CN112291009A - 用于突发数据相干接收的多级均衡器及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于突发数据相干接收的多级均衡器及实现方法，涉及相干光通信领域。该多级均衡器包括：第一级为两个前向的插值器，用于：计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；第二级为两个自适应多抽头1×1复数均衡器，用于补偿信号码元间串扰；第三级为一个前向的一抽头2×2复数均衡器，用于进行偏振解复用。本发明的多级均衡器只需要极短的收敛过程，即可正常工作及正确接收数据。

Description

用于突发数据相干接收的多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，具体是涉及一种用于突发数据相干接收的多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。

大规模商用的相干光通信技术实际是相干光通信(Coherent lightwavecommunications)与DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)的结合体。在收端使用恢复时钟(Recovered Clock)采样，其具体实现方式为：根据时钟恢复算法计算的采样误差，不断调节采样时钟频率，以保持采样相位的锁定。而数字信号处理一般由下列部分组成：色散补偿－＞时钟采样误差提取－＞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。

光通信中通常使用的自适应均衡器(Adaptive Equalizer)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。使用恢复时钟采样与多抽头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偏振信号的输出，

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为自适应均衡器总抽头数。

随着相干光通信进入其他应用场景，现有的恢复时钟采样与多抽头2×2复数均衡器不再是最合适的解决方案。

例如，对于光接入网而言，由于成本限制，要求简化均衡器以减少系统的资源消耗及功耗。光接入网广泛采用PON(Passive Optic Network，无源光网络)技术，其在上行通信时，会使用突发模式。这就要求时钟恢复算法与均衡器能快速收敛。而现在基于反馈调节的时钟恢复方式与均衡器算法，其收敛需要几千到几万个码元，这意味着OLT(Optic LineTerminal，光线路终端)接收每个ONU(Optic Network Unit，光网络单元)的突发数据(Burst Data)时，有效数据的传输必须在几千个码元之后，这将大大降低通讯传输效率。

为了加快均衡器的收敛速度，一种方法是将对应于每个ONU的均衡系数存储于OLT端，其最早的初始值在设备发现过程中计算。在每次接收来自一个特定ONU的突发数据时，使用上一次接收这个ONU时存储的均衡系数作为均衡器的初始系数，并使用自适应算法更新系数，完成接收这个ONU的突发数据后，其均衡系数被存储。这个架构能够成立的前提是：上次接收特定ONU突发数据时的均衡系数也适用于这一次。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题，例如：

在信道中，色散、PMD(Polarization Mode Dispersion，偏振模色散)及滤波效应都可以看成为缓慢变化，但是光纤的偏振态在有振动的情况下，偏振旋转速度可以达到Krad/s量级，所以上一次的2×2复数均衡器系数不能在这一次有效解偏振。

另一个问题是，时钟恢复算法的锁定过程仍需要几千码元，如果不进行时钟锁定，收端使用自由时钟，则采样点将快速滑动，均衡器系数不但要对信道畸变均衡，还需要跟踪采样相位的快速滑动，而基于反馈调节的自适应FIR(Finite Impulse Response filter，有限冲激响应系统滤波器)难以有效跟踪采样相位的滑动。

因此，现有的多抽头2×2复数均衡器对突发数据进行相干接收时存在无法快速收敛的缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器及实现方法，只需要极短的收敛过程，即可正常工作及正确接收数据。

第一方面，提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，包括：

两个前向的插值器，用于：计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；

两个自适应多抽头1×1复数均衡器，用于补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器，用于进行偏振解复用。

在上述技术方案的基础上，所述计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，数学表达式为：

其中，

为X插值器的输出，

为Y插值器的输出，n为数据序列号，l为卷积计算抽头序号，N₁为单个插值器的总抽头数，T为插值器的系数，Esample^X为相干接收机的X偏振采样信号，Esample^Y为相干接收机的Y偏振采样信号。

在上述技术方案的基础上，所述补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

其中，

为X路自适应多抽头1×1复数均衡器的输出，

为Y路自适应多抽头1×1复数均衡器的输出，Gx()为X路自适应多抽头1×1复数均衡器的系数，Gy()为Y路自适应多抽头1×1复数均衡器的系数，N₂为单个自适应多抽头1×1复数均衡器的总抽头数。

在上述技术方案的基础上，所述偏振解复用，数学表达式为：

其中，

为一抽头2×2复数均衡器输出的X偏振信号，

为一抽头2×2复数均衡器输出的Y偏振信号，

是偏振旋转矩阵

的逆矩阵，conj()为共轭符号，A和B为琼斯矩阵的系数。

第二方面，提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器的实现方法，包括以下步骤：

两个前向的插值器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；

两个自适应多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

第三方面，提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，包括：

两个多抽头1×1融合复数均衡器，用于：计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器，用于：进行偏振解复用。

在上述技术方案的基础上，所述计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并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融合复数均衡器的输出信号，

为Y路多抽头1×1融合复数均衡器的输出信号，n为数据序列号，l为卷积计算抽头序号，N₃为多抽头1×1融合复数均衡器的总抽头数，MERGEx l为X路多抽头1×1融合复数均衡器的均衡系数，MERGEy l为Y路多抽头1×1融合复数均衡器的均衡系数，Esample^X为相干接收机的X偏振采样信号，Esample^Y为相干接收机的Y偏振采样信号。

在上述技术方案的基础上，所述多抽头1×1融合复数均衡器的X路均衡系数MERGEx l、Y路均衡系数MERGEy l的计算公式分别为：

其中，Gx为X路多抽头1×1融合复数均衡器补偿信号码元间串扰的均衡系数，Gy为Y路多抽头1×1融合复数均衡器补偿信号码元间串扰的均衡系数，T是多抽头1×1融合复数均衡器中补偿采样相位差的插值器系数，N₁为单个插值器的总抽头数，l₁为卷积计算的累加序列号。

在上述技术方案的基础上，所述偏振解复用，数学表达式为：

其中，

为一抽头2×2复数均衡器输出的X偏振信号，

为一抽头2×2复数均衡器输出的Y偏振信号，

是偏振旋转矩阵

的逆矩阵，conj()为共轭符号，A和B为琼斯矩阵的系数。

第四方面，提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器的实现方法，包括以下步骤：

两个多抽头1×1融合复数均衡器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明提出的用于突发数据相干接收的多级均衡器中，两个前向的插值器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；两个自适应多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰；一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。该多级均衡器只需要极短的收敛过程，即可正常工作及正确接收数据。

(2)本发明还提出一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，两个多抽头1×1融合复数均衡器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰；一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。该多级均衡器能够显著减低资源总损耗。

附图说明

图1是经典的自适应多抽头2x2复数均衡器结合时钟恢复处理的示意图。

图2是本发明实施例的方案一中用于突发数据相干接收的多级均衡器的结构框图。

图3是本发明实施例的方案二中融合型多级均衡器的结构框图。

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。

方案一

参见图2所示，本发明实施例提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，包括：

两个前向的插值器(第一级)，其用于：计算出采样相位差，然后使用对应插值系数进行补偿；

两个自适应多抽头1×1复数均衡器(第二级)，其用于：补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器(第三级)，其用于：偏振解复用。

本发明实施例还提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器的实现方法，包括以下步骤：

两个前向的插值器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；

两个自适应多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

下面对方案一中用于突发数据相干接收的多级均衡器及其实现方法进行详细说明。

作为优选的实施方式，方案一中多级均衡器的第一级：两个前向的插值器用于：计算出采样相位差，然后使用对应插值系数进行补偿，插值系数可预存于查找表以取出，其插值过程的数学表达为：

其中，

为X插值器的输出，

为Y插值器的输出，n为数据序列号，l为卷积计算抽头序号，N₁为单个插值器的总抽头数，T为插值器的系数，Esample^X为相干接收机的X偏振采样信号，Esample^Y为相干接收机的Y偏振采样信号。

作为优选的实施方式，方案一中多级均衡器的第二级：两个自适应多抽头1×1复数均衡器的作用为补偿信号码元间串扰，均衡的数学表达为：

其中，

为第一级X插值器的输出，即第二级X均衡器的输入；

为第一级Y插值器的输出，即第二级Y均衡器的输入；

为X路自适应多抽头1×1复数均衡器的输出，

为Y路自适应多抽头1×1复数均衡器的输出，Gx()为X路自适应多抽头1×1复数均衡器的系数，Gy()为Y路自适应多抽头1×1复数均衡器的系数，N₂为单个自适应多抽头1×1复数均衡器的总抽头数。

在光通信中，码元间串扰主要由色散、偏振模色散(PMD)及滤波效应造成，要直接求解合适的均衡系数非常困难，所以方案一采用自适应算法，根据定义的误差公式，用梯度算法更新系数，误差公式的定义参考申请号为201911205391.X、名称为《二级均衡器及实现方法》的中国发明专利申请，可采用联合横模算法，公式为：

其中，Error为所定义的误差。

本申请实施例中的多级均衡器可以用于相干PON的上行突发数据接收，由于色散、偏振模色散(PMD)及滤波效应变化缓慢，可以用上一次接收这个ONU求出并存储的均衡系数作为初始系数，因此，本申请实施例中的多级均衡器只需要极短的收敛过程，即可正常工作及正确接收数据。

作为优选的实施方式，方案一中多级均衡器的第三级：一个前向的一抽头2×2复数均衡器的作用为偏振解复用。本申请先根据插入的训练序列求出光信道的偏振旋转矩阵，然后再使用偏振旋转矩阵的逆矩阵对接收数据进行偏振解复用。

作为优选的实施方式，实际应用时，训练序列可集中放置于每帧数据的帧头，然后用其计算出的逆矩阵解复用整帧数据，具体做法为：

在发送端插入训练序列，X偏振每次插入两个，为TX[n]和TX[n+1]，Y偏振每次插入两个，为TY[n]和TY[n+1]，TX随机取值1、j、-1或j，j为复数单位，TY的取值满足：

TY[n]＝±TX[n] (8)

TY[n+1]＝±jTX[n+1] (9)

经信道传输后，接收信号可写为：

其中，RX和RY为接收端采样信号，Δf为频差，T为码元周期，Φ为相差，

为偏振旋转矩阵。

将RX和RY共轭相乘，得到：

当TY＝TX时，RX×conj RY＝A²-B²；

当TY＝jTX时，RX×conj RY＝-j A²+B²；

当TY＝-TX时，RX×conj RY＝-A²-B²；

当TY＝-jTX时，RX×conj RY＝j A²+B²。 (11)

其中，conj()表示共轭，×为乘号。

求得A与B的值后，即可以直接得到对应逆矩阵。

由于方案一中多级均衡器的第三级均衡也是前向的，所以当接收一新的ONU数据时，并不需要收敛，即可正常工作及正确接收数据。

作为优选的实施方式，方案一中多级均衡器的第三级偏振解复用的过程可以用数学公式表示为：

其中，

为一抽头2×2复数均衡器输出的X偏振信号，

为一抽头2×2复数均衡器输出的Y偏振信号，

是偏振旋转矩阵

的逆矩阵，conj()为共轭符号，A和B为琼斯矩阵(Jones Matrix)的系数。

方案二

为了减少资源消耗，参见图3所示，本申请实施例提出另一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，包括：

两个多抽头1×1融合复数均衡器，其用于：计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰，即实现方案一中第一级插值器和第二级自适应均衡器的功能；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器，其用于：偏振解复用，与方案一中的第三级相同，后文不再赘述。

本发明实施例还提供一种用于突发数据相干接收的多级均衡器的实现方法，包括以下步骤：

两个多抽头1×1融合复数均衡器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

下面对方案二中用于突发数据相干接收的多级均衡器及其实现方法进行详细说明。

方案二将方案一中多级均衡器的第一级插值器T和第二级自适应均衡器G的均衡部分功能融合到两个多抽头1×1融合复数均衡器中实现，本申请将方案二中多级均衡器的两个多抽头1×1融合复数均衡器命名为MERGE，MERGE融合实现的插值器T的系数与自适应均衡器G的系数的计算与方案一中的计算方法相同，再通过卷积运算得到融合后的两个多抽头1×1融合复数均衡器的系数。

作为优选的实施方式，方案二中多级均衡器的两个多抽头1×1融合复数均衡器实现计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并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融合复数均衡器的输出信号，

为Y路多抽头1×1融合复数均衡器的输出信号，n为数据序列号，l为卷积计算抽头序号，N₃为多抽头1×1融合复数均衡器的总抽头数，MERGEx l为X路多抽头1×1融合复数均衡器的均衡系数，MERGEy l为Y路多抽头1×1融合复数均衡器的均衡系数，Esample^X为相干接收机的X偏振采样信号，Esample^Y为相干接收机的Y偏振采样信号。

作为优选的实施方式，方案二中多级均衡器的多抽头1×1融合复数均衡器的X路均衡系数MERGEx l、Y路均衡系数MERGEy l的计算公式分别为：

其中，*表示卷积，Gx为X路多抽头1×1融合复数均衡器补偿信号码元间串扰的均衡系数，Gy为Y路多抽头1×1融合复数均衡器补偿信号码元间串扰的均衡系数，T是多抽头1×1融合复数均衡器中补偿采样相位差的插值器系数，N₁为单个插值器的总抽头数，l₁为卷积计算的累加序列号。

在实际信号处理中，由于电路工作时钟速率限制，实际的DSP数字信号处理为多路并行处理，而系数的融合计算却只需要做一路。例如：如果码元速率为10G，时钟速率为156.25M，则并行处理路数为64。虽然系数融合需要做卷积运算，但卷积运算只需要做1路。而64路均衡计算由两级削减为一级，因此，本申请方案二中用于突发数据相干接收的多级均衡器可显著减低资源总损耗。

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 (10)

1.一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，其特征在于，包括：

两个前向的插值器，用于：计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；

两个自适应多抽头1×1复数均衡器，用于补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器，用于进行偏振解复用。

2.如权利要求1所述的多级均衡器，其特征在于：所述计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，数学表达式为：

其中，

为X插值器的输出，

为Y插值器的输出，n为数据序列号，l为卷积计算抽头序号，N₁为单个插值器的总抽头数，T为插值器的系数，Esample^X()为相干接收机的X偏振采样信号，Esample^Y()为相干接收机的Y偏振采样信号。

3.如权利要求2所述的多级均衡器，其特征在于：所述补偿信号码元间串扰，数学表达式为：

其中，

为X路自适应多抽头1×1复数均衡器的输出，

为Y路自适应多抽头1×1复数均衡器的输出，Gx()为X路自适应多抽头1×1复数均衡器的系数，Gy()为Y路自适应多抽头1×1复数均衡器的系数，N₂为单个自适应多抽头1×1复数均衡器的总抽头数。

4.如权利要求3所述的多级均衡器，其特征在于：所述偏振解复用，数学表达式为：

其中，

为一抽头2×2复数均衡器输出的X偏振信号，

为一抽头2×2复数均衡器输出的Y偏振信号，

是偏振旋转矩阵

的逆矩阵，conj()为共轭符号，A和B为琼斯矩阵的系数。

5.一种用于突发数据相干接收的多级均衡器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

两个前向的插值器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿；

两个自适应多抽头1×1复数均衡器补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

6.一种用于突发数据相干接收的多级均衡器，其特征在于，包括：

两个多抽头1×1融合复数均衡器，用于：计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器，用于：进行偏振解复用。

7.如权利要求6所述的多级均衡器，其特征在于：所述计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并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融合复数均衡器的输出信号，

为Y路多抽头1×1融合复数均衡器的输出信号，n为数据序列号，l为卷积计算抽头序号，N₃为多抽头1×1融合复数均衡器的总抽头数，MERGEx l为X路多抽头1×1融合复数均衡器的均衡系数，MERGEy l为Y路多抽头1×1融合复数均衡器的均衡系数，Esample^X为相干接收机的X偏振采样信号，Esample^Y为相干接收机的Y偏振采样信号。

8.如权利要求7所述的多级均衡器，其特征在于：所述多抽头1×1融合复数均衡器的X路均衡系数MERGEx l、Y路均衡系数MERGEy l的计算公式分别为：

其中，Gx为X路多抽头1×1融合复数均衡器补偿信号码元间串扰的均衡系数，Gy为Y路多抽头1×1融合复数均衡器补偿信号码元间串扰的均衡系数，T是多抽头1×1融合复数均衡器中补偿采样相位差的插值器系数，N₁为单个插值器的总抽头数，l₁为卷积计算的累加序列号。

9.如权利要求8所述的多级均衡器，其特征在于：所述偏振解复用，数学表达式为：

其中，

为一抽头2×2复数均衡器输出的X偏振信号，

为一抽头2×2复数均衡器输出的Y偏振信号，

是偏振旋转矩阵

的逆矩阵，conj()为共轭符号，A和B为琼斯矩阵的系数。

10.一种用于突发数据相干接收的多级均衡器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

两个多抽头1×1融合复数均衡器计算采样相位差，采用对应插值系数进行补偿，并补偿信号码元间串扰；

一个前向的一抽头2×2复数均衡器进行偏振解复用。

Images