CN110574309A - 光学系统中脉冲幅度调制电平的优化和均衡 - Google Patents

光学系统中脉冲幅度调制电平的优化和均衡 Download PDF

Info

Publication number
CN110574309A
CN110574309A CN201780090177.7A CN201780090177A CN110574309A CN 110574309 A CN110574309 A CN 110574309A CN 201780090177 A CN201780090177 A CN 201780090177A CN 110574309 A CN110574309 A CN 110574309A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
optical
levels
optical transmission
level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780090177.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110574309B (zh
Inventor
内博伊沙斯托亚诺维奇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huawei Technologies Co Ltd
Original Assignee
Huawei Technologies Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huawei Technologies Co Ltd filed Critical Huawei Technologies Co Ltd
Publication of CN110574309A publication Critical patent/CN110574309A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110574309B publication Critical patent/CN110574309B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/38—Synchronous or start-stop systems, e.g. for Baudot code
    • H04L25/40—Transmitting circuits; Receiving circuits
    • H04L25/49—Transmitting circuits; Receiving circuits using code conversion at the transmitter; using predistortion; using insertion of idle bits for obtaining a desired frequency spectrum; using three or more amplitude levels ; Baseband coding techniques specific to data transmission systems
    • H04L25/4917—Transmitting circuits; Receiving circuits using code conversion at the transmitter; using predistortion; using insertion of idle bits for obtaining a desired frequency spectrum; using three or more amplitude levels ; Baseband coding techniques specific to data transmission systems using multilevel codes
    • H04L25/4927—Transmitting circuits; Receiving circuits using code conversion at the transmitter; using predistortion; using insertion of idle bits for obtaining a desired frequency spectrum; using three or more amplitude levels ; Baseband coding techniques specific to data transmission systems using multilevel codes using levels matched to the quantisation levels of the channel
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation
    • H04B10/54—Intensity modulation
    • H04B10/541—Digital intensity or amplitude modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/58—Compensation for non-linear transmitter output
    • H04B10/588—Compensation for non-linear transmitter output in external modulation systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69—Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/695—Arrangements for optimizing the decision element in the receiver, e.g. by using automatic threshold control
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L25/00—Baseband systems
    • H04L25/02—Details ; arrangements for supplying electrical power along data transmission lines
    • H04L25/03—Shaping networks in transmitter or receiver, e.g. adaptive shaping networks
    • H04L25/03006—Arrangements for removing intersymbol interference
    • H04L25/03343—Arrangements at the transmitter end
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B2210/00—Indexing scheme relating to optical transmission systems
    • H04B2210/25—Distortion or dispersion compensation
    • H04B2210/254—Distortion or dispersion compensation before the transmission line, i.e. pre-compensation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

一种光通信系统，包括用于多电平PAM的发送侧系统和相应的接收器侧系统。该发送侧包括提供光束(52)的激光源(50)；待调制至上述光束上的电信号(56)的信号源；连接至激光源(50)和信号源以使用幅度调制和至少四个信号电平将上述电信号(56)调制至上述光束(50)上的调制器(54)；其中上述至少四个信号电平非均匀分布。该接收器侧包括可以实现为f1y+f2y 2+F0形式的滤波器的相应的均衡器。

Description

光学系统中脉冲幅度调制电平的优化和均衡
发明的领域和背景技术
本发明在一些实施例中涉及光传输链路中脉冲幅度调制(pulse amplitudemodulation，PAM)的使用，更具体但非排他地，涉及4电平脉冲幅度调制(PAM-4)，用于直接检测(direct-detection)光传输链路以改善受光噪声和符号间干扰(intersymbolinterference，ISI)影响的系统中的性能。
下一代超高速短距离光纤链路期望使用小型、廉价、且低功耗的收发器，以符合主要由于数据中心设备的空间有限而施加的要求。期望这些收发器分别支持从几百米到几万米的数据中心内连接和数据中心间连接。
一个目标是以每波长100Gbit/s进行传输。然而，这种目标在同时需要非常廉价的解决方案的情况下是非常有挑战性的。因为相干方法需要高功率和昂贵的设备，因此该方法已超出范围。因此，强度调制(intensity modulation，IM)和直接检测(directdetection，DD)方案是优选的。也已经研究出广泛用于非相干系统的成熟的开关键控调制格式，以用于每波长速度为100Gbit/s的应用。然而，这种解决方案需要昂贵的高带宽光学器件和电子器件。为了克服这个缺点，已经研究出数字信号处理(digital signalprocessing，DSP)支持的先进调制格式作为支持100-G的可选技术，最有前景的候选为PAM-4、离散多载波调制(discrete multi-tone modulation，DMT)、以及无载波幅度调制和脉冲调制。因为PAM-4格式需要简单DSP，因此许多标准化组织都认真考虑过这种格式。
PAM-4格式甚至可以用于使用色散补偿光纤(dispersion compensation fiber，DCF)或色散补偿模块(dispersion compensation module，DCM)来补偿色度色散(chromatic dispersion，CD)的较长链路。IQ调制器也可以在发射器侧进行CD预补偿。在非对称链路中，PAM-4信号可以由强度调制器发送，并且由将执行CD后补偿的相干接收器接收。
现有技术10Gb/s光转发器使用集成在光发射次模块(transmit opticalsubassembly，TOSA)中的非常廉价的分布式反馈激光器(distributed feedback laser，DFB)和电吸收调制器(electro-absorption modulator，EAM)。光信号功率与调制激光器的电信号差不多成比例。在接收器侧，光电二极管(正-本征-负(positive-intrinsicnegative，PIN)或雪崩光电二极管(avalanche photo diode，APD))检测光信号。光电二极管的输出与光信号功率成比例。使用跨阻放大器(transimpedance amplifier，TIA)放大光电二极管输出。光电二极管和TIA可以集成在光接收次模块(receive opticalsubassembly，ROSA)中，该ROSA可以包括自动增益控制电路(automatic gain controlcircuit，AGC)以在使用电子均衡时将电信号调整为模数(analog-to-digital，ADC)输入。
一种典型的强度调制直接检测传输系统10示出于图1A、图1B、和图1C中。使用调制器驱动器(modulator driver，MD)14来放大数据12。DFB 16和EAM 18负责调制。光信号通过多个跨段20传输，每个跨段由光纤22、组合在单元24中的掺饵光纤放大器(erbium-dopedfiber amplifier，EDFA)或其他类型的光放大器以及DCF组成。光学前端(optical frontend，OFE)28包括光检测器34和放大器36，且通常集成在ROSA 30中。信号可能遭受残余CD、PMD、以及窄电带宽，因此可以使用均衡器38对信号进行均衡。在已知领域中，均衡器可以是前馈均衡器(feed-forward equalizer，FFE)、判决反馈均衡器(decision feedbackequalizer，DFE)、最大似然序列估计器(maximum likelihood sequence estimator，MLSE)、或其组合，并且是时钟和数据恢复块(clock and data recovery block，CDR)32的一部分。图1的系统用于传输2电平信号。然而，虽然诸如PAM-4的多电平信号需要较高的光信噪比(optical signal-to-noise ratio，OSNR)以便成功接收并且只能达到较短的距离，但是也可以传输。
出现了与用于在较长链路中补偿光纤损耗的光放大器有关的问题。工作在饱和模式的EDFA通常用于许多网络中，并且是趋于成为系统中噪声的主要来源的高斯噪声的来源。当使用平方律(即，平方定律)适用于信号检测的多电平PAM时，噪声问题更加复杂。因此，在存在光噪声的情况下，理论上最优PAM-4值为0、1/3、2/3和1。在直接检测之后，由于平方，这些值变为0、1/9、4/9和1，结果电平不再均匀分布，相反，前两个电平彼此非常接近。通过FFE补偿严重的ISI，但由于电平如此接近，所需的补偿可能严重降低系统性能，因此产生了如何为这种系统中的多电平PAM设置最优电平的问题。
发明内容
本实施例的目的是提供一种光发射器和光接收器以及通信设备和方法。通过独立权利要求的特征实现前述和其他目的。根据从属权利要求、说明书、附图，进一步的实施方式显而易见。
更具体地，可以提供用于光学多电平脉冲幅度调制的信号恢复的改进的和更优的幅度映射和均衡。虽然针对PAM-4作出了详细的实施例，但是相同的考虑因素通常可以应用于多电平PAM，特别是PAM-8、PAM-16。
最佳映射降低了多个PAM电平中的内部电平的功率，如下所述，从而实现更好的信号性能。
在实施例中，PAM电平非均匀地分布在信号空间上，使得这些电平在平方和均衡之后变得均匀分布。
实施例可能特别适用于具有以饱和模式和恒定输出功率工作的放大器的光放大链路。
本实施例的映射可以优化其中噪声由链路上的放大器的光学高斯噪声主导的ASE主导场景中的误比特率(bit-error rate，BER)或BER性能。
本实施例的映射可以使用数模转换器(digital to analog converter，DAC)和三抽头均衡器来实现。
根据本发明的一些实施例的方面，提供了一种用于多电平PAM的光发送系统，包括：
激光源，提供光束；
待调制至该光束上的电子信号的信号源；以及
调制器，连接至该激光源和该信号源，以使用幅度调制和至少四个信号电平将该电子信号调制至光束上，其中，上述至少四个信号电平非均匀分布。发送端信号电平的非均匀分布确保了均衡后接收端的均匀分布。
在实施例中，非均匀分布的上述至少四个信号电平分布为使得在平方和转换时，信号电平基本上均匀分布。这具有克服在接收和噪声添加方面起作用的平方律的优点。
在实施例中，信号电平被选择为基于添加至信号的给定标准噪声差最小化误比特率。
在实施例中，初始信号电平选择使用预估的标准噪声差，并且该发送可以获得实际标准差以更新信号电平选择。因此，提供了一种能够响应于噪声条件变化的动态发送系统。
在实施例中，实际标准差从如下公式获得
其中，a、b、xi值是从接收的信号测量的，σi值是从围绕四个重构电平的直方图估计的。
在实施例中，上述至少四个电平是0、0.2346、0.5297、1。在以上提到的动态系统中，这些电平可以有利地被用作初始电平。
可以将实施例并入发射器光学子系统TOSA中。
实施例可以使用数模转换器执行调制。根据本实施例，均匀映射需要两个比特，并且可以使用总共至少六个输入比特用于最佳电平映射。
对于使用PAM-8的实施例，在DAC中需要三个输入比特用于均匀映射，并且至少还需要一个比特用于优化电平分布。实际上可以使用七个或七个以上的输入比特。
接收系统可以使用均衡器均衡多电平PAM信号，其中，电平非均匀分布。
在实施例中，该均衡器是如下滤波器的实现：
f1y+f2y2+f0
其中，y是传入的信号，参数f0、f1、f2使用自适应滤波器获得。
在实施例中，
g＝f1y+f2y2+f0＝ax+bx2
f1＝(a-2cd)/c
f2＝b/c2
f0＝-d(a-2cd)/c-d2
其中，a、b是预定或已知的，y是接收的所述信号，c和d是未知的。
在实施例中，传入的信号由因子K缩放并且由K0偏置。这具有提供更易于管理的输出的优点。
在实施例中，该均衡器是二阶Volterra滤波器的实现。该滤波器在文献中进行了讨论并被明确定义，从而简化了实现。
在实施例中，该均衡器是一个三抽头均衡器，这允许简单实现。
根据本实施例的第二方面，提供了一种用于多电平PAM的光通信系统，包括光接收系统和光发送系统。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于多电平PAM的光发送方法，包括：提供光束；
提供待调制至该光束上的电子信号；以及
使用幅度调制和至少四个信号电平将电子信号调制至光束上，其中，上述至少四个信号电平非均匀分布。
在实施例中，非均匀分布的上述至少四个信号电平分布为使得在平方和转换时，信号电平基本上均匀分布。
该方法可以涉及选择信号电平以基于添加至信号的给定标准噪声差最小化误比特率。
该方法可以包括使用预估的标准噪声差以构造初始电平分布，以及
从接收的信号中获得实际标准差以更新信号电平选择。
根据本发明的第四方面，提供了一种光接收方法，包括均衡多电平PAM信号，其中，电平非均匀分布。
根据本发明的第五方面，提供了一种用于多电平PAM的光通信方法，包括光接收方法和光发送方法。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和/或科学术语的含义与本发明所属领域的普通技术人员所公知的含义相同。与本文所描述的方法和材料类似或者等同的方法和材料可以用于本发明实施例的实践或测试，以下描述了示例性方法和/或材料。若存在冲突，则以包括定义的专利说明书为准。此外，材料、方法、示例仅用于说明，而非必要限定。
附图说明
仅作为示例，结合附图描述了本发明的一些实施例。现在具体结合附图，需要强调的是所示项目作为示例并且为了说明性地讨论本发明的实施例。这样，根据附图说明，如何实践本发明实施例对本领域技术人员而言显而易见。
在附图中：
图1A是根据传统技术的光通信系统的图；
图1B是图1A的接收系统的一部分；
图1C是图1A的接收系统的另一部分；
图2是根据本发明实施例的发送系统的简化图；
图3是根据本发明实施例的接收系统的简化图；
图4A是根据本发明实施例的用于最小化误比特率的相对于参数b的信号电平的绘图；
图4B是示出使用图4A的绘图动态设置信号电平以最小化误码率的过程的简化流程图；
图5是相对于参数b的误比特率的绘图；
图6是b＝-3和b＝0之间的参数x1和x2电平的示意图，并且特别示出了b＝-0.5的电平；
图7是使用典型映射进行滤波之前和进行滤波之后的概率密度函数的示意图；
图8是根据本发明实施例的使用电平映射进行滤波之前和进行滤波之后的概率密度函数的示意图，并且示出了滤波之后的各个电平之间的清楚区别；
图9是根据本实施例的典型映射和两种映射方案的相对于信噪比的误比特率的示意图；
图10示出了由数模转换器构成的发送侧调制器；以及
图11是根据本实施例的可以在接收侧使用的三抽头均衡器的示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，本发明在其一些实施例中涉及光传输链路中脉冲幅度调制(pulse amplitude modulation，PAM)的使用，更具体但非排他地，涉及PAM-4，用于直接检测光传输链路以改善被光噪声影响的系统中的性能。
为了更好地理解本发明的一些实施例，如图2-11所示，首先参考图1A、图1B、和图1C中所示的典型强度调制直接检测传输系统10的架构和操作。如背景技术中所述，使用调制器驱动器(modulator driver，MD)14来放大数据12。包含在发射光学次模块26中的分布式反馈激光器(distributed feedback laser，DFB)16和电吸收调制器(electro-absorption modulator，EAM)18负责调制。光信号通过多个跨段20传输，每个跨段由光纤22、组合在单元24中的掺铒光纤放大器(erbium-doped fiber amplifier，EDFA)或其他类型的光放大器和色散补偿光纤(dispersion compensation fiber，DCF)组成。光学前端(optical front end，OFE)28包括光检测器34和放大器36，且通常集成在光接收次模块(receive optical subassembly，ROSA)30中。由于信号可能遭受残余色度色散(chromaticdispersion，CD)，偏振模色散(polarization mode dispersion，PMD)和窄电带宽，因此可以由均衡器38来均衡。在已知领域中，均衡器可以是前馈均衡器(feed-forwardequalizer，FFE)、判决反馈均衡器(decision feedback equalizer，DFE)、最大似然序列估计器(maximum likelihood sequence estimator，MLSE)、或其组合，并且是时钟和数据恢复块(clock and data recovery block，CDR)32的一部分。如前所述，图1A-1C的系统先前用于传输2电平信号。然而，虽然诸如PAM-4的多电平信号需要较高的光信噪比(opticalsignal-to-noise ratio，OSNR)以便成功接收并且只能达到较短的距离，但是也可以传输。
如背景技术中所述，出现了与用于在较长链路中补偿光纤损耗的光放大器有关的问题。工作在饱和模式的EDFA通常用于许多网络中。
EDFA中主要的噪声源是放大自发辐射(amplified spontaneous emission，ASE)，该噪声的频谱与放大器的增益谱大致相同。通常将该噪声视为高斯噪声。光放大链路的性能通常由误比特率(bit-error rate，BER)比OSNR表征。
由于在使用前向纠错(forward error correction，FEC)并且BER值较高的情况下，发射器噪声和接收器噪声远小于ASE噪声，所以我们可以忽略该发射器噪声和接收器噪声。因此，ASE噪声影响了发送的信号，并且在平方律光电检测之后，生成了三个不同的信号。其中一些信号降低了BER性能。虽然相同的规则适用于复信号场景，但为了简单起见，假设发送的信号和噪声是实的以避免共轭运算。当发送诸如PAM-4的多电平信号时，在使用了EML的情况下，光场与信号的平方根成比例。在这种情况下，我们得出
y＝(x+n)2＝x2+2xn+n2
第一项表示发送的信号，而其他两项与信号-ASE差拍和ASE-ASE差拍有关。最后两项对于系统性能是重要的，这将在以下具体实施例中讨论。
在详细解释本发明至少一个实施例之前，应理解，本发明并非将应用限制于下文描述所提出和/或在附图和/或示例中示出的组件和/或方法的详细构造和布局。本发明可以应用于其他实施例或者以各种方式实施。
现在参考附图，图2示出了用于多电平PAM的光发送系统40。该系统包括向调制器54提供光束52的激光源50。信号源提供电信号56，该电信号需要沿光纤向前传输，因此必须被调制至光束上。调制器54连接至激光源50和电信号56的源。调制器54使用幅度调制和四个或四个以上的(4+)信号电平将电子信号调制至光束52上。信号电平非均匀分布。例如，调制的信号电平可以分布为使得平方和转换后的结果为均匀分布或基本上均匀分布。当给定的标准噪声差被添加至信号时，可以对信号电平进行选择以最小化误比特率。
可以使用动态电平分配，其中，可以在发送期间改变调制的信号电平。在动态电平分配中，初始信号电平选择可以例如使用预估计的标准噪声差，并且调制器可以获得在信道中经历的实际标准噪声差以在发送期间更新信号电平选择。
实际标准噪声差可以从如下公式获得
其中，a、b、xi值是从接收的信号测量的，σi值是从围绕四个重构电平的直方图估计的。
四个电平的示例性值为0、0.2346、0.5297、1。
图2的发送系统可以合并至发射器光学子系统或光发射次模块(TOSA)中。
该调制器可以使用数模转换器(digital to analog converter，DAC)。每个PAM-4电平通过2个比特定义。为了优化电平，可以将四个电平(0、1、2、3)转换为从0到1的四个新电平。为了执行转换，需要例如六个比特的高电平分辨率DAC。
在实施例中，该调制方案可以使用PAM-8代替PAM-4。在这种情况下，需要对电平进行映射，并且需要3个比特。在实施例中，该调制方案可以使用PAM-16代替PAM-4。在这种情况下，需要对电平进行映射，并且需要4个比特。
现在参考图3，图3是示出包括均衡器62的光学接收系统60的简化示意图。在由图2的调制器(其中，调制信号电平非均匀分布)产生并且经过添加噪声的光纤和中继器之后，多电平PAM信号64通过均衡器进行均衡。
均衡器可以包含如下形式的滤波器的实现66
f1y+f2y2+f0
其中，y是包括所有累积噪声的传入信号，参数f0、f1、f2使用自适应滤波器68获得。
滤波器66中使用的参数可以如下：
g＝f1y+f2y2+f0＝ax+bx2
f1＝(a-2cd)/c
f2＝b/c2
f0＝-d(a-2cd)/c-d2
其中，a、b是已知的，y是接收的信号，c和d是自适应滤波器生成的未知数。
该传入信号由因子K缩放并且由K0偏置。
在实施例中，均衡器可以是二阶Volterra滤波器的实现。
如下参考图11所讨论，均衡器可以实现为三抽头均衡器。
发射器和接收器可以组合成通信系统。
如上所述，提供了光束52。使用幅度调制和四个或四个以上的非均匀分布的信号电平将电信号56调制至光束上。然后，结果通过光纤传输，并通过将信号放大的中继器，伴随着增加噪声的副作用。
现在更详细地考虑噪声影响信号的方式。
接收信号的平方提供了多项：
y＝(x1/2+n)2＝x+2x1/2n+n2≈x+2x1/2n
y2＝x2+6xn2+n4+4x3/2n+4x1/2n3
这些项包括高于1阶的噪声部分。噪声部分高达幂(即，n2、n3、n4)的项作用较小，因此可以近似为y2≈x2+4x3/2n
让我们引入两个新变量a和b，并且导出如下新信号z
z＝ay+by2≈ax+2ax1/2n+bx2+4bx3/2n
z≈ax+bx2+2ax1/2n+4bx3/2n＝w+kn
w＝ax+bx2
k＝2ax1/2+4bx3/2
如果w具有均匀的电平0、1/3、2/3、1，我们可以求解方程组来计算PAM-4电平。但是，我们只得到如下三个方程和四个未知数，条件为1>x2>x1>0：
1＝a+b
然而，可以引入与m的优化相关的新条件。
m＝k/2＝ax1/2+2bx3/2
找到闭式解是不可能的。因此，我们可以代替地使用一些绘制函数来预示最优解。这种绘制函数在图4A中示出，现在参考图4A。图4A示出了x1和x2相对于参数b的电平。对于b＝0，且对应于a＝1，我们得到现有技术的均匀电平。
可以对m进行优化，以最小化所有四个电平的误比特率(BER)。如果我们仅将相邻电平之间的误差包括在内，则可以如下计算ASE噪声的BER和标准差σ：
wi＝i/3,i＝0,1,2,3
现在参考图4B，图4B是示出执行多电平PAM优化程序的方法的简化流程图。
大致预先知道OSNR值，这样可以使用40预设起始电平。因此，最初我们假设一些OSNR值(即σ)，并且基于该值计算42上述多个PAM电平(例如，PAM-4的四个电平)。发送信号被映射至这些电平，并且被发送然后被均衡44。
当对接收信号进行均衡时，可以使用如下容易地估计46该接收信号的实际参数σ：
其中，σi值是从围绕四个重构电平的直方图估计的。
然后将新的σ值发送到发射器，并重新计算最优/新的PAM电平然后使用该PAM电平。可以定期地重复该过程，或当噪声电平改变时、或当错误率似乎在增加时、或当检测到任何其他适度的系统改变时重复该过程。
现在参考图5，图5示出BER相对于b的图。最优b取决于工作范围，即，取决于ASE噪声(σ)量。在仿真中，我们选择b＝-0.55来估计PAM-4性能。该值将提供接近最优的BER。在这种情况下，如图6所示，参数为x1＝0.2346、x2＝0.5297。图6示出了b＝-3和b＝0之间的参数x1和x2电平，并且特别示出了b＝-0.5的电平。
可以如下重构无噪声的接收信号
w＝ax+bx2
然而，接收信号通常为如下形式
y＝cx+d
并且，如果我们想要直接获得发送的信号，我们有
ay+by2＝(ac+2bcd)x+bc2x2+ad+bd2＝k1x+k2x2+k0
然而，这还未提供正确的信号。信号可以通过滤波器重新生成：
g＝f1y+f2y2+f0＝ax+bx2
f1＝(a-2cd)/c
f2＝b/c2
f0＝-d(a-2cd)/c-d2
信号g可以是由因子K缩放并由K0偏置的发送信号。
g＝w1y+w2y2+w0＝K(ax+bx2)+K0
对于K＝6且K0＝-3，我们为x＝0、1/3、2/3、1获得PAM-4电平-3、-1、+1、+3。可以使用自适应滤波器找到参数w0、w1、w2。当接收信号遭受线性失真和非线性失真时，二阶Volterra滤波器可用于对该信号进行均衡。该滤波器包括前述等式中的三个系数f0、f1、f2。
当使用Volterra滤波器时，信号y为N个样本的向量。存在N个f1,i系数和N2个f2,i系数。N2本身取决于具体的滤波器结构。
具有输入x、输出y且记忆长度为M的第P阶离散Volterra滤波器可以描述为
其中，wr为第r阶Volterra核。Volterra核是对称的，可以通过仅考虑具有非递减索引kr(即kr≥kr-1)的系数来利用Volterra核。在这种情况下，可以如下计算出Volterra系数的数量
由于在该多项式中存在O(MP)系数，所以即使对于中等大小的M和P值，实现复杂度也变得极高；因此，实际系统只考虑低阶Volterra滤波器。在直接检测光学系统中，受限的三阶Volterra滤波器似乎足以补偿电、光线性和非线性损伤并且该三阶Volterra滤波器描述如下：
图7是在滤波之前和滤波之后的具有典型映射的PAM4的概率密度函数的绘图。图8示出了根据本实施例的非均匀映射在均衡之后的等效概率密度函数。对于均匀映射，均衡器不会改善性能，并且两个最大电平之间的BER严重。在根据本实施例的非均匀映射中，在均衡之前，较低电平之间的BER较高。然而，在均衡之后，情况并非如此，并且所有相邻电平之间的BER非常相近。
注意，电平+1可能右移。这可能会影响映射规则，但在移位较小时不严重。通过合适的映射，移位可以稍微改善BER。
通过EML(11dB消光比)和PIN对光学链路进行仿真。与均匀映射(uniformmapping，UM)相比，非均匀映射(non-uniform mapping，NM)(NM1；b＝-0.55)性能表现出了改进。BER为0.004处的OSNR增益约为1.6dB。通过电平+1稍微右移(NM2)可以增加该增益。电平+1移位获得的增益不大，但至少可见。
图9示出了在发送侧使用的数模转换器DAC。PAM-4可能需要比现有技术和二电平PAM使用的2比特DAC所提供的分辨率更高的分辨率。如上所述，每个PAM-4电平由两个比特定义。接下来是电平优化，可以将初始均匀分布的电平(0、1、2、3)转换为在0到1之间非均匀分布的四个新电平。为了执行调制，可以使用例如6比特的高电平分辨率DAC。
对于调制电平设置为0、0.2346、0.5297、1的特定情况，为了编码至两个有效数字，DAC可以使用7个比特和128个状态。在大多数情况下，使用6个比特可以获得不错的性能。
PAM-8需要3个比特用于均匀映射。在根据本实施例优化电平时，需要更多比特。至少还需要一个比特。然而，实际上，除了上述一个比特外，还需要额外的至少3个比特以提供7个比特。
如果需要降低复杂度，可以略微牺牲性能。图10示出了根据上述实施例的三抽头滤波器，该滤波器可以用于本实施例中的接收器端以提供均衡。
预计在本申请到期的专利期间内，将开发许多相关的光发送、放大、和接收技术，并且相应术语的范围旨在包括所有这些新技术的先验。
术语“包括”、“包含”、“具有”及其结合表示“包括但不限于”。
术语“由……组成”表示“包括且限于”。
除非上下文中另有明确说明，本文使用的单数形式“一个”和“所述”包括复数指代。
应理解，为了简洁，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征还可以组合提供于单个实施例中。相反地，为了简洁，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独地或以任何合适的子组合或以合适的方式提供在本发明的任何其他描述的实施例中。在各个实施例的上下文中描述的某些特征不被视为那些实施例的基本特征，除非实施例在没有这些元素的情况下不起作用。
虽然本发明已结合其具体实施例进行了描述，但显然，许多替换、修改、和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广阔范围内的所有这些替代、修改、和变化。
本说明书中提及的所有出版物、专利、和专利申请、均结合于说明书中作为参考，以达到如同具体、单独地指出通过引用的方式将每个单独的出版物、专利、或专利申请结合于本文相同程度。此外，本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认该参考文献可作为本发明的现有技术。对于使用章节标题，不应被解释为必要的限制。

Claims (31)

1.一种用于多电平PAM的光发送系统，包括：
激光源，提供光束；
待调制至所述光束上的电子信号的信号源；以及
调制器，连接至所述激光源和所述信号源，以使用幅度调制和至少四个信号电平将所述电子信号调制至所述光束上，其中，所述至少四个信号电平非均匀分布。
2.根据权利要求1所述的光发送系统，其中，非均匀分布的所述至少四个信号电平分布为使得在平方和转换时，所述信号电平基本上均匀分布。
3.根据权利要求1所述的光发送系统，其中，所述信号电平被选择为基于添加至所述信号的给定标准噪声差最小化误比特率。
4.根据权利要求3所述的光发送系统，其中，初始信号电平选择使用预估的标准噪声差，并且其中，所述发送用于获得实际标准差以更新所述信号电平选择。
5.根据权利要求4所述的光发送系统，其中，所述实际标准差从如下公式获得
其中，a、b、xi值是从所述接收的信号测量的，σi值是从围绕四个重构电平的直方图估计的。
6.根据权利要求2所述的光发送系统，其中，所述至少四个电平是0、0.2346、0.5297、1。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光发送系统，包括在发射器光学子系统TOSA中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光发送系统，包括使用数模转换器执行所述调制。
9.根据权利要求1、2、4至8中任一项所述的光发送系统，包括八个电平。
10.一种光接收系统，包括均衡器，所述均衡器用于均衡多电平PAM信号，其中，所述电平非均匀分布。
11.根据权利要求10所述的光接收系统，其中，所述均衡器是如下滤波器的实现：
f1y+f2y2+f0
其中，y是所述传入的信号，参数f0、f1、f2使用自适应滤波器获得。
12.根据权利要求11所述的光接收系统，其中
g＝f1y+f2y2+f0＝ax+bx2
f1＝(a-2cd)/c
f2＝b/c2
f0＝-d(a-2cd)/c-d2
其中，a、b是已知的，y是所述接收的信号，c和d是未知的。
13.根据权利要求11或12所述的光接收系统，其中，所述传入的信号由因子K缩放并且由K0偏置。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的光接收系统，其中，所述均衡器是二阶Volterra滤波器的实现。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的光接收系统，其中，所述均衡器是三抽头均衡器。
16.一种用于多电平PAM的光通信系统，包括根据权利要求10至15中任一项所述的光接收系统和根据权利要求1至9中任一项所述的光发送系统。
17.一种用于多电平PAM的光发送方法，包括：
提供光束；
提供待调制至所述光束上的电子信号；以及
使用幅度调制和至少四个信号电平将所述电子信号调制至所述光束上，其中，所述至少四个信号电平非均匀分布。
18.根据权利要求17所述的光发送方法，其中，非均匀分布的所述至少四个信号电平分布为使得在平方和转换时，所述信号电平基本上均匀分布。
19.根据权利要求17所述的光发送方法，包括选择所述信号电平以基于添加至所述信号的给定标准噪声差最小化误比特率。
20.根据权利要求19所述的光发送方法，包括：
使用预估的标准噪声差以构造初始电平分布；以及
从接收的信号中获得实际标准差以更新所述信号电平选择。
21.根据权利要求20所述的光发送方法，包括使用如下公式获得所述实际标准差：
其中，a、b、xi值是从所述接收的信号测量的，σi值是从围绕四个重构电平的直方图估计的。
22.根据权利要求18所述的光发送方法，其中，所述至少四个电平是0、0.2346、0.5297、1。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的光发送方法，包括使用数模转换器执行所述调制。
24.根据权利要求17、18、20至23中任一项所述的光发送方法，包括八个电平。
25.一种光接收方法，包括均衡多电平PAM信号，其中，所述电平非均匀分布。
26.根据权利要求25所述的光接收方法，包括使用如下公式执行所述均衡：
f1y+f2y2+f0
其中，y是所述传入的信号，参数f0、f1、f2使用自适应滤波器获得。
27.根据权利要求26所述的光接收方法，包括使用如下公式执行所述均衡：
g＝f1y+f2y2+f0＝ax+bx2
f1＝(a-2cd)/c
f2＝b/c2
f0＝-d(a-2cd)/c-d2
其中，a、b是已知的，y是所述接收的信号，c和d是未知的。
28.根据权利要求26或27所述的光接收方法，包括由因子K缩放所述传入的信号并且由因子K0偏置所述传入的信号。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的光接收方法，包括使用二阶Volterra滤波器的实现执行所述均衡。
30.根据权利要求25至29中任一项所述的光接收方法，包括使用三抽头均衡器执行所述均衡。
31.一种用于多电平PAM的光通信方法，包括根据权利要求25至30中任一项所述的光接收方法和根据权利要求17至24中任一项所述的光发送方法。
CN201780090177.7A 2017-06-27 2017-06-27 光学系统中脉冲幅度调制电平的优化和均衡 Active CN110574309B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2017/065767 WO2019001686A1 (en) 2017-06-27 2017-06-27 OPTIMIZATION AND EQUALIZATION OF PULSE AMPLITUDE MODULATION LEVEL IN OPTICAL SYSTEMS

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110574309A true CN110574309A (zh) 2019-12-13
CN110574309B CN110574309B (zh) 2021-01-29

Family

ID=59227742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780090177.7A Active CN110574309B (zh) 2017-06-27 2017-06-27 光学系统中脉冲幅度调制电平的优化和均衡

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11018908B2 (zh)
EP (1) EP3639412B1 (zh)
CN (1) CN110574309B (zh)
WO (1) WO2019001686A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113783623A (zh) * 2021-08-12 2021-12-10 华中科技大学 一种降低光纤通信中八电平脉冲幅度调制误码率的方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7116803B2 (ja) * 2019-01-09 2022-08-10 パイオニア株式会社 電磁波送信装置及び電磁波通信システム
CN115150236A (zh) * 2021-03-30 2022-10-04 华为技术有限公司 一种信号处理方法及相关设备

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030180055A1 (en) * 2002-03-22 2003-09-25 Kameran Azadet Optically calibrated pulse amplitude modulated transmission scheme for optical channels
CN102065037A (zh) * 2010-12-03 2011-05-18 北京邮电大学 基于信道冲激响应滤波的co-ofdm系统信道估计方法
US20130231270A1 (en) * 2012-03-01 2013-09-05 Uchicago Argonne, Llc Superabsorbing Gel for Actinide, Lanthanide, and Fission Product Decontamination
US20150171963A1 (en) * 2012-04-09 2015-06-18 Inphi Corporation Method and system for transmitter optimization of an optical pam serdes based on receiver feedback
EP2903187A1 (en) * 2014-02-03 2015-08-05 Fujitsu Limited Multilevel intensity modulation and demodulation system and method
CN105187112A (zh) * 2015-09-29 2015-12-23 北京邮电大学 基于可见光通信的信号接收方法、装置及可见光通信系统
WO2016144927A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Alcatel Lucent Modulator biasing for optical transmission
CN106130660A (zh) * 2016-06-30 2016-11-16 北京大学 一种无线光通信盲检测接收机的方法
CN106230505A (zh) * 2016-07-19 2016-12-14 中国科学技术大学 一种基于可见光通信的智能交通系统中最优输入分布获取方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6992609B1 (en) * 2004-09-17 2006-01-31 Pulselink, Inc. Digital to analog converter
US10050710B2 (en) * 2015-05-26 2018-08-14 Maxlinear, Inc. Transmit optical sub-assembly with local feedback
CN109075803B (zh) * 2016-07-27 2020-11-06 华为技术有限公司 具有打孔、缩短和扩展的极化码编码

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030180055A1 (en) * 2002-03-22 2003-09-25 Kameran Azadet Optically calibrated pulse amplitude modulated transmission scheme for optical channels
CN102065037A (zh) * 2010-12-03 2011-05-18 北京邮电大学 基于信道冲激响应滤波的co-ofdm系统信道估计方法
US20130231270A1 (en) * 2012-03-01 2013-09-05 Uchicago Argonne, Llc Superabsorbing Gel for Actinide, Lanthanide, and Fission Product Decontamination
US20150171963A1 (en) * 2012-04-09 2015-06-18 Inphi Corporation Method and system for transmitter optimization of an optical pam serdes based on receiver feedback
EP2903187A1 (en) * 2014-02-03 2015-08-05 Fujitsu Limited Multilevel intensity modulation and demodulation system and method
WO2016144927A1 (en) * 2015-03-09 2016-09-15 Alcatel Lucent Modulator biasing for optical transmission
CN105187112A (zh) * 2015-09-29 2015-12-23 北京邮电大学 基于可见光通信的信号接收方法、装置及可见光通信系统
CN106130660A (zh) * 2016-06-30 2016-11-16 北京大学 一种无线光通信盲检测接收机的方法
CN106230505A (zh) * 2016-07-19 2016-12-14 中国科学技术大学 一种基于可见光通信的智能交通系统中最优输入分布获取方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B.ROMEIRA1，J.JAVALOYES，C.N.IRONSIDE，J.M.L FIGUEIREDO1: "Observation of switching and pulsed behaviour in a noise-driven resonant tunneling diode excitable optoelectronic oscillator", 《IEEE》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113783623A (zh) * 2021-08-12 2021-12-10 华中科技大学 一种降低光纤通信中八电平脉冲幅度调制误码率的方法
CN113783623B (zh) * 2021-08-12 2022-09-20 华中科技大学 一种降低光纤通信中八电平脉冲幅度调制误码率的方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
US11018908B2 (en) 2021-05-25
WO2019001686A1 (en) 2019-01-03
EP3639412A1 (en) 2020-04-22
CN110574309B (zh) 2021-01-29
US20200119957A1 (en) 2020-04-16
EP3639412B1 (en) 2022-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rath et al. Tomlinson–Harashima precoding for dispersion uncompensated PAM-4 transmission with direct-detection
US9479247B2 (en) Methods and apparatus for pre and post equalization in optical communications systems
US11418259B2 (en) Apparatus and method for analog electronic fiber dispersion and bandwidth pre-compensation (EDPC) for use in 50 Gbps and greater pamn optical transceivers
Houtsma et al. A study of options for high-speed TDM-PON beyond 10G
Sun et al. Transmission of 28-Gb/s duobinary and PAM-4 signals using DML for optical access network
Le et al. Beyond 400 Gb/s direct detection over 80 km for data center interconnect applications
US10148363B2 (en) Iterative nonlinear compensation
van Veen et al. High speed TDM-PON beyond 10G
Man et al. Downstream transmission of pre-distorted 25-Gb/s fasterthan-Nyquist PON with 10G-class optics achieving over 31 dB link budget without optical amplification
US11018908B2 (en) Pulse amplitude modulation level optimization and equalization in optical systems
Sun et al. Towards low carrier-to-signal power ratio for Kramers-Kronig receiver
US20180026720A1 (en) Frequency Domain Equalization Method
Yin et al. Optical amplified 40-Gbps symmetrical TDM-PON using 10-Gbps optics and DSP
Rahman et al. LUT-assisted pre-compensation for 225 Gb/s/λ O-band transmission
Caruso et al. Real-time 100Gb/s downstream PAM4 PON link with 34 dB power budget
Kikuchi et al. BER improvement of IM/DD higher-order optical PAM signal with precise non-linearity compensation
Zhang et al. Experimental demonstration of FTN-NRZ, PAM-4, and duobinary based on 10-Gbps optics in 100G-EPON
Caruso et al. Real-Time 100 Gb/s PAM-4 for Access Links With up to 34 dB Power Budget
Maneekut et al. Reach Extension of a 53.12 Gbps PAM-4 IM/DD Signals With Optimized Extinction Ratio in Amplified Multi-Span O-Band Transmission
EP3704798B1 (en) Digital resolution enhancement for high speed digital-to-analog converters
Zhu et al. C-band direct detection transmission of 90Gbaud PAM-6/4 over 10/20km SSMF with 2-tap pre-equalization and skew-enabled VSB shaping
de Souza Rosa et al. Digital pre-distortion employing complex FIR filters from receiver side two stage dynamic equalizer for coherent optical systems
Randel et al. Spectrally efficient polymer optical fiber transmission
Puerta et al. Single Photodiode, Single Wavelength, and Single Polarization 65 Gb/s 16-QAM and QPSK Coherent Transmission
Pang et al. DD Transmissions using a Directly Modulated O-band DFB+ R Laser targeting LR Applications

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant