CN107070555A - 处理多个光信号样本的方法、电路、光模块和光通信系统 - Google Patents

处理多个光信号样本的方法、电路、光模块和光通信系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种处理多个光信号样本的方法、电路、光模块和光通信系统。通过为每个样本生成PAM电平来处理具有脉冲幅度调制(PAM)电场的光信号的样本。对于每个样本，从各自PAM电平中减去样本以生成相应的误差样本。对误差样本进行低通滤波以产生多路干扰(MPI)的估计。对于每个样本，将MPI的估计中的一个与样本组合以产生干扰减轻的样本。

Description

处理多个光信号样本的方法、电路、光模块和光通信系统
技术领域
本申请涉及用于减轻光通信系统中的干扰的系统和方法。
背景技术
在直接检测的光通信系统中，多路干扰(MPI)源于光接口(连接器，接收器/发射器接口)处的发射波形的反射的组合。图1中绘出了一个实例，该实例示出了通过光缆序列连接到接收器102的发射器100，所述光缆在光接口104，106，108处连接。在发射器100发射信号s(t)之后，由于接口104，106，108处的反射，在接收器102处接收的信号u(t)是已发射信号的一组延迟复制品的和。通常在110处指示的是图1的系统的逻辑等效版本，图1示出了四个延迟组分的求和与各自的衰减a1，a2，a3，a4。
另一个干扰的源是由于在电域中发生的反射，例如在接收器中的光电二极管之后或在发射器中的激光调制器之前。这些电反射可以通过估计每个组分的延迟和幅度直接消除。这种电反射通常发生在非常短的距离(几十毫米或更小的数量级)，因此它们保持在来自主信号的少量波特内。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种处理多个光信号样本的方法，光信号具有脉冲幅度调制电场，方法包括：对于每个样本，估计各自的脉冲幅度调制电平；对于每个样本，从各自的脉冲幅度调制电平中减去样本以生成相应的误差样本；对误差样本进行低通滤波以产生多路干扰的估计；对于每个样本，将多路干扰的估计中的一个与样本组合以产生干扰减轻的样本。
根据本申请的另一个方面，提供了一种处理多个光信号样本的电路，光信号具有脉冲幅度调制电场，电路包括：限幅器，对于每个样本，估计样本各自的脉冲幅度调制电平；减法器，对于每个样本，从各自的脉冲幅度调制电平中减去样本以生成相应的误差样本；低通滤波器，对误差样本进行滤波以产生多路干扰的估计；组合器，对于每个样本，将多路干扰的估计中的一个与样本组合以产生干扰减轻的样本。
根据本申请的另一个方面，提供了一种光模块，包括：光输入/输出和电输入/输出；光电二极管，用于对在光输入/输出处接收的输入光信号执行直接检测，以产生直接检测输出；跨阻放大器，放大直接检测输出；脉冲幅度调制ASIC，被配置为对跨阻放大器的输出执行脉冲幅度调制解调以在电输入/输出处产生信号，脉冲幅度调制ASIC包括根据本申请的一个方面的电路，脉冲幅度调制ASIC进一步被配置为基于电输入/输出处的输入电信号执行脉冲幅度调制调制；激光器，基于脉冲幅度调制调制的输出在具有脉冲幅度调制调制的电场的光输入/输出处输出光信号。
根据本申请的另一个方面，提供了一种光通信系统，包括：通过包括光纤和光接口的光路互连的多个网络元件；网络元件中的至少一个包括具有减轻根据本申请的一个方面的多路干扰的电路的光模块。
附图说明
现在将参照附图描述本公开的实施例，其中：
图1描绘了具有多路干扰的光系统和相应的信号；
图2是具有带有不同回波损耗的连接器的光系统的另一个示例；
图3是用于图2的光系统的多路信道模型；
图4是波特率系统模型的方框图；
图5A是具有MPI减轻电路的光接收器的方框图；
图5B是图5A的接收器的波特率模型；
图6是图5A的RX1组分的实例实施的方框图；
图7是具有MPI减轻电路和干扰组分估计器的光接收器的方框图；
图8是具有MPI减轻电路的光模块的方框图；
图9是包括具有MPI减轻电路的网络元件的光网络的方框图；以及
图10是执行MPI减轻的方法的流程图。
具体实施方式
如在背景技术部分中提到的，由于在电域中发生的反射引起的干扰可通过估计每个组分的延迟和幅度直接消除，因为电反射通常发生在非常短的距离上，因此它们保持在来自主信号的少量波特内。干扰消除的传统方法明确地消除单独反射的项(例如使用决策反馈均衡器)。这种方法对于应用于MPI是有挑战性的，因为反射可能被延迟许多1000s波特，并且抽头(taps)的大小和位置可根据时间变化，例如由于机械振动和激光器相位变化。使适配环路足够快是非常具有挑战性的，并且需要大量的存储来储存过去的决策。
另外，MPI的影响对于直接检测接收器(即，检测光波形的功率的接收器)是电平依赖的。更具体而言，在诸如脉冲幅度调制(PAM)的多电平调制方案中，对于较大的PAM电平，MPI的效果比对于较小的PAM电平更大。
根据本发明的一个方面，提供了一种处理多个光信号样本的方法，光信号具有脉冲幅度调制(PAM)电场，所述方法包括：对于每个样本，估计各自的PAM水平；对于每个样本，从各自的PAM电平减去所述样本以生成相应的误差样本；对所述误差样本进行低通滤波以产生多路干扰(MPI)的估计；对于每个样本，将MPI的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻的样本。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于处理多个光信号样本的电路，光信号具有脉冲幅度调制(PAM)电场，所述电路包括：限幅器，对于每个样本，估计样本的各自的PAM电平；减法器，对于每个样本，从各自的PAM电平中减去所述样本以生成相应的误差样本；低通滤波器，对所述误差样本进行滤波以产生多路干扰(MPI)的估计；组合器，对于每个样本，将MPI的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻的样本。
图2中描绘了光通信系统的实例。该实例包括具有发射光组件(TOSA)连接器230的第一收发器201和具有接收光组件(ROSA)连接器232的第二收发器204。两个收发器201，204通过光路径连接，该路径具有五段电缆200，202，206，208，210和连接器212，214，216，218，220，222，224，226。在典型的光通信系统中，将存在具有不同质量的连接器。在图2中，连接器214，216，222，224与其它连接器相比具有优异的回波损耗。该系统可使用诸如图3所示的多路信道模型来建模，其中具有良好回波损耗的连接器已经被抽出，因为它们对MPI没有显著帮助。对于这个具体实例，电缆的五个物理长度具有长度li。该模型包括位于四个相对较差的回波损耗连接器处的接口，加上TOSA连接器和ROSA连接器处的接口。应当理解，该方法概括为任意数量的连接器和电缆。
每个连接器具有关联的回波损耗。每个电缆长度具有相关的相移θi，该相移涉及链路引起的干扰方相位随机化(相对于主信号，本文中也称为干扰受害方，或简称为受害方).
基于图2的系统(但是再次，更一般地，基于具有任何数量的连接器和电缆的系统)的波特率系统模型在图4中绘出。在该模型中，输入样本x[k]通过多路信道传输，所述多路信道将输入样本x[k]变换为y[k]。在402执行对y[k]的直接检测以产生w[k]。在404添加噪声贡献n[k]以产生接收的样本r[k]。可以根据下式对输入样本x[k]的复杂基带表示进行建模：
x[k]＝A[k]ejφ[k]
其中，A[k]是输入样本x[k]的PAM电平，并且是根据PAM调制方案的一组PAM电平中的一个，并且φ[k]是输入样本x[k]的相位。
另外，可根据下式对y[k]、r[k]和MPI干扰组分进行建模：
r[k]≈|A[k]|2+2|A[k]|∑mγm|A[k-dm]|cos(φ[k]-φ[k-dm]+ψ[m])+n[k]
MPI干扰：2|A[k]|∑mγm|A[k-dm]|cos(φ[k]-φ[k-dm]+ψ[m])
出于该模型的目的，假设：
发射信号的相位根据随机游走而变化，其中
Φ[k]-Φ[k-1]＝ρ[l]，其中ρ[l]是具有方差σ2＝2πΔvlTB的零均值高斯随机变量，其中Δv是激光器的3-dB线宽，TB为信号的波特周期；
dm和θm，与干扰路径关联的时间和相位延迟，由于机械/热效应而变化；
附加噪声n[k]模拟信道中的其他噪声源；
由于数据符号A[k]的独立性，受害方和干扰方的幅度是联合独立的；
γm模拟反射信号的衰减，源自发生反射的连接器的回波损耗；
ψ[m]是一般形式，其中，a,b∈{1,2,3,4,5}
现参照图5A，示出了光接收器的方框图，所述光接收器包括由本发明的实施例提供的MPI减轻电路500。方框RX1 501表示在MPI减轻电路500之前执行的任何输入信号处理。以下给出具体实例。方框RX2 510表示在MPI减轻电路500之后执行的接收信号处理。以下给出具体实例。MPI减轻电路500在连接到光信号路径的接收器中实施，诸如在图1至图3中示例的。
MPI减轻电路500具有误差生成器506，误差生成器506估计从RX1 501接收的样本的PAM电平，并生成相应的误差信号。在低通滤波器508中对误差信号进行滤波以产生MPI的估计。补偿组合器504可选地在延迟502之后将MPI的估计与从RX1 501接收的样本组合，所述延迟502解释在误差生成器506和滤波器508中处理样本所花费的时间。
图5B是图5A的MPI减轻电路500的波特率视图。在限幅器522中对输入样本r[k]进行限幅，限幅器522对于每个样本，估计样本的各个PAM电平。减法器524(图5A的误差生成器506的特定实例)从各自估计的PAM电平减去样本以产生相应的误差样本。在低通滤波器526中对误差样本进行滤波以产生MPI的估计，然后使用减法器528从输入样本r[k]中减去MPI的估计。
对于低通滤波器存在许多选择。在一些实施例中，低通滤波器是固定区块平均组件，其确定连续样本的区块的误差样本的平均值。由此确定的平均值被用作与连续样本的区块中的每个样本组合的MPI的估计。在具体实例中，根据下式使用固定的32波特窗口来确定MPI的估计：
该方法要求每32个波特31次加法。
在一些实施例中，低通滤波器是移动窗口平均组件，其对于每个样本确定由移动窗口限定的各误差样本的区块的误差样本的平均值，其中，该平均值用作与样本组合的MPI的估计。在一些实施例中，存在用于每个样本的唯一窗口。在其他实施例中，相同的窗口用于小于误差样本的区块的大小的一组连续样本。在具体实例中，使用滑动32波特窗口来确定MPI的估计，其中MPI减轻在8个连续波特上是共有的，其根据：
该方法要求每32个波特>＝40次加法。
在一些实施例中，连续样本的区块的大小(对于固定或移动窗口实施例)被根据发射器相干性配置。
在一些实施例中，补偿组合器504是减法器，将多路干扰的组分的估计与样本组合，以便通过从样本减去估计以产生干扰减轻样本来产生干扰减轻样本。
在一些实施例中，补偿组合器504是电平依赖的减法器，其通过将滤波器的MPI输出的估计乘以与各自的PAM水平成比例的值来产生加权估计，所述各自的PAM电平调制从样本估计的电场。然后从样本中减去该加权估计以产生干扰减轻的样本。调制电场的PAM电平要与直接检测器(例如限幅器522)的输出相区别，因为直接检测之后的PAM电平是功率的函数，电场振幅的平方也是功率的函数。
如上所述，RX1区块501表示在前馈MPI减轻电路500之前执行的任何输入信号处理。参照图6，在具体实例中，这包括至少一个直接检测接收器，诸如光电二极管(PD)600；跨阻放大器(TIA)601，放大直接检测输出；模数转换器(ADC)602，对TIA的输出执行模数转换以生成原始样本；以及均衡器604，均衡化原始样本以产生多个样本。在RX1区块501中可存在不同的或附加的功能。
如上所述，RX2区块510表示在前馈MPI减轻电路500之后执行的任何输入信号处理。在一些实施例中，这包括对每个干扰减轻的样本执行PAM决策限幅(decision slicing)的PAM决策限幅器(decision slicer)。在RX2区块510中可存在附加功能。
现将参照图7描述由本发明的实施例提供的另一个干扰减轻的电路，图7包括许多与图5A共同的组分。该电路另外包括干扰组分估计器702和组合器704，组合器704接收MPI估计器500的输出和干扰组分估计器702的一个或多个输出。
干扰组分估计器702通过估计每个干扰组分的各自的延迟和各自的幅度来估计至少一个干扰组分。通常，干扰组分估计器将估计由于电反射引起的组分。因为电反射通常发生在非常短的距离(几十毫米或更小的数量级)上，所以它们保持在来自主信号的少量波特内。组合器705将MPI的估计和估计的至少一个电性的干扰组分702与样本组合以产生传递到RX2区块510的干扰减轻的样本。
参照图8，本发明的另一个实施例提供了一种光模块800。光模块800具有光IO(输入/输出)802和电IO 801。关于在光I/O处接收的光信号，存在光电二极管(PD)810，用于执行直接检测以产生直接检测输出。直接检测输出在TIA 812中被放大。存在PAM ASIC 806，被配置为对TIA 812的输出执行PAM解调，以便在电IO 801处产生信号。PAM ASIC包括MPI减轻电路804，其根据本文描述的实施例之一实施MPI减轻。PAM ASIC可例如包括图6的电路。
关于在电IO 801处接收的信号，PAM ASIC进一步被配置为基于输入电信号执行PAM调制。光模块还具有激光器加调制器808，该调制器基于PAM调制的输出在具有PAM调制电场的光IO处输出光信号。
现参照图9，图9示出了由本发明的实施例提供的光通信系统的方框图。该系统包括多个网络元件900、902(仅示出两个，但通常将有更多)。例如，网络元件900、902可以是交换机、路由器、服务器。网络元件900、902通过包括光纤和光接口的光路径互连。在示出的具体实例中，网络元件900、902通过包括光纤908、接口914、光纤910、接口916和光纤912的光路互连。光纤和接口的数量是根据实施方式具体规定的。另外，根据本文描述的实施例中的一个，网络元件中的至少一个包括具有MPI减轻电路的光模块。在示出的实例中，网络元件900、902包括各自的光模块904、924，所述光模块904、924包括各自的MPI减轻电路906、926。在一些实施例中，光模块根据图8的实例。
就输入信号的波特率而言，具体的操作频率和低通滤波器的通带都是根据实施方式具体规定的。在一些实施例中，本文描述的系统和方法应用于具有大于25GBaud波特率的光信号，并且在一些实施例中，MPI减轻电路执行低通滤波以去除频率低于100MHz的MPI，以及在其他实施例中，去除频率低于10MHz的MPI。
图10是处理多个光信号的样本的方法的流程图，所述光信号具有脉冲幅度调制(PAM)电场。在方框10-1中，对于每个样本，估计各自的PAM电平。在方框10-2中，对于每个样本，从各自的PAM电平中减去样本以生成相应的误差样本。在方框10-3中，对误差样本进行低通滤波以产生多路干扰(MPI)的估计。在方框10-4中，对于每个样本，将MPI的估计中的一个与样本组合以产生干扰减轻的样本。上面已经描述了可如何执行这些步骤的各种实例。
根据上述教义，本公开的许多修改和变化是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本公开可以以不同于本文具体描述的方式来实施。

Claims (28)

1.一种处理多个光信号样本的方法，光信号具有脉冲幅度调制电场，所述方法包括：
对于每个样本，估计各自的脉冲幅度调制电平；
对于每个样本，从所述各自的脉冲幅度调制电平中减去所述样本以生成相应的误差样本；
对所述误差样本进行低通滤波以产生多路干扰的估计；
对于每个样本，将所述多路干扰的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻样本。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，滤波包括：
对于连续样本的区块，对相应的误差样本的区块进行滤波以产生区块估计，以及使用所述区块估计作为所述多路干扰的估计，所述多路干扰的估计与所述连续样本的区块中的每个样本组合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述相应的误差样本的区块进行滤波以产生区块估计包括确定所述相应的误差样本的区块的平均值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，滤波包括：
对于每个样本，对于由移动窗口限定的各误差样本的区块，对所述各误差样本的区块进行低通滤波以产生各区块估计，以及使用所述各区块估计作为与所述样本组合的所述多路干扰的估计。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对所述各误差样本的区块进行滤波以产生各区块估计包括确定所述各误差样本的区块的平均值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述多路干扰的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻样本包括从所述样本中减去所述估计以产生所述干扰减轻样本。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，对于给定的样本，将所述多路干扰的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻样本包括：
通过将所述多路干扰的估计中的一个乘以与各脉冲幅度调制电平成比例的值来产生加权估计，所述脉冲幅度调制电平调制从所述样本估计的电场；
从所述样本减去所述加权估计以产生多路干扰减轻样本。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在组合之前延迟所述样本以解释在确定所述多路干扰的估计中的一个中的延迟。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
接收具有所述脉冲幅度调制调制的电场的所述光信号；
执行所述光信号的直接检测以产生直接检测输出；
对所述直接检测输出执行模数转换以产生原始样本；
对所述原始样本执行均衡化以产生多个所述样本。
10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
对于每个干扰减轻样本，执行脉冲幅度调制决策限幅。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
通过估计每个干扰组分的各自的延迟和各自的幅度来估计至少一个干扰组分；
其中，对于每个样本，产生所述干扰减轻样本包括将所述多路干扰的估计和所估计的至少一个电性的干扰组分与所述样本组合；
对于每个干扰减轻样本，执行脉冲幅度调制决策限幅。
12.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：
根据发射器相干性配置所述连续样本的区块的大小。
13.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：
根据发射器相干性配置连续样本的区块的大小。
14.一种处理多个光信号样本的电路，光信号具有脉冲幅度调制电场，所述电路包括：
限幅器，对于每个样本，估计所述样本各自的脉冲幅度调制电平；
减法器，对于每个样本，从各自的脉冲幅度调制电平中减去所述样本以生成相应的误差样本；
低通滤波器，对所述误差样本进行滤波以产生多路干扰的估计；
组合器，对于每个样本，将所述多路干扰的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻样本。
15.根据权利要求14所述的电路，其中，所述低通滤波器包括：
固定区块平均组件，确定样本的区块的所述误差样本的平均值；
其中，所述平均值被用作所述多路干扰的估计，所述多路干扰的估计与连续样本的区块中的每个样本组合。
16.根据权利要求14所述的电路，其中，所述低通滤波器包括：
移动窗口平均组件，对于每个样本，确定由移动窗口限定的各误差样本的区块的所述误差样本的平均值，其中，所述平均值被用作与所述样本组合的所述多路干扰的估计。
17.根据权利要求14所述的电路，其中，所述组合器是减法器，通过从所述样本中减去所述估计以产生所述干扰减轻样本，将所述多路干扰的估计中的一个与所述样本组合以产生干扰减轻样本。
18.根据权利要求14所述的电路，其中，所述组合器是电平依赖的减法器，对于给定样本，通过产生加权估计将所述多路干扰的估计中的一个与所述样本组合以产生经干扰减轻样本，所述加权估计通过将所述多路干扰的估计中的一个乘以与各脉冲幅度调制电平成比例的值来产生，所述脉冲幅度调制电平调制从所述样本估计的电场；并且从所述样本中减去所述加权估计以产生多路干扰减轻样本。
19.根据权利要求14所述的电路，进一步包括：
延迟元件，在组合之前延迟所述样本以解释在确定所述多路干扰的估计中的一个中的延迟。
20.根据权利要求14所述的电路，进一步包括：
直接检测接收器，直接检测所述光信号以产生直接检测输出；
模数转换器，对所述直接检测输出执行模数转换以生成原始样本；
均衡器，均衡化所述原始样本以产生多个所述样本。
21.根据权利要求14所述的电路，进一步包括：
脉冲幅度调制决策限幅器，对每个干扰减轻样本执行脉冲幅度调制决策限幅。
22.根据权利要求20所述的电路，进一步包括：
干扰组分估计器，通过估计每个干扰组分的各自的延迟和各自的幅度来估计至少一个干扰组分；
其中，对于每个样本，所述组合器将所述多路干扰的估计和所估计的至少一个电性的干扰组分与所述样本组合；
脉冲幅度调制决策限幅器，对每个干扰减轻样本执行脉冲幅度调制决策限幅。
23.根据权利要求15所述的电路，其中：
所述连续样本的区块的大小被根据发射器相干性配置。
24.根据权利要求16所述的电路，进一步包括：
连续样本的区块的大小被根据发射器相干性配置。
25.一种光模块，包括：
光输入/输出和电输入/输出；
光电二极管，用于对在所述光输入/输出处接收的输入光信号执行直接检测，以产生直接检测输出；
跨阻放大器，放大所述直接检测输出；
脉冲幅度调制ASIC，被配置为对所述跨阻放大器的输出执行脉冲幅度调制解调以在所述电输入/输出处产生信号，所述脉冲幅度调制ASIC包括根据权利要求14所述的电路，所述脉冲幅度调制ASIC进一步被配置为基于所述电输入/输出处的输入电信号执行脉冲幅度调制调制；
激光器，基于所述脉冲幅度调制调制的输出在具有脉冲幅度调制调制的电场的光输入/输出处输出光信号。
26.一种光通信系统，包括：
通过包括光纤和光接口的光路互连的多个网络元件；
所述网络元件中的至少一个包括具有减轻根据权利要求1所述的多路干扰的电路的光模块。
27.根据权利要求14所述的电路，被配置为以大于25GBaud的波特率操作，其中，所述低通滤波器操作为滤除低于100MHz的频率。
28.根据权利要求14所述的电路，被配置为以大于25GBaud的波特率操作，其中，所述低通滤波器操作为滤除低于10MHz的频率。
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