CN105959064A - 实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统及方法 - Google Patents

实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统及方法，该系统包括发送端数字信号处理模块、数模转换器、第一射频放大器、光强度调制器、光电探测器、第二射频放大器、模数转换器和接收端数字信号处理模块。该方法是在发送端采用数字信号处理算法产生发送数字信号，数字信号通过数模转换器转换成模拟信号，模拟信号经过射频放大器后驱动光强度调制器；在接收端采用直接检测方式，所检测的光电流由模数转换器进行数字采样，后交由接收端数字信号处理算法进行数据恢复。本发明能在系统3dB带宽远小于信号波特率的情况下实现100G信号传输，能有效降低PAM‑4信号对系统器件带宽的需求，对低成本的短距离光互联有着重要意义。

Description

实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统及方法
技术领域
本发明属于光信号强度调制与直接检测技术领域，具体涉及一种在多电平脉冲幅度调制信号在带宽受限前提下实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统及方法。
背景技术
随着移动接入、云服务以及数据中心等应用的不断发展，针对短距离光互联的容量以及速率要求正在不断增加。光信号的强度调制与直接检测系统由于结构简单、成本低廉，在短距离光互联领域有着巨大的应用场景。基于四电平脉冲幅度调制(4-level pulseamplitude modulation，PAM-4)信号的强度调制与直接检测系统实现相对简单，频谱效率是传统开关键控(on-off keying，OOK)信号的两倍，因此被认为是实现单波长100G速率的有力备选方案。考虑成本、工艺等因素，系统所含光电器件的带宽是有限的，如果能够在系统带宽受限的条件下实现单波长高速率(100G)PAM-4信号传输，对低成本的短距离光互联有着重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种构思简单、合理，能够在系统3dB带宽远小于信号波特率的情况下实现100G信号传输，能够有效降低PAM-4信号对系统器件带宽的需求，对低成本的短距离光互联有着重要意义的实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统及方法。
本发明的技术方案如下：
上述的实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统，包括发送端数字信号处理模块、数模转换器、第一射频放大器、光强度调制器、光电探测器、第二射频放大器、模数转换器和接收端数字信号处理模块；所述发送端数字信号处理模块用于产生频谱整形的双二进制数字发送信号；所述数模转换器连接所述发送端数字信号处理模块的输出端，其用于将接收的数字发送信号转换为模拟信号；所述第一射频放大器连接所述数模转换器的输出端，其用于将模拟信号进行放大，以满足光强度调制器的输入需求；所述光强度调制器连接所述第一射频放大器的输出端，其用于产生调制的光信号；所述光电探测器连接所述光强度调制器的输出端，其用于将调制的光信号转换为电的模拟信号；所述第二射频放大器连接所述光电探测器的输出端，其用于将电的模拟信号进行放大；所述模数转换器连接所述第二射频放大器的输出端，其用于将电的模拟信号转化为数字信号；所述接收端数字信号处理模块连接所述模数转换器的输出端，其用于对数字信号进行处理，以恢复出所发送数字信号。
一种实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其在发送端采用数字信号处理算法产生发送数字信号，所述数字信号通过数模转换器转换成模拟信号，所述模拟信号经过射频放大器后驱动光强度调制器；在接收端采用直接检测方式，所检测的光电流由模数转换器进行数字采样，后交由接收端数字信号处理算法进行数据恢复。
所述实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其中，所述发送端采用的数字信号处理算法包括PAM-4符号映射、基于PAM-4的双二进制编码和信道数字预均衡；所述接收端数字信号处理算法包括训练序列结合决策指引的信道恢复算法、PAM-4信号的双二进制解码、PAM-4符号解映射以及误码率计算。
所述实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其中，所述PAM-4信号的双二进制解码具体包括：将第k时刻的PAM-4输入信号表示为ak，其索引k为正整数；第k时刻的中转信号表示为bk，bk初始值为0；bk经一个符号延时得到bk-1；bk-1经过‘模4’运算后与当前时刻的ak进行减法运算，得到当前时刻中转信号bk；将bk与bk-1相加，得到ck，即：当前时刻的双二进制编码PAM-4信号；双二进制PAM-4信号编码可以由公式(1)和公式(2)表示：
bk＝ak-bk-1mod4 (1)
ck＝bk+bk-1 (2)
所述双二进制PAM-4信号的解码仅需要‘模4’运算即可，可以由公式(3)表示：
ak＝ckmod4 (3)
所述实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其中：所述双二进制编码后的PAM-4信号分为两个部分，即第一部分为训练序列，第二部分为数据；所述训练序列用于接收端进行基于训练序列的信道恢复算法，所述数据用于接收端进行决策指引的信道恢复算法。
所述实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其中，所述基于训练序列的信道恢复算法由一个有限冲击响应滤波器构成，滤波器的权重系数矢量H采用以下准则进行更新：
H→H+με·INk (4)
上述公式(4)中，μ为更新系数，ε为误差矢量，INk表示接收端在第k时刻的输入信号矢量；误差矢量ε通过训练符号或者决策指导方式计算；
所述误差矢量ε通过训练符号进行误差矢量的计算方法如下：
ε＝Tk-Yk (5)
上述公式(5)中，Tk为第k时刻的训练序列符号，即：双二进制编码的PAM-4信号；Yk为第k时刻的有限冲击响应滤波器输出，其计算方法为：
Yk＝INk·H (6)
公式(6)中，Yk为第k时刻的输入信号矢量INk和第k时刻的权重系数矢量H的点积；
所述误差矢量ε通过决策指引方式进行误差矢量的计算方法如下：
ε＝Dk-Yk＝Decision(Yk)-Yk (7)
上述公式(7)中，Dk为第k时刻的有限冲击响应滤波器输出Yk的判决值；判决采用基于双二进制编码的7个电平作为判决参考值；所述决策指引的信道恢复算法用在基于训练符号的信道恢复算法之后，其滤波器的权重系数矢量H初始值为基于所述训练符号的信道恢复算法中权重系数矢量H的结束值。
本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统构思简单、合理，能够在系统3dB带宽远小于信号波特率的情况下实现100G信号传输，能够有效降低PAM-4信号对系统器件带宽的需求，对低成本的短距离光互联有着重要意义，所涉及的系统带宽指系统所含光电器件3dB带宽中的最小值。
本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法通过对PAM-4信号进行双二进制编码以及所提的改进的发送端信道数字预均衡算法，结合接收端的基于训练序列与决策指引的信道恢复算法，能够有效降低PAM-4信号对系统器件带宽的需求，通过实验证明，能够使用18GHz带宽的直调式激光器产生112Gb/s的PAM-4信号；同时，采用数字信号处理技术手段，极大地降低信号对系统器件带宽的需求，以100G的PAM-4信号为例，如果采用传统方法需要至少30GHz的系统3dB带宽，而采用本方法只需要18GHz。
附图说明
图1为本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统的结构框图；
图2为本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法的双二进制PAM-4信号编码流程图；
图3为本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法中双二进制PAM-4编码信号在不同压缩比例下的系统Q值代价曲线图；
图4为一种商用18Gbps的直调激光器S21曲线图；
图5为一种结合S21曲线以及低通滤波器的信道预补偿算法框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统，包括发送端数字信号处理模块1、数模转换器2、第一射频放大器3、光强度调制器4、光电探测器5、第二射频放大器6、模数转换器7和接收端数字信号处理模块8。
该发送端数字信号处理模块1用于产生频谱整形的双二进制数字发送信号。
该数模转换器2与发送端数字信号处理模块1的输出端连接，用于将接收的数字发送信号转换为模拟信号。
该第一射频放大器3与数模转换器2的输出端连接，用于将模拟信号进行放大，以满足光强度调制器的输入需求。
该光强度调制器4与第一射频放大器3的输出端连接，用于产生调制的光信号。
该光电探测器5与光强度调制器4的输出端连接，用于将调制的光信号转换为电的模拟信号。
该第二射频放大器6与光电探测器5的输出端连接，用于将电的模拟信号进行放大。
该模数转换器7与第二射频放大器6的输出端连接，用于将电的模拟信号转化为数字信号。
该接收端数字信号处理模块8与模数转换器7的输出端连接，用于对数字信号进行处理，以恢复出所发送数字信号。
本发明实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，具体为：在发送端采用数字信号处理算法产生发送数字信号，所述数字信号通过数模转换器转换成模拟信号，所述模拟信号经过射频放大器后驱动光强度调制器；在接收端采用直接检测方式，所检测的光电流由模数转换器进行数字采样，后交由接收端数字信号处理算法进行数据恢复。
其中，上述发送端数字信号处理算法包括：PAM-4符号映射，基于PAM-4的双二进制编码，改进的信道数字预均衡；接收端数字信号处理算法包括：训练序列结合决策指引的信道恢复算法、PAM-4信号的双二进制解码、PAM-4符号解映射以及误码率计算。
PAM-4信号的双二进制解码具体包括：将第k时刻的PAM-4输入信号表示为ak，其索引k为正整数；第k时刻的中转信号表示为bk，bk初始值为0；bk经一个符号延时得到bk-1；bk-1经过‘模4’运算后与当前时刻的ak进行减法运算，得到当前时刻中转信号bk；将bk与bk-1相加，得到ck，即：当前时刻的双二进制编码PAM-4信号；双二进制PAM-4信号编码可以由公式(1)和公式(2)表示：
bk＝ak-bk-1mod4 (1)
ck＝bk+bk-1 (2)
双二进制PAM-4信号的解码仅需要‘模4’运算即可，可以由公式3表示：
ak＝ckmod4 (3)
双二进制编码后的PAM-4信号分为两个部分，即第一部分为训练序列，第二部分为数据，其中，训练序列用于接收端进行基于训练序列的信道恢复算法，数据用于接收端进行决策指引的信道恢复算法。基于训练序列的信道恢复算法由一个有限冲击响应滤波器构成，滤波器的权重系数矢量H采用以下准则进行更新：
H→H+με·INk (4)
上述公式(4)中，μ为更新系数，ε为误差矢量，INk表示接收端在第k时刻的输入信号矢量；误差矢量ε通过训练符号或者决策指导的方式计算，其中，通过训练符号进行误差矢量的计算方法如下：
ε＝Tk-Yk (5)
上述公式(5)中，Tk为第k时刻的训练序列符号，即：双二进制编码的PAM-4信号；Yk为第k时刻的有限冲击响应滤波器输出，其计算方法为：
Yk＝INk·H (6)
公式(6)中，Yk为第k时刻的输入信号矢量INk和第k时刻的权重系数矢量H的点积。
通过决策指引方式进行误差矢量的计算方法如下：
ε＝Dk-Yk＝Decision(Yk)-Yk (7)
其中，Dk为第k时刻的有限冲击响应滤波器输出Yk的判决值；判决采用基于双二进制编码的7个电平作为判决参考值；决策指引的信道恢复算法用在基于训练符号的信道恢复算法之后，其滤波器的权重系数矢量H初始值为基于训练符号的信道恢复算法中权重系数矢量H的结束值。
图3给出双二进制编码的PAM-4信号在不同压缩比例下的系统Q值代价曲线图中，压缩比例的定义为：(B-BLPF)/B.这里，B表示信号的波特率，BLPF表示Bessel低通滤波器的3dB带宽。在合理的系统Q值代价下，可以进一步对双二进制编码的PAM-4信号进行频谱压缩，以提高系统性能。
由图4一种商用18Gbps的直调激光器S21曲线可以发现，该曲线在25GHz以上均为噪音；针对该情况，可以配合使用S21曲线以及25GHz的Bessel低通滤波器进行信道预补偿。
如图5所示，结合S21曲线以及低通滤波器的信道预补偿算法的具体步骤为：将双二进制编码的PAM-4信号分为重叠的数据块，每个数据块含N个双二进制编码的PAM-4符号，相邻数据块的双二进制编码PAM-4符号的重叠比例为CP；将数据块进行快速傅里叶变换，得到频域数据；将S21矢量插值为N点后进行归一化，然后将频域数据与归一化的S21矢量进行相除，即：进行频域均衡；将与S21矢量相除后的频域数据送往Bessel低通滤波器，滤波后数据进行反向傅里叶变换，最终得到输出数字信号。
本发明构思简单、合理，能够在系统3dB带宽远小于信号波特率的情况下实现100G信号传输，能够有效降低PAM-4信号对系统器件带宽的需求，对低成本的短距离光互联有着重要意义。

Claims (6)

1.一种实现高速信号传输的强度调制与直接检测系统，其特征在于：所述系统包括发送端数字信号处理模块、数模转换器、第一射频放大器、光强度调制器、光电探测器、第二射频放大器、模数转换器和接收端数字信号处理模块；
所述发送端数字信号处理模块用于产生频谱整形的双二进制数字发送信号；
所述数模转换器连接所述发送端数字信号处理模块的输出端，其用于将接收的数字发送信号转换为模拟信号；
所述第一射频放大器连接所述数模转换器的输出端，其用于将模拟信号进行放大，以满足光强度调制器的输入需求；
所述光强度调制器连接所述第一射频放大器的输出端，其用于产生调制的光信号；
所述光电探测器连接所述光强度调制器的输出端，其用于将调制的光信号转换为电的模拟信号；
所述第二射频放大器连接所述光电探测器的输出端，其用于将电的模拟信号进行放大；
所述模数转换器连接所述第二射频放大器的输出端，其用于将电的模拟信号转化为数字信号；
所述接收端数字信号处理模块连接所述模数转换器的输出端，其用于对数字信号进行处理，以恢复出所发送数字信号。
2.一种实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其特征 在于，在发送端采用数字信号处理算法产生发送数字信号，所述数字信号通过数模转换器转换成模拟信号，所述模拟信号经过射频放大器后驱动光强度调制器；在接收端采用直接检测方式，所检测的光电流由模数转换器进行数字采样，后交由接收端数字信号处理算法进行数据恢复。
3.如权利要求2所述的实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其特征在于，所述发送端采用的数字信号处理算法包括PAM-4符号映射、基于PAM-4的双二进制编码和信道数字预均衡；
所述接收端数字信号处理算法包括训练序列结合决策指引的信道恢复算法、PAM-4信号的双二进制解码、PAM-4符号解映射以及误码率计算。
4.如权利要求3所述的实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其特征在于，所述PAM-4信号的双二进制解码具体包括：将第k时刻的PAM-4输入信号表示为ak，其索引k为正整数；第k时刻的中转信号表示为bk，bk初始值为0；bk经一个符号延时得到bk-1；bk-1经过‘模4’运算后与当前时刻的ak进行减法运算，得到当前时刻中转信号bk；将bk与bk-1相加，得到ck，即：当前时刻的双二进制编码PAM-4信号；双二进制PAM-4信号编码可以由公式(1)和公式(2)表示：
bk＝ak-bk-1mod4 (1)
ck＝bk+bk-1 (2)
所述双二进制PAM-4信号的解码仅需要‘模4’运算即可，可以由公式(3)表示：
ak＝ckmod4 (3)。
5.如权利要求4所述的实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其特征在于：所述双二进制编码后的PAM-4信号分为两个部分，即第一部分为训练序列，第二部分为数据；所述训练序列用于接收端进行基于训练序列的信道恢复算法，所述数据用于接收端进行决策指引的信道恢复算法。
6.如权利要求5所述的实现高速信号传输的强度调制与直接检测方法，其特征在于：所述基于训练序列的信道恢复算法由一个有限冲击响应滤波器构成，滤波器的权重系数矢量H采用以下准则进行更新：
H→H+με·INk (4)
上述公式(4)中，μ为更新系数，ε为误差矢量，INk表示接收端在第k时刻的输入信号矢量；误差矢量ε通过训练符号或者决策指导方式计算；
所述误差矢量ε通过训练符号进行误差矢量的计算方法如下：
ε＝Tk-Yk (5)
上述公式(5)中，Tk为第k时刻的训练序列符号，即：双二进制编码的PAM-4信号；Yk为第k时刻的有限冲击响应滤波器输出，其计算方法为：
Yk＝INk·H (6)
公式(6)中，Yk为第k时刻的输入信号矢量INk和第k时刻的权重系数矢量H的点积；
所述误差矢量ε通过决策指引方式进行误差矢量的计算方法如下：
ε＝Dk-Yk＝Decision(Yk)-Yk (7)
上述公式(7)中，Dk为第k时刻的有限冲击响应滤波器输出Yk的判决值；判决采用基于双二进制编码的7个电平作为判决参考值；所述决策指引的信道恢复算法用在基于训练符号的信道恢复算法之后，其滤波器的权重系数矢量H初始值为基于所述训练符号的信道恢复算法中权重系数矢量H的结束值。
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