CN113225135A - 低功耗的复模拟lms自适应系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本文披露的LMS自适应系统和方法在操作模式之间进行自适应切换,从而选择性地避免使用误差信号的虚部,实际上实现了在仅利用该误差信号的实部与利用全复数误差信号之间进行切换的LMS自适应。各种实施例通过实施动态功率节省方案来利用这种增加的灵活性,该方案例如在不需要高跟踪性能(例如,高准确度或高SNR)的时间期间通过不激励在功耗方面很昂贵的多个乘法器电路和加法器电路来节省功率,从而通过可能暂时降低跟踪性能来换取功率节省。在实施例中,通过自适应功率门控系统和方法来实现功率节省,这些系统和方法在模拟LMS自适应电路的某些部分中按需接通和断开模拟乘法器电路中的电流源。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及2020年1月21日提交的发明人为查尔斯·拉扎尔且名称为“Low-PowerComplex Analog LMS Adaptation Systems and Methods[低功耗的复模拟LMS自适应系统和方法]”的美国临时专利申请序列号62/963,854,并根据35 U.S.C.§119(e)要求其优先权权益。在本专利文件中提及的每个参考文献通过引用以其全文结合在此并用于所有目的。
背景技术
本披露总体上涉及高速电信电路中的信号处理。更具体地,本披露涉及用于减少双偏振相干光传输和类似应用中的功耗的系统和方法。
在过去的几十年中,电信网络对带宽的需求不断增长。无论是在芯片间还是在广域网(WAN)光纤链路之间传输数据,较大的可用带宽都是高速光通信系统日益普及的主要因素。例如,在数据中心和园区网络中对被设计用于通过光纤的短距离(例如,几百米)互连的光收发机需求很高。
相干光链路通过与进入光纤的信号的不同相位和偏振状态相对应的不同通道来传送数据。虽然通常将所传输的数据相对于公共时钟对准,但是由于发射机、接收机和光纤本身的固有缺点,会在通道中引入延迟,使得各个通道的偏振和相位按相位和偏振维度以未知旋转到达接收机,这些相位和偏振维度被反转以恢复所传输的数据。
如在本文提到的各种专利申请中已经披露并通过引用结合的那样,现有的电子偏振控制环路对双偏振相干信号进行分离和相位对准。最小均方(LMS)自适应在相干光信号处理器中用于跟踪随机相位旋转和其他损伤。由于光纤设备的琼斯矩阵表示及其逆矩阵表示使用复系数,因此在2019年11月5日提交的发明人为查尔斯·拉扎尔和埃德姆·伊布拉吉莫夫且名称为“Analog Coherent Signal Processing Systems and Methods(模拟相干信号处理系统和方法)”的美国专利申请号62/931,122中披露的各种复LMS自适应系统和方法可以有利地用于使用纯模拟域方法来高效地跟踪载波相位和偏振状态。然而,从功耗的角度来看,完全实施这种方案所需的模拟乘法器的数量可能被认为是繁重的。
因此,期望简化现有的复模拟相干信号处理系统和方法,以减少其功耗。
附图说明
将参考本披露的实施例,附图中可以展示这些实施例的示例。这些附图旨在为说明性的,并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下描述了随附披露,但是应当理解的是,其不旨在将本披露的范围限制于这些具体实施例。
图1是基于模拟信号处理的常规双偏振正交幅度调制(DP-QAM)接收机架构的框图。
图2是根据本披露的各种实施例的包括LMS偏振跟踪电路的示例性模拟相干信号处理引擎(ACE)的顶级视图。
图3示出了根据本披露的实施例的包括四个示例性自适应电路的LMS偏振跟踪电路。
图4展示了根据本披露的各种实施例的示例性功率门控复数乘法器。
图5展示了图4的复数乘法器中的功率门控。
图6是根据本披露的实施例的用于减少复模拟LMS自适应电路的功率的说明性过程的流程图。
具体实施方式
在以下描述中,出于解释的目的,阐述了具体细节以便提供对本披露的理解。将明显的是,本领域技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本披露。此外,本领域技术人员将认识到,以下所描述的本披露的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、装置、系统/设备、或方法等各种方式实施。
在图中示出的部件或模块展示了本披露的示例性实施例并且意在避免模糊本披露。还应当理解,贯穿本讨论,部件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元。本领域技术人员将认识到,各种部件或其多个部分可以被分成单独的部件或者可以被集成在例如在单个系统或部件内。应当注意的是,本文所讨论的功能或操作可以被实施为部件。这样的部件可以以软件、硬件、或其组合来实施。
在图内的部件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。而是,这些部件之间的数据可以通过中间部件进行修改、重新格式化、或以其他方式改变。进一步地,可以使用附加的连接或更少的连接。应当注意,术语“耦合(coupled)”、“连接(connected)”或“通信地耦合(communicatively coupled)”应当被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。
在本说明书中,对“一个实施例(one embodiment)”、“优选实施例(preferredembodiment)”、“实施例(an embodiment)”、或“多个实施例(embodiments)”的提及意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本披露的至少一个实施例中并且可以在多于一个实施例中。而且,在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。
在本说明书中的不同地方使用某些术语是用于说明的并且不应当被解释为限制性的。例如,术语“包括(include)”、“包括(including)”、包括(comprise)、和“包括(comprising)”应被理解为是开放性术语并且随后的任何列出项是示例并不旨在限于所列出的项。
本文所使用的任何标题仅是用于组织目的并且不应用于限制包括权利要求的说明书的范围。本文引用的所有文献均通过引用以其全文结合在此。
在本文档中,术语“抽头权重”是指滤波器抽头的权重、状态、系数或增益。加法包括减法和任何类型的比较(例如,使用比较器电路)。
A.概述
尽管本文描述的实施例是在光通信系统和方法的背景下给出的,但是本领域技术人员将认识到,本披露的教导不限于光通信应用并且同样可以用于有线网络、卫星通信等。
相干光链路通过与光纤的输入信号的不同相位和偏振相对应的不同通信通道来传送数据。在双偏振相干光传输系统中,理想情况下,X偏振通道和Y偏振通道承载X偏振和Y偏振的独立同相(I)和正交相(Q),以常规方式被表示为支路XI、XQ、YI和YQ(每个分支一个支路),使得当采用4电平脉冲幅度调制(4-PAM)时,每个接收机分支针对每个单位间隔(UI)产生两个位,并且所有四个分支的组合使得每个UI总共产生8个位。
图1是基于模拟信号处理的常规DP-QAM接收机架构的框图。接收机100是零差接收机,该零差接收机由充当本地振荡器的同通道激光器(未示出)驱动。偏振分束器和90°混合器106的布置为这两个正交偏振(被标记为X和Y)中的每一个提供平衡的正交光输出,这两个正交偏振入射在以平衡对布置的八个光电二极管108上。这种布置产生四个双极光电流110,这四个双极光电流由相应的跨阻抗放大器(TIA)112放大、分别对应于X偏振和Y偏振的I相和Q相。因此,接收机100的四个分支(即,XI、XQ、YI和YQ)可用于模拟域中进一步的信号处理。
使用经典RLMS更新方程的连续版本对可能例如在模拟积分器中作为电容器上的电荷而保持的八个系数执行LMS自适应。这八个系数表示用于对输入的模拟信号进行分离和相位校正的2×2复矩阵:
B.顶级视图
图2展示了根据本披露的各种实施例的包括LMS偏振跟踪电路的示例性ACE的顶级视图。ACE 200包括接收机输入202、自动增益控制(AGC)210、前端均衡器(FEE)220、载波频率偏移(CFO)230、偏振和载波相位校正电路240、后端均衡器(BEE)250、扫频发生器260、AFC锁定检测电路270和数控振荡器(DCO)290。
在实施例中,接收机输入202接收四个电信号,这四个电信号表示相应的接收机分支204XI、XQ、YI和YQ,这些接收机分支可以是类似于图1那样来监控四对光电二极管(未在图2中示出)的差分TIA的输出。AGC 210可以是将信号电平归一化以进行进一步处理的4通道AGC。可以使用力求实现RMS输出电压的设定点的控制环路在每个接收机分支(例如,204)中独立地执行自动增益控制。可以提供AGC锁定检测信号作为对所有四个接收机分支(例如,204)的锁定检测的“与”。进一步地,可以利用去毛刺逻辑以防止环路稳定的最后阶段期间的多个锁定/解锁事件。
在实施例中,FEE 220可以用于减少或消除CD、ISI和接收机偏斜。FEE 220可以被实施为利用一组抽头权重来使下游接收机环路正确锁定的模拟FEE,例如,一个用于X并且一个用于Y。可以使用指定一组合适的FIR系数的查找表来设置抽头权重。在实施例中,可以使用四个独立确定的系数向量代替两个,这对于复系数通常是足够的。
在实施例中,CFO 230校正或消除将相应的X分支和Y分支与在sin 274和cos 274输入端口上提供的复本地振荡器信号相乘。在实施例中,BEE 250可以使用基于脉冲幅度调制4-PAM决策的误差信号来训练具有五个复抽头的迭代模拟复LMS。BEE 250可以通过对由放大器寄生引起的低通滤波效果进行逆滤波来执行残留ISI校正。在实施例中,BEE 250通过自适应地求出导致4-PAM信号点之间的最小误差的传递函数来校正保真度的损失。误差反馈环路中的增益块(未示出)可以用于调整自适应速度。BEE 250的输出是经过校正的4-PAM信号,可以将这些信号馈入ADC(未示出)中以获得期望的符号。
在实施例中,各种电路元件可以提供用于环路控制的控制和/或监督功能。例如,DCO 290可以生成频率由环路滤波器(未示出)的输出限定的正交本地振荡器,该环路滤波器对输入端口“Fb”272处的控制环路反馈信号进行操作。可以对环路滤波器内的积分器进行编程,以使其在达到频率偏移范围的任一极端时回绕,以便例如允许对发射机激光器与接收机激光器之间可能的偏移频率进行连续线性斜坡扫描。一旦环路滤波器状态从正向频率偏移绕回到负向频率偏移或从负向频率偏移绕回到正向频率偏移,就可以递增计数器并将其设置在输出端口上。一旦计数器递增,色散(CD)补偿范围就可以以几公里的步长递增,以求出使能频率锁定的CD补偿值。
AFC锁定检测电路270可以例如通过监控CFO 230的控制环路并确定频率的变化率何时越过零值来指示频率在可锁定范围内。电路270可以进一步指示对可能的偏移频率的连续扫描应当暂停预定时间。可以提供用于防止在AGC 210已经锁定之后过早断言稳定频率环路的指示的逻辑,以防止过早的频率锁定确定。如果LMS环路锁定检测为真,则这可能会覆写频率锁定检测功能,因为除非已经实现了频率锁定,否则LMS环路无法实现相位锁定。这允许单稳态终止而不会对频率锁定的状态造成任何影响,从而允许LMS环路在单稳态时间段期间实现锁定。
在实施例中,扫频发生器260例如通过将LMS频率偏移检测器的输出与使控制环路反馈信号偏置的内部生成的恒定信号进行组合来控制扫频,以例如使能在启动时或频率锁定已经失效之后进行宽带频率偏移扫描。接下来参考图3描述偏振和载波相位校正电路240。
图3展示了根据本披露的实施例的包括四个示例性自适应电路的LMS偏振跟踪电路。LMS偏振跟踪电路300包括误差限幅器(例如,310)、自适应电路(例如,320)、复数乘法器(例如,340)和监督控制电路350。电路300可以被视为具有代表琼斯矩阵的四个复数乘法器(例如,340)。复数乘法器将时变的2×2复矩阵乘以各自都可以被看作两个复信号的四个输入信号(例如,302),其中,复抽头权重可以通过使用上述LMS更新方程进行连续自适应,以校正光通道中的偏振旋转和相位旋转。
在实施例中,复系数(例如,330)的自适应可以通过每个系数(例如,330)一个模拟LMS环路(例如,322)来实施。在实施例中,为了校正光纤中的偏振变化和相位变化,四个真实的误差限幅器310监控可能是时变信号的误差并将该误差与理想星座进行比较,并且基于该比较,驱动确定琼斯矩阵的四个复系数(例如,330)的四个复自适应电路(例如,320)。监督控制电路350可以由单式激励电路350来实施。在2019年11月5日提交的发明人为查尔斯·拉扎尔且名称为“Dynamic Error Quantizer Tuning Systems and Methods[动态误差量化器调谐系统和方法]”的美国专利申请号62/931,122和美国专利申请号62/931,127中披露了一种合适的单式激励电路。
1.数学描述
应当注意,仅出于提供对本披露的概念的更好理解的目的,呈现了本文中改善LMS收敛的复LMS自适应的数学概念和相关的简化方程式。
考虑到双偏振相干光接收机(其具有四个独立分支XI、XQ、YI和YQ,这四个独立分支表示两个任意正交偏振X和Y的I分量和Q分量),并且忽略光通道中的损耗和色散,在这些接收机分支中观察到的X信号和Y信号可以以复数记法表示为
其中ψ、φ1、θ和φ0是四个实参数;ψ表示绝对相位,φ0表示平面偏振旋转θ之前X偏振信号与Y偏振信号之间的相对相移;并且φ1表示之后的相对相移。通过将这些子分量相乘,可以获得单个2×2复矩阵,该复矩阵将接收到的信号与所传输的信号进行如下关联:
矩阵Γ由于用于创建其的因素而是酉矩阵并且因此是可逆的。原始传输波形的估计值可以获得为:
这表示两个线性方程,每个线性方程都具有两个复系数,即,
X输出=C1XX输入+C1YY输入和Y输出=C2XX输入+C2YY输入。
尽管这两个方程看起来是独立的,但它们仅从四个独立的实参数中得出,并且因此,矩阵的顶行和底行的系数并非彼此独立。但是,为了向解进行迭代的目的,可以将这些系数视为是独立的,只要它们不以使得顶行和底行通过某个比例常数相互关联的方式(即,X输出=αY输出,其中,α是比例常数)收敛即可。
求解这些方程中的一个(并假设可以将类似的技术应用于另一个类似的方程)提供了X输出=C1XX输入+C1YY输入,其中仅观察到的信号X输入和Y输入是已知的。尽管所估计的符号是未知的,但是已知的是,应该从所使用的调制星座(例如,在16-QAM调制中)的有限字母提取X输出的理想样本,这些样本可以被视为这些正交通道中的每个正交通道的4-PAM信令。因此,对于C1X和C1Y的任何候选试验值,可以将误差估计为最接近的有效星座点与输出信号X输出、表示为Q(X输出)与X输出之间的差。设量化器Q可以被定义为至少近似地在I维度和Q维度上独立进行操作的两个4-PAM调制量化器。
基于已知的复LMS更新方程,可以通过使用以下更新方程累加到系数C1X和C1Y中来朝最小误差条件进行迭代:
X输出=X输入×C1x+Y输入C1Y
使用下式扩展上述复杂表达式:
产生了X偏振输出的实部和虚部的输出计算:
系数矩阵的上面一行的实部和虚部的系数更新方程于是为:
类似地,可以写出Y偏振输出:
Y输出=X输入×C2X+Y输入C2Y,
其扩展为:
并且相应的更新方程为:
其扩展为:
结果是八个实值更新方程,这些方程可以用于求出解混矩阵的四个复系数。在本披露的实施例中,这些更新方程可以在模拟域中被实施为连续时间积分器。
a)LMS更新方程的潜在简化
应当注意,根据共同的标准复LMS更新方程,每个更新方程都可以递增两个乘积之和。现有的一些方法忽略了以上两个乘积之一,从而导致以下一组更新方程:
等等。
这些删除与第二对复系数的类似删除相结合得出以下八个更新方程:
在实施例中,这与常规复LMS更新相比使得每个复抽头节省了一次乘法和一次加法,但以某种自适应速度为代价。整个方程组仅依赖于四个误差项,优选地每个误差项仅被计算一次,因此,复杂度的降低实际上限于每个系数一次乘法和一次加法。
这些更新方程以其离散时间形式表示,而实施应使用右手侧的项的连续时间积分器。
图4展示了根据本披露的各种实施例的示例性功率门控复数乘法器。如图4中所描绘的,复数乘法器404可以耦合到开关402。本领域技术人员将认识到可以采用任何类型的晶体管或开关,例如,GaN型MOSFET或者本领域已知或在未来开发的任何其他半导体器件。本领域技术人员将进一步认识到开关402可以由任何类型的控制电路(未示出)驱动。
在实施例中,功率门控复数乘法器404可以在LMS偏振跟踪电路(诸如图3所示的跟踪电路)中实施。
在操作中,图4中的开关402可以接收信号412(在实施例中,该信号可以表示误差信号的虚部分量),并且向复数乘法器404选择性地输出信号412。在实施例中,控制电路可以自动启用两个或更多个操作状态之间的转换。例如,在第一操作模式中,控制电路可以自适应地使开关402自动断开信号412,以避免复数乘法器404必须处理信号412(即,将该信号与任何其他信号(例如,414)相乘)。
在实施例中,控制电路可以响应于由指示度量的信号限定的开关条件来激活或去激活开关402,该度量例如是与性能相关的度量(诸如误差矢量幅度)或与需求存在相关联的度量。可以从一组直接或间接测量结果中得出合适的度量。
在实施例中,响应于控制信号满足诸如阈值等条件(例如,误差信号的虚部基本上为零),控制器可以使一个或多个乘法器电路(例如,404)去激活以避免使用信号412,从而大大减少了功耗。相反地,响应于信号412不满足条件,(多个)乘法器电路404可以保持激活并处理误差信号的虚部。
图5展示了用于功率门控复数乘法器(诸如图4中示出的那些)的示例性方法。在实施例中,复数乘法器510至516包括输入端,这些输入端用于接收复信号502至508或其分量,例如,复信号(诸如复数误差信号)的实部分量或虚部分量。
在实施例中,信号502至508中的一些或全部可以由一组开关(例如,图4所示的开关)控制,从而控制是否使用给定的复数乘法器510至516来执行算术运算。
在实施例中,复数乘法器510至516进一步包括输出端,这些输出端可以被馈送到可以将两个或更多个复数乘法器510至516的输出相加的求和电路(例如,520)。如图5所描绘的,两个复信号502和506的实部分量通过复数乘法器510进行相乘,并且(选择性地)被加到通过复数乘法器512进行相乘的两个复信号504、508的虚部分量,以生成实数信号530,在实施例中,该实数信号是复信号。
在实施例中,控制电路可以用于选择性地去激活复数乘法器512或其输入信号中的一个或多个输入信号(例如,504),使得求和电路520不会将复信号504和508的虚部分量相加。结果,复数乘法器512可以通过不必处理一个或多个输入信号(即,使它们相乘)来节省功率。在实施例中,可以通过去激活求和电路520、522来节省附加功率。
图6是根据本披露的实施例的用于减少复模拟LMS自适应电路的功率的说明性过程的流程图。在实施例中,当获得指示度量(例如,性能需求)的信号时,功率节省过程600可以开始于步骤602。
在步骤604处,如果信号指示该信号超过阈值,则使一组乘法器电路和一组加法器电路中的至少一个电路中的电流被断开以减少功耗。在实施例中,电流可以与误差信号的虚部相关联。
否则,如果信号不指示该信号超过阈值,则在步骤606处,电流保持接通或者使电流接通。应当注意,可以可选地执行某些步骤;步骤可以不限于本文阐述的特定顺序;可以以不同的顺序执行某些步骤;并且可以同时完成某些步骤。
本披露的各方面可以利用用于一个或多个处理器或处理单元以使得各步骤得以执行的指令编码在一个或多个非暂态计算机可读介质上。应当注意,该一个或多个非暂态计算机可读介质应当包括易失性存储器和非易失性存储器。应当注意的是,替代性实施方式是可能的,包括硬件实施方式或软件/硬件实施方式。可以使用专用集成电路(ASIC)、可编程阵列、数字信号处理电路系统等来实现硬件实施的功能。因此,权利要求中的术语旨在覆盖软件实施方式和硬件实施方式两者。如本文使用的术语“一种或多种计算机可读介质”包括具有在其上具体化的指令程序的软件和/或硬件或其组合。考虑到这些实施方式的替代方案,将理解的是,附图及随附描述提供了本领域技术人员编写程序代码(即,软件)和/或创建执行所需处理的电路(即,硬件)将需要的功能信息。
应当注意的是,本披露的实施例可以进一步涉及具有非暂态有形计算机可读介质的计算机产品,该非暂态有形计算机可读介质在其上具有用于执行各种计算机实施的操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是专门设计和构造用于本披露的目的的介质和计算机代码,或者其可以属于相关领域的技术人员熟知或可用的种类。有形计算机可读介质的示例包括但不限于:磁性介质,诸如硬盘;光学介质,诸如CD-ROM和全息设备;磁光介质;以及被专门配置用于存储或用于存储和执行程序代码的硬件设备,诸如ASIC、可编程逻辑器件(PLD)、闪存设备、以及ROM设备和RAM设备。计算机代码的示例包括机器代码(诸如由编译器产生的代码)以及包含由计算机使用解释器执行的高级代码的文件。本披露的实施例可以全部或部分地实施为可以处于由处理设备执行的程序模块中的机器可执行指令。程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、组件、以及数据结构。在分布式计算环境中,程序模块可以物理地位于本地、远程、或两者的环境中。
本领域技术人员将认识到的是,没有计算系统或编程语言对于本披露的实践是至关重要的。本领域技术人员还将认识到的是,以上所描述的多个元件可以被物理地和/或功能性地分成多个子模块或组合在一起。
对于本领域技术人员将理解的是,前述示例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是,在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应注意的是,任何权利要求的要素都可以以不同方式布置,包括具有多种依赖性、配置和组合。
Claims (10)
1.一种用于减少复最小均方(LMS)自适应电路中的功耗的功率门控方法,该方法包括:
获得指示度量的信号;
响应于该信号超过阈值,使一组乘法器电路或一组加法器电路中的至少一个电路去激活,以避免使用复数误差信号的正交分量,从而减少功耗;以及
响应于该信号不超过该阈值,使该组乘法器电路或该组加法器电路中的该至少一个电路激活,以使用该复数误差信号的正交分量。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,该度量指示该复数误差信号的虚部基本上为零。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,该度量与性能相关。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,该度量与需求相关联。
5.一种功率门控复数乘法器电路,包括:
用于接收复信号的至少正交分量的输入端,该输入端选择性地耦合到开关,该开关被控制为对该复信号的至少一部分进行功率门控,以使该复数乘法器电路选择性地不使用该复信号的正交分量,从而减少功耗;以及
选择性地输出复信号的一个或多个输出端。
6.根据权利要求5所述的功率门控复数乘法器电路,其中,该一个或多个输出端耦合到一个或多个加法器电路。
7.根据权利要求5所述的功率门控复数乘法器电路,其中,该复信号是误差信号。
8.一种复LMS自适应电路,包括:
一组复数乘法器电路,该组复数乘法器电路接收复信号的至少正交分量;
耦合到该组复数乘法器电路的输出端的一组加法器电路,这些加法器电路选择性地输出复信号;
耦合到该组复数乘法器电路的一组开关;以及
耦合用于控制该组开关的控制器,该控制器选择性地耦合该组开关,以对该复信号的至少一部分进行功率门控,以使这些复数乘法器电路中的至少一些复数乘法器选择性地不使用该复信号的正交分量,从而减少功耗。
9.根据权利要求7所述的复LMS自适应电路,其中,这些复数乘法器电路包括一组模拟乘法器电路。
10.根据权利要求8所述的复LMS自适应电路,其中,该组开关选择性地接通和断开这些复数乘法器电路中的电流源。
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