CN116016059A - 提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法及系统，属于光通信有线传输技术领域，包括：计算信号传输速率与信道带宽之比；当比值在1.5倍以内时，对经过信道的信号采用FFE均衡，利用传统LMS算法对均衡系数进行更新；当比值在1.5倍以上2.5倍以内时，对经过信道的信号采用FFE均衡，利用基于一种新误差信号的NELMS算法对均衡系数进行更新；当比值在2.5倍以上时，在信道前端采用预加重，用于补偿信号高频分量，并在后端采用FFE均衡，利用NELMS对均衡系数进行更新。本发明适用于提升高速光电链路低信噪比传输性能，相比于采用传统LMS算法，误码率降低至少1个数量级。本发明在保证均衡效果情况下根据不同速率选择均衡方法，均衡精度高且计算复杂度低。
Description
技术领域
本发明属于光通信有线传输技术领域，更具体地，涉及提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法及系统。
背景技术
光通信系统传输由于各器件的带宽有限和长距离光纤的色散影响，其整体系统频域体现出窄带宽特性，从而时域脉冲展宽，其中带宽可由S参数得到。在高速传输时，相邻码元间引起严重的码间干扰(ISI)，导致码值判决错误，造成误码传输；并且系统中驱动放大器的散粒噪声与热噪声，光纤传输中色散引起的脉冲展宽的噪声和激光器光强随机变化引起的噪声等更进一步加剧信道劣化，误码率提升。
在降低光通信系统传输误码率提升传输性能的方法中，采用电域均衡是一个重要常用的方法，其原理是对整个传输系统进行频域补偿使得总传输函数呈现无失真特性或者进行时域补偿较真已失真响应特性以满足无ISI条件。实现均衡通常采用FFE、CTLE、DFE等，FFE采用FIR滤波器结构，在发送端可实现预加重或去加重功能，在接收端类似于一个高通滤波器，可基于某种算法根据信号不断调整增益，提高均衡系统失真补偿性能，但FFE线性结构随着码间干扰严重，补偿信号衰减需要抽头数越多，影响了滤波系数精度，增加了更多的噪声抵消增益，达不到均衡效果；无源CTLE由无源器件搭建高通滤波器，实现简单，但对环境敏感度高且无源电路信噪比低，应用较少，有源CTLE包含放大器，比较器等有源电路，通过调节可调电阻电容改善信道频率响应，补偿信道衰落，但同时放大了高频噪声而呈现负增益；DFE均衡应用于信道接收端，其在FFE结构后增加反馈滤波器部分，抵消通过整体系统后的符号间干扰，降低信号拖尾问题且不引入新的噪声，但结构复杂且会引起判决错误，造成误码传播。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法及系统，旨在提升高速低信噪比光电链路传输性能，克服现有均衡方法的不足。
为实现上述目的，本发明提供了提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法，首先通过各器件S参数模型在ADS中搭建仿真链路得到信道频率响应确定信道带宽，这其中，驱动器，激光器，PD等光电器件等由矢量网络分析仪实测得到S参数或者根据Cadence软件等搭建器件等效电路模型，导出S参数。另外光纤等效S参数模型，考虑不同距离光纤的插入损耗，回波损耗分别作为等效模型的S21，S11幅值特性，并且考虑不同波长信号光引起光纤的色散问题，将色散传递函数考虑进S21参数中，最终建立此模型。
然后，为了在不同速率情况下确定最优均衡，考虑了计算复杂度与均衡效果，根据传输速率与信道带宽之比确定所使用的均衡结构和系数更新算法，比值为1.5倍以内时，信道后端采用FFE均衡，利用传统LMS算法对均衡系数进行更新；比值为1.5倍到2.5倍时，信道后端采用FFE均衡，利用NELMS算法对均衡系数进行更新；比值为2.5倍以上时，信道前端采用预加重，后端采用FFE均衡，利用NELMS算法对均衡系数进行更新；
进一步地，传统LMS算法在进行搜索负梯度进行滤波系数更新对噪声敏感，系数更新精度在高速情况下较低，本发明提出一种基于一种新误差信号(new error function)的LMS算法(NELMS)，其误差函数表达式为：
其中，e(n)为误差信号，ω(n)为n时刻线性滤波器的抽头系数向量[ω0(n)ω1(n)…ωM-1(n)]，M为抽头数，d(n)为期望的均衡输出信号，x'(n)为不考虑噪声经过信道的均衡模拟输入信号。
其余符合基于LMS算法均衡规范，第n时刻，均衡器实际输入信号x(n)和输出信号y(n)满足：
第n+1时刻更新均衡抽头系数满足：
ω(n+1)＝ω(n)+2μe(n)[y(n)y(n-1)…y(n-M+1)]
其中，μ为均衡算法收敛因子。此改进的算法比传统LMS算法多了确定x'(n)一步的计算量。
本发明还提供了一种提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡系统包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明通过传输速率与信道带宽之比确定均衡方法和系数更新算法；提出基于一种新误差信号(new errorfunction)的LMS算法(NELMS)；重新定义LMS算法中的误差信号以提高通过梯度下降进行系数更新的精度，大幅度提升链路传输性能(误码率降低至少1个数量级)。
附图说明
图1为本发明设计的均衡系统流程示意图；
图2为本发明实施例中的ADS软件建立的整体光电链路S参数模型；
图3为本发明光纤等效S参数模型S21幅值特性曲线，(a)为10km光纤通过1310nm波长信号光，(b)为20km光纤通过1310nm波长信号光，(c)为10km光纤通过1550nm波长信号光，(d)为20km光纤通过1550nm波长信号光；
图4为本发明实施例中的光电链路S21幅值特性曲线；
图5为本发明NELMS-FFE均衡结构示意图；
图6为本发明实施例加入不同噪声均衡性能比较，(a)为对仅含有随机噪声的均衡结果，(b)为对仅含有高斯分布噪声的均衡结果；
图7为本发明实施例中的10Gbps速率均衡误码率结果；
图8为本发明实施例中的15Gbps速率均衡误码率结果；
图9为本发明实施例中的20Gbps速率均衡误码率结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
图1所示为本发明设计的均衡系统流程图，首先通过各器件S参数模型在ADS中搭建仿真链路得到信道频率响应确定信道带宽，这其中，驱动器，激光器，PD等光电器件等由矢量网络分析仪实测得到S参数或者根据Cadence软件等搭建器件等效电路模型，导出S参数。另外光纤等效S参数模型，考虑不同距离光纤的插入损耗，回波损耗分别作为等效模型的S21，S11幅值特性，并且考虑不同波长信号光引起光纤的色散问题，将色散传递函数考虑进S21参数中，最终建立此模型。
根据信号传输速率与信道带宽之比，比值为1.5倍以内时，信道后端采用FFE均衡，利用LMS算法对均衡系数进行更新；比值为1.5倍到2.5倍时，信道后端采用FFE均衡，利用重新定义LMS算法中误差信号的NELMS算法对均衡系数进行更新；比值为2.5倍以上时，信道前端采用预加重，后端采用FFE均衡，利用NELMS算法对均衡系数进行更新。包括信道前端预加重，和信道后端FFE均衡，这其中预加重为2抽头结构，延时为1个符号周期T，所述FFE均衡为5抽头结构，延时均为1个符号周期T。发送NRZ信号，根据传输速率与信道带宽之比确定所使用的均衡结构和系数更新算法，比值为1.5倍以内时，信道后端采用FFE均衡，利用传统LMS算法对均衡系数进行更新；比值为1.5倍到2.5倍时，信道后端采用FFE均衡，利用NELMS算法对均衡系数进行更新；比值为2.5倍以上时，信道前端采用预加重，后端采用FFE均衡，利用NELMS算法对均衡系数进行更新。
本发明的实施例发射源采用在matlab中发送107bit 0、1随机数据，模拟NRZ调制格式，0电平值设为0，1电平值设为0.3，作为实施例信号经过均衡的期望输出信号d(n)，加入随机噪声和高斯白噪声模拟整体光电链路的噪声损伤，在此实施例中模拟FP激光器功率涨落引起的随机噪声和放大器高斯分布的散粒噪声和热噪声。实施例信号经过噪声和信道后得到的均衡输入信号x(n)，其根据d(n)和x(n)可得到均衡前信号的信噪比。
本发明的实施例的信道包括理奥通光电40G铌酸锂驱动放大器，FP激光器，高光特40G PD和光纤，将4部分的S参数模型通过ADS软件搭建光电联合仿真链路，如图2所示，这其中放大器和PD的S参数通过器件说明文件得到，FP激光器S参数在50mA调制电流，25℃情况下由矢网测得，传输信号光1310nm，实施例通过10km光纤，以下介绍如何得到光纤等效S参数模型。
取标准单模光纤插损为0.2dB/km，回损取20dB作为S11幅值特性，其色散对光纤在频域的传递函数为
其中z为光纤长度(km)，f为频率(Hz)，λ为信号光波长(nm)，D为光纤色散系数，本实施例中光纤通过1310nm和1550nm的信号波长光，其D值分别取3.5ps/(nm·km)和17ps/(nm·km)，仿真传递函数实部与插损值作为S21幅值特性，
作为S21相位特性。如图3所示为不同情况下光纤等效模型S21幅值特性曲线，(a)为10km光纤通过1310nm波长信号光，(b)为20km光纤通过1310nm波长信号光，(c)为10km光纤通过1550nm波长信号光，(d)为20km光纤通过1550nm波长信号光。
如图4所示为该实施例建立图2信道的整体S参数的S21幅值特性曲线，由此可知本发明实施例带均衡信道3dB带宽7.2GHz。保存此信道S参数文件，在MATLAB SerdesDesigner APP中，channel部件选择脉冲响应模式，导入上述S参数文件，得到实施例的时域脉冲响应函数，根据实施例仿真10Gbps，15Gbps，20Gbps情况，取脉冲响应时间间隔分别为100ps，62.5ps，50ps，构造速率仿真信道。
基于一种新误差信号(new error function)的LMS算法(NELMS)，基于此算法更新抽头系数的FFE结构图如图5所示，采用5抽头前向反馈均衡结构，改进的是LMS算法中的误差函数，其误差函数表达式为：
其中e(n)为误差信号，ω(n)为n时刻线性滤波器的抽头系数向量[ω0(n)ω1(n)…ωM-1(n)]，M为抽头数，d(n)为期望的均衡输出信号，x'(n)为不考虑噪声与其他损耗经过信道的均衡模拟输入信号。另外，其n时刻，均衡器实际输入信号x(n)和输出信号y(n)满足
第n+1时刻更新均衡抽头系数满足ω(n+1)＝ω(n)+2μe(n)[y(n)y(n-1)…y(n-M+1)]，其中μ为均衡算法收敛因子，实施例取0.6。符号延迟单元延时为一个符号周期T。
实施例采用的均衡方法，LMS-FFE，NELMS-FFE和同等情况下作为实施例对比的LMS-DFE(前向5抽头，反馈4抽头)的训练序列都是1000bit，总信号序列107bit，期望信号电平峰峰值0.3。
首先验证本发明NELMS算法，在实施例中，采用20Gbps速率NRZ调制，经过7.2GHz带宽信道，分别仅考虑FP出射光功率波动引起的随机噪声和放大器引起的高斯分布噪声。如图6所示为加入不同噪声均衡性能比较图，(a)为对仅含有随机噪声的均衡结果，(b)为对仅含有高斯分布噪声的均衡结果。由此可知，在高速率情况下，本发明提出的算法对实施例中的噪声均有均衡效果，且比传统LMS算法误码率低1个数量级，且能达到同样情况采用更复杂结构DFE的均衡效果。
如图7所示，10Gbps速率信号经过信道在不同信噪比情况下采用三种均衡方式，均衡结果相似，于是传输速率为其带宽的1.5倍以内时，采用传统的基于LMS算法的FFE均衡；
如图8所示，15Gbps速率情况下，发明公布的改进LMS算法的FFE均衡(NELMS-FFE)在同等情况下可与更复杂结构的DFE均衡效果一致，并能相比LMS-FFE的误码率结果降低1个数量级，所以当传输速率为其带宽的1.5倍至2.5倍时，采用NELMS-FFE均衡；
如图9所示，20Gbps速率情况下，以预加重和NELMS-FFE组合均衡在10dB信噪比及以上信道即可将均衡前误码率提升两数量级且比其他方法提高1数量级，所以当传输速率为其带宽的2.5倍以上时，采用预加重和NELMS-FFE组合。
综上所述，本发明采用NELMS算法的FFE均衡效果可达到同样情况更复杂结构的DFE均衡，其DFE均衡采用传统LMS算法更新滤波系数；预加重2抽头，FFE结构5抽头，均衡结构简单，均衡代价小；本发明所述的训练序列占总序列比小于百分之一，仅1000个数据，均衡收敛时间短；7.2GHz光电链路，发送20Gbps速率NRZ调制信号，在11dB信噪比情况下，采用预加重和基于NELMS算法的FFE组合均衡后，误码率从10-2降低到10-5以下。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据信号传输速率与信道带宽之比，比值为1.5倍以内时，信道后端采用FFE均衡，利用LMS算法对均衡系数进行更新；比值为1.5倍到2.5倍时，信道后端采用FFE均衡，利用重新定义LMS算法中误差信号的NELMS算法对均衡系数进行更新；比值为2.5倍以上时，信道前端采用预加重，后端采用FFE均衡，利用NELMS算法对均衡系数进行更新；
所述NELMS算法为基于误差信号的LMS算法。
2.根据权利要求1所述的均衡方法，其特征在于，所述NELMS算法重新定义LMS算法中的误差信号：
其中，e(n)为误差信号，ω(n)为n时刻线性滤波器的抽头系数向量[ω0(n)ω1(n)…ωM-1(n)]，M为抽头数，d(n)为期望的均衡输出信号，x'(n)为不考虑噪声经过信道的均衡模拟输入信号，h(n)为信道单位冲激响应。
3.根据权利要求2所述的均衡方法，其特征在于，通过信道各器件S参数确立信道宽度，得到信道频率响应；所述单位冲激响应通过信道频率响应逆傅里叶变换得到。
4.根据权利要求2所述的均衡方法，其特征在于，在通过搜索负梯度方向更新抽头系数：ω(n+1)＝ω(n)+2μe(n)[y(n)y(n-1)…y(n-M+1)]
其中，μ为LMS算法收敛因子，y(n)为输出信号。
5.根据权利要求4所述的均衡方法，其特征在于，所述的输出信号满足：
其中，x(n)为输入信号。
6.提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至5任一项所述的提升高速低信噪比光通信链路传输性能的均衡方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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