也可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)执行，且装置也可被实现为专用逻辑电路。

适合于执行计算机程序的处理器作为例子包括通用微处理器和专用微处理器及任意类型的数字计算机中的任意一个或多个处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。通常，计算机还将包括用于存储数据的一个或多个大容量存储设备例如磁盘、磁光盘或光盘，或有效地耦合以从一个或多个大容量存储设备接收数据或将数据传送到一个或多个大容量存储设备或两者都执行。然而，计算机不需要具有这样的设备。适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，作为例子包括半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动硬盘；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或并入在专用逻辑电路中。

虽然本文件包含很多细节，但这些不应被解释为对所要求保护的发明的范围或什么可以被要求保护的限制，而更确切地作为对特定实施方式所特有的特征的描述。也可在单个实施方式中以组合形式实施本文件中在单独的实施方式的情况下描述的某些特征。反之，也可在多个实施方式中单独地或以任何适当的子组合形式实施在单个实施方式的情况下描述的各种特征。而且，虽然特征可在上面被描述为在某些组合中起作用且甚至最初这样被要求保护，但来自所要求保护的组合的一个或多个特征可在一些情况下从该组合删去，且所要求保护的组合可涉及子组合或子组合的变型。类似地，虽然在附图中以特定的顺序描绘了操作，但这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或以连续顺序被执行，或所有示出的操作都被执行，以实现期望结果。

仅公开几个例子和实施。可基于所公开的内容来进行对所描述的例子和实施及其它实施的改变、修改和增强。

Claims

1.一种在光通信网络中的接收机侧实施的光通信方法，包括：

接收偏振复用的光信号；以及

对所接收的光信号执行两步骤的偏振跟踪过程以恢复由所述偏振复用的光信号携带的数据；以及

执行相位恢复；

其中所述两步骤的偏振跟踪过程包括第一步骤和第二步骤；并且其中所述第一步骤应用两种不同的误差计算算法并行产生具有第一均方误差MSE的有限脉冲响应过程的估计的系数；并且

其中所述第二步骤使用所述估计的系数作为初始条件并更新所述估计的系数来获得低于所述第一MSE的第二MSE以用于数据恢复；

其中在所述两步骤的偏振跟踪过程中使用单阶段盲相位搜索BPS算法或混合的BPS和最大似然ML算法来执行所述相位恢复。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述两步骤的偏振跟踪过程的执行包括：

执行所述两步骤的偏振跟踪过程的所述第一步骤直到均衡过程达到稳态为止；以及

使用在所述稳态下得到的有限脉冲响应FIR滤波器的系数来执行所述两步骤的偏振跟踪过程的所述第二步骤。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述两种不同的误差计算算法包括面向判决的误差计算和基于恒模的误差计算。

4.一种光接收机装置，包括：

接收机模块，其接收光信号；

偏振跟踪模块，其通过对所接收的光信号执行两步骤的偏振跟踪过程来计算反馈误差并更新FIR滤波器系数，从而提供数字信号；以及

载波恢复模块，其接收所述数字信号并估计所述数字信号的最佳相角；

其中，所述两步骤地偏振跟踪过程包括第一步骤和第二步骤；所述第一步骤应用两种不同的误差计算算法并行产生具有第一均方误差MSE的有限脉冲响应过程的估计的系数；所述第二步骤使用所述估计的系数作为初始条件并更新所述估计的系数来获得低于所述第一MSE的第二MSE；

5.如权利要求4所述的装置，其中所述偏振跟踪模块配置成执行所述两步骤的偏振跟踪过程的第一步骤以达到稳态，并使用在所述稳态下得到的FIR滤波器的系数执行所述两步骤的偏振跟踪过程的第二步骤。

6.如权利要求4所述的装置，其中所述两种不同的误差计算算法包括基于面向判决的最小均方DD-LMS的误差计算，且第二误差计算算法包括基于恒模算法CMA的误差计算。

7.一种光接收机装置，包括：

计算机可读存储器，其存储程序指令，以及

数字信号处理器，其读取所述程序指令并实施一种方法，所述方法包括：

接收偏振复用的光信号；以及

执行相位恢复；

8.如权利要求7所述的装置，其中所述两步骤的偏振跟踪过程的执行包括：

使用在所述稳态下得到的有限脉冲响应FIR滤波器的系数执行所述两步骤的偏振跟踪过程的所述第二步骤。

9.如权利要求7所述的装置，其中所述两种不同的误差计算算法包括面向判决的误差计算和基于恒模的误差计算。