CN110943785B - 二级均衡器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二级均衡器及实现方法，涉及相干光通信领域。该方法包括以下步骤：第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。本发明能有效降低均衡器的资源损耗与功耗。

Description

二级均衡器及实现方法

技术领域

本发明涉及相干光通信领域，具体是涉及一种二级均衡器及实现方法。

背景技术

在通信系统中，当信号通过信道后，会发生由于偏振旋转、信号码元间串扰、信道间串扰带来的信号畸变。在收端，可以使用均衡技术，逆反信号发生的畸变，并恢复出发送信号。

以相干光通信(Coherent lightwave communications)为例，相干光通信接收机的数字信号处理一般由下列部分组成：色散补偿－＞时钟恢复－＞自适应均衡(完成偏振解复用与偏振模色散补偿)－＞载波恢复(频差估计与补偿)－＞载波恢复(相位噪声估计与补偿)－＞码元判决－＞差分解码。

自从相干光通信大规模商用以来，光通信中使用的自适应均衡器为一个多抽头2×2复数均衡器，多抽头2×2复数均衡器可以补偿信号码元间串扰，包括残余色散、偏振模色散、光滤波器效应与电滤波器效应；同时完成偏振解复用。使用多抽头2×2复数均衡器的相干光通信系统在干线网上取得了巨大成功。

参见图1所示，经典的多抽头2×2复数均衡器的均衡过程可用数学公式表达为：

其中，

为自适应均衡器X偏振信号输出，

为自适应均衡器Y偏振信号的输出；Esample^X表示自适应均衡器的X输入，即相干接收机的X偏振采样信号；Esample^Y表示自适应均衡器的Y输入，即相干接收机的Y偏振采样信号；Fxx为自适应均衡器X输入到X输出的系数；Fxy为自适应均衡器Y输入到X输出的系数；Fyx为自适应均衡器X输入到Y输出的系数；Fyy为自适应均衡器Y输入到Y输出的系数；n为数据序列号，l为自适应均衡器级数序号，N为自适应均衡器抽头数。

可以看出，经典的多抽头2×2复数均衡器需要4N个复数乘法器，N为自适应均衡器抽头数，也是FIR滤波器的长度，对应于信号码元间串扰的长度。在这种架构下，信号码元间串扰的补偿与偏振解复用的过程是耦合在一起的。

随着相干光通信进入其他应用场景，原有的多抽头2×2复数均衡器要做出改进，发明人发现现有技术中至少存在如下问题，例如：

1、针对成本更敏感的市场，例如光接入网、数据中心连接等。这些应用场景要求对均衡器进行简化，以减少系统的资源消耗及功耗。

2、架空光缆比埋地光缆具有巨大的工程成本优势，但其在台风下剧烈晃动会出现快速的偏振态旋转，且可能出现雷电引发的极端偏振旋转。业界已经在雷电现场测试到了最高达5Mrad/s的偏振态快速旋转，并在实验室通过人为产生强电流脉冲测试到了最高达8Mrad/s的偏振态快速旋转。这就要求系统具有超强的偏振跟踪能力。而过于复杂的多抽头2×2复数均衡器结构严重限制了偏振跟踪能力的提高。

3、PON(Passive Optical Network，无源光网络)在上行通信时，会使用突发模式。这就要求均衡器能快速收敛。过于复杂的多抽头2×2复数均衡器结构也限制了均衡器的快速收敛速度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种二级均衡器及实现方法，能够有效降低均衡器的资源损耗与功耗。

第一方面，提供一种二级均衡器的实现方法，包括以下步骤：

第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

根据第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

为X路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，

为Y路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，Fx()为X路多抽头1×1复数均衡器系数，Fy()为Y路多抽头1×1复数均衡器系数，n为数据序列号，l为自适应均衡器级数序号，N为自适应均衡器抽头数。

根据第一方面，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用，数学表达式为：

为2×2均衡器X偏振信号的输出，n为数据序列号，

为2×2均衡器Y偏振信号的输出；Hxx为2×2均衡器X输入到X输出的系数；Hxy为2×2均衡器Y输入到X输出的系数；Hyx为2×2均衡器X输入到Y输出的系数；Hyy为2×2均衡器Y输入到Y输出的系数。

根据第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述第一级均衡器利用X路中间信号与Y路中间信号的联合模的恒定特性计算输出的误差Error，数学表达式为：

根据第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一级均衡器的系数更新公式为：

μ是微调系数。

第二方面，提供一种二级均衡器，包括第一级均衡器和第二级均衡器，所述第一级均衡器包括两个多抽头1×1复数均衡器，用于补偿信号码元间串扰，所述第二级均衡器包括一个一抽头2×2复数均衡器，用于进行偏振解复用。

根据第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

为X路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，

为Y路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，Fx()为X路多抽头1×1复数均衡器系数，Fy()为Y路多抽头1×1复数均衡器系数，n为数据序列号，l为自适应均衡器级数序号，N为自适应均衡器抽头数。

根据第二方面，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用，数学表达式为：

为2×2均衡器X偏振信号的输出，n为数据序列号，

为2×2均衡器Y偏振信号的输出；Hxx为2×2均衡器X输入到X输出的系数；Hxy为2×2均衡器Y输入到X输出的系数；Hyx为2×2均衡器X输入到Y输出的系数；Hyy为2×2均衡器Y输入到Y输出的系数。

根据第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述第一级均衡器利用X路中间信号与Y路中间信号的联合模的恒定特性计算输出的误差Error，数学表达式为：

根据第二方面的第三种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述第一级均衡器的系数更新公式为：

μ是微调系数。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明提出的二级均衡器的架构能够有效降低均衡器的资源消耗及功耗。

(2)本发明还提出了一种联合恒模算法，用于第一级均衡器的系数更新，此算法可以不依赖后续其他模块提供的参数独立更新第一级均衡器的系数。

附图说明

图1是经典的多抽头2×2复数均衡器的结构框图。

图2是本发明实施例中二级均衡器的一种结构框图。

图3是本发明实施例中二级均衡器的另一种结构框图。

具体实施方式

现在将详细参照本发明的具体实施例，在附图中例示了本发明的例子。尽管将结合具体实施例描述本发明，但将理解，不是想要将本发明限于所述的实施例。相反，想要覆盖由所附权利要求限定的在本发明的精神和范围内包括的变更、修改和等价物。应注意，这里描述的方法步骤都可以由任何功能块或功能布置来实现，且任何功能块或功能布置可被实现为物理实体或逻辑实体、或者两者的组合。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

注意：接下来要介绍的示例仅是一个具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。

为了节约计算资源，本发明实施例提供一种二级均衡器，包括第一级均衡器和第二级均衡器，其中，第一级均衡器包括两个多抽头1×1复数均衡器，用于补偿信号码元间串扰；第二级均衡器包括一个一抽头2×2复数均衡器，用于进行偏振解复用。

本发明实施例还提供一种二级均衡器的实现方法，包括以下步骤：

第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

作为优选的实施方式，第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

其中，

为X路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，

为Y路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，Fx()为X路多抽头1×1复数均衡器系数，Fy()为Y路多抽头1×1复数均衡器系数，n为数据序列号，l为自适应均衡器级数序号，N为自适应均衡器抽头数。

作为优选的实施方式，第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用，数学表达式为：

其中，

为2×2均衡器X偏振信号的输出，n为数据序列号，

为2×2均衡器Y偏振信号的输出；Hxx为2×2均衡器X输入到X输出的系数；Hxy为2×2均衡器Y输入到X输出的系数；Hyx为2×2均衡器X输入到Y输出的系数；Hyy为2×2均衡器Y输入到Y输出的系数。

可以看出，本发明实施例提出的这种两级式均衡器架构只需要2N+4个复数乘法器，而经典的多抽头2×2复数均衡器需要4N个复数乘法器，本发明实施例能够有效降低均衡器的资源损耗与功耗。

但是，随之产生的一个新问题是第一级均衡器的系数如何更新。经典的多抽头2×2复数均衡器系数更新方法是利用输出信号的恒模特点，使用梯度算法进行系数更新。

但对于二级均衡器的架构而言，第一级均衡器的输出

与

并没有完成偏振解复用过程，两偏振信号叠加在一起，并不满足恒模条件。虽然第二级均衡器的输出

与

完成了偏振解复用，满足恒模条件，但使用第二级均衡器的输出

与

推导出的系数更新公式必然包括第二级2×2均衡器的系数，这明显增加了计算复杂度。而且，在系统初始化或偏振态快速变化时，第二级2×2均衡器的系数的正确性难以保证，也会破坏第一级均衡器正常工作的前提。

本发明实施例还提出一种联合恒模算法(Joint Constant Modulus Algorithm)，用于更新第一级均衡器的系数。由于第一级均衡器已补偿了信号码元间串扰，所以输出信号可看作发送信号乘以偏振旋转矩阵再乘以频差相差带来的复变量，其数学表达式为：

其中，TX(n)表示x偏振发送码元，TY(n)表示y偏振发送码元，Δf表示频差，Φ表示两个偏振的公共相差，T为码元周期，A/B构成的正交琼斯矩阵表示偏振旋转，*表示共轭。

为X路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，即第一级均衡器输出的X路中间信号；

为Y路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，即第一级均衡器输出的Y路中间信号。

研究公式(7)，发现：

可以看出，由于TX(n)、TY(n)具有恒模特性，

与

的模平方和也满足恒模条件。

作为优选的实施方式，第一级均衡器利用X路中间信号与Y路中间信号的联合模的恒定特性计算输出的误差Error，数学表达式为：

作为优选的实施方式，可以根据式(9)，用梯度算法推导出对应的第一级均衡器系数更新方法，其数学公式表示为：

其中，μ是微调系数。

使用公式(10)(11)所用的方法，当第一级均衡器收敛后，可保证信号码元间串扰被补偿。

第二级均衡器的系数可以使用以下两种方案来计算：

方案一：参见图2所示，直接前向算出偏振旋转的琼斯矩阵(Jones Matrix)，再求出对应的逆矩阵，再用逆矩阵做第二级均衡器的系数，完成偏振解复用。

方案二：参见图3所示，利用第二级均衡器的输出，自适应地调节第二级均衡器的系数，当算法收敛后，所用系数可完成偏振解复用。

本发明实施例提出的联合恒模算法，用于第一级均衡器的系数更新，此联合恒模算法可以不依赖后续其他模块提供的参数，独立更新第一级均衡器的系数。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的所有方法步骤或部分方法步骤。

本发明实现上述方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Ra ndomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上储存有在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法中的所有方法步骤或部分方法步骤。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CP U)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Pr ocessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circ uit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，F PGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。

存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(例如声音播放功能、图像播放功能等)；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(例如音频数据、视频数据等)。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Fl ash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、服务器或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、服务器和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种二级均衡器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一级均衡器的两个多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

为X路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，

为Y路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，Fx()为X路多抽头1×1复数均衡器系数，Fy()为Y路多抽头1×1复数均衡器系数，Esample^X表示自适应均衡器的X输入，即相干接收机的X偏振采样信号；Esample^Y表示自适应均衡器的Y输入，即相干接收机的Y偏振采样信号；n为数据序列号，l为自适应均衡器级数序号，N为自适应均衡器抽头数；

第二级均衡器的一个一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用，数学表达式为：

为2×2均衡器X偏振信号的输出，n为数据序列号，

为2×2均衡器Y偏振信号的输出；Hxx为2×2均衡器X输入到X输出的系数；Hxy为2×2均衡器Y输入到X输出的系数；Hyx为2×2均衡器X输入到Y输出的系数；Hyy为2×2均衡器Y输入到Y输出的系数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一级均衡器利用X路中间信号与Y路中间信号的联合模的恒定特性计算输出的误差Error，数学表达式为：

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一级均衡器的系数更新公式为：

μ是微调系数。

4.一种二级均衡器，其特征在于：包括第一级均衡器和第二级均衡器，所述第一级均衡器包括两个多抽头1×1复数均衡器，用于补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

为X路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，

为Y路多抽头1×1复数均衡器输出的中间信号，Fx()为X路多抽头1×1复数均衡器系数，Fy()为Y路多抽头1×1复数均衡器系数，Esample^X表示自适应均衡器的X输入，即相干接收机的X偏振采样信号；Esample^Y表示自适应均衡器的Y输入，即相干接收机的Y偏振采样信号；n为数据序列号，l为自适应均衡器级数序号，N为自适应均衡器抽头数；

所述第二级均衡器包括一个一抽头2×2复数均衡器，用于进行偏振解复用，数学表达式为：

为2×2均衡器X偏振信号的输出，n为数据序列号，

为2×2均衡器Y偏振信号的输出；Hxx为2×2均衡器X输入到X输出的系数；Hxy为2×2均衡器Y输入到X输出的系数；Hyx为2×2均衡器X输入到Y输出的系数；Hyy为2×2均衡器Y输入到Y输出的系数。

5.如权利要求4所述的二级均衡器，其特征在于：所述第一级均衡器利用X路中间信号与Y路中间信号的联合模的恒定特性计算输出的误差Error，数学表达式为：

6.如权利要求5所述的二级均衡器，其特征在于：所述第一级均衡器的系数更新公式为：

μ是微调系数。

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