CN112187370A - 基于智能全光判决的均衡解调器及其解调方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于智能全光判决的均衡解调器及其解调方法，均衡解调器包括光采样时钟源、被采样信号源、光子采样门、第1光分路器、第2光分路器、光信号延时模块、光信号延迟模块阵列、智能阈值判决模块、全光的比较模块阵列和光耦合器。本发明能完成以强度调制的通信信号在光域中实现信号的采样、处理和智能解调，极大的提升了信号的处理速度，为未来通信的光基站的理念奠定了基础。

Description

基于智能全光判决的均衡解调器及其解调方法
技术领域
本发明涉及光子信息处理技术，特别是一种基于智能全光判决的均衡解调器及其解调方法。
背景技术
随着第五代移动通信(5G)技术进入商用化阶段，产业界对下一代移动通信技术研发工作日趋重视。与5G通信相比，在更高速率、更大带宽、更低延时和更低功耗的需求驱动下，未来移动通信在数据、智能、安全性等多个维度朝着功能更加完善、性能更加强大的方向发展。目前下一代移动通信技术研究仍处于探索起步阶段，技术路线尚不明确，关键指标和应用场景还未有统一的定义，但是业界普遍认为下一代移动通信系统包含如下几个特征：利用太赫兹通信作为关键底层的新型频谱技术，软硬件的AI技术的深度结合，大带宽与全频谱的相互协作，采用新型的多址和编码技术，“空-天-陆-海”的全维度的网络和大容量的基带处理技术等。然而，上述愿景的实现还需要各项关键技术取得重大突破来支撑。
未来移动通信系统可利用的工作带宽将向着几GHz甚至几十GHz的超高带宽方向发展。如果基站仍采用原有的以电器件为主要硬件架构的设计方案，那么随着工作带宽的提升，系统的数据流将变得非常巨大，对基带平台的数模转换的要求，物理层的处理技术和后端数字信号处理都给硬件设计和器件技术带来巨大压力。由于通信方式的无缝融合与高移动性的需求，下一代移动通信技术将对超宽带信号的传输、处理等提出了更严苛的要求。目前，电子集成电路的摩尔定律即将终结，并行处理架构面临受阿姆达尔定律控制的吞吐量限制问题。探索后摩尔时代的数据处理新技术已是大势所趋。现今光纤传输技术在核心网中得到重要应用。光纤通信本身具有大带宽、高并行等优势，同时光子智能技术也在不断发展。为了面对未来通信超高速、大带宽、低延时和低功耗的需求，开发基于光子技术和人工智能的“光基站”的理念势在必行。
通信信道均衡可分为频域均衡技术和时域均衡技术，频域均衡技术利用OFDM技术进行子载波复用，节省带宽资源。然而，OFDM存在峰均比过高，对系统载波频移和相位噪声过于敏感的问题。此外，还可以利用SC-FDM在时域中进行判决，该方法存在对偏差敏感、定时同步要求高和难以复用的特点。时域均衡是通过增加滤波器的抽头系数来实现信道均衡，然而现实中不存在无限长的抽头，此外时域均衡的复杂度相较频域均衡更复杂。现有的信号解调方式需要经历电光、光电多次转换，信号带宽越高，采样、量化所需的系统带宽越大，处理速度越慢，因此如何尽可能减少电光、光电转换，提升信道均衡稳定性，简化系统结构，是当前工作的重难点。
发明内容
本发明的目的在于针对未来移动通信系统的发展需求以及现有技术的不足，提出一种基于智能全光判决的均衡解调器及其解调方法。该方法基于光子学技术和人工智能技术，将通信中以强度调制如PAM-N类型的信号作为被采样信号，在光域中同时实现对光信号的采样和智能阈值比较，以此实现对PAM-N类型强度调制的宽带光信号的高速全光解调，同时还对信号的线性敏感度进行均衡处理，简化原有数字域上进行DSP处理的过程，极大提升信号处理速度。该系统有望为下一代更高速率、更大带宽、更低延迟和更低功耗的未来通信系统提供有效的技术方案。
本发明的技术方案如下：
一种基于智能全光判决的均衡解调器，其特点在于，包括光采样时钟源、被采样信号源、光子采样门、第1光分路器、第2光分路器、光信号延时模块、光信号延迟模块阵列、智能阈值判决模块、全光的比较模块阵列和光耦合器，所述的智能阈值判决模块包括竞争层模块、信号驱动模块、信号产生模块、学习链路模块阵列、切换模块阵列、延时放大模块阵列和阈值输出模块；
所述的光采样时钟源的输出端与所述的光子采样门的第1输入端相连，所述的被采样信号源的输出端与所述的光子采样门的第2输入端相连，所述的光子采样门输出端与所述的第1光分路器的输入端相连，该第1光分路器具有2个输出端，一路输出与所述的延时模块的输入端相连，另外一路输出与所述的智能阈值模块的信号产生模块的输入端相连，然后，所述的延时模块的输出端与所述的光分路器的输入端相连，该光分路器具有n个输出端，其中n个输出端分别与所述的光信号延迟阵列的n个延迟模块的输入端相连，所述的光信号延迟阵列的n个光信号延迟模块的输出端分别与所述的全光比较模块阵列的n个全光比较模块的第1输入端相连，所述的智能阈值判决模块的n个输出端分别与所述的全光比较模块阵列的n个全光比较模块的第2输入端相连，所述的全光比较模块阵列的各全光比较模块的n个输出端与所述的光耦合器的n个输入端相连，所述的光耦合器的输出端为系统输出端；
所述的学习链路模块阵列包括n+1个学习模块，所述的切换模块阵列包括n+1个切换模块，所述的延时放大模块阵列包括n+1个延时放大模块；所述的信号产生模块有n+2个输出端，其中n+1个输出端分别所述的学习链路模块阵列的n+1个学习链路模块的第1输入端相连，另一个信号输出端与所述的竞争层模块的第1输入端相连，所述的竞争层模块的输出端与所述的信号驱动模块(16)的输入端相连，所述的信号驱动模块的n+1个输出端分别与所述的切换模块阵列的n+1个切换模块的第2输入端相连，所述的学习链路模块阵列的n+1个学习链路模块的输出端分别与所述的切换模块阵列的n+1个切换模块的第1输入端相连，该切换模块阵列的n+1个切换模块的输出端分别与所述的延时放大模块阵列的n+1个延时放大模块的输入端相连，该延时放大模块阵列的n+1个延时放大模块的输出端一方面分别与所述的阈值输出模块的n+1个输入端相连，另一方面与所述的竞争层模块的n+1个第2输入端相连，同时与所述的学习链路模块阵列的n+1个学习链路模块的第2输入端相连。
所述的光采样时钟源采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳实现。
所述的被采样信号采用但不限于强度调制的信号。
所述的光子采样门采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。
所述的光信号延迟阵列包括n个光信号延迟模块，分别是第1光信号延迟模块(实现0延迟)、第2光信号延迟模块(实现τ延迟)、…、第n光信号延迟模块(实现(n-1)τ延迟)。
所述的全光比较模块采用但不限于掺饵光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器、四分之一波长的DFB或可饱和吸收体。
所述的竞争层模块将所述的第2输入端口输入的信号与所述的第1输入端口输入的信号在此模块中进行相减再求最大绝对值操作，最后在输出端输出类似赢者通吃类型的信号，如1000，0100，0010和0001这类形式的信号。
所述的切换模块阵列的切换模块采用磁光开关、电光开关、微机电光开关、微机械开关或机械式光开关。
利用上述全光均衡解调器的光子均衡解调方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
1)所述的光采样时钟源产生光采样时钟信号从所述的光子采样门第1输入端输入，所述的被采样信号源产生的待采样的电模拟信号从所述的光子采样门的第2输入端输入，加载至所述的光采样时钟信号上，得到携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列；
2)所述的光脉冲信息序列经所述的第1光分路器分成两路，一路输出经所述的延时模块输入所述的第2光分路器的输入端，另外一路输出经所述的智能阈值模块中的信号产生模块的输入端输入，所述的第2光分路器经n个输出端，分别经所述的光信号延迟阵列的第1光信号延迟模块、第2光信号延迟模块、…、第n光信号延迟模块实现延时0，τ，2τ，....(n-1)τ的时间延时后并分别输入所述的全光比较模块阵列的n个全光比较模块，所述的全光比较模块阵列根据所述的智能阈值判决模块的阈值输出模块输出的n个判决阈值和所述的光信号延迟阵列的n路延迟信号产生并输出二进制脉冲的n路的光信号“0”或“1”；
3)所述的二进制脉冲的n路的光信号经所述的光耦合器进行光路合并，在所述的光耦合器的输出端输出最终结果。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用基于光子技术的全光比较方法，实现在光域上对电光采样后的强度调制信号进行全光智能解调的过程，并且对强度调制信号受线性敏感的问题进行了均衡，避免将光信号经过光电转换后转为电信号、再由传统的电子比较器对幅度进行比较和量化的过程，从而减少链路的损耗，大幅度提升了均衡解调器的性能。
2、基于智能判决的全光均衡解调器的设计方法能够突破原有系统中电量化后端的固有电子瓶颈，降低后端信息的处理复杂度，为未来的高速、大带宽通信提供有效的解决途径，具有十分重要的研究意义。
附图说明
图1为本发明基于延时模块的智能判决的全光均衡解调器的架构实施整体结构图，其中最终信号输出结果(13)与原始采样结果(14)是基于延时的全光均衡解调器输出的比较结果的示意图。
图2为本发明的智能阈值判决模块的整体架构结构图。
图3为本发明的智能阈值判决模块对PAM4信号的阈值输出示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的一个具体实施例。本实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
请参见图1，图1为本发明基于延时的智能判决的全光均衡解调器实施例的整体架构图，图2为智能阈值判决模块的整体架构结构图，由图1可见，本发明基于智能全光判决的均衡解调器，包括光采样时钟源1、被采样信号源4、光子采样门5、第1光分路器7-1、第2光分路器7-2、光信号延时模块8、光信号延迟模块阵列9、智能阈值判决模块10、全光的比较模块阵列11和光耦合器12，所述的智能阈值判决模块10包括竞争层模块15、信号驱动模块16、信号产生模块17、学习链路模块阵列18、切换模块阵列19、延时放大模块阵列20和阈值输出模块21；
所述的光采样时钟源1的输出端与所述的光子采样门5的第1输入端相连，所述的被采样信号源4的输出端与所述的光子采样门5的第2输入端相连，所述的光子采样门5输出端与所述的第1光分路器7-1的输入端相连，该第1光分路器7-1具有2个输出端，一路输出与所述的延时模块8的输入端相连，另外一路输出与所述的智能阈值模块10的信号产生模块17的输入端相连，所述的延时模块8的输出端与所述的第2光分路器7-2的输入端相连，该第2光分路器7-2具有n个输出端，该n个输出端分别与所述的光信号延迟阵列8的n个延迟模块的输入端相连，所述的光信号延迟阵列9的n个光信号延迟模块的输出端分别与所述的全光比较模块阵列11的n个全光比较模块的第1输入端相连，所述的智能阈值判决模块10的n个输出端分别与所述的全光比较模块阵列11的n个全光比较模块的第2输入端相连，所述的全光比较模块阵列(11)各全光比较模块的n个输出端与所述的光耦合器12的n个输入端相连，所述的光耦合器12的输出端为系统输出端；
如图2，所述的学习链路模块阵列18包括n+1个学习模块，所述的切换模块阵列19包括n+1个切换模块，所述的延时放大模块阵列20包括n+1个延时放大模块；所述的信号产生模块17有n+2个输出端，其中n+1个输出端分别所述的学习链路模块阵列18的n+1个学习链路模块的第1输入端相连，另一个信号输出端与所述的竞争层模块15的第1输入端相连，所述的竞争层模块15的输出端与所述的信号驱动模块16的输入端相连，所述的信号驱动模块16的n+1个输出端分别与所述的切换模块阵列19的n+1个切换模块的第2输入端相连，所述的学习链路模块阵列18的n+1个学习链路模块的输出端分别与所述的切换模块阵列19的n+1个切换模块的第1输入端相连，该切换模块阵列19的n+1个切换模块的输出端分别与所述的延时放大模块阵列20的n+1个延时放大模块的输入端相连，该延时放大模块阵列20的n+1个延时放大模块的输出端一方面分别与所述的阈值输出模块21的n+1个输入端相连，另一方面与所述的竞争层模块15的n+1个第2输入端相连，同时与所述的学习链路模块阵列18的n+1个学习链路模块的第2输入端相连。
所述的光采样时钟源1采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳实现。
所述的被采样信号4采用但不限于强度调制的信号。
所述的光子采样门5采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。
所述的光信号延迟阵列9包括n个光信号延迟模块，分别是第1光信号延迟模块(实现0延迟)、第2光信号延迟模块(实现τ延迟)、…、第n光信号延迟模块(实现(n-1)τ延迟)。
所述的全光比较模块采用但不限于掺饵光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器、四分之一波长的DFB或可饱和吸收体。
所述的竞争层模块15将所述的第2输入端口输入的信号与所述的第1输入端口输入的信号在此模块中进行相减再求最大绝对值操作，最后在输出端输出类似赢者通吃类型的信号，如1000，0100，0010和0001这类形式的信号。
所述的切换模块阵列19的切换模块采用磁光开关、电光开关、微机电光开关、微机械开关或机械式光开关。
利用上述基于延时智能的全光均衡解调器的光子均衡解调方法，包括下列步骤：
1)所述的光采样时钟源1产生光采样时钟信号2从所述的光子采样门5第1输入端输入，所述的被采样信号源4产生的待采样的电模拟信号3从所述的光子采样门5的第2输入端输入，加载至所述的光采样时钟信号上，得到携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列6；
2)所述的光脉冲信息序列6经所述的第1光分路器7-1分成两路，一路输出与所述的延时模块8的输入端相连，另外一路输出与所述的智能阈值模块10中的信号产生模块17的输入端相连，然后，所述的延时模块8的输出端与所述的第2光分路器7-2的输入端相连，分成n路，其中n路分别经所述的光信号延迟阵列9的第1光信号延迟模块、第2光信号延迟模块、…、第n光信号延迟模块实现延时0，τ，2τ，....(n-1)τ的时间延时后并分别输入所述的全光比较模块阵列11的n个全光比较模块，所述的全光比较模块阵列11根据所述的智能阈值判决模块10的阈值输出模块21输出的n个判决阈值和所述的光信号延迟阵列9的n路延迟信号产生并输出二进制脉冲的n路的光信号“0”或“1”；
3)所述的二进制脉冲的n路的光信号经所述的光耦合器12进行光路合并，在所述的光耦合器12的输出端输出最终结果13。
在图2所述的智能阈值判决模块10，由所述的信号产生模块17分路成n+2路输出，其中n+1路输入所述的学习模块阵列18的n+1个学习模块，并分别经过所述的切换模块阵列19的n+1个切换模块中，此时切换模块的开关都切换到学习模块作为初始状态，然后所述的单元切换模块阵列19的n+1个切换模块的输出端分别经所述的延时放大模块阵列20的n+1个延时放大模块的输入端输入，该所述的延时放大模块执行的功能是对信号进行放大和延时，然后所述的延时放大模块阵列20的n+1个延时放大模块的输出端与所述竞争层模块15的输入端相连，所述的单元延时放大模块20的n+1路输入的信号与所述的信号产生模块端17的第n+2路信号在此模块中进行相减和求最大绝对值的操作，接着在竞争层的输出端15输出驱动信号，如1000，0100，0010和0001这类形式的one-hot编码信号，再由所述的信号驱动模块16将这类信号分配到相应的所述的切换模块阵列19中，由所述的切换模块阵列19根据所述的驱动信号模块16的输入信号进行切换，当为“1”形式的信号切换到所述的的单元学习模块18，反之切换到另外一路，以此进行全链路的反馈循环，从而在极短的时间内达成链路中脉冲信号的幅度稳定，随后由所述的阈值输出模块21按照相邻信号幅度值进行功率合并，最终将合并的信号进行输出，其结果如图3例子中的PAM-4输出阈值线22所示。此外，如输入信号的个数为n+1，那么所述的阈值输出模块的个数就为n。
上述过程中利用基于延时智能判决的全光均衡解调器架构可以实现在光域上对电光采样后的信号均衡和解调的过程，最终转化为二进制光信号“0”或“1”进而对数据进行整合和处理。以强度调制的PAM-4信号为例子，其中在PAM-4信号中代表幅度的0、1、2和3可以分别解调为000、001、011和111的形式。
此外，
实验表明，本发明能完成以强度调制的通信信号在光域中实现信号的采样、处理和智能解调，极大的提升了信号的处理速度，相比传统的数字域上的均衡和解调具有更快的处理速率和更优越的性能，降低了链路损耗、噪声和功耗，为未来通信的光基站的理念奠定了基础。

Claims (9)

1.一种基于智能全光判决的均衡解调器，其特征在于，包括光采样时钟源(1)、被采样信号源(4)、光子采样门(5)、第1光分路器(7-1)、第2光分路器(7-2)、光信号延时模块(8)、光信号延迟模块阵列(9)、智能阈值判决模块(10)、全光的比较模块阵列(11)和光耦合器(12)，所述的智能阈值判决模块(10)包括竞争层模块(15)、信号驱动模块(16)、信号产生模块(17)、学习链路模块阵列(18)、切换模块阵列(19)、延时放大模块阵列(20)和阈值输出模块(21)；
所述的光采样时钟源(1)的输出端与所述的光子采样门(5)的第1输入端相连，所述的被采样信号源(4)的输出端与所述的光子采样门(5)的第2输入端相连，所述的光子采样门(5)输出端与所述的第1光分路器(7-1)的输入端相连，该第1光分路器(7-1)具有2个输出端，一路输出与所述的延时模块(8)的输入端相连，另外一路输出与所述的智能阈值模块(10)的信号产生模块(17)的输入端相连，然后，所述的延时模块(8)的输出端与所述的第2光分路器(7-2)的输入端相连，该第2光分路器(7-2)具有n个输出端，其中n个输出端分别与所述的光信号延迟阵列(8)的n个延迟模块的输入端相连，所述的光信号延迟阵列(9)的n个光信号延迟模块的输出端分别与所述的全光比较模块阵列(11)的n个全光比较模块的第1输入端相连，所述的智能阈值判决模块(10)的n个输出端分别与所述的全光比较模块阵列(11)的n个全光比较模块的第2输入端相连，所述的全光比较模块阵列(11)各全光比较模块的n个输出端与所述的光耦合器(12)的n个输入端相连，所述的光耦合器(12)的输出端为系统输出端；
所述的学习链路模块阵列(18)包括n+1个学习模块，所述的切换模块阵列(19)包括n+1个切换模块，所述的延时放大模块阵列(20)包括n+1个延时放大模块；所述的信号产生模块(17)有n+2个输出端，其中n+1个输出端分别所述的学习链路模块阵列(18)的n+1个学习链路模块的第1输入端相连，另一个信号输出端与所述的竞争层模块(15)的第1输入端相连，所述的竞争层模块(15)的输出端与所述的信号驱动模块(16)的输入端相连，所述的信号驱动模块(16)的n+1个输出端分别与所述的切换模块阵列(19)的n+1个切换模块的第2输入端相连，所述的学习链路模块阵列(18)的n+1个学习链路模块的输出端分别与所述的切换模块阵列(19)的n+1个切换模块的第1输入端相连，该切换模块阵列(19)的n+1个切换模块的输出端分别与所述的延时放大模块阵列(20)的n+1个延时放大模块的输入端相连，该延时放大模块阵列(20)的n+1个延时放大模块的输出端一方面分别与所述的阈值输出模块(21)的n+1个输入端相连，另一方面与所述的竞争层模块(15)的n+1个第2输入端相连，同时与所述的学习链路模块阵列(18)的n+1个学习链路模块的第2输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于智能全光判决的均衡解调器，其特征在于，所述的光采样时钟源(1)采用但不限于被动锁模激光器、主动锁模激光器或调制频率梳实现。
3.根据权利要求1所述的基于智能判决的全光均衡解调器，其特征在于，所述的被采样信号(4)采用但不限于强度调制的信号。
4.根据权利要求1所述的基于智能判决的全光均衡解调器，其特征在于，所述的光子采样门(5)采用但不限于铌酸锂电光调制器、聚合物电光调制器、硅基集成电光调制器、声光调制器或空间光调制器。
5.根据权利要求1所述的基于智能判决的全光均衡解调器，其特征在于，所述的光信号延迟阵列(9)包括n个光信号延迟模块，分别是第1光信号延迟模块(实现0延迟)、第2光信号延迟模块(实现τ延迟)、…、第n光信号延迟模块(实现(n-1)τ延迟)。
6.根据权利要求1所述的基于智能判决的全光均衡解调器，其特征在于，所述的全光比较模块单元(11-1)采用但不限于掺饵光纤放大器、拉曼放大器、半导体放大器、四分之一波长的DFB或可饱和吸收体。
7.根据权利要求1所述的基于智能判决的全光均衡解调器，其特征在于，所述的竞争层模块(15)是将所述的第2输入端口输入的信号与所述的第1输入端口输入的信号在此模块中进行相减再求最大绝对值操作，最后在输出端输出类似赢者通吃类型的信号，如1000，0100，0010和0001这类形式的信号。
8.根据权利要求1所述的基于智能判决的全光均衡解调器，其特征在于，所述的切换模块阵列(19)的切换模块采用磁光开关、电光开关、微机电光开关、微机械开关或机械式光开关。
9.利用权利要求1所述的基于延时智能的全光均衡解调器的光子均衡解调方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)所述的光采样时钟源(1)产生光采样时钟信号(2)从所述的光子采样门(5)第1输入端输入，所述的被采样信号源(4)产生的待采样的电模拟信号(3)从所述的光子采样门(5)的第2输入端输入，加载至所述的光采样时钟信号上，得到携带被采样电模拟信号信息的光脉冲序列(6)；
2)所述的光脉冲信息序列(6)经所述的第1光分路器(7-1)分成两路，一路输出与所述的延时模块(8)的输入端相连，另外一路输出与所述的智能阈值模块(10)中的信号产生模块(17)的输入端相连，然后，所述的延时模块(8)的输出端与所述的第2光分路器(7-2)的输入端相连，分成n路，其中n路分别经所述的光信号延迟阵列(9)的第1光信号延迟模块、第2光信号延迟模块、…、第n光信号延迟模块实现延时0，τ，2τ，....(n-1)τ的时间延时后并分别输入所述的全光比较模块阵列(11)的n个全光比较模块，所述的全光比较模块阵列(11)根据所述的智能阈值判决模块(10)的阈值输出模块(21)输出的n个判决阈值和所述的光信号延迟阵列(9)的n路延迟信号产生并输出二进制脉冲的n路的光信号“0”或“1”；
3)所述的二进制脉冲的n路的光信号经所述的光耦合器(12)进行光路合并，在所述的光耦合器(12)的输出端输出最终结果(13)。
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