CN107949992A - 频域光信道估计 - Google Patents

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Abstract

一种光通信网络中的光收发器，包括：接收器，用于接收包括X偏振分量和Y偏振分量的光信号，该X偏振分量包括第一帧，并且该Y偏振分量包括第二帧。该光收发器还包括：处理器，耦合到该接收器，并用于根据该第一帧和该第二帧，在时域中确定相位估计，根据该第一帧、该第二帧和该相位估计之间的关系，在频域中确定该光信号的信道估计，以及根据该信道估计来确定补偿后的光信号。该光收发器还包括：发送器，耦合到该处理器，并且用于将该补偿后的光信号发送到该光通信网络中的下游组件。

Description

频域光信道估计
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2015年11月30日提交、申请号为14/954,473、名为“频域光信道估计”的美国非临时专利申请的优先权和权益，该申请在此通过引用并入本文。
背景技术
光通信系统有利于在短距离和远距离(例如，从数据中心内的数百米到水下光纤的数千米)高速高带宽的数据传输。一种用于远距离传输数据的光通信系统称为长距离光通信系统。在长距离光通信系统中，通过采用相干光传输来提高数据率，其中数据可以被调制到光载波信号的幅度、相位和/或偏振分量上。在这些长距离光通信系统中，性能可受到诸如色散(CD)、本振频率偏移(LOFO)、偏振模色散(PMD)、相位噪声、非线性效应和由于偏振状态(SOP)随时间变化旋转而引起的双偏振X和Y数据流的混合的光纤损伤的限制。
通常，这些损伤是通过数字信号处理，用时频域混合的方法来补偿的(例如，使用频域来补偿CD，以及使用时域均衡器来补偿混合的X和Y数据流)。然而，随着时域均衡器中抽头数目的增加，时频域混合的方法的复杂性也有所增加。因此，希望用单域的方法来补偿这些损伤。
发明内容
在一些实施例中，本公开包括一种光通信网络中的光收发器，其包括：接收器，其用于接收包括X偏振分量和Y偏振分量的光信号，该X偏振分量包括第一帧，并且该Y偏振分量包括第二帧；处理器，其耦合到该接收器，并用于：根据该第一帧和该第二帧，在时域中确定相位估计；根据该第一帧、该第二帧和该相位估计之间的关系，在频域中确定该光信号的信道估计；并且根据该信道估计来确定补偿后的光信号；以及发送器，其耦合到该处理器，并且用于将该补偿后的光信号发送到该光通信网络中的下游组件。
在一些实施例中，本公开还包括一种光收发器，其中该处理器还用于：根据第五大小的快速傅立叶变换(FFT)，确定该第一帧的具有第一大小的第一训练序列和具有第三大小的第三训练序列的第一频域表示；根据该第五大小的FFT，确定该第二帧的具有第二大小的第二训练序列和具有第四大小的第四训练序列的第二频域表示，其中该第五大小大于该第一大小、该第二大小、该第三大小和该第四大小；确定该第一频域表示的第一矢量表示；以及确定该第二频域表示的第二矢量表示。
在一些实施例中，该处理器还用于：根据该第一训练序列、该第二训练序列、该第三训练序列和该第四训练序列，确定训练矩阵；以及根据该训练矩阵、该第一训练序列的第一相位、该第二训练序列的第二相位、该第三训练序列的第三相位和该第四训练序列的第四相位，确定修正训练矩阵。
在一些实施例中，该处理器还用于根据该修正训练矩阵和CD估计值，确定合并训练矩阵。在一些实施例中，该处理器还用于根据该合并训练矩阵、该第一矢量表示和该第二矢量表示，进一步确定该信道估计。在一些实施例中，该处理器还用于对该信道估计在该光信号的多个帧上求时间平均。在一些实施例中，处理器还用于根据时间量延迟补偿该光信号，该时间量对应于对该信道估计求时间平均的周期，该延迟在该处理器的延迟缓冲器中实施。在一些实施例中，处理器还用于确定该第一帧的第一数据和该第二帧的第二数据的第三频域表示，以及确定该第三频域表示的第三矢量表示。在一些实施例中，处理器还用于根据该第三矢量表示，进一步确定该补偿后的光信号。
在另一个实施例中，本公开包括一种在光收发器中实施的方法，其包括：由接收模块接收包括至少一个训练序列的光信号；由处理器在时域中处理该光信号，以确定该光信号的频域表示；以及由该处理器在频域中根据该至少一个训练序列来确定该光信号的信道估计，其中该信道估计在频域中补偿该光信号中的PMD和CD。
在一些实施例中，本公开还包括一种方法，其中该光信号在该频域中被处理以确定该光信号的矢量矩阵表示，其中该光信号在该时域中被处理以确定相位特性，其中根据该光信号和该相位特性确定训练矩阵，并且其中该信道估计根据该训练矩阵和该矢量矩阵表示确定。
在一些实施例中，在确定该信道估计之前，将该训练矩阵与预定的CD估计值合并。在一些实施例中，该信道估计通过将该训练矩阵应用到该光信号的该训练序列来确定。在一些实施例中，该信道估计在该光信号的时间周期上求平均。
在又一个实施例中，本公开包括一种在光收发器中实施的方法，其包括：由接收模块接收包括至少一个数据和至少一个光信号损伤的光信号；在时域中处理该光信号，以确定该至少一个数据的频域表示；以及由处理器根据该光信号和合并信道估计，在频域中确定补偿后的光信号。
在一些实施例中，该至少一个数据在该频域中被处理，以确定该至少一个数据的矢量矩阵表示。在一些实施例中，该补偿后的光信号通过将该合并信道估计应用到该至少一个数据的该矢量矩阵表示来确定。在一些实施例中，该补偿后的光信号的确定按照预定时间周期延迟，该预定时间周期对应于将该信道估计合并的时间量。在一些实施例中，该信道估计包括CD估计和PMD估计。在一些实施例中，该补偿后的光信号的确定不在该时域中发生。
通过以下详细描述，并结合附图和权利要求，将更加清楚地理解这些及其他特征。
附图说明
为更全面地理解本公开，现在将结合附图和详细描述进行如下简短描述，其中相似的附图标记代表相似的部件。
图1是光通信网络的一个实施例的示意图。
图2是用于在光通信网络中操作的网元的一个实施例的示意图。
图3是光传输帧结构的一个实施例的示意图。
图4是光通信网络接收单元的示意图。
图5是信道估计单元的一个实施例的示意图。
图6是信道均衡单元的一个实施例的示意图。
图7是光通信系统中用于信道估计的方法的一个实施例。
图8是光通信系统中用于信道均衡的方法的一个实施例。
图9是频域均衡的一个实施例的实验性能的曲线图。
图10是频域均衡的一个实施例的实验性能的曲线图。
具体实施方式
首先应当理解的是，虽然下文提供了一个或多个实施例的说明性实施方式，但其所公开的系统和/或方法可以通过使用任意数量的技术加以实施，无论此技术是否已知或现有。本公开绝不局限于下文示出的说明性实施方式、附图和技术，包括本文所示出和描述的示例性设计和实施方式等，而是能够在随附权利要求及其等同技术的范围之内进行修改。
本文所公开的是能够对光通信网络中由光接收器接收到的光信号中的损伤进行补偿的各种实施例。这些损伤包括，例如，色散(CD)和偏振模色散(PMD)。为了补偿损伤，为光信号确定信道估计。该信道估计是在频域中确定的，以降低复杂性和硬件要求。信道估计不在时域中确定。同样是为了降低复杂性和硬件要求，信道估计根据包含在该光信号中的至少一个训练序列来确定。
图1是光通信网络100(例如，相干光通信网络)的一个实施例的示意图，其中可操作本公开的一个实施例。在一个实施例中，网络100包括通过光连接106通信地耦合到接收器104的发送器102。另选地，网络100包括多个发送器102、多个接收器104，或两者兼而有之。发送器102用于经由光连接106将光信号发送到接收器104。发送器102和接收器104均可在单个收发器中实施，使得单个收发器有利于双向数据通信。
发送器102包括电-光组件(例如，一个或多个激光二极管、一个或多个电驱动器、一个或多个电-光转换器或其它适于将电数据转换成光数据的组件)，用于将电数据信号调制到光载波(例如，由激光二极管生成的光载波)上。例如，发送器102可以将电数据信号调制到光载波上，以形成包括两个正交的线性偏振分量(即X偏振分量和Y偏振分量)的光信号。
光连接106包括光缆，用于将光信号从发送器102携带到接收器104。在一些实施例中，光连接106还可以包括各种组件，诸如滤光器、光放大器或位于发送器102和接收器104之间的其他设备。光连接106可以包括一个或多个损伤，诸如例如CD、SOP旋转、偏振模色散、偏振相关损耗、偏振相关增益、非线性相位噪声和光学高斯白噪声。另外，发送器102或接收器104中的缺陷或发送器102和接收器104之间的失配都可能使得接收器104接收到的光信号中出现缺陷，如LOFO以及同相和正交相位(IQ)失衡。
接收器104包括光-电组件(例如，光电二极管、一个或多个模数转换器、数字信号处理单元或其它适于将光数据转换成电数据的组件)，用于将接收的光信号转换成电数据信号。例如，接收器104可用于接收包括X偏振分量和Y偏振分量的光信号，并将X偏振分量与Y偏振分量分离，然后根据本公开将光信号转换成电信号来进行处理。
图2是用于在光通信网络中操作的网络设备200的一个实施例的示意图。网络设备200适于实施本公开的实施例，包括如下面所讨论的单元400、500和600以及方法700和800。网络设备200包括：下游端口210；收发器单元(Tx/Rx)220，用于发送或接收数据；处理器；逻辑单元或中央处理单元(CPU)230，用于处理数据；上游端口240，用于发送或接收数据；以及存储器250，用于存储数据。网络设备200还可以包括耦合到下游端口210、收发器单元220和上游端口240的光-电(OE)组件和电-光(EO)组件，用于光信号或电信号的出口或入口。例如，OE或EO组件可以包括激光二极管或光检测器。
处理器230可以由硬件和软件来实施。处理器230可被实施为一个或多个CPU芯片、内核(例如，作为多核处理器)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和数字信号处理器(DSP)。处理器230与下游端口210、收发器单元220、上游端口240和存储器250通信。处理器230包括信道估计模块260。该信道估计模块260执行方法700和800的至少一部分。因此，通过包含信道估计模块260，提供了对网络设备200的功能的改进。信道估计模块260也影响网络设备200到不同状态的变换。另选地，信道估计模块260被实施为存储在存储器250中并由处理器230执行的指令。处理器230还包括光信号均衡模块270。光信号均衡模块270执行方法700和800的至少一部分，并进行光信号的均衡和补偿。因此，通过包含光信号均衡模块270，提供了对网络设备200的功能的改进。光信号均衡模块270也影响网络设备200到不同状态的变换。另选地，光信号均衡模块270被实施为存储在存储器250中并由处理器230执行的指令。
该存储器250包括一个或多个磁盘驱动器、磁带驱动器和固态驱动器，并且可以被用作溢出数据存储设备，以在选择了要执行的程序时存储该程序，以及用于存储在该程序执行过程中被读取的指令和数据。存储器250可以是易失性和非易失性的，并且可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、三重内容可寻址存储器(TCAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。
在一个示例实施例中，网络设备200包括：接收模块，其接收包括至少一个训练序列的光信号；时域模块，其在时域中处理该光信号，以确定该光信号的频域表示；以及信道估计模块，其根据该至少一个训练序列，在频域中确定该光信号的信道估计，其中该信道估计在频域中补偿该光信号中的偏振模色散(PMD)和色散(CD)。在一些实施例中，网络设备200可以包括用于执行在实施例中描述的步骤的任何一个或组合的其它或附加的模块。
在一个示例实施例中，网络设备200包括：接收模块，其接收包括至少一个数据和至少一个光信号损伤的光信号；时域模块，其在时域中处理该光信号以确定该至少一个数据的频域表示；以及补偿光信号模块，其根据该光信号和合并信道估计，在频域中确定补偿后的光信号。在一些实施例中，网络设备200可以包括用于执行在实施例中描述的步骤的任何一个或组合的其它或附加的模块。
图3是光传输帧结构300的一个实施例的示意图。帧结构300包括多个传输帧，每个对应于光信号的数据流。例如，对于包含双X和Y偏振分量的光信号，该帧结构300包括X偏振传输帧302和Y偏振传输帧304。帧302和304的长度根据光通信网络的具体实施方式确定，但可以是，例如1024个符号。帧302和304通过光通信网络中的光连接，在光信号中从发送器被携带到接收器，例如，通过网络100中的连接106从发送器102到接收器104。帧302和304使接收器能够确定用于该光连接的信道估计，从而也确定相位噪声。为了使接收器能够确定该信道估计，帧302包括多个训练序列306和308，并且帧304包括多个训练序列310和312。训练序列306、308、310和312中的每个包括多个符号。每个帧302和304还包括至少一个发送数据块。另选地，帧302和帧304各自包括多个帧，每个帧包括一个训练序列和一个发送数据块。例如，在图3中，当帧302和304各自包括多个帧时，帧302包括第一帧和第二帧，第一帧包括训练序列306和一数据块，并且第二帧包括训练序列308和第二数据块。然后，帧304包括第三帧，第三帧包括训练序列310和第三数据块，并且训练序列312和第四数据块。
如图3所示，用于帧302(例如，训练序列306和308)和帧304(例如，训练序列310和312)的多个训练序列在时间上顺序出现；然而，各训练序列并非连续地出现(例如，一个紧跟另一个而没有中间数据)。将训练序列306、308、310和312分布在帧结构300中，使得它们顺序出现但不连续，这就减少了在帧302和304中的一些开销的量，并且能够抑制光信号中的周跳效应。例如，在帧302中，训练序列306和308被顺序地分布，使得训练序列308在训练序列306之后到来，但是训练序列306和308不是连续的，因为有中间数据块位于训练序列306和训练序列308之间。周跳在放大自发射(ASE)噪声或相位噪声引起接收信号的误检测时出现，从而导致接收信号的星座点的检测到的相位发生至少360/M度的偏差，其中M是星座的阶数。通过使训练序列306-312在帧302和304中分布来抑制周跳可获得灵活性，从而使光接收器能够检测训练序列306-312中第一个和训练序列306-312中第二个之间的相位变化。
训练序列306-312中的每个包括符号序列。选择用作训练序列306-312的具体符号序列可根据该具体序列的性质来确定，例如，使得该符号序列具有低互相关性和正交性。在一个实施方式中，训练序列306-312中的每个包栝格雷(Golay)序列。在另一个实施方式中，训练序列306-312中的每个包括恒包络零自相关(Cazac)序列。在这两个实施例的任一个中，训练序列306-312中的每个具有16个符号的长度。至于用作训练序列306-312的序列的具体类型，训练序列306-312的长度可以通过将该训练序列定制为能够在光通信网络中提供特定的期望性能的具体实施方式来确定。
除了根据低互相关性和正交特性来确定之外，训练序列308和312也可以根据与训练序列306和310的关系来确定，使得，例如，训练序列308根据与训练序列310的关系来确定，并且训练序列312根据与训练序列306的关系来确定。例如，训练序列306-312在频域相关，使得对在时域中接收的训练序列306-312执行快速傅里叶变换(FFT)之后，训练序列306-312根据下式相关：
F4(k)＝F1 *(k) (1)
其中F1(k)是训练序列306对于在频域中的所有点k的频域表示，F2(k)是训练序列308的频域表示，F3(k)是训练序列310的频域表示，F4(k)是训练序列312的频域表示，并且星号(*)表示共轭。训练序列306-312之间的关系可以由光发送器或光接收器分别在该训练序列在光通信网络中被发送或接收时来计算。另选地，训练序列306-312之间的关系可根据存储在光发送器和光接收器中并包括预先计算的训练序列306-312关系的查找表来确定。
图4是光通信网络接收单元400的示意图。单元400被实施为网元中的模块，例如，网元200的处理器230中的模块。另选地，单元400被实施为独立的单元。单元400包括多个数据路径414和416，例如，用于光信号的X偏振分量的数据路径414和用于光信号的Y偏振分量的数据路径416，其经处理后，获得从光通信网络中的光发送器发送的数据。为了处理光信号，单元400包括：多个FFT模块402和404，使得模块402和404的每个与单个数据路径414或416相关联；CD和PMD补偿模块406，其耦合到该多个数据路径414和416，并在该多个数据路径414和416之间共享；多个逆FFT(IFFT)模块408和410，其耦合到该CD和PMD补偿模块406，使得模块408和410的每个与单个数据路径414或416相关联；以及载波恢复模块412，其耦合到模块408和410，并且在该多个数据路径414和416之间共享。
FFT模块402和404用于接收时域中的光信号，并将该光信号转换到频域。例如，FFT模块402向光信号的X偏振分量的训练序列，例如，帧302的训练序列306和308，应用FFT，并且FFT模块404向光信号的Y偏振分量的训练序列，例如，帧304的训练序列310和312，应用FFT。
FFT模块402和404的大小或样本数量是根据光通信网络中实施的训练序列的大小来确定的。例如，在实施了16个符号的训练序列的光通信网络中，FFT模块402和404具有相应的大小16。另选地，FFT模块402和404具有的大小大于训练序列的大小。例如，在实施了16个符号的训练序列的光通信网络中，FFT模块402和404具有大小64。类似地，FFT模块402和404可具有32、128、256或任何其它合适的大小。例如，对于包括第一大小的第一训练序列和第三大小的第三训练序列的第一帧，该第一训练序列和第三训练序列的频域表示是根据第五大小的FFT来确定的。对于包括第二大小的第二训练序列和第四大小的第四训练序列的第二帧，该第二训练序列和第四训练序列的频域表示是根据该第五大小的FFT来确定的。FFT的第五大小等于或大于该第一大小、第二大小、第三大小和第四大小，使得确定该第一训练序列、第二训练序列、第三训练序列和第四训练序列的每个的频域表示的FFT模块402和404等于或大于该第一训练序列、第二训练序列、第三训练序列和第四训练序列的大小。训练序列的每个具有相同的大小，使得该第一大小、第二大小、第三大小和第四大小是相等的。另选地，该第一大小、第二大小、第三大小和第四大小是不同的。
CD和PMD补偿模块406用于从该FFT模块402和404接收在频域中的光信号，并确定用于补偿的PMD估计。在确定用于补偿的PMD估计之前，CD和PMD补偿模块406向训练序列应用预定的CD补偿值，以补偿在该光信号中的CD损伤。CD补偿值可以由光通信网络中的上游设备确定并从该处接收，或者CD补偿值可以从较早的流程(未示出)接收，该流程可在单元400中实施，并可与单元400中各种模块共享硬件组件。CD补偿值可以通过任何合适的手段来确定，例如，根据Murali Krishnan等人于2015年11月24日提交、申请号为14/951,195、名为“相干光学系统中色散和初始频移的联合获取”的美国专利申请中描述的用于联合确定CD和LOFO补偿的方法来确定，该申请在此通过引用如同复制一样并入本文。
向训练序列应用CD补偿值之后，CD和PMD补偿模块406确定用于PMD补偿的估计，下文将进一步详细描述。接着，CD和PMD补偿模块406将CD补偿值和PMD补偿值合并，以确定单一的补偿值应用到该光信号的数据来补偿CD和PMD，也如下文所描述的。一旦确定合并的CD和PMD补偿值，则CD和PMD补偿模块406将合并后的补偿值应用到该光信号，以补偿该光信号中的CD和PMD色散损伤。
IFFT模块408和410用于从CD和PMD补偿模块406接收在频域中的光信号，并将该光信号转换到时域。接着，载波恢复模块412用于确定该光信号的载波与单元400的本地振荡器(未示出)之间的频率或相位的差的估计，并进行补偿。在单元400中，每个模块依赖于从在前的模块或从单元400的外部接收的输入。这样，单元400的各模块可以被称为是非耦合的。例如，CD和PMD补偿模块406与载波恢复模块412是非耦合或去耦合的，使得CD和PMD补偿模块406的处理和输出并不依赖于载波恢复模块412的处理或输出。
图5是信道估计单元500的一个实施例的示意图。单元500被实施为模块的一部分，例如光通信系统的接收器(例如，网络100的接收器104)中的CD和PMD补偿模块406的一部分。另选地，单元500被实施为独立的单元。单元500包括多个数据路径528和530，例如，用于光信号的X偏振分量的训练序列的数据路径528和用于光信号的Y偏振分量的训练序列的数据路径530，其经处理后，获得从光通信网络中的光发送器发送的数据。为了处理光信号，单元500包括多个FFT模块502、504、506和508。如上所讨论的，FFT模块502-508的每个可以是任何合适的大小，例如64个点。FFT模块502-508的每个与单元500中单个信号，诸如单个训练序列，相关联，并且为相应接收的时域等效信号确定频域表示。例如，FFT模块502和504与光信号的X偏振分量相关联，并且FFT模块506和508与光信号的Y偏振分量相关联。FFT模块502对应于X偏振分量的第一帧的训练序列，FFT模块504对应于X偏振分量的第二帧的训练序列，FFT模块506对应于Y偏振分量的第一帧的训练序列，并且FFT模块508对应于Y偏振分量的第二帧的训练序列。另选地，单元500包括的FFT模块502-508少于数据路径，使得一个或多个FFT模块502-508被重复使用一次或多次，例如，一个FFT模块用于处理X偏振分量的两个帧的训练序列，并且一个FFT模块用于处理Y偏振分量的两个帧的训练序列。
2×1矢量模块510和512从模块502-508接收频域中的光信号，并确定该光信号的矢量表示。例如，FFT模块502和FFT模块504将光信号的X偏振分量的第一和第二帧中的训练序列分别变换到频域之后，则该X偏振分量的频域信号由2×1矢量模块510接收。相似地，FFT模块506和FFT模块508将光信号的Y偏振分量的第一和第二帧中的训练序列分别变换到频域之后，则该Y偏振分量的频域信号由2×1矢量模块512接收。
2×1矢量模块510将接收到的X偏振分量的频域信号转换成矢量表示，例如，具有一列两行的2×1矢量，其中第一行表示X偏振分量的第一频域信号，例如来自FFT模块502的信号，并且第二行表示X偏振分量的第二频域输出，例如来自FFT模块504的输出。2×1矢量模块512将接收到的Y偏振分量的频域信号转换成矢量表示，例如，具有一列两行的2×1矢量，其中第一行表示Y偏振分量的第一频域信号，例如来自FFT模块506的信号，并且第二行表示Y偏振分量的第二频域输出，例如来自FFT模块508的输出。光信号经2×1矢量模块510和512处理之后，被表示为一对2×1矢量，例如表示X偏振分量的2×1矢量和表示Y偏振分量的2×1矢量。同样的，经2×1矢量模块510和512处理之后，该2×1矢量被分别发送到矩阵矢量乘法模块514和516。
矩阵矢量乘法模块514和516从2×1模块510和512接收2×1矢量，并用从2×2训练矩阵模块518和520接收的2×2训练矩阵对所接收的2×1矢量执行乘法。该2×2训练矩阵根据光信号的训练序列的频域表示、由X/Y相位模块522和524确定并从该处接收的训练序列的估计相位、以及由单元500接收的CD补偿值来确定。基于乘法，矩阵矢量乘法模块514和516的每个输出一个2×1矩阵，两矩阵被组合以形成最终的2×2信道估计。
2×2信道估计模块526接收从矩阵矢量乘法模块514和516输出的2×1矩阵，并根据该光信号的训练序列，将矩阵合并，以形成2×2信道估计。接着，将该2×2信道估计转发，以用于补偿光信号的CD和PMD。例如，2×2信道估计模块526将该2×2信道估计发送到接收器中的另一个模块或单元以执行补偿。由诸如下文描述的信道均衡单元600的信道均衡单元执行补偿。另选地，在发送该2×2信道估计之前，2×2信道估计模块526对给定周期，例如一段时间或若干个频率点内的2×2信道估计求平均。通过对2×2信道估计求平均，可在存在噪声的光信号中提供改进的性能。
图6是信道均衡单元600的一个实施例的示意图。单元600被实施为光通信系统的接收器的模块的一部分，例如网络100的接收器104中的CD和PMD补偿模块406的一部分。另选地，单元600被实施为独立的单元。单元600从光信号的X偏振分量接收数据、从光信号的Y偏振分量接收数据、并接收光信号的信道估计，例如来自模块512的2×2信道估计，以对光信号中的损伤提供补偿和均衡。
为在应用信道估计之前处理光信号，单元600包括多个FFT模块602和603。FFT模块602和603接收时域中的光信号，并根据FFT确定光信号的频域表示。例如，FFT模块602从光信号的X偏振分量接收数据，并且FFT模块603从光信号的Y偏振分量接收数据。如先前所讨论的，FFT模块602和603可以是任何合适的大小，例如64个点。2×1矢量模块604从FFT模块602和603接收频域中的光信号，并确定该光信号的矢量表示。例如，FFT模块602和FFT模块603将光信号的X偏振分量的数据和该光信号的Y偏振分量的数据转换到频域中后，模块604接收该频域信号。2×1矢量模块604将接收到的频域信号转换成矢量表示，例如，具有一列两行的2×1矢量，其中第一行表示X偏振分量频域信号的数据，例如来自FFT模块602的数据，并且第二行表示Y偏振分量频域输出的数据，例如来自FFT模块603的数据。2×1矢量模块604对光信号进行处理之后，2×1矢量模块604将所产生的2×1矢量发送至延迟缓冲器506。
延迟缓冲器606将光信号的均衡延迟。将光信号的均衡延迟是为了改进单元600的性能，并改进其中实施有单元600的模块(诸如CD和PMD补偿模块406)的整体性能。例如，通过延迟均衡，可为要确定的信道估计提供附加的时间来改进性能，例如，通过对给定时间周期内的信道估计求平均并由单元600接收来改进性能。光信号在缓冲器606中延迟的时间量决定于单元600的具体实施方式，并且取决于例如在信道估计由单元600接收之前对信道估计求平均的周期。
用于延迟光信号的周期超时之后，矩阵矢量乘法模块608从缓冲器606接收光信号。附加地，模块608从另一单元(例如前文所讨论的单元500)接收用于执行光信号均衡或补偿的信道估计，如2×2信道估计610。接收光信号和信道估计后，模块608根据下式对光信号和2×2信道估计610执行矩阵矢量乘法，以产生均衡或补偿后的光信号：
其中T11(k)、T12(k)、T21(k)和T22(k)的矩阵是由模块608接收的频域值的2×2信道估计610，Xout(k)和Yout(k)的矩阵是从缓冲器606接收的并由模块604生成的频域值的2×1矢量矩阵，并且和的矩阵是由单元600输出的在频域中均衡后的信号的2×1矢量。
图7是光通信系统中用于信道估计的方法700的一个实施例。方法700在光通信网络的设备中实施，用于根据包括在光信号中的多个训练序列，确定针对光信号中损伤的补偿。例如，方法700可以在光接收器(诸如网络100中的接收器104)中实施。在步骤701，接收模块，例如光接收器的接收模块，接收包括至少一个训练序列或多个训练序列的光信号。在步骤702，根据下式确定训练序列的频域表示：
fa11＝FFT(S1) (3)
fb11＝FFT(S2) (4)
fa22＝FFT(S3) (5)
fb22＝FFT(S4) (6)
其中fa11是来自时域中光信号的X偏振分量的第一帧的第一训练序列S1的频域表示，fb11是来自时域中光信号的Y偏振分量的第一帧的第二训练序列S2的频域表示，fa22是来自时域中光信号的X偏振分量的第二帧的第三训练序列S3的频域表示，fb22是来自时域中光信号的Y偏振分量的第二帧的第四训练序列S4的频域表示，并且FFT是快速傅立叶变换操作。频域表示由FFT模块(例如单元500的FFT模块502-508)来确定。
在步骤704，确定训练序列的频域表示的矢量表示。例如，第一2×1矢量表示是从光信号的X偏振分量的训练序列的频域表示形成，并且第二2×1矢量表示是从光信号的Y偏振分量的训练序列的频域表示形成。这些2×1矢量由例如单元500的2×1矢量模块510-512确定。
在步骤706，训练矩阵根据未合并信道估计和接收到的CD值来确定。首先，确定用于补偿光信号中损伤的信道估计。例如，确定光信号的X偏振分量的信道估计，使得：
其中fa11、fb11、fa22和fb22如在步骤702确定，Xin1(k)是光信号的X偏振分量的第一训练序列，并且Xin2(k)是光信号的X偏振分量的第二训练序列。类似地，确定光信号的Y偏振分量的信道估计，使得：
其中fa11、fb11、fa22和fb22如在步骤702确定，Yin1(k)是光信号的Y偏振分量的第一训练序列，并且Yin2(k)是光信号的Y偏振分量的第二训练序列。如先前所讨论的，光信号可能遭受的一种损伤是相位噪声。在根据方法700处理的光信号中存在相位噪声的情况下，对上述根据方程(7)和(8)的训练矩阵根据下式进行修正，以创建考虑相位噪声的修正后的训练矩阵：
其中ejφ是复成分，描述光信号的训练序列的相位特性，并且是针对该光信号的训练序列的每个根据下式确定的：
其中Xin1(n)、Xin2(n)、Yin1(n)和Yin2(n)分别是X偏振分量和Y偏振分量的训练序列的时域表示，并且和是时域中训练序列的复共轭。通过修正方程(7)和(8)的训练矩阵以形成修正后的方程(9)和(10)的训练矩阵，使修正后的训练矩阵变得独立于相位噪声的效应。通过使得修正后的训练矩阵独立于相位噪声，可允许跨光信号的多个帧按时间求平均。
根据方程(9)和(10)的修正后的训练矩阵可以被进一步修正，以创建合并训练矩阵，该合并训练矩阵为光信号提供附加的补偿。例如，将修正后的训练矩阵与预定的CD补偿值合并，使得合并后的训练矩阵有利于同时补偿CD和PMD。为形成用于CD和PMD补偿的合并训练矩阵，根据下式，使用与该预定的CD补偿值对应的相位项乘以根据方程(3)-(6)的每个训练序列的原始频域表示，从而确定训练序列在频域中的新表示：
其中φc(k)是与该预定的CD补偿值对应的相位项 以及最后，使用方程(15)的变量代换来修正方程(9)和(10)的修正后的训练矩阵，从而根据下式，形成同时提供CD和PMD补偿的合并的或最终的信道估计训练矩阵：
在步骤708，在频域中确定光信号的合并信道估计。例如，向训练序列的矢量表示应用合并训练矩阵，以确定合并信道估计。例如，将在步骤706确定的合并训练矩阵应用到在步骤704确定的矢量表示，以根据方程(16)和(17)确定光信号的合并信道估计。合并信道估计项通过对合并训练矩阵与光信号的训练序列的矢量表示进行矩阵矢量乘法来确定。在步骤710，可选地，对合并信道估计求时间平均。例如，对步骤708确定的合并信道估计跨光信号中接收到的多个光帧求时间平均。当光信号受到噪声损伤时，通过对合并信道估计跨多个接收到的光帧求时间平均，改进了方法700的性能。
图8是光通信系统中用于信道均衡的方法800的一个实施例。方法800在光通信网络的设备中实施，用于根据包括在光信号中的多个训练序列，提供针对光信号中损伤的补偿。方法800可以与方法700在同一设备中实施为，或者可以在单独的设备中实施。在步骤801，接收模块，例如光接收器的接收模块，接收包括至少一个数据和一个光信号损伤的光信号。在步骤802，确定光帧中所包括的数据的频域表示。例如，确定光信号的X偏振分量(例如帧302)中数据的频域表示，以及Y偏振分量(例如帧304)中数据的频域表示。频域表示根据FFT确定，例如单元600的64点FFT模块602。
在步骤804，确定数据的频域表示的矢量表示。例如，从光信号的X偏振分量的数据和光信号的Y偏振分量的数据的频域表示形成2×1矢量表示。该2×1矢量由例如单元600的2×1矢量模块604确定。
在步骤806，在方法800中实施延迟。将方法800延迟后，就可以对方法800在步骤808使用的信道估计跨多个光信号帧求时间平均，从而改进在光信号中存在SOP旋转的情况下的性能。在方法800中实施的延迟的量是根据具体实施方法，按照希望对信道估计求平均的帧数来确定的。该延迟由例如单元600的延迟缓冲器606来实施。
在步骤808，根据信道估计(例如根据方法700的合并信道估计)以及光信号，在频域中确定补偿后的光信号。例如，将信道估计应用到光信号的数据的2×1矢量表示以补偿光信号中的损伤，从而创建补偿输出。信道估计从例如执行方法(例如方法700)的单元(例如单元500)接收。为了确定补偿输出，根据基于矩阵矢量乘法操作的下式，用光信号数据的频域表示的2×1矢量表示乘以信道估计：
其中T11(k)、T12(k)、T21(k)和T22(k)的矩阵是方法800接收到的信道估计，Xout(k)和Yout(k)的矩阵是根据步骤804的2×1矢量表示，并且和的矩阵是补偿输出的矢量表示。该补偿输出由例如单元600的模块608确定。
图9是频域均衡的实施例的实验性能的曲线图900。曲线图900展示了用于正交相移键控(QPSK)光信号的传统的时域均衡器(TDE)方法与根据本公开的频域均衡(FDE)方法(例如方法700和800)之间的准确度的比较。在曲线图900中，Y轴表示误码率(BER)，并且X轴以分贝(dB)为单位表示光信噪比(OSNR)。如曲线图900所示，对于具有CD每纳米34纳秒(ns/nm)、差分群时延75皮秒(ps)、接收器SOP(RxSOP)角45度、LOFO 2千兆赫(GHz)、Tx/Rx激光器线宽100千赫(kHz)、BER 0.01下OSNR增益0.26dB且SOP旋转50千赫(kHz)的QPSK光信号，FDE方法具有的准确度媲美TDE方法，同时还允许在更宽的OSNR范围内进行操作。
图10是频域均衡的一个实施例的实验性能的曲线图1000。曲线图1000展示了用于16元正交幅度调制(16QAM)光信号的TDE方法与根据本公开的FDE方法(例如方法700和800)之间的准确度的比较。在曲线图1000中，Y轴表示BER，并且X轴以dB为单位表示OSNR。如曲线图100所示，对于具有CD 34ns/nm、差分群时延75ps、RxSOP角45度、LOFO 2GHz、Tx/Rx激光器线宽100kHz、BER 0.01下OSNR增益0.22dB且SOP旋转50kHz的16QAM光信号，FDE方法具有的准确度媲美TDE方法，同时还允许在更宽的OSNR范围内进行操作。此外，曲线图1000表明，FDE方法在存在50kHz SOP旋转和不存在SOP旋转时都有一贯的准确性能。
虽然本公开提供了若干个实施例，但应当理解的是，所公开的系统和方法还可以采用其他多种具体形式实现，并不会脱离本公开的精神或范围。本文的示例应被视为说明性的而非限制性的，其目的并不局限于本文所给细节。例如，各种元素或组件可以组合或集成到另一个系统中，或者某些特征可以省略或不实施。不仅如此，在各种实施例中分散或单独描述和示出的技术、系统、子系统和方法等，也可以组合或者集成到其他系统、模块、技术或方法中，并不会脱离本公开的范围。作为彼此耦合或直接耦合或通信的其他项目而示出或讨论的，也可以通过一些接口、设备或中间组件间接地耦合或通信，无论是电气的、机械的还是其他性质的耦合或通信。本领域技术人员在不脱离本文公开的精神和范围的情况下，可做出改变、替代和另选的其他示例。

Claims (20)

1.一种光通信网络中的光收发器，包括：
接收器，用于接收包括X偏振分量和Y偏振分量的光信号，所述X偏振分量包括第一帧，并且所述Y偏振分量包括第二帧；
处理器，耦合到所述接收器，并用于：
根据所述第一帧和所述第二帧，在时域中确定相位估计；
根据所述第一帧、所述第二帧和所述相位估计之间的关系，在频域中确定所述光信号的信道估计；并且
根据所述信道估计确定补偿后的光信号；以及
发送器，耦合到所述处理器，并且用于将所述补偿后的光信号发送到所述光通信网络中的下游组件。
2.根据权利要求1所述的收发器，其中所述处理器还用于：
根据第五大小的快速傅立叶变换FFT，确定所述第一帧的具有第一大小的第一训练序列和具有第三大小的第三训练序列的第一频域表示；
根据所述第五大小的FFT，确定所述第二帧的具有第二大小的第二训练序列和具有第四大小的第四训练序列的第二频域表示，其中所述第五大小大于所述第一大小、所述第二大小、所述第三大小和所述第四大小；
确定所述第一频域表示的第一矢量表示；以及
确定所述第二频域表示的第二矢量表示。
3.根据权利要求2所述的收发器，其中所述处理器还用于：
根据所述第一训练序列、所述第二训练序列、所述第三训练序列和所述第四训练序列，确定训练矩阵；以及
根据所述训练矩阵、所述第一训练序列的第一相位、所述第二训练序列的第二相位、所述第三训练序列的第三相位和所述第四训练序列的第四相位，确定修正训练矩阵。
4.根据权利要求3所述的收发器，其中所述处理器还用于根据所述修正训练矩阵和色散CD估计值，确定合并训练矩阵。
5.根据权利要求4所述的收发器，其中所述处理器还用于根据所述合并训练矩阵、所述第一矢量表示和所述第二矢量表示，进一步确定所述信道估计。
6.根据权利要求5所述的收发器，其中所述处理器还用于对所述信道估计在所述光信号的多个帧上求时间平均。
7.根据权利要求6所述的收发器，其中所述处理器还用于根据时间量延迟补偿所述光信号，所述时间量对应于对所述信道估计求时间平均的周期，所述延迟在所述处理器的延迟缓冲器中实施。
8.根据权利要求5所述的收发器，其中所述处理器还用于：
确定所述第一帧的第一数据和所述第二帧的第二数据的第三频域表示；以及
确定所述第三频域表示的第三矢量表示。
9.根据权利要求8所述的收发器，其中所述处理器还用于根据所述第三矢量表示，进一步确定所述补偿后的光信号。
10.一种在光收发器中实施的方法，包括：
由接收模块接收包括至少一个训练序列的光信号；
由处理器在时域中处理所述光信号，以确定所述光信号的频域表示；以及
由所述处理器在频域中根据所述至少一个训练序列来确定所述光信号的信道估计，
其中所述信道估计在频域中补偿所述光信号中的偏振模色散PMD和色散CD。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述光信号在所述频域中被处理以确定所述光信号的矢量矩阵表示，其中所述光信号在所述时域中被处理以确定相位特性，其中根据所述光信号和所述相位特性确定训练矩阵，并且其中所述信道估计根据所述训练矩阵和所述矢量矩阵表示确定。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在确定所述信道估计之前，将所述训练矩阵与预定的CD估计值合并。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述信道估计通过将所述训练矩阵应用到所述光信号的所述训练序列来确定。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述信道估计在所述光信号的时间周期上求平均。
15.一种在光收发器中实施的方法，包括：
由接收模块接收包括至少一个数据和至少一个光信号损伤的光信号；
在时域中处理所述光信号，以确定所述至少一个数据的频域表示；以及
由处理器根据所述光信号和合并信道估计，在频域中确定补偿后的光信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述至少一个数据在所述频域中被处理，以确定所述至少一个数据的矢量矩阵表示。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述补偿后的光信号通过将所述合并信道估计应用到所述至少一个数据的所述矢量矩阵表示来确定。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述补偿后的光信号的确定按照预定时间周期延迟，所述预定时间周期对应于将所述信道估计合并的时间量。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述合并信道估计包括色散CD估计和偏振模色散PMD估计。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中所述补偿后的光信号的确定不在所述时域中发生。
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