CN106100751B - 用于高速光脉冲幅度调制的改进的维纳滤波方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于高速光脉冲幅度调制的改进的维纳滤波方法及系统，采用马赫曾德尔调制器将PAM4电信号调制到1.5微米激光后通过单模光纤传输，并在接收端通过插值重构和改进的维纳滤波实现信号解调。本发明适用于高速PAM4传输平台，采用改进的维纳滤波器技术对信号进行滤波，相比LMS算法具有处理速度快的优势，在接收光功率为3dBm时，能在相同实验条件下降低PAM4信号一个量级的误码率，从而在提高传输性能的同时有效降低算法复杂度。

Description

用于高速光脉冲幅度调制的改进的维纳滤波方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种光通信领域的技术，具体是一种用于80Gbps光脉冲幅度调制(PAM4)的低算法复杂度改进的维纳滤波方法及系统。
背景技术
数字信号处理技术(Digital signal processing，DSP)在短距离光互连应用中有着很大的优势。随着数据中心和超级计算机的迅猛发展，针对高速的光互连技术的研究和工程开发也面临着极大的机遇和挑战。其中收发器中运用的数字信号处理技术能极大地改善信号质量，优化链路传输特性。
经过对现有技术的检索发现，Henning Bülow等在“Electronic dispersioncompensation.”(《Journal of lightwave technology》，2008，26(1):158-167)中讨论了现有的可用于光通信系统中的数字信号处理技术，包括前向均衡，判决反馈均衡，最大似然估计等。另一方面，基于最小均方根值优化方法的判决引导的最小均方根值算法(Leastmean square and discion direction)也被运用光通信系统中″40Gb/s CAP32systemwith DD-LM Sequalizer for short reach optical transmissions.″(《PhotonicsTechnology Letters》，2013:2346-2349)。但是LMS-DD算法存在一些缺陷，包括优化过程复杂，滤波效果不稳定等。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于高速光脉冲幅度调制的改进的维纳滤波方法及系统，适用于高速PAM4传输平台，采用改进的维纳滤波器技术对信号进行滤波，相比LMS算法具有处理速度快的优势，在接收光功率为3dBm时，能在相同实验条件下降低PAM4信号一个量级的误码率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于高速光脉冲幅度调制的改进的维纳滤波方法，采用马赫曾德尔调制器将PAM4电信号调制到1.5微米激光后通过单模光纤传输，并在接收端通过插值重构和改进的维纳滤波实现信号解调。
所述的改进的维纳滤波，其滤波器参数通过脉冲序列r(n)的自相关矩阵的逆阵与计算接收端收到信号经插值和重采样后得到的数字信号d(n)和训练信号r(n)之间的互相关矩阵相乘而得，具体为：Wn＝Rr -1Prd，其中：Prd为数字信号d(n)与作为训练信号的脉冲序列r(n)的互相关矩阵，Rr为脉冲序列r(n)的自相关矩阵。
所述的训练信号为80-Gbps的PAM4信号。
所述的数字信号的重采样的采样率为64GSa/s。
所述的插值，优选采用线性插值的方式增加了数字信号的采样率，用来减少采样点数过少造成误码率不准确的影响。
本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：马赫曾德尔调制器以及分别与之相连的载波发生端和PAM4信号发生端、用于传输调制信号的单模光纤以及带有光电探测器的信号接收端。
所述的载波发生端为连续光光源，其工作波长优选为1.5微米处。
所述的信号接收端由光电探测器和接收模块组成，该接收模块对光电转化后的接收信号进行插值重构、重采样以及维纳滤波。
技术效果
与现有技术相比，本发明在1.5微米的传输波段上实现了PAM4信号80Gbps的总传输容量，以及9公里的总传输距离，相比最小均方根值滤波算法，具有处理速度快，实现简单等优势。
附图说明
图1为本发明所用维纳滤波器原理图；
图2为本发明系统结构示意图；
图中：连续光光源1、偏振控制器2、马赫曾德尔调制器3、任意信号发生器4、线性放大器5、标准单模光纤6、光电探测器7、数字存储示波器8、直流偏置9、检测单元10；
图3为PAM4传输系统得到的信号眼图；
图中：(a)为电PAM4信号的眼图，(b)为光背靠背PAM4信号的眼图，(c)为5公里传输后的PAM4信号眼图，(d)为9公里传输后的PAM4信号眼图；
图4为系统得到的PAM4频谱图；
图中：(a)为采集下来的PAM4信号频谱图，(b)为理想的PAM4信号的频谱图，(c)为经过LMS-DD处理后的PAM4信号的频谱图，(d)为经过LMS-DD处理后的PAM4信号的频谱图；
图5为本发明所用的维纳滤波器与最小均方根值滤波的对比图；
图中：(a)为滤波器长度与误码率的关系，(b)为软件运行时间与误码率的关系，如图可见相同误码率情况下，维纳滤波器处理速度优于LMS-DD。
图6为PAM4系统传输的误码率曲线。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括：采样过程、自相关矩阵求解过程、互相关矩阵求解过程、滤波器抽头系数求解过程。
所述的采样过程的采样率必须大于信号速率的两倍；其中滤波器抽头系数求解过程使用了矩阵求逆，即Rr -1和矩阵相乘，即Rr -1Prd计算。
如图2所示，所述的PAM4信号传输系统包括：连续的光光源、偏振控制器、马赫曾德尔调制器、任意信号发生器、线性放大器、标准单模光纤、光电探测器和数字存储示波器，其中：偏振控制器用于控制连续光的偏振态，任意信号放大器用于产生高速的电PAM4信号，线性放大器用于放大信号幅度来驱动调制器，数字存储示波器用于对接收信号进行采样和存储，所述的偏振变化信息包括：控制脉冲和同步信息。
所述的连续光光源最大输出功率为20dBm，工作波长在1.5微米处。
所述的强度调制器的有效带宽是17GHz，消光比是25dB。
所述的任意波形发生器的有效带宽是25GHz，最大采样率是64GSa/s，本实施例中采用的采样率为40GSa/s。
所述的光电探测器有效带宽是25GHz，响应度是0.8A/W。
所述的数字存储示波器有效带宽是59GHz，采样率是160GSa/s。
本实施例通过以上技术得到的PAM4信号眼图如图3所示，图中：(a)为电PAM4信号的眼图，(b)为光背靠背PAM4信号的眼图，(c)为5公里传输后的PAM4信号眼图，(d)为9公里传输后的PAM4信号眼图；
本实施例通过以上技术得到的PAM4信号频谱图，以及本实施例采用的维纳滤波技术，得到的信号频谱，如图4所示，图中：(a)为采集下来的PAM4信号频谱图，(b)为理想的PAM4信号的频谱图，(c)为经过LMS-DD处理后的PAM4信号的频谱图，(d)为经过LMS-DD处理后的PAM4信号的频谱图；
如图5所示，图中：(a)为滤波器长度与误码率的关系，(b)为软件运行时间与误码率的关系，如图可见相同误码率情况下，维纳滤波器处理速度优于LMS-DD。
如图6所示，为PAM4系统传输的误码率曲线，如图可见通过使用维纳滤波器，80Gbps PAM4信号经过9km光纤传输后误码率低于前向纠错的下限。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种用于高速光脉冲幅度调制的改进的维纳滤波方法，其特征在于，采用马赫曾德尔调制器将PAM4电信号调制到1.5微米激光后通过单模光纤传输，并在接收端通过插值重构和改进的维纳滤波实现信号解调；
所述的改进的维纳滤波，其滤波器参数通过脉冲序列r(n)的自相关矩阵的逆阵与计算接收端收到信号经插值和重采样后得到的数字信号d(n)和训练信号r(n)之间的互相关矩阵相乘而得，具体为：Wn＝Rr -1Prd，其中：Prd为数字信号d(n)与作为训练信号的脉冲序列r(n)的互相关矩阵，Rr为脉冲序列r(n)的自相关矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的训练信号为80-Gbps的PAM4信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的数字信号的重采样的采样率为64GSa/s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的插值，采用线性插值的方式增加了数字信号的采样率，用来减少采样点数过少造成误码率不准确的影响。
5.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：马赫曾德尔调制器以及分别与之相连的载波发生端和PAM4信号发生端、用于传输调制信号的单模光纤以及带有光电探测器的信号接收端。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的载波发生端为连续光光源，其工作波长为1.5微米处。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的信号接收端由光电探测器和接收模块组成，该接收模块对光电转化后的接收信号进行插值重构、重采样以及所述的改进的维纳滤波。
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