CN1627667B - 双二进制接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在光通信系统中适用于处理在传输链路上接收的光双二进制信号的光接收机。在一个实施例中，所述接收机具有连接到解码器的光电信号转换器。所述解码器处理由转换器产生的电信号以产生相应于光信号的比特序列。为了产生比特值，解码器需要使用抽样窗口积分所述电信号并将积分结果与判决门限值进行比较。在一个配置中，分别基于相应于光信号的眼图和噪声分布函数选择抽样窗口的宽度和判决门限值。有利地，本发明的实施例，例如，通过相应于所选误码率值提高色散容差和/或降低光功率，提高了整个背对背(即，源到目的地)系统的性能。

Description

双二进制接收机
技术领域
本发明涉及光通信设备，尤其是涉及用于处理光双二进制信号的设备。
背景技术
双二进制信令是在20世纪60年代年引入的，并从那时起就发现了在通信系统中的多种应用。例如，在出现在IEEE通信电子学报Vol.82(1963年5月)214-2128页中，由A.Lender著的文章中就解释了双二进制信令的原理，其教导在此引用作为参考。简要地，双二进制信令使用三个信号电平，例如，“+1”、“0”、“-1”。相应于这些电平其中一个的信号(即，双二进制符号)在每个信令间隔(时隙)期间被发送。双二进制信号典型地使用一定的变换规则从相应的二进制信号中产生。虽然两种信号都载有相同的信息，但是与二进制信号相比，双二进制信号的带宽可以降低两倍。此外，双二进制信号可以构造以具有一定的符号间相关(ISC)数据，这可以用来在接收机中实现纠错算法。
已经建议了多种不同的变换来从相应的二进制序列ak构造双二进制序列bk，其中k＝1，2，3，...。在上面所引用的Lender的文章中所描述的其中一种这样的变换如下面那样。对于任何特定的k＝m，当am＝0时，bm＝0。当am＝1时，bm等于+1或-1，其中bm的极性是基于bm的之前的非零符号bm-i的极性确定的，其中i是正整数。更具体来说，当i是奇数时，bm的极性与bm-i的极性相同；并且，当i是偶数时，bm的极性与bm-i的极性相反。由于这种变换的特性，双二进制序列在连续时隙的“+1”和“-1”电平之间没有变迁。只在(i)“0”和“+1”和(ii)“0”和“-1”电平之间发生变迁。从已知的bk中重新构造ak相对简单。更具体来说，当bm＝±1时，am＝1；和，当bm＝0时，am＝0。
在光通信系统中，双二进制编码典型地是使用在美国专利No.5867534中公开的载波光束相位调制来实现的，其教导在此引用作为参考。更具体来说，对于“0”比特来说，基本上不发射光。然而，“+1”和“-1”比特被分别作为具有+E和-E电场的光来发射，电场的相反极性对应于180度的相对光相移。虽然以此方式调制的光束在电场方面是三电平信号，但是在光功率方面它是两电平信号。基于双二进制信号的这种特性，“二进制”接收机可以适用于作为双二进制接收机。传统的二进制接收机可以简单地测量光功率。由于“+1”和“-1”双二进制状态都对应于光“on”，因此，二进制接收机可以将光双二进制输入信号通过测量光功率转换成电输出信号。然而，还是希望有专用的双二进制接收机，当代替常规二进制接收机应用在通信系统中时，其能够利用光双二进制编码的优点改善系统性能。
发明内容
根据本发明的原理，通过适用于处理经过光通信系统中的传输链路接收的光双二进制信号的光接收机可以解决现有技术中存在的问题.在一个实施例中，接收机具有连接到解码器的光电信号转换器.该解码器处理由转换器产生的电信号以产生相应于光信号的比特序列.为了产生比特值，解码器使用抽样窗口积分所述电信号，并将该积分结果与判决门限值进行比较.在一种配置中，抽样窗口的宽度和判决门限值是分别基于相应于光信号的眼图和噪声分布函数来选择的.有利地，本发明的实施例，例如通过降低相应于在光前置放大接收机中选择的误码率值的光功率电平，提高了整体背对背(即，源到目的地)的系统性能.
根据一个实施例，本发明是一种信号处理方法，包括：将光信号转换成具有相应于光信号的光功率的幅度的电信号；和使用抽样窗口抽样所述电信号以产生相应于光信号的比特序列，其中：所述抽样窗口具有一个宽度；电信号具有包括第一和第二多个波形的一连串的波形，其中第一多个波形的每一个波形代表二进制“0”和第二多个波形的每一个波形代表二进制“1”；每个波形在抽样窗口宽度上进行积分以产生相应的比特值；和选择抽样窗口宽度来降低第二多个波形对相应于第一多个波形的积分结果的影响。
根据另一个实施例，本发明是一个光接收机，包括：适用于将光信号转换成具有相应于光信号的光功率的幅度的电信号的信号转换器；和连接到信号转换器并适用于(i)使用抽样窗口抽样所述电信号和(ii)产生相应于光信号的比特序列的解码器，其中：抽样窗口具有一个宽度；所述电信号具有包括第一和第二多个波形的一连串波形，其中所述第一多个波形的每一个波形代表了二进制“0”，而第二多个波形的每一个波形代表了二进制“1”；每个波形在抽样窗口宽度上进行积分以产生相应的比特值；和选择抽样窗口宽度以降低第二多个波形对相应于第一多个波形的积分结果的影响。
附图说明
从下面的详细描述、所附的权利要求和附图中，本发明的其它方面、特点和优点将变的更完全明显，其中：
图1示出了适用于使用光双二进制编码的典型光通信系统的框图；
图2示出可以用于图1的系统中的典型接收机的框图；
图3A-D图示了由于光链路的失真影响而导致的光二进制和双二进制信号中的典型失真；
图4A-B分别示出了在图1系统中双二进制信号(10Gb/s)的典型眼图和相应的噪声分布函数；
图5示出了根据本发明的一个实施例可以用于图1的系统中的接收机的框图；和
图6-8图示比较了图1的系统的不同配置的性能特点。
具体实施方式
这里对“一个实施例”或“实施例”的参考，意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特点可以包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书的不同地方出现的措词“在一个实施例中”并不一定是指的同一个实施例，也不是互为排除其它实施例而分离的或可选的实施例。
图1示出了适用于使用光双二进制编码的典型光通信系统100。系统100具有经过传输链路连接到接收机108的双二进制发射机102，传输链路具有光纤104和一个或多个光放大器106。发射机102接收二进制序列ak并产生相应的光双二进制信号A(t)，其在接收机108作为信号S(t)接收.与信号A(t)相比，由于在光纤104中的色散(CD)和极化模式色散(PMD)和/或在放大器106中的放大噪声，信号S(t)会失真.接收机108将光信号S(t)转换成相应的电信号并处理该信号以产生相应于序列ak的二进制序列a′k。
例如，在下面的文章中可以找到用作发射机102的双二进制发射机的描述，(1)J.M.Gene等，IEEE Photonics Technology Letters，2002，Vol.14，P.843；(2)W.Kaiser等，IEEE Photonics TechnologyLetters，2001，Vol.13，P.884；(3)H.Kim和C.X.Yu，IEEE PhotonicsTechnology Letters，2002，Vol.14，P.1205；和(4)H.Bissessur，Electronics Letters，2001，vol.37，p.45，所有的这些教导在此引用作为参考。
图2示出了可以用作系统100中的接收机108的接收机200的框图。接收机200具有光电(O/E)信号转换器(例如，光电二极管)206，其将光信号S(t)转换成幅度与信号S(t)的光功率成比例的电信号S’(t)。解码器208例如通过在称作“抽样窗口”的每个比特长度的片断上积分来抽样信号S’(t)，并将积分结果与判决门限值进行比较。基于该比较，解码器208输出数字“1”或数字“0”的序列a′k。当适当选择抽样窗口的宽度和判决门限来最小化由于信号S’(t)中出现噪声和失真而产生的译码错误数量时，就实现了解码器208的最佳性能。
图3A-D图示了由于在光链路，例如，在系统100中的光纤104中的失真影响而导致的在光二进制和双二进制信号中的典型失真。然而，应当注意到，图3A-D所示的波形表示用于系统100的实际波形的简化图示。参考图3A-B，“101”二进制序列被映射到光域作为在光二进制NRZ(不归零)编码中的“+E，0，+E”(图3A)和作为光双二进制编码(图3B)中的“+E，0，-E”。色散的一个影响是展宽了光脉冲，如图3C-D所示的那样。如图3C所示，展宽的NRZ波形的光脉冲构造性地干扰了相应于光“0”的区域，从而在接收机中难以正确解码所述“0”。然而，如图3D所示，展宽的双二进制波形的光脉冲破坏性地干扰了相应于光“0”的区域，其可以在两个光“1”之间保留相对窄的“谷”并提高在接收机中正确解码所述“0”的机会。
图4A-B分别示出了在系统100中的信号S(t)(10Gb/s)的眼图和相应的噪声分布函数。参考图4A，眼图示出了可以在系统100中以相应于两个比特周期的时间间隔发射的不同波形。例如，具有集中在大约100ps相对宽的脉冲波形402相应于“010”二进制序列。相似地，具有集中在大约100ps相对窄谷的波形404相应于“101”二进制序列。本领域熟练技术人员应该理解到，图4A所示的其它波形相应于“111”、“110”、“100”、“000”、“001”、和“011”比特序列。参考图4B，在“传号”电平(即，相应于二进制“1”的电平)，总的噪声由在光放大器，例如，放大器106(图1)中的自发差拍噪声控制。在“空号”电平(即，相应于二进制“0”的电平)，总的噪声由热噪声控制。然而，在传号和空号电平之间的区域，通常存在相应于最小噪声分布函数的相对低的噪声概率。
如上所指出的，为了配置解码器208，必须选择抽样窗口的宽度和判决门限值。图4A-B图示了根据现有技术处理方法和本发明一个实施例作出的这些选择。更具体来说，抽样窗口A和B相应于现有技术配置的解码器208而抽样窗口D相应于根据本发明的一个实施例新配置的解码器。
在典型的现有技术配置中，抽样窗口具有相对大的宽度，例如，大于比特长度的30％.选择相对大的宽度的一个考虑是较长的积分时间典型地可以降低由于噪声平均值而产生的译码错误.一般认为设置相对窄的抽样窗口会降低噪声平均值的好处并不利地影响接收机200的性能.然而，对于由色散影响的信号，使用相对宽的抽样窗口将增加在“101”二进制段中由于零的错误解释而增加译码错误(参见图3C-D).同理，使用例如大于1的相对大的占空比值会由于无色散的信号而导致模拟译码错误(参见图4A).如下面所讨论的，通过简单地调整判决门限值尝试降低所述误差很大程度上是不起作用的.
再参考图4A，波形404在两个相对宽的脉冲之间具有相对窄的谷。抽样窗口A和B具有不同的判决门限值，但具有相同的宽度。如在图4A中看到的，当使用抽样窗口A时，相应于波形404的积分结果在相应于之前光“1”的下降沿的波形部分和相应于下一光“1”的上升沿的波形部分具有相对较大基值。这就增加了译码错误的可能性，因为，即使在没有噪声时，在判决门限值和波形404的积分结果之间的差额(gap)也是相对小的。那么噪声的影响很容易使得积分结果超过判决门限值，从而，引起波形404译码错误。另一方面，提高判决门限值到抽样窗口B的值将减小在判决门限值和波形402的无噪声的积分结果之间的差额。那么，信号自发差拍噪声的影响(图4B)就使得积分结果低于判决门限值，从而，引起波形402译码错误。在两种情况中，译码错误的数量相对较大。
如下面将要证明的，与通常期望的相反，通过根据信号的波形降低抽样窗口宽度并适当调整所述窗口宽度可以降低在解码器208中的双二进制信号的译码错误数量。例如，当抽样窗口D用于波形404(图4A)时，由相应于之前光“1”的下降沿的波形部分和相应于下一个光“1”的上升沿的波形部分对积分结果的影响与使用窗口A或窗口B时的配置相比明显减小。这就降低了由于在判决门限值和无噪声波形404的积分结果之间的差额相对较大而导致译码错误的可能性。因此，噪声的影响变得更难于使积分结果超过判决门限值，这就降低了译码错误的数量。此外，可以选择判决门限值本身来相应于没有从相邻光“1”的下降/上升沿产生相对较大补偿(penalty)的“低噪声”区域。因此，降低了噪声对于积分结果的整体影响。而且，在判决门限值和波形402的无噪声的积分结果之间的差额也变得相对大了。因此，信号自发差拍噪声(图4B)更难于使得所述积分结果低于判决门限值，这进一步降低了译码错误的数量。
在一种配置中，基于与图4A所示相似的眼图选择解码器208的抽样窗口D的宽度。例如，当由光脉冲展宽引起的占空比值或色散相对较大时，类似于波形404的波形的“零”谷变得相对窄。根据本发明的原理，选择甚至比“零”谷更窄的抽样窗口，例如，如图4A所示。在一个实施例中，抽样窗口D的宽度小于大约25％的比特长度或优选地固定为大约10％的比特长度。
图5示出了根据本发明一个实施例在系统100中可以用作接收机108的接收机500的框图。相似于图2的接收机200，接收机500适用于接收双二进制信号S(t)并将其转换成相应的二进制序列a′k。接收机500具有类似于接收机200的转换器206的O/E信号转换器506。解码器508抽样由转换器506产生的信号S’(t)，例如，使用相应于图4A的抽样窗口D的配置。为了提供一个合适的时间参考来调整抽样窗口，接收机500具有时钟恢复电路502和时钟乘法器504。电路502处理信号S’(t)来产生与信号S’(t)同步的第一时钟信号。时钟乘法器504倍乘第一时钟信号的频率并产生应用于解码器508的第二时钟信号。在接收机500的代表性配置中，第二时钟信号具有四倍于第一时钟频率的频率值。然后解码器508使用时钟脉冲相对信号S’(t)调整抽样窗口D。此外，可以基于在第二时钟信号中的脉冲间隔选择抽样窗口的宽度。本领域熟练技术人员将理解可以类似地使用其它同步技术。
图6-8图示比较了系统100的两种不同配置的性能特点。更具体来说，图6-7示出了在误码率(BER)为10-3时的色散容差，和图8示出了BER在信号S(t)的功率上的关系。在两种配置中，发射机102是基于工作在10Gb/s的比特率上的Mach-Zehnder调制器的发射机。在配置I中，接收机108是接收机500(图5)，其中第二时钟信号具有相应于四倍比特率的频率值。在配置II中，接收机108是接收机200(图2)，其具有(i)相应于图4所示抽样窗口A和B的宽度的抽样窗口宽度和(ii)设置为大约25％信号电平的判决门限值。
参考图6，对于系统100来说，配置I提供了关于在0到大约4000ps/nm的色散值的配置II大约1dB的光信噪(OSNR)增益。参考图7，配置I在具有在0到大约50ps的差分组延迟(DGD)的PMD影响的信号方面一直优于配置II。平均起来，配置I提高了大约20％的PMD容差。参考图8，对于选择的误码率值来说，配置I在接收机的光功率方面提供在配置II上的实际增益。例如，对于10-6的BER值来说，配置I相对于配置II降低了大约3dB的相应光功率。总之，本发明的实施例提高了色散容差并降低了在双二进制传输系统中相应于所选BER值的光功率，从而提高这种系统的整体背对背(即，源到目的地)的性能。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是这种描述并不意在于限制意义的解释。尽管本发明参考双二进制信号进行了描述，但是它也可以用来处理其它类型的信号，例如，高占空比二进制NRZ信号。本发明的各种所述实施例以及其它实施例的修改，对于本发明所属领域熟练技术人员来说是很明显的，都认为落入在下面的权利要求书所表述的本发明的原理和范围之内。
尽管在下面方法权利要求中的步骤，如果有，以相应标记的特定顺序进行叙述，但是除非权利要求叙述，否则暗含了完成那些步骤的一些或全部的特定顺序，那些步骤并不必须意在限制于以特定顺序来实现。
本发明可以基于电路处理来实现，包括可以在单片集成电路上实现。正如对本领域熟练技术人员显而易见的，电路元件的各种功能也可以如在软件程序中的处理步骤那样来实现。这种软件可以应用在，例如，数字信号处理器、微控制器、或通用计算机中。

Claims (9)

1.一种信号处理方法，包括：
将光信号转换成具有相应于光信号的光功率的幅度的电信号；和
使用抽样窗口抽样所述电信号来产生相应于光信号的比特序列，其中：
所述抽样窗口具有一个宽度；
所述电信号具有包括第一和第二多个波形的一连串波形，其中第一多个波形的每一个波形代表二进制“0”和第二多个波形的每一个波形代表二进制“1”；
在所述抽样窗口宽度上积分每个波形来产生积分结果；
将所述积分结果与判决门限值相比较以产生相应的比特值；
选择抽样窗口宽度为小于所述电信号中的比特长度以降低第二多个波形对相应于第一多个波形的积分结果的影响；
所述光信号是光双二进制信号；以及
所述抽样窗口宽度小于大约25％的比特长度。
2.根据权利要求1的方法，其中对于每个波形：
当积分结果大于或等于判决门限值时，比特值是二进制“1”；
当积分结果小于判决门限值时，比特值为二进制“0”；和
选择所述判决门限值以相应于与所述电信号中的传号电平和空号电平的均值不同的电平，以降低自发差拍噪声和热噪声对相应于第一和第二多个波形的积分结果的影响。
3.根据权利要求1的方法，其中基于所述光信号的眼图选择抽样窗口的宽度。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括：
基于所述电信号产生第一时钟信号；
倍乘第一时钟信号的频率以产生第二时钟信号；
使用第二时钟信号选择抽样窗口的宽度；和
基于第二时钟信号相对波形调整抽样窗口。
5.根据权利要求1的方法，其中基于相应于第二多个波形的占空比来选择所述抽样窗口宽度。
6.根据权利要求5的方法，其中所述占空比大于1。
7.根据权利要求1的方法，其中所述抽样窗口宽度为大约10％的比特长度。
8.一种光接收机，包括：
适用于将光信号转换成具有相应于光信号的光功率的幅度的电信号的信号转换器；和
连接到信号转换器并适用于(i)使用抽样窗口抽样所述电信号支和(ii)产生相应于光信号的比特序列的解码器，其中：
所述抽样窗口具有一个宽度；
所述电信号具有包括第一和第二多个波形的一连串波形，其中第一多个波形的每一个波形代表二进制“0”和第二多个波形的每一个波形代表二进制“1”；
所述解码器适用于：
在所述抽样窗口宽度上积分每个波形来产生积分结果；
将所述积分结果与判决门限值相比较以产生相应的比特值；和
选择抽样窗口宽度为小于所述电信号中的比特长度以降低第二多个波形对相应于第一多个波形的积分结果的影响；
所述光信号是光双二进制信号；以及
所述抽样窗口宽度小于大约25％的比特长度。
9.一种光通信系统，包括经过传输链路连接的光发射机和光接收机，其中所述光接收机包括：
适用于将从发射机经传输链路接收的光信号转换成具有相应于光信号的光功率的幅度的电信号的信号转换器；和
连接到信号转换器并适用于(i)使用抽样窗口抽样所述电信号和(ii)产生相应于光信号的比特序列的解码器，其中：
所述抽样窗口具有一个宽度；
所述电信号具有包括第一和第二多个波形的一连串波形，其中第一多个波形的每一个波形代表二进制“0”和第二多个波形的每一个波形代表二进制“1”；
所述解码器适用于：
在所述抽样窗口宽度上积分每个波形来产生积分结果；
将所述积分结果与判决门限值相比较以产生相应的比特值；和
选择抽样窗口宽度为小于所述电信号中的比特长度以降低第二多个波形对相应于第一多个波形的积分结果的影响；
所述光信号是光双二进制信号；以及
所述抽样窗口宽度小于大约25％的比特长度。
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