CN109120350B - 通信信号跟踪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通信信号跟踪系统，包括光接收机，所述光接收机包括：一个或多个延迟线干涉仪(DLI)，其被配置为多路分用输入光信号；以及互阻抗放大器，其被配置为将输入光信号转换为输入电信号。所述通信信号跟踪系统还包括控制模块，其被配置为在前向纠错解码之前计算所述输入电信号的误码率(BER)，并且将所述BER用作用于在控制回路中的一个或多个迭代中优化所述一个或多个DLI的设置并生成反向信道数据的参数。

Description

通信信号跟踪系统
技术领域
本发明涉及通信系统和方法。
背景技术
大多数光学通信模块具有某种形式的内部控制系统，以维持光学性能。例如，典型的控制参数包括光功率、波长、消光比等。然而，在大多数情况下，用于光发送模块以维持这些参数的传统技术依赖于间接测量(proxy measurements)。例如，发送的光功率可以通过抽头和光电二极管来测量，或者可以从调制器偏差中推断消光比。不幸的是，这些传统技术是不够的。难度在于，这些间接测量可能不表示实际的发送特性，结果，未优化发送光路。
在光通信中，另一难度在于，在光线路系统(包括光纤、放大器、多路复用器/多路分用器、色散补偿等)中，最佳发送参数可能不是恒定的，并且实际上可能由于线路设备或条件而改变。这可能使发送参数甚至离最佳更远。
发明内容
一种通信信号跟踪系统，包括：光接收机，包括：一个或多个延迟线干涉仪，被配置为多路分用输入光信号；一个或多个光电探测器，将所述输入光信号转换为电流信号；以及互阻抗放大器，被配置为将所述电流信号转换为电压信号；控制模块，被配置为基于所述电压信号计算误码率，并且将所述误码率用作在一个或多个迭代中用于在控制回路中优化所述一个或多个延迟线干涉仪的设置并生成反向信道数据的参数。
其中，还包括偏振分束器，用于将所述输入光信号分为横磁模式下的第一信号和横电模式下的第二信号，其中，所述一个或多个延迟线干涉仪包括横磁模式下的第一延迟线干涉仪和横电模式下的第二延迟线干涉仪，分别用于多路分用所述第一信号和所述第二信号。
其中，所述控制模块被配置为将所述误码率用作梯度下降搜索中的比例积分微分参数来执行所述一个或多个迭代，以基于所述误码率在每次迭代中分别对第一偏压点的第一抖动和第二偏压点的第二抖动的响应，调整所述第一延迟线干涉仪的第一偏压点以及所述第二延迟线干涉仪的第二偏压点。
其中，在所述一个或多个迭代的每一个迭代中的所述梯度下降搜索包括：测量与所述第一偏压点的增量对应的第一抖动增大误码率以及与所述第一偏压点的减量对应的第一抖动降低误码率；测量与所述第二偏压点的增量对应的第二抖动增大误码率以及与所述第二偏压点的减量对应的第二抖动降低误码率；通过加上等于第一增益乘以1与所述第一抖动增大误码率和所述第一抖动降低误码率之间的第一比率之间的第一差值的量，来调整所述第一偏压点；并且通过加上等于第二增益乘以1与所述第二抖动增大误码率和所述第二抖动降低误码率之间的第二比率之间的第二差值的量，来调整所述第二偏压点。
其中，所述控制模块被配置为基于如果所述误码率小于第一阈值，则确定所述一个或多个延迟线干涉仪被设置为具有低信噪比，来开始所述一个或多个迭代的第一迭代，以优化所述一个或多个延迟线干涉仪的设置，并且在反向信道数据中提供恒定的所述误码率。
其中，所述控制模块被配置为基于确定在一定数量的最近迭代中的两个连续迭代的第一偏压点和第二偏压点的平均变化小于第二阈值，来结束用于优化所述一个或多个延迟线干涉仪的设置的最后一个迭代，并且在反向信道数据中提供实时可变的误码率。
其中，还包括被设置为远端收发机模块的光发送机，所述远端收发机模块被配置为从近端收发机模块中的所述控制模块接收反向信道数据，并且如果反向信道数据包括实时可变的误码率，则响应于标称发送机设置的抖动，来开始一个或多个迭代，以将误码率用作控制参数来调整所述输入光信号的相应波长。
其中，所述光发送机被配置为如果所述反向信道数据包括恒定的误码率，则结束用于调整所述输入光信号的相应波长的所述一个或多个迭代的最后一个迭代，而不管所述标称发送机设置的抖动。
其中，所述控制模块被配置为基于确定所述输入光信号的误码率不满足第一阈值，来在由第一延迟线干涉仪的第一偏压点和第二延迟线干涉仪的第二偏压点限定的二维参数空间中执行对重新启动点的搜索。
其中，对重新启动点的搜索包括从当前设定点或最后一个已知的良好设定点开始，在二维模式中在螺旋路径上将第一偏压点和第二偏压点调整最小增量或减量，达到使用周期结束限制，直到所述输入信号的误码率满足第一阈值。
其中，所述第一偏压点/第二偏压点由与所述第一/第二延迟线干涉仪相关联的第一/第二加热器的功率设置来表示，所述功率设置用于调整所述第一/第二延迟线干涉仪的相位延迟。
其中，在所述输入光信号被前向纠错模块解码之前，计算所述误码率。
其中，所述误码率包括横磁模式和横电模式中的两种极化的总体误码率。
一种具有信号跟踪的通信系统，所述通信系统包括：通信链路；第一收发机，包括第一控制模块和第一接收机；第二收发机，包括第二控制模块和第二发送机，所述第二收发机被配置为向所述第一收发机发送光信号并且从所述第一收发机接收反向信道数据；其中：所述第一接收机被配置为接收光信号并将所述光信号转换为电信号；所述第一控制模块被配置为基于所述电信号来计算误码率，以执行优化所述第一接收机的第一迭代操作；所述第二发送机被配置为生成所述光信号并发送到所述第一接收机；所述第二控制模块被配置为执行优化所述光信号的波长的第二迭代操作，所述第二迭代操作与由从所述第一收发机发送到所述第二收发机的反向信道数据控制的第一迭代操作在时间上交替。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的光收发机的简图；
图2是示出根据本发明的实施例的编码数据帧的简图；
图3是示出根据本发明的实施例的具有反向信道数据控制的光发送机的简图；
图4是示出根据本发明的实施例的光接收机的简图；
图5是示出根据本发明的实施例的优化在接收侧的通信信号的方法的简化流程图；
图6是示出根据本发明的实施例的跟踪接收机模块中的延迟线干涉仪(DLI)的控制方法的简化流程图；
图7是示出根据本发明的实施例的在协调控制中优化在发送侧的通信信号的方法的简化流程图；
图8是示出根据本发明的实施例的用于在通信系统中与近端DLI控制和远端发送机控制交替跟踪光信号的协调控制的简图；
图9是根据本发明的具体实施例的二维参数空间中的偏心重新启动点的螺旋搜索的示意图。
具体实施方式
本发明涉及通信系统和方法。根据一个实施例，在光收发机的接收机模块中的延迟线干涉仪(DLI)配置有控制回路，以针对任何漂移优化通信信号的总体误码率(BER)。DLI控制进一步与光收发机的发送机模块中的主动的基于BER的波长控制协调，这两个控制均在时间或频率上交替操作。还具有其他实施例。
应该理解，本发明的实施例提供了优于现有技术的优点。更具体地，本发明的实施例在光接收路径上利用数字信号处理器(DSP)和前向纠错(FEC)模块。在模块本身内的光接收路径上包括DSP和FEC，允许接收侧确定输入光信号的质量。另外，本发明的实施例提供先进的FEC编码，其包括将额外数字信息和发送数据放置在一起的能力(“反向信道”)，由此允许接收侧模块通知发送侧模块当前信号完整性。
通过一起工作的DSP/FEC和先进的FEC编码，可以实现闭环系统，其中，发送侧的光学参数可以被调整到最佳，以反映当前的光学条件。调整参数(tuning parameters)包括但不限于补偿从光发送模块到光接收模块的光学设备的老化或环境影响。
根据一个实施例，本发明提供了一种通信信号跟踪系统。通信信号跟踪系统包括光接收机，其包括：一个或多个延迟线干涉仪(DLI)，其被配置为多路分用输入光信号；一个或多个光电探测器，其将所述输入光信号转换为电流信号；以及互阻抗放大器，其被配置为将电流信号转换为电压信号。此外，通信信号跟踪系统包括控制模块，其被配置为基于电压信号计算误码率(BER)，并且将所述BER用作在一个或多个迭代中用于在控制回路中优化所述一个或多个DLI的设置并生成反向信道数据的参数。
根据一个具体实施例，所述控制模块被配置为基于确定所述输入电信号的BER不满足第一阈值，来在由第一DLI的第一偏压点和第二DLI的第二偏压点限定的二维参数空间中执行对重新启动点的搜索。对重新启动点的搜索包括从最后一个已知的良好设定点开始，以在二维模式中在螺旋路径中将第一偏压点和第二偏压点调整最小增量或减量，达到使用周期结束(end-of-life)限制，直到所述输入信号的BER满足第一阈值。
根据另一实施例，本发明提供了一种具有信号跟踪的通信系统。所述通信系统包括：通信链路；第一收发机，其包括第一控制模块和第一接收机；以及第二收发机，其包括第二控制模块和第二发送机。所述第二收发机被配置为向所述第一收发机发送光信号并且从所述第一收发机接收反向信道数据。所述第一接收机被配置为接收光信号并将所述光信号转换为电信号。所述第一控制模块被配置为基于所述电信号来计算误码率(BER)，以执行优化所述第一接收机的第一迭代操作。所述第二发送机被配置为生成所述光信号并发送到所述第一接收机。所述第二控制模块被配置为执行优化所述光信号的波长的第二迭代操作。所述第二迭代操作与由从所述第一收发机发送到所述第二收发机的反向信道数据控制的第一迭代操作在时间上交替。
应该理解，本发明的实施例提供了超过传统技术的许多优点。此外，通过由数据通信路径的接收光收发机测量实际信号特征、由发送光收发机进行的调整比现有技术更好地提高了数据发送质量，其中，通常，将一次性出厂设置应用到光收发机。例如，诸如波长控制等调整可能是光链路和实际操作条件(例如，温度、干扰等)特有的，这些信息在制造光收发机时是不可用的信息。在另一示例中，在近端接收侧，DLI的设置可能会由于寿命或老化或其他任意原因而移动2至3mW，如果信号的波长保持恒定，则这导致较差的误码率(BER)。DLI控制回路能够确保DLI设置在低信噪比状态，从而导致收敛的小BER。DLI回路可以与基于BER的波长控制回路交替执行。引入螺旋搜索方法来捕获DLI控制(使用两个DLI来分别处理偏振光信号的分离TM模式和TE模式)的偏心重新启动点。因此，本发明提供的闭环技术有利于使用该信息并因此提高性能。
可以结合现有的系统和过程来实现本发明的实施例。例如，可以实现反向信道数据，以与现有通信协议兼容，并且特别地，用于近端接收机与远端发送机进行通信，用于以协调的方式进行DLI控制回路和基于BER的波长控制回路。反向信道数据由被预先配置为使用这些数据的光收发机使用，并且未被配置为使用反向信道数据的光收发机可能仅仅忽略这些数据。另外，可以使用现有的制造设备和技术来制造根据本发明的实施例的光收发机。在某些实现方式中，现有的光收发机可以升级(例如，通过固件更新)，以利用本发明。还具有其他益处。
图1是示出根据本发明的实施例的光收发机的简图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图1所示，收发机100包括光接收机101，该光接收机101与光学通信链路接口并被配置为接收和处理光学通信信号。在各种实施例中，光接收机包括各种部件，例如，滤波器、跨阻放大器(TIA)、光纤连接器等。光接收机101可以另外包括光发送装置，例如，光放大器、光衰减器、色散补偿(静态或可调整)、纤维长度、插线板和插线电缆、光学多路复用器、光学多路分用器等。在其他特征中，光接收机101将接收到的光信号转换为稍后可以处理的电信号。电信号然后由各种数字信号处理器(DSP)处理。例如，专用集成电路(ASIC)110包括FEC解码器111和反向信道探测器112。
应该理解，一旦从输入数据流中检测到反向信道数据，就确定所接收的光信号的源与用于调整其操作参数的反向信道数据的使用相兼容。在各种实施例中，使用反向信道数据是两个或更多个收发机使用的预定通信协议的一部分。如果未从接收到的光信号中检测到反向信道数据，则接收到的光信号的源不被配备为利用反向信道数据，并且执行将嵌入到反向信道数据中的信号测量是不必要的，甚至是浪费的。
ASIC 110还可以包括用于测量和分析接收到的信号(即，从接收到的光信号转换的电信号)的信号完整性的模块。可以在各种信号测量中评估信号完整性，所述信号测量包括但不限于总体信噪比(SNR)、单个PAM-4级别SNR、总体PAM-4直方图、光眼图等。除了信号完整性之外，还可以评估与输入信号相关联的数据错误率。例如，FEC解码器111在执行错误恢复之前确定错误率。更具体地，FEC解码器111具有在FEC错误恢复之前计算误码率(BER)的能力。根据实现方式，可以用几种不同的方式和/或其他方式计算BER，例如，总体BER、单个通道BER、单个PAM-4级别BER(即，MSB BER、LSB BER)、位转换误差矩阵(例如、在PAM-4中，0->1、0->2、0->3和所有其他级别转换的BER)。
反向信道检测模块112被配置为检测接收到的信号是否包括可用于优化数据发送性能的反向信道数据。例如，反向信道数据由接收到的信号的源(例如，另一光收发机或通信设备)嵌入。在各种实施例中，反向信道检测模块112耦合到控制模块115。控制模块115被配置为基于反向信道数据来调整收发机100的各种操作和发送参数。例如，操作参数包括下面将描述的温度、偏压设置、多路复用器设置、波长等。应该理解，反向信道检测模块112可以被实现为闭合反馈回路的一部分(例如，在两个光收发机之间)。即，数据通过光学通信链路发送到第二收发机。第二收发机包括测量信号质量(例如，SNR)和数据质量(例如，BER)的DSP和FEC模块，并且测量结果嵌入到发送回收发机100的反向信道数据中。反向信道检测模块112检测由控制模块115用于调整收发机100的操作参数的反向信道数据的存在。根据工作条件和具体实现方式，可能会重复以下过程：改变参数，接收反映与改变的参数相关联的信号质量的反向信道数据，并且再次改变参数。
应该理解，如下所述，反向信道数据可以用于不仅调整用于输出数据的发送机的参数，而且还调整用于处理输入数据的接收机的参数。例如，可以使用反向信道数据来调整处理输入光信号的方式。
在各种实施例中，控制模块115存储可在制造收发机100时确定的近端参数。控制模块115分析接收到的反向信道数据，其反映数据发送的实际条件，并且操作参数的调整可以基于现有近端参数来修改现有参数。在各种实施例中，操作参数的调整涉及同步并使用现有近端数据和反映实际数据通信的条件的反向信道数据。
如图所示，收发机100包括FEC编码器114和反向信道插入模块113。例如，FEC编码器114和反向信道插入模块113被实现为ASIC 110的一部分。应该理解，虽然FEC解码器111和FEC编码器114在图1中被示出为两个功能块，但是FEC解码器111和FEC编码器114可以被实现为单个FEC模块。类似地，反向信道检测模块112和反向信道插入模块113可以被实现为单个反向信道模块。
FEC编码器114被配置为对要通过光发送机102发送的电信号执行FEC编码。例如，FEC编码器114被配置为执行不同类型的纠错。反向信道插入模块113被配置为将反向信道数据插入到要发送的输出数据流中。如上所述，反向信道数据包括关于接收到的数据的质量的信息，该信息与将数据发送到收发机100的发送收发机的发送参数和设置有关。应该理解，反向信道插入模块能够以高保真度插入和/或检测额外的数字信息以及发送的数据，而不干扰发送的数据。例如，输出数据流的预定义段用于嵌入反向信道数据。
在图1中，闭环技术用于光学通信，具有光发送机和光接收机。应该理解，使用反向信道来优化数据通信的闭环技术也可以用于其他类型的通信链路中，例如，具有铜线和/或其他介质的现有通信线路。
图2是示出根据本发明的实施例的编码数据帧的简图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图2所示，示例性的FEC编码帧可以划分为最高有效位(MSB)部分和最低有效位(LSB)部分。MSB部分和LSB部分都包括其自己相应的报头。例如，报头长度为128位。然后，将报头细分成对齐标记区域(0-63位)、“mfas”区域(64-71位)、系统开销(overhead)区域(72-120位)和“ecc”区域(121-127位)。可以理解的是，系统开销(overhead)区域存储反向信道数据，其包括与接收到的信号的质量(例如，测量的和/或计算的)有关的信息。例如，没有配备为利用反向信道数据的光收发机可以仅仅忽略并跳过反向信道区域。
现在返回参考图1。输出电信号被转换成光信号并由光发送机102发送。例如，光发送机102包括一个或多个激光装置(例如，具有冷却的激光二极管)、一个或多个调制器。另外，光发送机102可以包括多路复用和光控制块。光发送机102的实现方式和操作参数通常对输出数据流的信号质量和数据发送性能具有显着的影响。通过调整光发送机102的操作参数和设置，可以提高和优化信号质量和数据发送性能。虽然操作参数和设置可以首先在工厂进行优化，但由于实际信号测量反映了真实的操作条件(例如，光纤线路、干扰、温度等)，因此能够基于实际信号测量来调整这些参数和设置会更好。
根据各种实施例，收发机100的控制模块115处理所接收的反向信道数据，其包括由从收发机100接收数据的第二收发机测量的数据质量的实际测量。控制模块115然后相应地确定光学参数和设置。例如，操作参数和设置可以包括但不限于以下内容：
·激光温度设置(或者如果直接控制，则是TEC电流)；
·激光偏压电流；
·调制器偏压设置(例如，如果是热光学控制的MZM，则是加热器功率设置)；
·多路复用器偏移偏压设置(例如，如果是热光学控制的DLI，则是加热器功率设置)。
作为示例，反向信道数据提供可用于调整激光装置的参数的信号质量信息。更具体地，可以使用温度和偏压控制参数来控制用于光学数据发送的激光装置。图3是示出根据本发明的实施例的具有反向信道数据控制的光发送机的简图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图3所示，可以通过电压扰动参数(voltage swing parameter)来调整基于输出数据生成驱动器信号的驱动器301。类似地，可以使用诸如RF幅度、DC偏压等设置来调整调制器302和303。例如，可以使用马赫-曾德尔调制器(MZM)来实现调制器302和303。光发送机300的光源包括激光二极管305和306。例如，可以通过改变激光偏压和/或激光温度来调整激光二极管。类似地，可以用偏移偏差调整用作光学多路复用器的延迟线干涉仪(DLI)304。应该理解，光发送机300的控制模块320可以使用反向信道数据来确定要调整哪些参数(如上所列)。例如，控制模块320具有控制接口，该控制接口为诸如偏压控制、温度控制、扰动电压等上述参数提供控制信号。
根据一个实施例，反向信道数据被用作光收发机的一部分。作为示例，光接收机101是如图1所示的收发机100的一部分，并且可以基于反向信道数据来调整光接收机101的各种操作参数。在另一示例中，如图1所示，光发送机102是收发机的一部分100，并且可以基于交替的反向信道数据，调整光发送机102的发送机设置。可以在反向信道数据中制定和使用某个信号，用于协调在通信系统的近端光接收机和远端光发送机中的控制。
图4是示出根据本发明的实施例的光接收机400的简图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。光接收机400包括偏振分束器(PBS)405，其使接收到的光信号分离以进行处理。接收到的光信号然后由光多路复用器403和404处理。例如，多路复用器403和404包括可以使用偏压设置来调整的DLI装置。对于热光学控制的DLI，加热器功率设置可用于调整DLI操作。多路复用器403和404耦合到光电探测器401和402，其分别将由DLI装置多路分用的输入光信号转换为电流信号。可以调整光电探测器401和402的当前增益设置。例如，光电探测器可能被放大，因此需要增益设置。例如，可以通过改变其光电流增益来调整雪崩光电二极管。光电探测器401和402的输出耦合到TIA 406，TIA 406基于从接收到的光信号转换的电流信号生成电压信号。根据实现方式，可以基于反向信道数据调整各种参数，例如，幅度、增益和/或带宽。如上所述，控制模块420可用于处理接收到的反向信道数据并生成控制信号，以调整这些参数。
为了利用反向信道数据并且生成用于改变操作参数的控制信号，可以使用控制模块。例如，上述控制模块420可以被实现为计算机引擎模块的一部分或者作为光收发机ASIC的一部分的微型计算机。为了将收发机100用作示例，控制模块配置有反向信道插入模块113，以插入数字信号以及发送的光学数据，其描述接收到的光信号的完整性(如由DSP和/或FEC模块所测量的)。另外，控制模块能够使用反向信道探测器112来检测嵌入在接收到的信号中的反向信道数据。一旦检测到，控制模块处理反向信道数据并相应地生成控制信号。控制信号用于调整收发机(例如，光接收机、光发送机等)的各种操作参数。另外，光收发机的操作条件可能会改变(例如，干扰、光线路质量、温度变化等)。通过使用反向信道数据，控制模块相应地调整和优化收发机性能。由于在两个或更多个收发机之间共享反向信道数据，所以两个收发机形成反馈回路，用于优化通信链路上的数据发送。
在示例性实施例中，使用反向信道数据来调整其他参数中的发送波长。例如，在DWDM系统中，发送波长是一个重要的参数。在某些实现方式中，可以通过仔细调整热调整激光器的温度来控制发送波长。然而，实际频率可能与激光的测量温度不匹配。更具体地，相同激光装置的温度和波长可随时间(作为激光装置老化过程的一部分)变化。结果，激光装置在开始寿命校准时的热梯度(通常由于老化)在延长的时间段内变得不准确。此外，由于激光装置生成热量，所以根据激光装置的包装和/或放置，在实际操作条件下调整激光装置。例如，热梯度涉及自热或环境温度干扰。
在各种实施例中，控制模块位于数据发送路径上。例如，使用法布里-珀罗干涉仪(或标准具)类型的装置测量光的波长。应该理解，甚至频率和/或波长的微小变化也可以对发送数据的信号完整性产生重大影响。例如，在本发明的各种实施例中，接收信号的特征(例如，SNR、BER、眼睛水平参数等)从接收光收发机传送回发送光收发机。发送光收发机然后调整其一个或多个激光器的频率，并等待确认已经改善还是信号变差，从而形成用于优化信号发送的闭合反馈回路。发送光收发机可以尝试许多频率(在右方向上)，以获得一个或多个激光器的最佳频率。
以下是根据本发明的实施例的用于调整光收发机的简化过程，该过程包括以下步骤：
1、在接收机上，测量与发送机温度设置1(“t1”)和发送机温度设置2(“t2”)处的条件对应的误码率BER(“b11”)，并且接收机使用预定义的反向信道将数据发送回发送模块；
2、在发送模块处，将利用步骤t1的发送参数以大约等于0.5GHz的量进行修改；
3、在接收模块处，测量BER(“b21”)并使用反向信道发送回发送模块；
4、在发送模块处，将利用步骤t2的发送参数以大约等于0.5GHz的量进行修改；
5、在接收模块处，测量BER(“b12”)并使用反向信道发送回发送模块；
6、在发送模块处，使用以下等式计算值d1和d2(这是对温度t1和t2所做的变化)(g是发送模块的增益设置)：
a.d1＝g×(1-b21/b11)
b.d2＝g×(1-b12/b11)
7、在发送模块处，调整t1→t1+d1和t2→t2+d2；并且
8、根据需要从步骤1重复，直到在新的t1和t2设置中获得可接受的BER。
要注意的是，步骤1-3和4-5以变化的顺序执行，以从系统中去除不相关的单调效应(monotonic effects)。
应该理解，反向信道数据也可以用于提供调制器偏压控制。除此之外，调制器的偏压点需要保持在适当的值，以提供优化的消光比。在某些情况下，最佳偏压点不是位于正交处，而是处于偏离正交的点。通常，使用固定的偏压点，其基于最差情况的线路系统条件。在各种实施例中，接收信号的特征(包括SNR、BER、眼睛水平参数等)由接收模块测量，嵌入到反向信道数据中并至发送模块。发送模块基于反向信道数据调整调制器偏压点，并等待来自接收模块的指示(嵌入在反向信道数据中)，作为下一次调整迭代的反馈。这样，发送模块可以连续寻找最佳调制器偏压点，直到获得预定的阈值性能水平。
闭合反馈回路中的反向信道数据也可以用于调整多路复用器偏压设置。例如，在基于硅光子的多波长模块设计中，延迟线干涉仪(DLI)可用于将两个光波长多路复用到同一发送光纤上。为了优化性能，DLI的中心频率需要仔细控制，以最佳地通过(pass)或分离两个波长。
在示例性实施例中，来自发送模块的接收信号的特征(例如，SNR、BER、眼睛水平参数等)由接收模块测量，接收模块将信号特征信息插入到反向信道数据。然后将反向信道数据与其他数据一起发送到发送模块。反向信道数据然后由发送模块处理。发送模块基于反向信道数据中提供的信号特征调整DLI中心频率，并以新的DLI偏压设置向接收模块发送数据，并等待来自接收模块的信号特征信息。发送模块和接收模块之间的反馈回路运行多次迭代，直到满足某些预定条件。例如，预定条件可以包括预定次数的迭代、调整/校准时间的总量、和/或预定的信号特征。
在某些实施例中，使用闭环反向信道数据来调整DLI的近端调整(例如，结合偏压设置)。
可以使用反向信道数据调整光收发机的额外参数和设置。例如，由接收模块测量接收信号的特征(例如，SNR、BER、眼睛水平参数等)并作为闭合反馈回路的一部分插入到反向信道数据中。发送模块然后使用反向信道数据来调整其操作参数和设置，操作参数和设置包括但不限于以下内容：
调制器扰动(RF幅度)；
激光偏压(即，自动功率控制)；
PAM-4级别优化(在这种情况下，接收机计算的直方图可用于优化电平幅度设置)；
PAM-4MSB/LSB通道偏差(lane skew)；和/或
共享同一光纤的一个或多个激光器之间的相对发送功率。
例如，通过调整一个或多个激光器之间的相对发送功率，可以调整信道组内的光学SNR(OSNR)，以优化总体BER。例如，在双信道100G系统中，发射功率和OSNR可以针对100GBER进行优化，并仍然保持总发射光功率(CH1+CH2功率)恒定。
在某些实施例中，除了使用反向信道将数据从接收模块发送到发送模块之外，SNR和BER还可以用于优化近端参数，近端参数包括但不限于：
TIA输出幅度、增益或带宽控制；
光电二极管增益(例如，在APD中)；和/或
接收机多路分用器中心频率控制(即，用于硅光子DLI多路分用器)。
在各种实现方式中，可以调整光收发机的两个或更多个参数，并且当这样做时，可以通过近端RX DLI调整给诸如远端TX波长调整等参数提供优先级或偏好。对于某些参数，例如，远端发送MSB/LSB和远端PAM4扰动设置，并行执行优化可能比较有利。
基于硅光子的通信系统的光接收机还将延迟线干涉仪(DLI)用作多路分用器，以将来自一个光纤的具有两个波长的输入光信号多路分用并且分成两个单独的探测器。DLI的设定点控制输入光信号的分离。虽然在各种实现方式中，DLI可能随时间漂移，使得其设定点可能远离中心，甚至超出阈值(区域)，以将DLI锁定在低信噪比状态。参考图4，可以设置在通信系统的接收侧收发机中的光接收机400包括偏振分束器(PBS)405，以接收偏振光信号。PBS 405将光信号分成具有由处于TM模式的第一DLI403接收的横磁(TM)模式的第一部分以及具有由处于TE模式的第二DLI 404接收的横电(TE)模式的第二部分。DLI 403和404中的每一个用作多路分用器，以将一个光束(处于TM或TE模式)分成分别由光电二极管PD1 401和PD2 402检测的两个光束，光电二极管PD1 401和PD2402与TIA模块406一起工作，以将光信号转换为电流信号。通过用于TM模式和TE模式的上述光路，控制与DLI相关联的加热器的加热功率的DLI的设定点需要适当地调整，以实现期望的相位延迟，以造成多路分用具有高消光比的偏振光信号。在两个DLI中的至少一个DLI的设定点发生偏移的情况下，相位延迟相应地改变，这导致不同波长或偏振模式的错误混合，并且将噪声或误差引入由TIA模块生成的电信号。
在一个实施例中，如图4所示，提出了接收机DLI(Rx DLI)控制回路结构，以使用控制模块420来与一个或多个DLI 403和404耦合，并且实现用于执行Rx DLI控制回路的方法，用于跟踪来自通信系统的接收侧的输入光信号。图5是示出根据本发明的实施例的在接收侧优化通信信号的方法的流程图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图5所示，该方法以检查与光接收机相关联的DLI是否锁定在低信噪比(SNR)状态下的步骤开始。在该步骤中，控制模块420被配置为计算在由FEC模块解码之前从由DLI接收的输入光信号转换的输入电信号的第一误码率(BER)。控制模块420还被配置为将第一BER与阈值进行比较。例如，选择1e-3的阈值BER。如果第一BER小于阈值，则认为DLI锁定在低SNR状态中，但是需要进一步优化BER，以克服由于时间或老化或任何其他原因而造成的可能的设定点偏移。
在一个实施例中，在将DLI确定为低SNR状态之后，该方法包括以下步骤：开始在RxDLI控制回路中执行的第一迭代操作，用于将BER用作控制参数，来优化近端接收机中的每个DLI的设定点。在特定实施例中，DLI的设定点是用于控制加热功率的偏压点(用于操作与DLI的至少一个臂相关联的加热器)，以通过改变温度来调整其相位延迟来实现用于多路分用光信号的期望的干涉谱。参考图5，在Rx DLI控制回路中执行迭代操作，以在多次迭代中调整设定点，直到在收敛标准下满足该设定点。例如，利用DLI的设定点的得到的小变化，可以满足收敛标准，这表示基本上优化设定点，以产生理想地小于第一BER并且基本上收敛的以保持DLI处于低信噪比状态的第二BER。
在另一实施例中，Rx DLI控制回路可以用于捕获偏心重新启动点。参考图5，在第一步骤中确定的第一BER大于阈值的情况下，Rx DLI未锁定在低SNR状态中。这至少出现在两种情况下：1)Rx DLI的设定点偏离标称设定点太远，或2)光信号的波长偏离目标波长太远，该目标波长是为生成输入光信号的通信系统中的远端发送机设定的。对于具有偏心的DLI设置的情况1)，在图5的流程图中提出的方法包括搜索Rx DLI参数空间，以捕获偏心的重新启动设定点。可选地，Rx DLI包括用于处理TM模式信号的一个TM_DLI和用于处理TE模式信号的一个TE_DLI。设定点包括用于控制TM_DLI的第一偏压点和用于控制TE_DLI的第二偏压点，在TM模式和TE模式光信号被组合并转换为电信号之后，这两者最终有助于总体BER。然后，搜索Rx DLI参数空间是在第一偏压点和第二偏压点的两个方向上分别具有上下移动的二维搜索。当然，如果设定点涉及更多参数，则搜索包括所有参数的所有组合的上下移动。
图9示出了用于在螺旋搜索的类型中找到偏心重新启动点的二维搜索的示例。该图右侧的圆形区域表示TM模式和TE模式控制的两个偏压点的平面内的BER值的等高线图，在该等高线图内，BER值小于阈值，即，锁定区域。圆形区域中朝向中央区域1000越暗，BER值越小。圆形区域外的所有平面区域(例如，区域800)表示BER值大于阈值的未锁定区域。由于设定点已经偏离太远，所以在圆形区域之外发现起点500。从起点500(或首先移动到最后一个已知的良好的点)开始，螺旋搜索包括多个搜索子步骤，以螺旋模式在TM方向和TE方向上进行连续的移动(serial movement)。搜索回路继续每个搜索子步骤，然后是锁定检测步骤，直到使用周期结束限制，并且以最终可以在圆形区域内找到重新启动点900结束。重新启动点900仍然可以是偏心点，但是可以用来在Rx DLI控制回路(图5)中开始第一迭代操作，并且随着控制参数BER收敛，朝着中心点1000驱动设定点。
对于在从通信系统的远端发送机最初生成的光信号中的偏离目标波长漂移的情况2)，参考图1-4，近端接收机400中的Rx DLI控制回路可以通过利用在通信系统的近端和远端的收发机100中的反向信道数据插入和检测功能，来与远端发送机300通信。可选地，在执行Rx DLI控制回路的第一迭代操作的开始时，近端接收机的控制模块被配置为在反向信道上发送恒定的BER。在远端的发送机300能够检测反向信道数据中的恒定BER，并将其用作控制模块320的控制信号，以停止任何波长调整，使得近端接收机正在跟踪Rx DLI设定点时，由远端发送机生成的光信号保持在稳定状态。可选地，在迭代操作结束时，随着第二BER收敛，近端接收机的控制模块也被配置为将DLI的设定点保持在最后调整或优化的常数，以保持近端接收机工作并在反向信道上发送实时BER信道。远端发送机300还能够检测反向信道数据中的实时BER，并将其用作控制模块320的控制信号，以启动用于跟踪光信号的波长的第二迭代操作。由于由远端发送机300生成的光信号实际上是由近端接收机400接收的输入光信号，所以第二迭代操作可选地仍然使用由在近端接收机400处的控制模块420计算的BER，作为控制参数，以基于检测到BER收敛到不大于第二BER的第三BER来确定第二迭代操作是否收敛。参考图5，第二迭代操作通过反向信道数据通信与第一迭代操作协调地执行。
应该理解，可以实现不同类型的算法，以利用涉及反向信道数据的反馈机制。例如，发送收发机保持基于由接收收发机提供的测量的信号特征来调整其操作参数，直到获得就误码率阈值而言的性能水平。在某些实现方式中，只要光收发机工作，光收发机就会持续执行质量。还具有其他的实现方式。
在特定实施例中，在DLI的优化设定点的梯度下降搜索中使用BER作为比例积分微分参数来执行Rx DLI控制回路的第一迭代操作。图6是示出根据本发明的实施例的跟踪近端接收机中的DLI的设定点的控制方法的简化流程图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图6所示，在响应于偏压点的上下抖动时，回路的迭代使用抖动和调整过程来基于BER调整DLI偏压点。假设近端接收机(参见图4)具有用于多路分用TM模式信号的TM_DLI和用于多路分用同一输入光信号的TE模式信号的TE_DLI，抖动和调整过程包括用于抖动和调整两个独立的偏压点(TM偏压点和TE偏压点)的操作。
参考图6，迭代包括(1)在一个抖动步骤中从标称设定点向上调整TM偏压点，例如，调整TM偏压点，以改变0.25mW的加热功率，以实现DLI向上3°的相变；(2)在该当前抖动的点处测量BER，以获得BER(TM+)值；(3)在另一抖动步骤中从标称设定点向下调整TM偏压点，例如，调整TM偏压点，以改变0.25mW的加热功率，以实现DLI向下-3°的相变；(4)测量当前抖动点处的BER，以获得BER(TM-)值；(5)-(8)重复步骤(1)-(4)，以抖动TE偏压点并测量相应的BER值，BER(TE+)和BER(TE-)；(9)通过增加TM_gain×[1-BER(TM+)/BER(TM-)]来调整TM标称设定点；(10)通过增加TE_gain×[1-BER(TE+)/BER(TE-)]来调整TE标称设定点；并且在调整的偏压点处测量总体BER，基于该总体BER来检查确定Rx DLI控制回路是否收敛。注意，此处使用的序号不会限制每个抖动步骤的实际实现顺序。例如，可以在步骤(1)和(2)之前执行步骤(3)和(4)，可以在步骤(1)-(4)之前执行步骤(5)-(8)。在另一示例中，步骤(1)-(2)和步骤(3)-(4)以不断变化的顺序和步骤执行，以从系统中去除不相关的单调效应。类似地，步骤(5)-(6)和步骤(7)-(8)以不断变化的顺序执行，以从系统中去除不相关的单调效应。应该理解，对于TM_DLI的抖动和调整以及对于TE_DLI的抖动和调整可以交替地执行，以在朝着收敛的第一迭代操作中的每次迭代中获得总体BER，尽管其他变化仍然是可能的。
在一些实施例中，执行第一迭代操作，直到达到第一收敛标准。可选地，第一收敛标准由第一迭代操作的最近迭代中的DLI的设定点的有限的最近的平均移动来定义。换言之，参考图9，设定点基本上接近目标点1000，使得任何向上抖动步骤和向下抖动步骤的BER值基本相同。可选地，第一收敛标准可以被定义为在第一迭代操作的最近迭代中的BER的有限变化。换言之，最近迭代的两次连续迭代之间获得的BER差异基本相同。可选地，第一收敛标准可以被定义为固定数量的抖动步骤，以在第一迭代操作的最近迭代中增加或减少标称设定点周围的DLI的延迟相位。固定数量仅仅是预定的迭代次数，该迭代次数期望在比例积分微分回路下可以达到目标点的指数收敛，而不管离起点有多远。
在另一特定实施例中，使用在近端接收机处测量的BER作为比例积分微分参数，在远端发送机的优化设置的梯度下降搜索中执行第二迭代操作。图7是示出根据本发明的实施例的在协调控制中优化在发送侧的通信信号的方法的流程图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图7所示，只有一旦在接收侧优化BER，才会开始在发送侧优化通信信号的方法(参见图5)。如果通过远端发送机300的控制模块320(参见图3)在反向信道数据中检测到恒定的BER，则控制模块320仅执行抖动发送机设置，而不调整发送机波长控制回路中的发射频率。当未检测到恒定的BER但在反向信道数据中检测到实时BER时，实际开始优化通信信号的第二迭代操作，反相信道数据指示有效BER已经优化，因为Rx DLI控制回路以收敛的第二BER结束(假设Rx DLI控制从第一BER开始)。这次，控制模块320执行抖动和调整每个抖动步骤中的发送频率，并调整标称发送器设置，以调整光信号的波长。第二迭代操作仍然使用接收侧的BER作为控制参数，以基于第二收敛标准确定BER是否以具有不大于第二BER的值的第三BER收敛(参见图5)。
在一些实施例中，执行第二迭代操作，直到达到第二收敛标准。可选地，第二收敛标准由第二迭代操作的最近迭代中的BER的有限变化来定义。换言之，在最近迭代的两次连续迭代之间获得的BER差异基本相同。可选地，第二收敛标准包括固定数量的抖动步骤，以在第二迭代操作的最近迭代中增加或减少远端发送机的标称设定点周围的发送频率。固定数量仅仅是预定的迭代次数，该迭代次数期望在比例积分微分回路下可以达到目标点的指数收敛，而不管离起点有多远。可选地，第二收敛标准包括在第二迭代操作的最近迭代中的远端发送机的设定点的有限的最近的平均移动。换言之，参考图9，设定点基本上接近目标点1000，使得任何向上抖动步骤和向下抖动步骤的BER值基本相同。
另一方面，本发明提供了一种具有信号跟踪的通信系统。该系统包括：通信链路；第一收发机，其包括第一控制模块和第一发送机；以及第二收发机，其包括第二控制模块和第二发送机。所述第二收发机设置在通信系统的远端，该第二收发机被配置为向设置在通信系统的近端的第一收发机发送光信号。第二收发机还被配置为从第一收发机接收反向信道数据。在一些实施例中，第一接收机被配置为接收由第二发送机生成的光信号并将光信号转换为电信号。在一些实施例中，第一控制模块被配置为基于电信号来计算误码率(BER)并执行优化第一接收机的第一迭代操作，直到BER收敛。在一些实施例中，第二发送机被配置为利用波长锁定将光信号发送到第一接收机。在一些实施例中，第二控制模块被配置为执行优化光信号的波长的第二迭代操作。第二迭代操作与由从第一收发机发送到第二收发机的反向信道数据协调控制的第一迭代操作在时间上交替。
图8是示出根据本发明的实施例的用于在通信系统中利用近端DLI控制和远端发送机控制交替跟踪光信号的协调控制的简图。该图仅仅是一个示例，不应该过度限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如图8所示，在包括经由通信链路彼此通信的接收侧收发机和发送侧收发机的通信系统中，在接收侧的Rx DLI控制和在发送侧的基于有效BER的波长控制都需要跟踪从远端发送机发送到近端接收机的光信号。可选地，通过交替地执行由近端接收机插入并由远端发送机检测的反向信道数据控制的接收侧Rx DLI控制和发送侧波长控制，在接收侧的跟踪光信号可以以协调的方式操作。
参考图8，作为示例，接收侧Rx DLI控制包括交替的抖动并且调整TM_DLI和TE_DLI的两个设定点的第一阶段和保持设定点恒定的第二阶段。因此，在第一阶段期间，在反向信道中发送恒定的BER，而在第二阶段期间，发送实时BER。再次在这个示例中，发送侧波长控制包括交替的仅抖动发送频率的第三阶段和抖动并且调整发送频率的第四阶段。以协调的方式，每当在反向信道数据中检测到恒定的BER时，执行发送侧波长控制的第三阶段，这对应于接收侧Rx DLI控制的第一阶段。每当在反向信道数据中检测到实时BER时，执行发送侧波长控制的第四阶段，这对应于接收侧Rx DLI控制的第二阶段。

Claims (13)

1.一种通信信号跟踪系统，包括：
光接收机，包括：一个或多个延迟线干涉仪，被配置为多路分用输入光信号；一个或多个光电探测器，将所述输入光信号转换为电流信号；以及互阻抗放大器，被配置为将所述电流信号转换为电压信号；
控制模块，被配置为基于所述电压信号计算误码率，并且将所述误码率用作在一个或多个迭代中用于在控制回路中优化所述一个或多个延迟线干涉仪的设置并生成反向信道数据的参数；以及
偏振分束器，用于将所述输入光信号分为横磁模式下的第一信号和横电模式下的第二信号，其中，所述一个或多个延迟线干涉仪包括横磁模式下的第一延迟线干涉仪和横电模式下的第二延迟线干涉仪，分别用于多路分用所述第一信号和所述第二信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块被配置为将所述误码率用作梯度下降搜索中的比例积分微分参数来执行所述一个或多个迭代，以基于所述误码率在每次迭代中分别对第一偏压点的第一抖动和第二偏压点的第二抖动的响应，调整所述第一延迟线干涉仪的第一偏压点以及所述第二延迟线干涉仪的第二偏压点。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，在所述一个或多个迭代的每一个迭代中的所述梯度下降搜索包括：测量与所述第一偏压点的增量对应的第一抖动增大误码率以及与所述第一偏压点的减量对应的第一抖动降低误码率；测量与所述第二偏压点的增量对应的第二抖动增大误码率以及与所述第二偏压点的减量对应的第二抖动降低误码率；通过加上等于第一增益乘以1与所述第一抖动增大误码率和所述第一抖动降低误码率之间的第一比率之间的第一差值的量，来调整所述第一偏压点；并且通过加上等于第二增益乘以1与所述第二抖动增大误码率和所述第二抖动降低误码率之间的第二比率之间的第二差值的量，来调整所述第二偏压点。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制模块被配置为基于如果所述误码率小于第一阈值，则确定所述一个或多个延迟线干涉仪被设置为具有低信噪比，来开始所述一个或多个迭代的第一迭代，以优化所述一个或多个延迟线干涉仪的设置，并且在反向信道数据中提供恒定的所述误码率。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制模块被配置为基于确定在一定数量的最近迭代中的两个连续迭代的第一偏压点和第二偏压点的平均变化小于第二阈值，来结束用于优化所述一个或多个延迟线干涉仪的设置的最后一个迭代，并且在反向信道数据中提供实时可变的误码率。
6.根据权利要求5所述的系统，还包括被设置为远端收发机模块的光发送机，所述远端收发机模块被配置为从近端收发机模块中的所述控制模块接收反向信道数据，并且如果反向信道数据包括实时可变的误码率，则响应于标称发送机设置的抖动，来开始一个或多个迭代，以将误码率用作控制参数来调整所述输入光信号的相应波长。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述光发送机被配置为如果所述反向信道数据包括恒定的误码率，则结束用于调整所述输入光信号的相应波长的所述一个或多个迭代的最后一个迭代，而不管所述标称发送机设置的抖动。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制模块被配置为基于确定输入电信号的误码率不满足第一阈值，来在由第一延迟线干涉仪的第一偏压点和第二延迟线干涉仪的第二偏压点限定的二维参数空间中执行对重新启动点的搜索。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，对重新启动点的搜索包括从当前设定点或最后一个已知的良好设定点开始，在二维模式中在螺旋路径上将第一偏压点和第二偏压点调整最小增量或减量，达到使用周期结束限制，直到所述输入电信号的误码率满足第一阈值。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一偏压点/第二偏压点由与所述第一延迟线干涉仪和第二延迟线干涉仪相关联的第一加热器和第二加热器的功率设置来表示，所述功率设置用于调整所述第一延迟线干涉仪和所述第二延迟线干涉仪的相位延迟。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，在输入电信号被前向纠错模块解码之前，计算所述误码率。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述误码率包括所述横磁模式和所述横电模式中的两种极化的总体误码率。
13.一种具有信号跟踪的通信系统，所述通信系统包括：
通信链路；
第一收发机，包括第一控制模块和第一接收机；以及
第二收发机，包括第二控制模块和第二发送机，所述第二收发机被配置为向所述第一收发机发送光信号并且从所述第一收发机接收反向信道数据，
其中所述第一接收机被配置为接收光信号并将所述光信号转换为电信号，
所述第一控制模块被配置为基于所述电信号来计算误码率，以执行优化所述第一接收机的第一迭代操作，
所述第二发送机被配置为生成所述光信号并发送到所述第一接收机，
所述第二控制模块被配置为执行优化所述光信号的波长的第二迭代操作，所述第二迭代操作与由从所述第一收发机发送到所述第二收发机的反向信道数据控制的第一迭代操作在时间上交替，并且
所述第一控制模块被配置为与所述第一接收机中的至少一个延迟线干涉仪耦合，并且响应于抖动和调整所述延迟线干涉仪的设定点使用所述误码率作为控制参数来执行所述第一迭代操作。
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