CN105308895B - 定时恢复装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种定时恢复装置，包括：分组器，用于对数字信号的数字信号值进行分组以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值；乘法器，用于将每组值中的第一数字值与第二数字值的共轭版本相乘以获取表示每组值的第一组值，以及用于将每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值；处理器，用于分别处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值；以及平均器，用于从所述多个处理的值中确定平均值。

Description

定时恢复装置
背景技术
长途光纤系统的一个重要目标是在最长距离内传输最高数据吞吐量而无需光电光再生器中的信号再生。考虑到由光放大器和光纤自身最终强加在带宽上的约束，使频谱效率最大化很重要。多数当前系统使用二进制调制格式，例如每符号一个比特的断续键控编码。
高级调制格式与相干接收器结合能够实现大容量和高频谱效率。偏振复用、正交幅度调制(QAM)和相干检测被视作下一代大容量光传输系统中的最佳组合，因为它们允许信息在所有可用的自由度中进行编码。使用QAM星座的商业设备已经在40和100Gb/s光系统中可用。
发明内容
本发明的目标是提高数字信号处理。
该目的由独立权利要求的特性来实现。另外的实施形式从从属权利要求、描述内容和附图中显而易见。
为了详细描述本发明，将使用以下术语、缩略语和符号：
CD： 色度色散，
PMD： 偏振模色散，
OFE： 光前端，
TIA： 跨阻放大器，
DSP： 数字信号处理，
TED： 定时误差探测，
TEDC： 定时误差探测特性，
AGC： 自动增益控制，
ADC： 模/数转换器，
QAM： 正交幅度调制
VCO： 压控振荡器，
PLL： 锁相环，
LO： 本地振荡器，
PMD： 偏振模色散，
FFT： 快速傅里叶变换，
IFFT： 快速傅里叶反变换，
FIR： 有限长单位冲激响应，
PD： 检相器，
ROF： 滚降系数，
QPSK： 正交相移键控，
PSK： 相移键控，
QPSK： 正交相移键控，
CDU： 时钟分配单元，
LPF： 低通滤波器，
UI： 单元时间间隔，
I: 同相
Q： 正交。
根据第一方面，本发明涉及一种定时恢复装置，包括：分组器，用于分组数字信号的数字信号值以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值；乘法器，用于将第一数字值与每组值中的第二数字值的共轭版本相乘以获取表示每组值的第一组值，以及用于将每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值；处理器，用于分别处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值；以及平均器，用于从所述多个处理的值中确定平均值。
在根据如上所述第一方面的所述定时恢复装置的第一可能实施形式中，所述分组器用于对所述数字信号的后续N个值进行分组以获取相应的一组值。
在根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的所述第一实施方式的所述定时恢复装置的第二可能实施形式中，所述分组器包括过采样器，所述过采样器用于对输入光信号进行过采样以获取所述数字信号。
在根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式的所述定时恢复装置的第三可能实施形式中，所述乘法器包括多个数字乘法器。
在根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式的所述定时恢复装置的第四可能实施形式中，所述处理器包括：对于每组值，减法器，用于减去表示相邻组值的第一组值；以及乘法器，用于将所述减法结果与表示这些相邻组值的相应第二组值相乘。
在根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式的所述定时恢复装置的第五可能实施形式中，所述平均器用于平均所述多个处理的值的实部以确定所述平均值。
在根据如上所述第一方面或根据所述第一方面的任一前述实施形式的所述定时恢复装置的第六可能实施形式中，所述定时恢复装置包括用于滤波所述平均值的环路滤波器。
根据第二方面，本发明涉及一种通信接收器装置，包括：接收器，用于接收通信信号；任一前述权利要求的所述定时恢复装置，用于在所述通信信号的基础上进行定时恢复；以及压控振荡器，用于提供时钟信号，所述压控振荡器由所述恢复装置的输出控制。
在根据如上所述第二方面的所述通信接收器装置的第一可能实施形式中，向所述接收器提供所述时钟信号。
在根据如上所述第二方面或根据所述第二方面的所述第一实施形式的所述通信接收器装置的第二可能实施形式中，所述通信接收器装置包括多个接收器，其中向所述多个接收器分配所述时钟信号。
在根据如上所述第二方面或根据所述第二方面的任一前述实施形式的所述通信接收器装置的第三可能实施形式中，所述通信接收器装置还包括安置在所述压控振荡器下游的色散色度补偿单元。
在根据如上所述第二方面或根据所述第二方面的任一前述实施形式的所述通信接收器装置的一可能实施方式中，所述通信接收器装置是一种光通信接收器。
根据第三方面，本发明涉及一种定时恢复方法，包括：对数字信号的数字信号值进行分组以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值；将第一数字值与每组值中的第二数字值的共轭版本相乘以获取表示每组值的第一组值，以及将每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值；分别处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值；以及从所述多个处理的值中确定平均值。
在根据如上所述第三方面的所述定时恢复方法的第一可能实施形式中，所述方法包括执行权力要求13所述的定时恢复方法以提供平均值；以及控制所述平均值以获取所述时钟信号。
根据第四方面，本发明涉及一种具有程序代码的计算机程序，当在计算机上运行时，用于执行根据如上所述第三方面或根据所述第三方面的第一实施形式所述的方法。
根据第五方面，提供了一种定时恢复装置。所述定时恢复装置包括处理器，所述处理器用于执行根据如上所述第三方面或根据所述第三方面的任一前述实施形式所述的方法。
附图说明
本发明的这些和其它方面将从下文所述的实施例中显而易见。
图1所示为相干光接收器的方框图；
图2所示为基本DSP块；
图3所示为CD补偿块；
图4所示为具有各种滚降系数的升余弦滤波器的频率和冲激响应；
图5所示为正交相移键控(QPSK)定时误差探测器特性(TEDC)；
图6所示为其它正交相移键控(QPSK)定时误差探测器特性(TEDC)；
图7所示为信号预处理；
图8所示为检相器PD的TED特性；
图9所示为检相器PD的其它TED特性；
图10所示为检相器PD的其它TED特性；
图11所示为检相器PD的其它TED特性；
图12所示为检相器PD的其它TED特性；
图13所示为尼奎斯特超信道定时；
图14所示为并行执行；以及
图15所示为定时恢复方法的流程图。
具体实施方式
图1所示为相干光接收器100的方框图。由于数字信号被映射到两个偏振，所以使用90°混合器101将输入光信号与本地振荡器(LO)信号混合，从而产生四个输出信号(每偏振两个信号)。2Pol混合器101的输出光信号通过由单个PIN或平衡的光电二极管和跨阻放大器(TIA)组成的多个光前端(OFE)103被转换为电信号。
由于转换后的电信号的功率会随着时间而改变，所以可以使用多个快速自动增益控制(AGC)块105来补偿信号功率变化。存在四个示例性的AGC块105，它们还可以是OFE块103的组成部分。由于实现复杂性，一对AGC块105由一个压控信号控制，例如，图1中，VXAGC用于X偏振和VYAGC用于Y偏振。然而，四个AGC块103中的每个同样可以由一个独立的压控信号控制。AGC块105的输出信号通过多个模数转换器(ADC)107进行量化以产生四个量化的数字信号。
四个量化的数字信号在被划分为快速DSP硬件部分111和慢速DSP软件部分113两部分的数字信号处理(DSP)块109中进一步处理。在DSP块109中，量化的数字信号被补偿用于色度色散(CD)、偏振模色散(PMD)、偏振旋转、非线性效应、LO噪声、LO频率偏移等。LP频率偏移和CD等慢速处理的估计可以在DSP块的软件部分113中进行。
DSP块的形式可以是DSP电路。
混合器101、光前端(OFE)103、自动增益控制(AGC)块105和模数转换器(ADC)107在接收器100的Rx模拟部分内，而数字信号处理(DSP)块109、DSP硬件部分111和DSP软件部分113在Rx数字部分内。
图2所示为图1的基本DSP块101，在本图中示为200。在偏移和增益校正201之后，使用两个快速傅里叶变换(FFT)块203在频域中对这四个信号进行均衡用于色度色散。频率偏移在频率恢复块205中移除。
使用布置在蝶形结构中的有限长单位冲激响应(FIR)滤波器207在时域中进行偏振跟踪、PMD补偿和残差CD补偿。残差频率偏移和载波相位恢复都在载波恢复块209中进行。当差分解码应用于发射器侧时，差分解码器在解码和帧检测块211中使用。
CD在FFT块203中得到高效补偿。补偿CD函数是
其中λ0是信号波长，fs是采样频率，N是FFT大小，c是光的速度，n是抽头数，L是光纤长度，以及D是色散系数。
图3所示为图2的CD补偿块203。由于复杂性原因，只有一个带有复输入的FFT块301被应用于每个偏振。快速傅里叶反变换(IFFT)与FFT一样，但是实部和虚部在输入和输出处交换。
在数字通信系统中，每个接收器的核心是从入光信号中提取频率和相位并强制本地时钟源控制ADC的采样率和采样相位的时钟恢复电路。在过采样的系统中，数据处理块对采样相位不那么敏感。
检相器(PD)在实际系统中使用。在检相器中，定时误差探测器特性，即符号时间间隔内的PD输出，与正弦函数非常类似。一个例外是“乒乓”检相器，其中的TEDC在存在噪声的情况下还具有正弦形状。一些PD每符号使用一个样本，而其它PD利用双重过采样。
PD定时误差探测器特性(TEDC)的实部可以描述用于复信号，例如：
TEDC(τ)＝E[real(x(kT-T/2+τ)(x*(kT+τ)-x*(kT-T+τ)))] (2)
其中T是符号时间间隔，x是输入光信号，τ是采样时间(在0和T之间)，E是期望值，以及*表示复共轭运算。PD的虚部可以很容易在FFT域中转换为
其中N是FFT大小，以及X是x(kT/2+τ)的FFT，其中k＝0、1……N-1。接收信号利用每符号两个样本进行过采样。
基于尼奎斯特脉冲的尼奎斯特传输用于对信道带宽进行频率限制。
这实现了更好的信道封装并自动地实现更高的频谱效率。升余弦滤波器是低通尼奎斯特滤波器的实现方式，即，具有残余对称属性的滤波器。这意味着它的频谱展现出约1/2T的奇对称，其中T是通信系统的符号周期。它的频域描述由下式给出：
并且由两个值表征：β-滚降系数和T-采样周期。根据归一化正弦函数，此种滤波器的冲激响应由下式给出：
滚降系数β是滤波器的多余带宽的测量，即，超过1/2T的尼奎斯特带宽占用的带宽。
图4所示为具有各种滚降系数的升余弦滤波器的频率和冲激响应。滚降系数的最小信号带宽等于0。
降低滚降系数(ROF)破坏了时钟音质。TEDC变少并且生成大而不受控制的抖动。Eb/N0＝3dB处的QPSK调制格式下的PD的TEDC模拟结果显示小ROF值的时钟音质下降。正弦TEDC对于大于0.3的ROF值是可接受的。
图5所示为步长宽度为0.1情况下的从0到1的ROF的正交相移键控(QPSK)定时误差检测器特性(TEDC)。
图6所示为ROF＝0下的QPSK TEDC以及时钟恢复问题。在这种情况下，ROF＝0下的模拟的TEDC(每512个符号一个模拟的TEDC)非常小并且不同步。
图7所示为信号预处理。在图7中，PAM系统中的功率运算用于生成波特率下的时钟音调。这种方法使用特定的预滤波器和窄带滤波器来滤波出时钟音调。这种方法实现了小ROF值的时钟提取，但是不能实现更大ROF值的时钟提取。完整系统在模拟域中实现，在该模拟域中采样频率和信号数字化在时钟提取之前没有限制。
本发明描述了一种在尼奎斯特系统中用于时钟提取的方法，好处在于该方法不同于其它已知技术，能够独立于ROF值实现时钟提取。虽然当前PD检测器通常使用每符号两个复乘法运算，但是所提出的PD使用另外的每符号1.5个复乘法运算，即总共3.5个乘法运算。该方法独立于QAM和PSK调制格式的阶数并可以容忍大的频率偏移。
增强型PD利用复调制格式工作。接收信号进行两次过采样，即每符号两个样本。由A(n)和B(n)表示一个符号时间间隔内的样本。随后，使用以下等式计算TEDC：
TEDC(n)＝real{[C(n-1)-C(n+1)]conj[C(n)]} (6)
其中C值被推导为
C(n-1)＝A(n-1)conj[B(n-1)]
C(n)＝B(n-1)conj[A(n)] (7)
C(n+1)＝A(n)conj[B(n)]
TEDC具有正弦形状，其曲线上升与0交叉指示稳态(采样时间；参见图8)。使用等式(5)中的虚部产生TEDC，其在一个单元时间间隔(UI)符号时间间隔内具有恒定值。此种TEDC无法用于时钟提取。
图8所示为具有4QAM(4-PSK)、Eb/N0＝3dB和ROF＝0的所提出的PD的TED特性。在模拟结果中研究抖动性能。每个TEDC曲线在512个符号上推导出。每个图中示出了64条曲线。可以从正零交叉区域的宽度中估计抖动量。在所有情况中，峰间抖动不超过UI(采样周期、单元时间间隔)的4％。
通过PLL环路的精心设计，这种抖动可以保持在可接受限值中。基于出版物和经验，此类抖动性能在可应用限值内。
图9所示为具有4QAM和Eb/N0＝3dB的检相器PD的其它TED特性。
图10所示为具有16QAM和Eb/N0＝6dB的检相器PD的其它TED特性。
图11所示为具有64QAM和Eb/N0＝10dB的检相器PD的其它TED特性。
图12所示为具有4QAM和Eb/N0＝3dB的检相器PD的TED特性。
在ROF＝0下模拟4QAM调制格式。频率偏移在步长为100MHz时从0到1GHz变化。波特率为28GB。在图12中，结果显示相对于大频率偏移的抗扰性。甚至1GHz的频率偏移不影响TEDC，即，具有最小的最大绝对值的曲线。
图13所示为尼奎斯特超信道定时。在相干光通信中，使用更高的调制格式、两个偏振和密集信道封装，如OFDM、奈奎斯特等提高频谱效率。然而，集成一组N个发射器以节省功率、大小和价格。
对于所有发射器，超信道可以共享一个VCO，而不是N个VCO。在图13中，一个VCO提供生成所有N个发射器时钟的时钟分配单元(CDU)。接收器侧增益来自信道集成。仅实施一个PD而不是N个PD来支持时钟提取。连接到第一接收器或任何其它接收器的数据的一个PD提取时钟音调信息，该信息稍后由低通滤波器(LPF)进行滤波并向VCO发送。PD增益、LPF参数和VCO增益控制定时性能，例如环路带宽、转储等。
图14所示为定时恢复装置的并行执行。该定时恢复装置包括：分组器1401，用于对数字信号的数字信号值进行分组以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值；乘法器1403，用于将第一数字值与每组值中的第二数字值的共轭版本相乘以获取表示每组值的第一组值，以及用于将每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值；处理器1405，用于分别处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理后值；以及平均器，用于从多个处理后值中确定平均值。
高符号速率要求并行执行包括时钟提取算法的DSP算法。数据被分组到由N个符号组成的块中。当采用双重过采样时，每个块的样本的总数目是2N。在图14中，一个符号时间间隔内的两个样本由a和b表示。
每个数据块的PD输出的最大数目等于N。如图14所示，最后一个输出需要下一数据块中的前两个样本。在实际应用中，并不是所有数据都需要由PD处理。通常，不使用可能牺牲时钟性能的某部分数据。高调制格式要求更高的信噪比，而且减少要在时钟提取引擎中处理的数据的数目不会显著影响定时性能。
由v表示的PD输出被相加起来并且由可以具有比例积分结构的环路滤波器(低通滤波器)1407进行滤波。滤波器1407输出控制VCO频率和相位。VCO输出随后生成后续ADC电路时钟。
图15所示为示例定时恢复方法，其中数字信号的数字信号值被分组1501以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值。然后，第一数字值与每组值中的第二数字值的共轭版本相乘1503以获取表示每组值的第一组值，以及每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值。此外，分别表示相邻组值的第一组值和表示相邻组值的第二组值被处理1505以获取多个处理的值。此外，从多个处理的值中确定1507平均值。
根据另一角度，提供了一种定时恢复装置实施例，其包括用于执行如图15所示的方法实施例的处理器。
通过以上启示，对于本领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，所属领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明做出许多改变。因此，应理解，只要是在所附权利要求书及其等效文句的范围内，可以用不同于本文具体描述的方式来实践本发明。

Claims (15)

1.一种定时恢复装置，其特性在于，包括：
分组器(1401)，用于对数字信号的数字信号值进行分组以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值，其中，每组值的所述第一数字值和所述第二数字值为一个符号时间间隔内的两个样本；
乘法器(1403)，用于将每组值中的第一数字值与第二数字值的共轭版本相乘以获取表示每组值的第一组值，以及用于将每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值；
处理器(1405)，用于分别处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值，其中，所述处理至少包括：使用公式处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值，其中，为第i组的第一组值，为第i+1组的第一组值，为第i组的第二组值，i为自然数；以及
平均器，用于从所述多个处理的值中确定平均值。
2.根据权利要求1所述的定时恢复装置，其特性在于，所述分组器(1401)用于对所述数字信号的后续N个值进行分组以获取相应的一组值。
3.根据权利要求1或2所述的定时恢复装置，其特性在于，所述分组器(1401)包括用于对输入光信号进行过采样以获取所述数字信号的过采样器。
4.根据权利要求1或2所述的定时恢复装置，其特性在于，所述乘法器(1403)包括多个数字乘法器。
5.根据权利要求1或2所述的定时恢复装置，其特性在于，所述处理器(1405)包括，对于每组值，减法器，用于减去表示相邻组值的第一组值，以及乘法器，用于将所述减法结果与表示这些相邻组值的相应第二组值相乘。
6.根据权利要求1或2所述的定时恢复装置，其特性在于，所述平均器用于平均所述多个处理的值的实部以确定所述平均值。
7.根据权利要求1或2所述的定时恢复装置，其特性在于，还包括用于滤波所述平均值的环路滤波器(1407)。
8.一种通信接收器装置，其特性在于，包括：
接收器，用于接收通信信号；
任一前述权利要求所述的定时恢复装置，用于在所述通信信号的基础上进行定时恢复；以及
压控振荡器，用于提供时钟信号，所述压控振荡器由所述恢复装置的输出控制。
9.根据权利要求8所述的通信接收器装置，其特性在于，向所述接收器提供所述时钟信号。
10.根据权利要求8或9所述的通信接收器装置，其特性在于，包括多个接收器，其中向所述多个接收器分配所述时钟信号。
11.根据权利要求8或9所述的通信接收器装置，其特性在于，还包括布置在所述压控振荡器下游的色度色散补偿单元。
12.一种定时恢复方法，其特性在于，包括：
对数字信号的数字信号值进行分组(1501)以获取多组值，每组值包括第一数字值和第二数字值，其中，每组值的所述第一数字值和所述第二数字值为一个符号时间间隔内的两个样本；
将每组值中的第一数字值与第二数字值的共轭版本相乘(1503)以获取表示每组值的第一组值，以及将每组值中的第二数字值与分别相邻的组值中的第一数字值的共轭版本相乘以分别获取表示相邻组值的第二组值；
分别处理(1505)分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值，其中，所述处理至少包括：使用公式处理分别表示相邻组值的第一组值和表示所述相邻组值的第二组值以获取多个处理的值，其中，为第i组的第一组值，为第i+1组的第一组值，为第i组的第二组值，i为自然数；以及
从多个处理的值中确定(1507)平均值。
13.一种从接收到的通信信号中生成时钟信号的方法，其特性在于，所述方法包括：
执行权利要求12所述的定时恢复方法以提供平均值；以及
控制所述平均值以获取所述时钟信号。
14.一种计算机非瞬态存储介质，其特性在于，所述存储介质中存储有程序代码，当所述程序代码在计算机上运行时，用于执行如权利要求12或13所述的方法。
15.一种定时恢复装置，其特性在于，存储器以及与所述存储器耦合的处理器，所述存储器用于存储程序代码，所述处理器用于调用所述存储器存储的程序代码以执行如权利要求12至13中的任一权利要求所述的方法。
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