RU2713211C1 - Optical signal receiving device and method - Google Patents
Optical signal receiving device and method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713211C1 RU2713211C1 RU2019123173A RU2019123173A RU2713211C1 RU 2713211 C1 RU2713211 C1 RU 2713211C1 RU 2019123173 A RU2019123173 A RU 2019123173A RU 2019123173 A RU2019123173 A RU 2019123173A RU 2713211 C1 RU2713211 C1 RU 2713211C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- constellation
- block
- qpsk
- 64qam
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться для когерентного восстановления сигнала в системах, в которых сигнал представлен в виде нескольких компонент, каждая из которых модулирована форматом модуляции M-QAM таким, как QPSK, 16QAM или более высокоуровневыми форматами такими, как 64QAM или 256QAM, например, в волоконно-оптических системах, использующих форматы модуляции с двойной поляризацией DP M-QAM такие, как DP-QPSK, DP-16QAM или более высокоуровневые форматы такие, как DP-64QAM или DP-256QAM, в которых передаваемый оптический сигнал состоит из двух компонент, являющихся ортогонально поляризованными модами, каждая из которых модулирована форматом модуляции M-QAM, т.е. QPSK, 16QAM или более высокоуровневыми форматами такими, как 64QAM или 256QAM.The invention relates to optical communication technology and can be used for coherent signal reconstruction in systems in which a signal is represented as several components, each of which is modulated with an M-QAM modulation format such as QPSK, 16QAM or higher-level formats such as 64QAM or 256QAM for example, in fiber-optic systems using DP M-QAM dual polarization modulation formats such as DP-QPSK, DP-16QAM or higher-level formats such as DP-64QAM or DP-256QAM, in which the transmitted optical signal is consists of two components, which are orthogonally polarized modes, each of which is modulated by the M-QAM modulation format, i.e. QPSK, 16QAM or higher-level formats such as 64QAM or 256QAM.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Оптические сигналы активно используются в цифровых системах связи. В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) сигнал, генерируемый лазером, передается через оптическое волокно. Передаваемая информация накладывается на луч путем модуляции тока лазера или при помощи внешней модуляции луча путем прикладывания напряжения к модулятору, сопряженному с лазерным источником.Optical signals are actively used in digital communication systems. In fiber optic communication lines (FOCL), the signal generated by the laser is transmitted through the optical fiber. The transmitted information is superimposed on the beam by modulating the laser current or by using external beam modulation by applying voltage to a modulator coupled to the laser source.
К основным параметрам волокна, схематически изображенного на фиг. 1, относятся такие его параметры, как диаметр сердцевины 1, диаметр оболочки 2, оптические потери и длина, числовая апертура, пропорциональная синусу максимального угла между осью световода и лучом, введенным в световод, и корню разности квадратов коэффициентов преломления сердцевины и оболочки волокна. Сердцевина 1 и оболочка 2 волокна обеспечивают распространение излучения, а внешнее покрытие 3 предохраняет волокно от внешних воздействий. Волноводные свойства оптического волокна зависят не только от его параметров, но и от длины волны распространяющегося излучения. Чтобы учесть этот фактор, вводится нормированная частота, пропорциональная диаметру сердцевины волокна, числовой апертуре, и обратно пропрорциональная длине волны излучения, как описано в статье Е.М. Дианов, А.С. Курков, «Волоконная Оптика», журнал Физика, №23, 2006, которая включена здесь в качестве ссылки. Значение нормированной частоты определяет, в частности, модовый состав излучения в волокне. Мода соответствует устойчивому состоянию электромагнитного поля излучения, распространяющегося вдоль некоторой траектории внутри волокна. При значении нормированной частоты меньше 2.4 в волокне распространяется только одна мода, и такое оптическое волокно называется одномодовым. При значении нормированной частоты больше 2.4 появляются моды более высоких порядков, и такое волокно называется многомодовым.The main parameters of the fiber schematically depicted in FIG. 1, its parameters include
С появлением оптических усилителей широкое применение получил метод увеличения пропускной способности ВОЛС за счет одновременной передачи по волокну множества информационных каналов на спектрально разнесенных оптических сигналах, называемый уплотнением по длинам волн (Wave Division Multiplexing). В зависимости от интервала частот между каналами и числа каналов WDM устройства подразделяются на системы с разреженным спектральным уплотнением (coarse WDM (CWDM)), плотным спектральным уплотнением (dense WDM (DWDM)) и широким спектральным уплотнением (wide WDM (WWDM)), определенными в стандартах ITU G.671 и ITU G.694.1 международного союза электросвязи (ITU-International Telecommunication Unit). В литературе WDM устройства с интервалами между каналами 50ГГц и менее иногда называются устройствами сверхплотного спектрального уплотнения (High Dense WDM (HDWDM)).With the advent of optical amplifiers, the method of increasing the fiber-optic transmission bandwidth due to the simultaneous transmission of multiple information channels on spectrally separated optical signals through the fiber, called Wave Division Multiplexing, has become widely used. Depending on the frequency interval between the channels and the number of WDM channels, the devices are divided into systems with sparse spectral multiplexing (coarse WDM (CWDM)), dense spectral multiplexing (dense WDM (DWDM)) and wide spectral multiplexing (wide WDM (WWDM)), defined in ITU G.671 and ITU G.694.1 standards of the International Telecommunication Union (ITU-International Telecommunication Unit). In the WDM literature, devices with channel spacing of 50 GHz or less are sometimes referred to as High Dense WDM (HDWDM) devices.
Методы, используемые в волоконной оптической связи для восстановления передаваемого сигнала, можно разделить на категории прямого и когерентного детектирования. При прямом детектировании фотодетектор принимает оптический сигнал, использующий, например, такой формат модуляции, как On-Off keying (OOK), и преобразует его в электрический сигнал, представляющий мощность оптического сигнала, без возможности определения фазы или частоты несущей. В этом случае дальнейшее повышение скорости передачи данных достигается за счет использования двоичной дифференциальной фазовой модуляции DPSK, в которой кодируется информация о разности фаз между двумя соседними символами, а так же использования форматов модуляции более высокого порядка.The methods used in fiber optic communication to reconstruct the transmitted signal can be divided into categories of direct and coherent detection. In direct detection, the photodetector receives an optical signal using, for example, a modulation format such as On-Off keying (OOK), and converts it into an electrical signal representing the power of the optical signal, without the possibility of determining the phase or frequency of the carrier. In this case, a further increase in the data transfer rate is achieved through the use of DPSK binary differential phase modulation, which encodes information on the phase difference between two adjacent symbols, as well as the use of higher order modulation formats.
Ввиду появления в начале 90-х годов ХХ-го века эрбиевых волоконных усилителей и высокой цены оборудования системы когерентного детектирования не сразу нашли свое применение в волоконно-оптических линиях связи. Методы когерентного детектирования волоконно-оптических систем основаны на использовании амплитудных и фазовых модуляций высокого порядка, поляризационного мультиплексирования, когерентного детектирования локальным гетеродинным лазером, а так же высокоскоростных КМОП аналого-цифровых преобразователелей (АЦП). Скорость оцифровки данных таких АЦП сравнима со скоростью передачи данных в волоконно-оптических линиях связи, что позволяет использовать методы цифровой обработки сигналов для восстановления передаваемого сигнала. Когерентный прием сигнала позволяет детектировать сигналы очень низкой интенсивности, а так же восстанавливать информацию о фазе оптического сигнала, для чего требуется стабильная синхронизация по фазе и/или частоте между принятым оптическим сигналом и оптическим гетеродином (локальный осциллятор, ЛО, local oscillator, LO), используемым в когерентном приемнике, как описано для частного случая когерентного приемника для сигнала с одной поляризацией в патенте RU 2394377 С1 "КОГЕРЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК С УПРАВЛЕНИЕМ ПОСРЕДСТВОМ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И С ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ/КОРРЕКЦИЕЙ", который включен здесь в качестве ссылки. При когерентном детектировании принимаемый оптический сигнал смешивается с оптическим сигналом оптического гетеродина, за счет чего частота сигнала понижается с частоты оптической несущей (порядка 100 ТГЦ) до частоты обычно в несколько ГГЦ. Затем смешанные сигналы детектируются фотодетектором так, что фототок содержит компоненту на частоте fIF=fC-fLO разности между центральной частотой принятого сигнала fC и частотой fLO гетеродина. Эта разность известна как промежуточная частота (ПЧ, intermediate frequency, IF) и содержит всю информацию (амплитуду и фазу), передаваемую оптическим сигналом. Когерентные приемники видят только сигналы, близкие по длине волны к гетеродину, и поэтому при изменении длины волны гетеродина когерентный приемник работает аналогично настраеваемому фильтру.Due to the appearance of erbium fiber amplifiers in the early 90s of the 20th century and the high price of equipment, coherent detection systems did not immediately find their application in fiber-optic communication lines. The methods of coherent detection of fiber-optic systems are based on the use of high-order amplitude and phase modulations, polarization multiplexing, coherent detection by a local heterodyne laser, as well as high-speed CMOS analog-to-digital converters (ADCs). The data digitization rate of such ADCs is comparable to the data transfer rate in fiber-optic communication lines, which allows the use of digital signal processing methods to restore the transmitted signal. Coherent signal reception allows the detection of signals of very low intensity, as well as restoring information about the phase of the optical signal, which requires stable synchronization in phase and / or frequency between the received optical signal and the optical local oscillator (local oscillator, LO, local oscillator, LO), used in a coherent receiver, as described for the special case of a coherent receiver for a signal with one polarization in patent RU 2394377 C1 "CO-OPERATED OPTICAL RECEIVER WITH FEEDBACK CONTROL AND WITH Electrons compensation / correction ", which is incorporated herein by reference. In coherent detection, the received optical signal is mixed with the optical signal of the optical local oscillator, due to which the frequency of the signal is reduced from the frequency of the optical carrier (of the order of 100 THz) to a frequency of usually several GHz. The mixed signals are then detected by a photodetector so that the photocurrent contains a component at a frequency f IF = f C -f LO of the difference between the center frequency of the received signal f C and the frequency f LO of the local oscillator. This difference is known as an intermediate frequency (IF) and contains all the information (amplitude and phase) transmitted by the optical signal. Coherent receivers only see signals that are close in wavelength to the local oscillator, and therefore, when the local oscillator wavelength changes, the coherent receiver works similarly to a tunable filter.
Если частота сигнала и частота гетеродина равны, то метод детектирования называется «гомодинным», в противном случае метод детектирования называется «гетеродинным». Для гетеродинных систем промежуточная частота дожна быть, по меньшей мере, в два раза больше скорости передачи данных оптического сигнала. Гомодинный прием требует, чтобы сигнал гетеродина LO, был синхронизован по фазе с входным оптическим синалом, тогда как гетеродинное детектирование требует синхронизации с принятым сигналом по частоте. Хотя гомодинные системы могут обеспечивать более высокую чувствительность, чем гетеродинные системы, гомодинное детектирование предъявляет больше требований к своей реализации, в основном, вследствие строгого требования к фазовой синхронизации. При гетеродинном детектировании, поскольку ПЧ значительно меньше fC, вся информация может быть восстановлена при помощи стандартных методов демодуляции радио сигнала. При этом цифровая обработка сигнала (digital signal processing, DSP), основанная на когерентной оптической связи, дает существенные преимущества по производительности по сравнению с прямым детектированием. Необходимость новых форматов модуляций обусловлена характеристиками канала волоконно-оптических линий связи. При относительно низких скоростях передачи данных на уровне 10Гб/с формат модуляции ООК был вплоне допустим для работы DWDM систем с интервалом между каналами на уровне 50ГГц. Однако при скорости передачи данных 40Гб/с спектральная ширина сигнала уже в 4 раза больше для формата модуляции OOK, что приводит к потерям при интервале между каналами на уровне 50ГГц.If the signal frequency and the local oscillator frequency are equal, then the detection method is called "homodyne", otherwise the detection method is called "heterodyne". For heterodyne systems, the intermediate frequency must be at least twice the data rate of the optical signal. Homodyne reception requires that the LO LO signal is phase locked to the input optical sine, while LO detection requires synchronization with the received frequency signal. Although homodyne systems can provide higher sensitivity than heterodyne systems, homodyne detection poses more requirements for its implementation, mainly due to the strict requirement for phase synchronization. In heterodyne detection, since the IF is much less than f C , all information can be restored using standard methods for demodulating a radio signal. At the same time, digital signal processing (DSP), based on coherent optical communication, provides significant performance advantages over direct detection. The need for new modulation formats is due to the characteristics of the channel of fiber-optic communication lines. At relatively low data rates of 10 Gb / s, the OOK modulation format was generally acceptable for DWDM systems with a channel spacing of 50 GHz. However, at a data transfer rate of 40 Gb / s, the spectral width of the signal is already 4 times larger for the OOK modulation format, which leads to losses in the channel spacing of 50 GHz.
Ввиду бурного роста волоконно-оптических линий связи и необходимости большей пропускной способности значительные усилия направлены на исследования с целью поиска эффективных многоуровневых форматов модуляции. Любая цифровая схема модуляции использует конечное число различных сигналов для представления цифровых данных. Так фазовая модуляция (Phase-shift-keying, PSK) использует конечное число значений фазы, каждая из которых взаимооднозначно соответствует заданной последовательности бит.Обычно каждое значение фазы кодирует одинаковое количество бит, и каждая такая последовательность бит образует символ, заданный данным значением фазы. Демодулятор (demodulator), предназначенный для восстановления последовательностей символов, используемых модулятором (modulator), определяет фазу полученного сигнала и отображает ее в соответствующий ей символ, тем самым восстанавливая переданный сигнал. Приемник сравнивает фазу полученного сигнала с эталонным сигналом. Этот прием использует когерентное детектирование и носит название когерентной фазовой манипуляции (coherent phase shift keying, CPSK).Due to the rapid growth of fiber-optic communication lines and the need for more bandwidth, considerable efforts are directed to research with the aim of finding effective multi-level modulation formats. Any digital modulation scheme uses a finite number of different signals to represent digital data. So phase modulation (Phase-shift-keying, PSK) uses a finite number of phase values, each of which is one-to-one corresponds to a given sequence of bits. Usually each phase value encodes the same number of bits, and each such sequence of bits forms the character specified by this phase value. A demodulator designed to recover the sequences of characters used by a modulator determines the phase of the received signal and maps it to its corresponding symbol, thereby restoring the transmitted signal. The receiver compares the phase of the received signal with the reference signal. This technique uses coherent detection and is called coherent phase shift keying (CPSK).
Лазерный луч, распространяющийся в волокне, может быть представлен в виде двух поляризованных мод. Формат модуляции DP-QPSK (квадратурная фазовая манипуляция с двойной поляризацией, dual-polarization quarature phase-shift keying) использует две ортогональные поляризации лазерного луча, обозначаемых далее X и Y, каждая из которых модулирована форматом QPSK, и таким образом, кодирует четыре бита на символ. Это уменьшает спектральную ширину сигнала, делая спектрально-эффективный формат DP-QPSK пригодным для DWDM систем с интервалами между каналами на уровне 50ГГц. Этот формат был рекомендован Форумом по Взаимодействию Оптических Сетей (Optical Internetworking Forum, OIF) в качестве формата модуляции данных в 100Гб/с волоконно-оптических системах.A laser beam propagating in a fiber can be represented as two polarized modes. The modulation format DP-QPSK (quadrature phase shift keying with double polarization, dual-polarization quarature phase-shift keying) uses two orthogonal polarizations of the laser beam, denoted below by X and Y, each of which is modulated by the QPSK format, and thus encodes four bits per symbol. This reduces the spectral width of the signal, making the spectrally efficient DP-QPSK format suitable for DWDM systems with channel spacing of 50 GHz. This format was recommended by the Optical Internetworking Forum (OIF) as a data modulation format in 100Gb / s fiber optic systems.
В последние годы большое внимание уделяется высокоуровневым форматам модуляции таким, как 16-QAM и 64-QAM, способным обеспечить достижение высоких скоростей передачи данных в оптическом сигнале при высокой спектральной эффективности. Сочетание расширенных DP М-QAM форматов модуляции таких, как DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, в которых оптический сигнал может быть представлен в виде двух поляризованных мод, каждая из которых модулирована форматами M-QAM, т.е. такими как, 16QAM, 64QAM и 256QAM соответственно, с методами спектральной фильтрации (spectral shaping) и помехоустойчивого кодирования FEC (forward error correction) является необходимым требованием для достижения высокой спектральной эффективности оптических систем связи.In recent years, much attention has been paid to high-level modulation formats such as 16-QAM and 64-QAM, capable of achieving high data rates in an optical signal with high spectral efficiency. A combination of advanced DP M-QAM modulation formats such as DP-QPSK, DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, in which the optical signal can be represented as two polarized modes, each of which is modulated with M-QAM formats, t .e. such as 16QAM, 64QAM and 256QAM respectively, with spectral shaping and forward error correction (FEC) coding methods is a necessary requirement to achieve high spectral efficiency of optical communication systems.
Схема когерентного приемника оптического сигнала, описанного в публикации Seb J. Savory, "Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September/October 2010, которая включена здесь в качестве ссылки, схематически изображенная на фиг. 2, включает в себя четыре ключевые подсистемы:Scheme of a coherent optical signal receiver described in Seb J. Savory, "Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September / October 2010, which is incorporated herein by reference, schematically depicted in FIG. 2, includes four key subsystems:
1) Оптический блок 4 обработки оптического входного оптического сигнала 5, называемый когерентным оптическим приемником (coherent optical receiver).1) The
2) Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, Analog to Digital Converter, ADC) 6.2) Analog-to-digital converter (ADC, Analog to Digital Converter, ADC) 6.
3) Цифровой демодулятор (digital demodulator) 7, преобразующий оцифрованные отсчеты сигналов с АЦП в набор сигналов с частотой следования символов.3) Digital demodulator (digital demodulator) 7, which converts the digitized samples of signals from the ADC into a set of signals with a symbol repetition rate.
4) Внешний приемник (outer receiver) 8, включающий блок коррекции ошибок. Оптический блок 4 обработки входного оптического сигнала 5 предназначен для линейного отображения оптического поля в набор электрических сигналов. Этот блок часто реализуется согласно схеме, изображенной на фиг. 3, включающей поляризационный делитель пучка (ПДП, polarization beam splitter, PBS) 9, делящий оптический сигнал 5 на две компоненты 10 и 11, гетеродин 12, делитель мощности 13, делящий сигнал гетеродина 12 на две компоненты 14 и 15, два 90° гибрида (90° hybrid, 90 degree hybrid) 16 и 17, каждый из которых смешивает компоненту 10 и 11 соответственно с выхода поляризационного делителя 9 и компоненту 14 и 15 соответственно с выхода делителя мощности 13, за счет чего частота сигнала понижается с частоты оптической несущей до ПЧ, балансные фотодетекторы 18-21, на которые поступают сигналы с выходов 90° гибридов 16 и 17. Примером такого оптического блока может служить когерентный приемник (coherent receiver), описанный в патенте US 8295713 В2 "DUAL STAGE CARRIER PHASE ESTIMATION IN A COHERENT OPTICAL SIGNAL RECEIVER", который включен здесь в качестве ссылки.4) External receiver (outer receiver) 8, including the block error correction. The
Существуют разные варианты реализации 90° гибрида, например, описанные в публикации М. Seimetz; С.-М. Weinert "Options, Feasibility, and Availability of 2×4 90° Hybrids for Coherent Optical Systems" JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 3, MARCH 2006, которая включена здесь в качестве ссылки. Одна из возможных реализаций 90° гибрида состоит в использовании системы 3-дБ ответвителей (3-dB coupler) 22 с дополнительной фазовой задержкой 23 на девяносто градусов в одной из ветвей, как показано на фиг. 4. Ответвитель 22 состоит из двух параллельных волноводов 24, 25, расположенных достаточно близко друг к другу, так что возможен обмен энергиями между ними. Для математического описания таких устройств используется матрица преобразования (transfer matrix), как описано, например, в книге Massood Tabib-Azar "Integrated Optics, Microstructures, and Sensors", Kluwer Academic Publishings, Boston, MA (1995), которая включена здесь в качестве ссылки.There are various options for the implementation of the 90 ° hybrid, for example, described in the publication M. Seimetz; CM. Weinert "Options, Feasibility, and Availability of 2 × 4 90 ° Hybrids for Coherent Optical Systems" JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 3, MARCH 2006, which is incorporated herein by reference. One possible implementation of the 90 ° hybrid is to use a 3-
Электрические сигналы с балансных фотодекторов 18-21 поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 26-29 блока 6, изображенного на фиг. 5. Аналого-цифровые преобразователи 26-29 блока 6 преобразуют с частотой оцифровки электрические сигналы в набор дискретных по времени квантованных сигналов: АЦП 26 преобразует электрический сигнал с выхода фотодетектора 18, АЦП 27 преобразует электрический сигнал с выхода фотодетектора 19, АЦП 28 преобразует электрический сигнал с выхода фотодетектора 20, АЦП 29 преобразует электрический сигнал с выхода фотодетектора 21. Высокоскоростные АЦП позволяют оцифровывать сигнал со скоростью, достаточной для полного восстановления передаваемых данных. При передаче данных со скоростью S символов в секунду минимальная скорость оцифровки равна S герц. Асинхронная оцифровка, позволяющая восстановить частоту и фазу следования символов, требует скорости оцифровки 2S. Частота следования символов передатчика как правило отличается от частоты оцифровки АЦП приемника, но может быть восстановлена интерполяцией и передескритезацией оцифрованного сигнала, выполняемых в блоке 30 цифрового демодулятора 7, следующего за блоком АЦП. На фиг. 5 изображено расположение подсистем блока демодулятора 7 для одной из возможных реализаций, как описано в публикации Seb J. Savory, "Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September/October 2010.Electrical signals from balanced photodetectors 18-21 are fed to the inputs of analog-to-digital converters 26-29 of
Оптические сигналы, получаемые приемником через стандартную линию оптоволоконной связи, искажены эффектами хроматической дисперсии (ХД, chromatic dispersion, CD), поляризационной модовой дисперсии (ПМД, polarization mode dispersion, PMD), вращения углов поляризации и поляризационными потерями (polarization dependent losses, PDL). Поляризационные эффекты в волокне приводят к вращению поляризаций луча так, что на приемнике они уже не ортогональны и не совпадают с направлениями поляризационного делителя пучка 9. В результате поляризации на выходе поляризационного делителя пучка 9 содержат энергии обеих поляризаций передаваемого сигнала, включая искажения такие, как ХД и ПМД. Ввиду того, что каждая из поляризаций передаваемого сигнала содержит соотвестствующие передаваемые данные, необходимо не только компенсировать искажения, обусловленные такими эффектами, как хроматическая дисперсия и поляризационно модовая дисперсия, но и отделить эти сигналы данных один от другого. Цель цифровой когерентной технологии заключается в одновременном получении и амплитуды, и фазы модулированного сигнала для каждой из поляризованных мод переданного сигнала так, что может быть использован линейный цифровой коменсатор с конечной импульсной характеристикой (КИХ, finite impulse response, FIR) для выполнения компенсации хроматической дисперсии, восстановления поляризации и компенсации поляризационной модовой дисперсии в электрическом домене.Optical signals received by the receiver through a standard fiber-optic communication line are distorted by the effects of chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD), rotation of polarization angles and polarization losses (PDL) . The polarization effects in the fiber lead to the rotation of the beam polarizations so that they are no longer orthogonal at the receiver and do not coincide with the directions of the
Блок цифрового демодулятора, изображенный на фиг. 5, помимо блока интерполяции и передискретизации 30, может включать в себя такие блоки, как блок 31 устранения задержек между сигналами разных каналов (deskew) и ортогонализации (orthogonalization); блок 32 статической компенсации искажений сигнала таких, как хроматическая дисперсия (ХД, chromatic dispersion, CD); блок 33 динамической компенсации изменяющихся во времени эффектов таких, как вращение поляризации (polarization rotation) и поляризационная модовая дисперсия (ПМД, polarization mode dispersion, PMD), выходной сигнал которого, представляет собой отделенные друг от друга компоненты, поляризованные моды, переданного сигнала с нескомпенсированными отклонениями частоты и фазы несущей; блок 34 восстановления частоты несущей; блок 35 восстановления фазы несущей, выходной сигнал которого представляет собой сигналы созвездия для каждой из поляризованных мод, переданного сигнала с восстановленными частотой и фазой несущей.The digital demodulator unit shown in FIG. 5, in addition to the interpolation and
Как видно из фиг. 5, существует множество различных обратных связей между блоками когерентного приемника. Некоторые из них, например, связь между фазой и частотой несущей 36 являются естественными, другие зависят от используемых алгоритмов. Например, обратные связи 37 для оценок символов и декодированных данных требуются для алгоритмов с использованием данных об информационном потоке (data aided, DA), но не для слепых алгоритмов. Аналогично, для синхронной оцифровки данных с символьной скоростью требуется обратная связь 38 от блока интерполяции и передискретизации 30 к блоку аналого-цифрового преобразователя 6, не требующаяся при асинхронной дискретизации сигналов. Другие возможные обратные связи включают обратную связь 39 от блока динамического эквалайзера 33 к блоку статического эквалайзера 32, обратную связь 40 от блока восстановления частоты несущей 34 к блоку гетеродина 12, а так же обратную связь 41 от блока восстановления фазы несущей 35 к блоку динамического эквалайзера 33.As can be seen from FIG. 5, there are many different feedbacks between blocks of a coherent receiver. Some of them, for example, the relationship between phase and
Функция блока внешнего приемника состоит в оптимальном декодировании демодулированных сигналов для получения наилучшей оценки последовательности бит, закодированных на передатчике. Это может осуществляться в форме опережающей коррекции ошибок с мягким принятием решений (soft-decision forward error correction) или оценки символов с последующей опережающей коррекцией ошибок с жестким принятием решений. Такой блок, схематически изображенный на фиг. 6, может включать блоки вычисления жестких (hard decisions, HD) или мягких (soft decisions, SD) решений 42 и 43, декодеры 44 и 45, например, декодеры на основе LDPC кодов (Low-density parity check code, код с малой плотностью проверок на четность), вычисляющие последовательности бит 46 и 47, переданных по каналу связи, которые далее могут быть использованы в блоке 48 для декодирования переданного пакета данных, например, в формате OTU-4 (Optical Transport Unit, Оптический Транспортный Блок), как описано в статье С-S. Choi, Н. Lee, N. Kaneda, Y.-K. Chen, "Concatenated Non-Binary LDPC and HD-FEC Codes for 100Gb/s Optical Transport Systems", 2012 IEEE International Symposium on Circuits and Systems, которая включена здесь в качестве ссылки, а так же возвращающие оценки 37 символов для блока демодуляции 7.The function of the external receiver unit is to optimally decode the demodulated signals to obtain the best estimate of the sequence of bits encoded at the transmitter. This can be done in the form of forward error correction with soft decision making (soft-decision forward error correction) or character evaluation followed by advanced error correction with hard decision making. Such a block, shown schematically in FIG. 6 may include hard decision (HD) or soft decision (SD) calculation blocks 42 and 43,
Ортогонализация, выполняемая в блоке 31, предназначена для компенсации диспропорций (imbalance) амплитуд и фаз демодулируемых сигналов, возникающих как вследствие неидеальностей 90° гибридов 16 и 17, так и других факторов таких, как неточная настройка поляризационного делителя пучка 9 или отклонения в чувствительности фотодиодов. Такая ортогонализация может быть выполнена, например, при помощи процесса Грама-Шмидта (Gram-Schmidt process), описанного в публикации I. Fatadin, Seb J. Savory and D. Ives "Compensation of Quadrature Imbalance in an Optical QPSK Coherent Receiver", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 20, NO. 20, OCTOBER 15, 2008, которая включена здесь в качестве ссылки, для действительных сигналов. Этот алгоритм может быть обобщен на случай комплексных сигналов. Пусть rX и rY - оцифрованные сигналы двух поляризаций X и Y соответственно, поступающие на вход блока 31. Ортонормированный сигнал X для сигнала rX записывается в формеOrthogonalization performed in
где Е{} означает среднее значение, а обозначает комплексно-сопряженную величину.where E {} means the average value, and denotes a complex conjugate.
Тогда ортонормированный сигнал Y для rY записывается, какThen the orthonormal signal Y for r Y is written as
гдеWhere
так чтоso that
Как легко видеть, для сигналов X и Y выполняется условиеIt is easy to see that for signals X and Y the condition
ортогональности сигналов. Таким образом, ортогонализация в блоке 31 может быть выполнена следующим образом:orthogonality of signals. Thus, orthogonalization in
Хроматическая дисперсия сигнала E(z, t)=[EX(z, t), EY[z, t)]T, где t - время, a z - координата вдоль волокна, в отсутствии нелинейных эффектов может быть описана дифференциальным уравнениемChromatic dispersion of the signal E (z, t) = [E X (z, t), E Y [z, t)] T , where t is time, az is the coordinate along the fiber, in the absence of nonlinear effects can be described by the differential equation
гдеWhere
а β2 - дисперсия групповой задержки (group delay dispersion, GDD), приблизительно равная - 21nc2/км для стандартного одномодового волокна, J - мнимая единица. Решение уравнения (7) для длины волокна Ltotal дает, что поэтому переданный сигнал может быть восстановлен из сигнала, искаженного хроматической дисперсией. Как показано в публикации S. J. Savory, "Digital filters for coherent optical receivers", Opt. Exp., vol. 16, no. 2, pp. 804-817, 2008, которая включена здесь в качестве ссылки, для принятого сигнала, оцифрованного с интервалом TADC секунд, переданный сигнал может быть восстановлен при помощи фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ, finite impulse response, FIR), чьи коэффициенты hcd[k] заданы величинамиand β 2 is the group delay dispersion (GDD), approximately equal to 21nc 2 / km for a standard single-mode fiber, J is the imaginary unit. The solution of equation (7) for the fiber length L total gives that therefore, the transmitted signal can be reconstructed from a signal distorted by chromatic dispersion. As shown in SJ Savory, "Digital filters for coherent optical receivers", Opt. Exp., Vol. 16, no. 2, pp. 804-817, 2008, which is incorporated herein by reference, for a received signal digitized at an interval of T ADC seconds, the transmitted signal can be reconstructed using a filter with finite impulse response (FIR), whose coefficients are h cd [k] are given by
где N - число отсчетов, заданных соотношением , а ρ=2πβ2Ltotal/T2 ADC.where N is the number of samples given by , and ρ = 2πβ 2 L total / T 2 ADC .
Хотя фильтр для компенсации дисперсии может быть так же реализован с использованием более короткого фильтра с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ, infinite impulse response, IIR), как показано в публикации G. Goldfarb and G. Li, "Chromatic dispersion compensation using digital IIR filtering with coherent detection," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 19, no. 13, pp. 969-971, Jul. 1, 2007, которая включена здесь в качестве ссылки, КИХ реализация часто более предпочтительна, поскольку она может быть эффективно реализована в частотном домене, например, с использованием метода перекрытия-добавления (overlap-add method), как описано, например, в публикации М. Kuschnerov, F. Hauske, K. Piyawanno, В. Spinnler, М. Alfiad, A. Napoli, and В. Lankl, "DSP for coherent single-carrier receivers," J. Lightw. Technol., vol. 27, no. 16, pp. 3614-3622, Aug. 15, 2009, которая используется здесь в качестве ссылки. Схемы компенсации хроматической дисперсии во временном 49 и частотном 50 доменах показаны на фиг. 7. Для блока 32, реализованного в виде схемы 49, компенсация хроматической дисперсии в сигналах для Х и Y поляризаций выполняется при помощи фильтров 51 и 52 соответственно. Для блока 32, реализованного в виде схемы 50, сигналы для X и Y поляризаций переводятся из временного домена в частотный при помощи FFT (Fast Fourier Transform, Быстрое Преобразование Фурье, БПФ) фильтров 53 и 54 соответственно, выполняется компенсация хроматической дисперсии этих сигналов фильтрами 55 и 56 соответственно, после чего сигналы опять переводятся из частотного во временной домен при помощи IFFT (Inverse Fast Fourier Tranform, Обратное Быстрое Преобразование Фурье, ОБПФ) фильтров 57 и 58 соответственно.Although a filter for dispersion compensation can also be implemented using a shorter filter with an infinite impulse response (IIR), as shown in G. Goldfarb and G. Li, "Chromatic dispersion compensation using digital IIR filtering with coherent detection, "IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 19, no. 13, pp. 969-971, Jul. 1, 2007, which is incorporated herein by reference, a FIR implementation is often preferable because it can be efficiently implemented in the frequency domain, for example, using the overlap-add method, as described, for example, in publication M Kuschnerov, F. Hauske, K. Piyawanno, B. Spinnler, M. Alfiad, A. Napoli, and B. Lankl, "DSP for coherent single-carrier receivers," J. Lightw. Technol., Vol. 27, no. 16, pp. 3614-3622, Aug. 15, 2009, which is used here as a reference. Chromatic dispersion compensation schemes in the
Блок 33 динамического эквалайзера может быть реализован с использованием набора четырех фильтров, показанных на фиг. 8, как описано, например, в патенте WO 2009/070881 A1 "SIGNAL EQUALIZER IN A COHERENT OPTICAL RECEIVER", который включен здесь в качестве ссылки. Динамический эквалайзер 33 выполняет преобразование сигнала при помощи обратной матрицы Джонса канала (inverse-Jones matrix of the channel), задаваемое соотношениямиThe
где hXX[k], hXY[k], hYX[k] - коэффициенты КИХ фильтров 59-62 длины N, 63 и 64 - сумматоры сигналов на выходах фильтров 59, 60 и 61, 62 соответственно, и - скользящие блоки N отсчетов поляризованных мод сигналаwhere h XX [k], h XY [k], h YX [k] are the coefficients of the FIR filters 59-62 of length N, 63 and 64 are the adders of the signals at the outputs of the
а - значения сигналов поляризаций на выходе эквалайзера 33. Коэффициенты фильтров 59-62 вычисляются обычно при помощи адаптивных алгоритмов, показанных на фиг. 8 в виде блока 65, на вход которого поступают сигналы с выходов сумматоров 63, 64, оценки символов по обратной связи 37 и символы 41 после компенсации частоты и фазы несущей с выхода блока 35. Коэффициенты фильтров 59-62 могут вычисляться согласно алгоритму стохастического усредненного градиента (stochastic gradient algorithm)a - the values of the polarization signals at the output of the
где μ - коэффициент, определяющий скорость сходимости алгоритма, величины εX[k] и εY[k] сигналы ошибок (error signals), управляющие алгоритмом адаптации фильтров, а обозначает операцию комплесного сопряжения и транспонирования вектора , как показано, например, в статье T.F. Portela et. al., "Analysis of Signal Processing Techniques for Optical 112 Gb/s DP-QPSK Receivers with Experimental Data", Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, Vol. 10, No. 1, June 2011, которая включена здесь в качестве ссылки. Так, для QPSK формата модуляции для вычисления величин εX и εY широко используется алгоритм слепого выравнивания (constant modulus algorithm, СМА) для слепого восстановления QPSK сигнала, предложенный Годардом, изложенный в статье D.N. Godard, "Self-recovering equalization and carrier tracking in two-dimensional data communication systems", IEEE Trans. Communications, Vol. Com-28, Nov. 11, 1980, pp. 1867-1875, которая включена здесь в качестве ссылки. В этом случае для сигнала для поляризаций X и Y минимизируются ошибкиwhere μ is the coefficient determining the convergence rate of the algorithm, the quantities ε X [k] and ε Y [k] are error signals that control the filter adaptation algorithm, and denotes the operation of complex conjugation and transposition of the vector as shown, for example, in TF Portela et. al., "Analysis of Signal Processing Techniques for
где - абсолютные значения компонент сигнала после компенсации искажений и восстановления поляризаций переданного сигнала, а сигнал каждой из поляризаций нормирован и имеет единичную энергию. На фиг. 9 показана диаграмма созвездия (constellation diagram) QPSK после выполнения алгоритма слепого выравнивания. В управляемом решением компенсаторе (Decision Directed Equalizer, DD-EQ) сигналы xr[k] и yr[k] 41 с выхода блока 35, представляющие собой сигналы xout[k] и yout[k] со скомпенсированными частотой и фазой несущей, и оценки переданных символов 37 поступают на контур принятия решений 65 такой, что минимизируются ошибкиWhere - absolute values of the signal components after distortion compensation and restoration of polarizations of the transmitted signal, and the signal of each of the polarizations is normalized and has a unit energy. In FIG. Figure 9 shows the QPSK constellation diagram after running the blind alignment algorithm. In a solution-controlled equalizer (Decision Directed Equalizer, DD-EQ), the signals x r [k] and y r [k] 41 from the output of
Оценки и могут быть получены как при помощи декодирования мягких решений 42, 43 декодерами 44 и 45, так и вычислением жестких решений 42 и 43, например, при помощи стандартной прямоугольной решетки областей решений созвездия (standard rectilinear grid of decision regions in the constellation), дающей в случае созвездия QPSK оценки символов 37:Grades and can be obtained both by decoding
где функция csgn(x) задается формулойwhere the function csgn (x) is given by the formula
Сходимость этого решения к правильному решению гарантируется, если предварительно используется алгоритм слепого выравнивания для приближения значений отсчетов фильтров блока 33 динамической компенсации искажений сигнала к требуемому миниму.The convergence of this solution to the correct solution is guaranteed if the blind alignment algorithm is previously used to approximate the filter sample values of the dynamic
В отличие от вышеперечисленных слепых (blind) алгоритмов, в компенсаторе на основе обучающей последовательности (training based equalizer) блок 65 эквалайзера 33 настраивается известной обучающей последовательностью 66 такой, что эквалайзер имеет полную информацию о переданных данных. При этом так же предполагается, что полоса частот лазера достаточно мала, так что фаза несущей может считаться постоянной на протяжении обучающей последовательности. В этом случае, если для поляризаций X и Y были переданы последовательности символов sX и sY соответственно, то компенсатор минимизирует функцииIn contrast to the above blind algorithms, in the equalizer based on the training sequence (training based equalizer), the
Для такого высокоуровневого формата модуляции, как 16QAM, алгоритм слепого выравнивания QPSK формата может быть обобщен, если заметить, что точки сигнального созвездия 16QAM могут быть разбиты на три группы, точки каждой из которых лежат на окружности одного радиуса с центром в центре созвездия, как показано на фиг. 10: группа 67 включает точки группа 68 включает точки а группа 69 - точки Таким образом, созвездие 16QAM содержит три группы, причем группы 67 и 69 содержат по четыре точки, образующие QPSK созвездия с разными амплитудами. В этом случае предлагается сначала использовать обычный алгоритм СМА для предобработки сигнала для обеспечения правильных начальных условий для сходимости алгоритма адаптивной коррекции искажений сигнала, а затем использовать для каждой компоненты поляризации управляемый радиусом компенсатор искажений (radially directed equalizer), величина ошибки которого вычисляется какFor a high-level modulation format such as 16QAM, the QPSK format blind alignment algorithm can be generalized if you notice that the points of the 16QAM signal constellation can be divided into three groups, the points of each of which lie on a circle of the same radius centered at the center of the constellation, as shown in FIG. 10:
где rX=|xout| для поляризации X, и rY=|yout| для поляризации Y, сигнал каждой из поляризаций нормирован и имеет единичную энергию, а радиус R0 задается следующими условиями:where r X = | x out | for the polarization X, and r Y = | y out | for polarization Y, the signal of each of the polarizations is normalized and has unit energy, and the radius R 0 is given by the following conditions:
Диаграмма созвездия 16QAM после выполнения алгоритма управляемого радиусом компенсатора искажений показана на фиг. 11. Как отмечено в работе Seb J. Savory, "Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September/October 2010, управляемый решением компенсатор (14) так же может быть использован для формата 16QAM при условии, что сначала сигнал пред обрабатывается либо алгоритмом слепого выравнивания (13), либо алгоритмом управляемого радиусом компенсатора (18). Как и в случае созвездия QPSK, оценки могут быть получены как при помощи декодирования мягких решений 42, 43 декодерами 44 и 45, так и вычислением жестких решений 42 и 43, например, при помощи функции csgn16QAM(x), определяемой стандартной прямоугольной решеткой областей решений созвездия (standard rectilinear grid of decision regions in the constellation),The diagram of the 16QAM constellation after executing the radius-controlled distortion compensator algorithm is shown in FIG. 11. As noted by Seb J. Savory, “Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September / October 2010, the compensator (14) controlled by the solution can also be used for the 16QAM format, provided that the signal is first processed either by the blind alignment algorithm (13) or by the radius-controlled compensator algorithm (18). As with the QPSK constellation, estimates can be obtained both by decoding
как описано в статье I. Fatadin, D. Ives, and Seb J. Savory, "Blind Equalization and Carrier Phase Recovery in a 16-QAM Optical Coherent System", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 27, NO. 15, AUGUST 1, 2009, которая включена здесь в качестве ссылки.as described in I. Fatadin, D. Ives, and Seb J. Savory, "Blind Equalization and Carrier Phase Recovery in a 16-QAM Optical Coherent System", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 27, NO. 15, AUGUST 1, 2009, which is incorporated herein by reference.
Компенсатор на основе обучающей последовательности (17) так же может быть использован для формата 16QAM.A training sequence based compensator (17) can also be used for the 16QAM format.
Для более высокоуровневых форматов модуляции таких, как 64QAM и 256QAM, требуется разработка своего метода адаптивной коррекции искажений сигнала. Поэтому одной из важных проблем в разработке когерентного приемника оптического сигнала является поиск подходящего метода для адаптивной коррекции искажений для высокоуровневых форматов модуляции. В работе Seb J. Savory, "Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September/October 2010 предлагается раздельная реализация блоков восстановления частоты 34 и фазы 35 несущей, так как это не только уменьшает величину фазы, необходимой для отслеживания системой восстановления несущей, но и улучшает эффективность восстановления несущей, поскольку многие схемы восстановления фазы дают несмещенную оценку лишь при нулевой ошибке частоты несущей. Если сигнал на выходе блока 33 имеет формуFor higher-level modulation formats such as 64QAM and 256QAM, the development of its own method of adaptive correction of signal distortions is required. Therefore, one of the important problems in the development of a coherent optical signal receiver is the search for a suitable method for adaptive distortion correction for high-level modulation formats. In Seb J. Savory, "Digital Coherent Optical Receivers: Algorithms and Subsystems.", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, no. 5, September / October 2010, a separate implementation of
где Tsym - интервал следования символов, - сигнал на входе блока восстановления несущей, - сигнал переданных символов созвездия, а φ[k] и Δƒ - фаза и частота несущей, то задача блока 34 состоит в оценке величины Δƒ, а блока 35 - в оценке величины φ[k]. При этом полученные значения фазы могут использоваться по обратной связи 36, показанной на фиг. 5, для определения частоты несущей. В этой же работе предлагается ряд методов восстановления частоты и фазы несущей для формата модуляции QPSK, основанных на возведении сигнала в четвертую степень, устраняющем модуляцию сигнала. Так частотаwhere T sym is the character spacing, - signal at the input of the carrier recovery unit, is the signal of the transmitted constellation symbols, and φ [k] and Δƒ is the phase and frequency of the carrier, then the task of
несущей может быть оценена по формулеcarrier can be estimated by the formula
или формуле с обратным порядком операцийor a reverse order formula
где μ - коэффициент сходимости (convergence factor). На фиг. 12 показаны схемы восстановления частоты несущей, соответствующие алгоритмам (22) и (23). В случае алгоритма (22) сигнал возводится в четвертую степень 70, сигнал на выходе задержки 71 возводится в четвертую степень в блоке 72 и после операции комплексного сопряжения в блоке 73 перемножается с сигналом, полученным в блоке 70, после чего выполняется суммирование полученных значений в блоке 75 и вычисление аргумента результата в блоке 76. В случае алгоритма (23) аргумент от сигнала, полученного в блоке 74, умноженный на коэффициент сходимости в блоке 77, складывается в блоке 78 с предыдущей оценкой частоты несущей Δƒ[k-1], умноженной в блоке 79 на коэффициент (1-μ).where μ is the convergence factor. In FIG. 12 shows carrier frequency recovery schemes corresponding to algorithms (22) and (23). In the case of algorithm (22), the signal raised to the fourth power of 70, the signal at the output of the
Фаза может быть оценена по формулеThe phase can be estimated by the formula
где - весовые коэффициенты. Другой предлагаемый алгоритм оценки фазы имеет видWhere - weighting factors. Another proposed phase estimation algorithm has the form
На фиг. 13 показана схема восстановления фазы несущей, соответствующая алгоритму (24), основанная на схеме, представленной статье T.F. Portela et. al., "Analysis of Signal Processing Techniques for Optical 112 Gb/s DP-QPSK Receivers with Experimental Data", Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, Vol. 10, No. 1, June 2011, которая включена здесь в качестве ссылки. Сигнал возводится в четвертую степень в блоке 80 (М=4) для устранения модуляции сигнала, пропускается через низкочастотный фильтр 81, представленный в формулах (24), (25) весовыми коэффициентами для уменьшения влияния шума, далее вычисляется фаза сигнала в блоке 82, после чего для полученной фазы (24) выполняется развертка в блоке 83. Полученная в блоке 84 поправка используется для компенсации фазы несущей символа в блоке 85 с задержкой сигнала, полученной в блоке 86, так, что на выходе блока 85 получается сигнал который может быть далее послан на блок внешнего приемника 8. Алгоритму (25) соответствует схема восстановления фазы несущей, в которой блок 82 находится перед блоком 81.In FIG. 13 shows a carrier phase recovery scheme corresponding to algorithm (24) based on the scheme presented by TF Portela et. al., "Analysis of Signal Processing Techniques for
В работе Irshaad Fatadin и Seb J. Savory, "Compensation of Frequency Offset for 16-QAM Optical Coherent Systems Using QPSK Partitioning", IEEE Photonics Technology Letters, 23(17)1246-1248, Sep. 2011, которая включена здесь в качестве ссылки, предлагается использовать группы 67 и 69 созвездия 16QAM для оценки частоты несущей этого формата модуляции. Для этого предлагается взять N пар последовательных символов таких, что в каждой паре каждая из точек принадлежит либо группе 67, либо 69. Тогда частота несущей вычисляется по этим парам аналогично QPSK модуляции по формуле (22), где k-ая пара символов создержит символы Для высокоуровневых форматов модуляции таких, как 64QAM и 256QAM, так же требуется разработка своих методов восстановления частоты несущей. Кроме того для высокоуровневых форматов модуляции требуются свои методы восстановления фазы несущей.By Irshaad Fatadin and Seb J. Savory, "Compensation of Frequency Offset for 16-QAM Optical Coherent Systems Using QPSK Partitioning", IEEE Photonics Technology Letters, 23 (17) 1246-1248, Sep. 2011, which is incorporated herein by reference, is proposed to use
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
В варианте осуществления согласно изобретению предлагается устройство, включающее в себя: оптический блок обработки входного оптического сигнала, включающий поляризационный делитель, делящий входной оптический сигнал на две компоненты, гетеродин, делитель мощности, делящий сигнал гетеродина на две компоненты, два 90° гибрида, каждый из которых смешивает соответствующую компоненту с выхода поляризационного делителя входного оптического сигнала и соответствующую компоненту с выхода делителя мощности сигнала гетеродина, фотодетекторы, на которые поступают сигналы с выходов 90° гибридов; блок, включающий аналого-цифровые преобразователи, на входы которых поступают электрические сигналы с фотодетекторов, преобразующие с частотой оцифровки электрические сигналы в набор дискретных по времени квантованных сигналов; цифровой демодулятор, на который поступают сигналы с выходов аналого-цифровых преобразователей, включающий такие блоки, как блок ортогонализации, блок статической компенсации искажений сигнала таких, как хроматическая дисперсия, блок динамической компенсации изменяющихся во времени эффектов таких, как вращение поляризации и поляризационная модовая дисперсия, как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, блок восстановления частоты несущей как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, блок восстановления фазы несущей, выходной сигнал которого представляет собой сигналы созвездия для каждой из поляризованных мод переданного сигнала с восстановленными частотой и фазой несущей, как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM; внешний приемник, включающий блок коррекции ошибок.In an embodiment according to the invention, there is provided a device comprising: an optical unit for processing an input optical signal, comprising a polarization divider dividing the input optical signal into two components, a local oscillator, a power divider dividing the local oscillator signal into two components, two 90 ° hybrids, each which mixes the corresponding component from the output of the polarizing divider of the input optical signal and the corresponding component from the output of the power divider of the local oscillator signal, photodetectors which receive signals from the outputs of 90 ° hybrids; a unit comprising analog-to-digital converters, the inputs of which receive electrical signals from photodetectors, converting electrical signals with a sampling frequency into a set of time-quantized quantized signals; a digital demodulator that receives signals from the outputs of analog-to-digital converters, including blocks such as an orthogonalization block, a block for static compensation of signal distortions such as chromatic dispersion, a block for dynamic compensation of time-varying effects such as polarization rotation and polarization mode dispersion, both for the DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, a carrier frequency recovery unit as for the DP-QPSK modulation format, and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, a carrier phase recovery unit, the output signal of which is constellation signals for each of the polarized modes of the transmitted signal with the restored carrier frequency and phase both for the DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM; an external receiver including an error correction unit.
Использование гетеродинного детектирования дает то преимущество, что частота сигнала понижается с частоты оптической несущей до ПЧ, за счет чего вся информация может быть восстановлена при помощи стандартных методов демодуляции радио сигнала.The use of heterodyne detection gives the advantage that the signal frequency is reduced from the frequency of the optical carrier to the IF, due to which all information can be restored using standard methods of demodulation of the radio signal.
Использование цифрового демодулятора дает то преимущество, что цифровая обработка сигнала, основанная на когерентной оптической связи, дает существенные преимущества по производительности по сравнению с прямым детектированием.The use of a digital demodulator provides the advantage that digital signal processing based on coherent optical communication provides significant performance advantages over direct detection.
Другое преимущество данного варианта осуществления согласно изобретению состоит в том, что сочетание многоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, в которых оптический сигнал может быть представлен в виде двух поляризованных мод, каждая из которых модулирована форматами M-QAM, т.е. такими как, 16QAM, 64QAM и 256QAM соответственно, с методами спектральной фильтрации и помехоустойчивого кодирования FEC является необходимым требованием для достижения высокой спектральной эффективности оптических систем связи.Another advantage of this embodiment according to the invention is that a combination of multi-level modulation formats DP M-QAM such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, in which the optical signal can be represented as two polarized modes, each which are modulated by M-QAM formats, i.e. such as 16QAM, 64QAM, and 256QAM, respectively, with spectral filtering and noiseless coding methods FEC is a necessary requirement to achieve high spectral efficiency of optical communication systems.
В другом варианте осуществления согласно изобретению предлагается способ, включающий: разделение входного оптического сигнала на две компоненты, разделение сигнала гетеродина на две комопненты, смешивание соответствующей компоненты входного оптического сигнала и сигнала гетеродина, преобразование с частотой оцифровки электрических сигналов в набор дискретных по времени квантованных сигналов, ортогонализацию, компенсацию искажений сигнала таких, как хроматическая дисперсия, компенсацию изменяющихся во времени эффектов таких, как вращение поляризации и поляризационная модовая дисперсия, как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, восстановление частоты несущей как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, восстановление фазы несущей, как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, коррекцию ошибок демодулированного сигнала.In another embodiment, the invention provides a method comprising: dividing the input optical signal into two components, dividing the local oscillator signal into two components, mixing the corresponding components of the input optical signal and the local oscillator signal, converting the electrical signals into a set of time-quantized quantized signals, orthogonalization, compensation of signal distortions such as chromatic dispersion, compensation of time-varying effects such as polarization expansion and polarization mode dispersion, both for the DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, carrier frequency recovery as for the DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, carrier phase recovery, both for DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats, like DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, error correction of the demodulated signal.
Эти варианты осуществления и другие подразумеваемые преимущества, предусмотренные закономерности и функции станут понятны при изучении подробного описания, приводимого далее.These options for implementation and other implied benefits, provided patterns and functions will become apparent when studying the detailed description below.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Прилагаемые фигуры включены для способствования уяснению излагаемых сведений. Они иллюстрируют варианты осуществления и в сочетании с излагаемым материалом могут помочь пониманию принципов изобретения. Другие варианты осуществления и другие подразумеваемые преимущества, предусмотренные закономерности и функции станут понятны при изучении подробного описания, приводимого далее. Элементы рисунков не обязательно нарисованы в реальных масштабах по отношению друг к другу. Общие сущности обозначаются на рисунках одинаковыми номерами.The accompanying figures are included to facilitate understanding of the information presented. They illustrate embodiments and, in combination with the recited material, may help an understanding of the principles of the invention. Other embodiments and other implied advantages, provided patterns and functions will become apparent upon examination of the detailed description that follows. Elements of drawings are not necessarily drawn in real terms in relation to each other. General entities are indicated by the same numbers in the figures.
фиг. 1 показывает схематическое изображение оптического волокна,FIG. 1 shows a schematic representation of an optical fiber,
фиг. 2 показывает схему когерентного приемника оптического сигнала.FIG. 2 shows a diagram of a coherent optical signal receiver.
фиг. 3 показывает оптический блок обработки входного оптического сигнала, предназначенный для линейного отображения оптического поля в набор электрических сигналов.FIG. 3 shows an optical processing unit of an input optical signal for linearly mapping an optical field into a set of electrical signals.
фиг. 4 показывает структуру 90° гибрида с использованием системы 3-дБ ответвителей с дополнительной фазовой задержкой на 90 градусов 20 в одной из ветвей, а так же структуру 3-дБ ответвителя.FIG. 4 shows the structure of a 90 ° hybrid using a 3-dB coupler system with an additional phase delay of 90
фиг. 5 показывает элементы оптического блока, блок аналого-цифрового преобразователя и компоненты блока цифрового демодулятора.FIG. 5 shows the elements of the optical unit, the analog-to-digital converter unit, and the components of the digital demodulator unit.
фиг. 6 показывает схематическое изображение блока внешнего приемника.FIG. 6 shows a schematic representation of an external receiver unit.
фиг. 7 показывает схемы компенсации хроматической дисперсии во временном и частотном доменах.FIG. 7 shows compensation schemes for chromatic dispersion in the time and frequency domains.
фиг. 8 показывает схему блока динамического эквалайзера.FIG. 8 shows a block diagram of a dynamic equalizer.
фиг. 9 показывает диаграмму созвездия QPSK после выполнения алгоритма слепого выравнивания, фиг. 10 показывает созвездие 16QAM с точками созвездия, разбитыми на группы точек, лежащих на окружностях разных радиусов.FIG. 9 shows a QPSK constellation diagram after executing a blind alignment algorithm, FIG. 10 shows a 16QAM constellation with constellation points divided into groups of points lying on circles of different radii.
фиг. 11 показывает диаграмму созвездия 16QAM после выполнения алгоритма управляемого радиусом компенсатора.FIG. 11 shows a diagram of a 16QAM constellation after executing a radius-controlled equalizer algorithm.
фиг. 12 показывает шаги восстановления частоты несущей для сигналов созвездия QPSK.FIG. 12 shows carrier frequency recovery steps for QPSK constellation signals.
фиг. 13 показывает шаги восстановления фазы несущей для сигналов созвездия QPSK.FIG. 13 shows carrier phase recovery steps for QPSK constellation signals.
фиг. 14 показывает оптический блок обработки входного оптического сигнала, предназначенный для линейного отображения оптического поля в набор электрических сигналов, и блок аналого-цифрового преобразователя, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 14 shows an optical input signal processing unit for linearly mapping an optical field into a set of electrical signals, and an analog-to-digital converter unit, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 15 показывает расположение подсистем блока цифрового демодулятора для одной из возможных реализаций, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению, фиг. 16 показывает схему блока динамического эквалайзера, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 15 shows the location of the subsystems of the digital demodulator unit for one of the possible implementations, in accordance with one embodiment of the invention, FIG. 16 shows a block diagram of a dynamic equalizer in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 17 показывает диаграмму созвездия 64QAM на выходе блока динамического эквалайзера для поляризованной моды X для формата модуляции DP-64QAM, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 17 shows a diagram of a 64QAM constellation at the output of a dynamic equalizer block for polarized mode X for a modulation format DP-64QAM, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 18 показывает диаграмму созвездия 64QAM на выходе блока динамического эквалайзера для поляризованной моды Y для формата модуляции DP-64QAM, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 18 shows a diagram of a 64QAM constellation at the output of a dynamic equalizer block for a polarized mode Y for a modulation format DP-64QAM, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 19 показывает созвездие 64QAM с точками созвездия, разбитыми на группы точек, лежащих на окружностях разных радиусов, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 19 shows a 64QAM constellation with constellation points divided into groups of points lying on circles of different radii, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 20 показывает созвездие 256QAM с точками созвездия, разбитыми на группы точек, лежащих на окружностях разных радиусов, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 20 shows a 256QAM constellation with constellation points divided into groups of points lying on circles of different radii, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 21 показывает созвездие 256QAM с точками созвездия, разбитыми на группы точек, лежащих на окружностях разных радиусов, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 21 shows a 256QAM constellation with constellation points divided into groups of points lying on circles of different radii, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 22 показывает блок восстановления частоты несущей, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 22 shows a carrier frequency recovery unit, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 23 показывает диаграмму созвездия 64QAM на выходе блока динамического эквалайзера для поляризованной моды X для формата модуляции DP-64QAM после компенсации частоты несущей, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 23 shows a diagram of a 64QAM constellation at the output of a dynamic equalizer block for polarized mode X for a modulation format DP-64QAM after carrier frequency compensation, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 24 показывает диаграмму созвездия 64QAM на выходе блока динамического эквалайзера для поляризованной моды Y для формата модуляции DP-64QAM после компенсации частоты несущей, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 24 shows a diagram of a 64QAM constellation at the output of a dynamic equalizer block for a polarized Y mode for the DP-64QAM modulation format after carrier frequency compensation, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 25 показывает шаги восстановления фазы несущей, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 25 shows steps for recovering a carrier phase, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 26 показывает блок восстановления частоты несущей, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 26 shows a carrier frequency recovery unit, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 27 показывает шаги восстановления фазы несущей, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 27 shows carrier phase recovery steps, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 28 показывает диаграмму созвездия 64QAM для поляризованной моды X для формата модуляции DP-64QAM после восстановления фазы несущей и устранения проскальзывания, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 28 shows a diagram of a 64QAM constellation for polarized mode X for a DP-64QAM modulation format after recovering a carrier phase and eliminating slippage, in accordance with one embodiment of the invention.
фиг. 29 показывает диаграмму созвездия 64QAM для поляризованной моды Y для формата модуляции DP-64QAM после восстановления фазы несущей и устранения проскальзывания, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению.FIG. 29 shows a diagram of a 64QAM constellation for polarized mode Y for the DP-64QAM modulation format after recovering the carrier phase and eliminating slippage, in accordance with one embodiment of the invention.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Фигуры показывают устройство, включающее в себя: оптический блок обработки входного оптического сигнала, включающий поляризационный делитель, делящий входной оптический сигнал на две компоненты, гетеродин, делитель мощности, делящий сигнал гетеродина на две компоненты, два 90° гибрида, каждый из которых смешивает соответствующую компоненту с выхода поляризационного делителя входного оптического сигнала и соответствующую компоненту с выхода поляризационного делителя сигнала гетеродина, фотодетекторы, на которые поступают сигналы с выходов 90° гибридов; блок, включающий аналого-цифровые преобразователи, на входы которых поступают электрические сигналы с фотодетекторов, преобразующие с частотой оцифровки электрические сигналы в набор дискретных по времени квантованных сигналов; цифровой демодулятор, на который поступают сигналы с выходов аналого-цифровых преобразователей, включающий такие блоки, как блок ортогонализации, блок статической компенсации искажений сигнала таких, как хроматическая дисперсия, блок динамической компенсации изменяющихся во времени эффектов таких, как вращение поляризации и поляризационная модовая дисперсия, как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, блок восстановления частоты несущей как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM, блок восстановления фазы несущей, выходной сигнал которого представляет собой сигналы созвездия для каждой из поляризованных мод переданного сигнала с восстановленными частотой и фазой несущей, как для формата модуляции DP-QPSK, так и для высокоуровневых форматов модуляции DP M-QAM таких, как DP-16QAM, DP-64QAM и DP-256QAM; внешний приемник, включающий блок коррекции ошибок. Фиг. 2 показывает блок-схему когерентного приемника оптического сигнала, состоящего из оптического блока 4 обработки оптического входного оптического сигнала 5, аналого-цифрового преобразователя 6, цифрового демодулятора 7 и внешнего приемника 8, включающего блок коррекции ошибок.The figures show a device including: an optical input optical signal processing unit, including a polarizing divider dividing the input optical signal into two components, a local oscillator, a power divider dividing the local oscillator signal into two components, two 90 ° hybrids, each of which mixes the corresponding component from the output of the polarizing divider of the input optical signal and the corresponding component from the output of the polarizing divider of the local oscillator signal, photodetectors, to which the signals from moves 90 ° hybrids; a unit comprising analog-to-digital converters, the inputs of which receive electrical signals from photodetectors, converting electrical signals with a sampling frequency into a set of time-quantized quantized signals; a digital demodulator that receives signals from the outputs of analog-to-digital converters, including blocks such as an orthogonalization block, a block for static compensation of signal distortions such as chromatic dispersion, a block for dynamic compensation of time-varying effects such as polarization rotation and polarization mode dispersion, both for the DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, a carrier frequency recovery unit as for the DP-QPSK modulation format, and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM, a carrier phase recovery unit, the output signal of which is constellation signals for each of the polarized modes of the transmitted signal with the restored carrier frequency and phase both for the DP-QPSK modulation format and for high-level DP M-QAM modulation formats such as DP-16QAM, DP-64QAM and DP-256QAM; an external receiver including an error correction unit. FIG. 2 shows a block diagram of a coherent optical signal receiver consisting of an
Показанный оптический блок 4 в некоторых вариантах реализации согласно изобретению состоит из поляризационного делителя пучка 9, делящего оптический сигнал 5 на две компоненты 10 и 11, гетеродина 12, делителя мощности 13, делящего сигнал гетеродина 12 на две компоненты 14 и 15, двух 90° гибридов 16 и 17, принимающих сигналы 10 и 11 соответственно с выходов поляризационого делителя пучка 9 и делителя мощности 13, фододетекторов 18-21, преобразующих оптические сигналы на выходе 90° гибридов 16 и 17 в электрические сигналы, как показано на фиг. 14.The shown
Показанный блок аналого-цифрового преобразователя 6 в некоторых вариантах реализации согласно изобретению состоит из аналого-цифровых преобразователей 26-29, преобразующих с частотой оцифровки электрические сигналы с выходов фотодетекторов 18-21 соответственно в набор дискретных по времени квантованных сигналов, как показано на фиг. 14. При передаче данных со скоростью S символов в секунду, минимальная скорость оцифровки равна S герц. Асинхронная оцифровка, позволяющая восстановить частоту и фазу следования символов, требует скорости оцифровки 2S. Частота следования символов передатчика как правило отличается от частоты оцифровки АЦП приемника, но может быть восстановлена интерполяцией и передескритезацией оцифрованного сигнала.The shown block of the analog-to-
На фиг. 15 показано расположение подсистем блока цифрового демодулятора 7, в соответствии с одним из вариантов реализации согласно изобретению, использующего набор машинных инструкций, которые могут быть зашиты в цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP), или храниться в отдельной памяти, которая считывается основной памятью процессора или набором процессоров с машиночитаемого носителя данных такого, как постоянное запоминающее устройство (read only memory, ROM) или другого типа жесткого магнитного диска, оптического носителя, кассеты или флеш-памяти (flash memory). В случае программы, хранящейся на отдельном носителе, выполнение последовательности инструкций в модуле заставляет процессор выполнять шаги, описанные выше. Варианты реализации данного изобретения не ограничиваются конкретной комбинацией оборудования и программного обеспечения, а компьютерный программный код, необходимый для реализации изложенного далее изобретения может быть разработан средним специалистом.In FIG. 15 shows the location of the subsystems of the
Термин «машиночитаемый носитель», использованный выше, относится к любому машинокодированному носителю, который предоставляет или участвует в предоставлении инструкций процессору. Такой носитель включает но не ограничивается энергонезависимые устройства, энергозависимые устройства и передающие устройства. Например, энергонезависимые устройства могут включать оптические или магнитные диски памяти. Энергозависимые устройства включают динамическое оперативное запоминающее устройство (динамическое ОЗУ, dynamic random access memory, DRAM), которая обычно включает основную память. Традиционные средства машиночитаемой памяти хорошо известны и не нуждаются в детальном описании.The term “machine-readable medium” as used above refers to any machine-encoded medium that provides or participates in providing instructions to a processor. Such media includes, but is not limited to, non-volatile devices, volatile devices, and transmitting devices. For example, non-volatile devices may include optical or magnetic memory disks. Volatile devices include dynamic random access memory (dynamic random access memory, dynamic random access memory, DRAM), which typically includes main memory. Traditional computer readable media are well known and do not need to be described in detail.
Сигналы с выходов аналого-цифровых преобразователей 26-29 блока АЦП 6, показанного на фиг. 14, поступают на блок ортогонализации 31. Ортогонализованные сигналы с выхода блока 31 поступают на вход блока 32 компенсации хроматической дисперсии, выполненного по схеме 49 для временного домена или по схеме 50 для частотного домена. Сигналы с остаточной хроматической дисперсией и другими искажениями такими, как поляризационная модовая дисперсия, поступают на вход блока 30 восстановления символной частоты. Сигнал с блока восстановления символьной частоты 30 поступает на блок динамического эквалайзера 33, который может быть реализован с использованием набора четырех фильтров, показанных на фиг. 16. В некоторых вариантах реализации согласно изобретению коэффициенты фильтров 59-62 вычисляются в блоке 65 при помощи адаптивного алгоритма (12). Для этого для предобработки сигнала может использоваться компенсатор на основе обучающей последовательности 66, в котором для поляризаций X и Y минизируются функции (17), а так же может использоваться алгоритм СМА (13). Для формата QPSK далее может использоваться управляемый решением компенсатор, определяемый выражениями (14) при условии, что предварительно используется алгоритм слепого выравнивания для приближения значений отсчетов фильтров 59-62 к требуемому минимуму.The signals from the outputs of the analog-to-digital converters 26-29 of the
Для формата 16QAM и более высокоуровневых форматов таких, как 64QAM и 256QAM компенсатор (17) на основе обучающей последовательности 66 или компенсатор на основе алгоритма слепого выравнивания СМА (13) так же, как и для QPSK, могут использоваться для предобрабоки сигнала.For 16QAM and higher-level formats such as 64QAM and 256QAM, a compensator (17) based on
Для 16QAM и более высокоуровневых форматов таких, как 64QAM и 256QAM, после того, как коэффициенты фильтров 59-62 приблизились в достаточной степени к требуемому минимуму, далее для каждой компоненты поляризации используется управляемый радиусом компенсатор искажений (radially directed equalizer). Для созвездия 16QAM и более высокоуровневых форматов таких, как 64QAM и 256QAM, минимизируются ошибкиFor 16QAM and higher-level formats such as 64QAM and 256QAM, after the filter coefficients 59-62 are close enough to the required minimum, then a radius-controlled distortion equalizer (radially directed equalizer) is used for each polarization component. Errors are minimized for the constellation of 16QAM and higher-level formats such as 64QAM and 256QAM
вычисляемые по одному или нескольким символам N≥1, где - весовые коэффициенты, rX=|xout|, rY=|yout|, а сигнал каждой из поляризаций нормирован и имеет единичную энергию. Для созвездия 16QAM радиус R0, вычисляемый для блока 65 в блоках 87 и 88 для поляризаций X и Y, соответственно, задается условиями (19), для созвездия 64QAM радиус R0 задается условиями:calculated by one or more characters N≥1, where are weights, r X = | x out |, r Y = | y out |, and the signal of each of the polarizations is normalized and has a unit energy. For the 16QAM constellation, the radius R 0 calculated for
Информация 89, 90 о принадлежности сигнала к определенной группе посылается вместе с сигналами xout и yout блокам восстановления частоты 34 и фазы 35 несущей.
Управляемый решением компенсатор так же может быть использован для формата 16QAM и более высокоуровневых форматов таких, как 64QAM и 256QAM, при условии, что сначала сигнал предобрабатывается либо алгоритмом слепого выравнивания (13), либо алгоритмом управляемого радиусом компенсатора (26). Для формата 16QAM и более высокоуровневых форматов таких, как 64QAM и 256QAM, в управляемом решением компенсаторе оценки переданных символов 37 поступают на контур принятия решений 65 такой, что минимизируются ошибки (14). Как и в случае созвездия QPSK, оценки могут быть получены как при помощи декодирования мягких решений 42, 43 декодерами 44 и 45, так и вычислением жестких решений 42 и 43. Для формата 16QAM в управляемом решением компенсаторе жесткие оценки переданных символов 37 могут быть записаны в видеA compensator controlled by the solution can also be used for 16QAM and higher-level formats such as 64QAM and 256QAM, provided that the signal is first processed either by the blind alignment algorithm (13) or by the radius-controlled compensator algorithm (26). For the 16QAM format and higher-level formats such as 64QAM and 256QAM, in the decision-controlled equalizer, the estimates of the transmitted
для формата 64QAM - в виде,for 64QAM format - in the form,
для формата 256QAM - в видеfor 256QAM format - as
где функции csgnl6QAM(x), csgn64QAM(x) и csgn256QAM(x) определяются при помощи стандартных прямоугольных решеток областей решений созвездия аналогично (16). Для произвольного высокоуровнего формата модуляции M-QAM такого, как 512QAM, 1024QAM и выше в управляемом решением компенсаторе оценки переданных символов 37 могут быть записаны в видеwhere the functions csgn l6QAM (x), csgn 64QAM (x), and csgn 256QAM (x) are determined using standard rectangular lattices of constellation solution domains in the same way as (16). For an arbitrary high-level M-QAM modulation format such as 512QAM, 1024QAM and higher, in the decision-controlled equalizer, estimates of the transmitted
где функции csgnMQAM(x) определяются при помощи стандартных прямоугольных решеток областей решений созвездия аналогично (16), (29)-(31).wherein csgn MQAM (x) function are determined using standard rectangular grating regions constellation solutions analogously to (16), (29) - (31).
Алгоритм управляемого радиусом компенсатора так же может быть построен для любого высокоуровнего формата модуляции M-QAM такого, как 512QAM, 1024QAM и выше. Для этого для созвездия, нормированного на единичную энергию, необходимо разбить точки созвездия на NMQAM групп, g=1, …, NMQAM, так, что точки каждой группы g лежат на окружности одного радиуса R0[g] с центром в центре созвездия, причем (R0[g])2>(R0[g+1])2, и между окружностями радиусов R0[g] и R0[g+1] нет других точек созвездия. Тогда для каждой группы g точек квадрат величины r[g] будет определяться, как полусумма квадратов радиусов (r[g])2=0.5((R0[g])2+(R0[g+1])2). Для такого M-QAM созвездия алгоритм управляемого радиусом компенсатора будет иметь видThe radius-controlled compensator algorithm can also be constructed for any high-level M-QAM modulation format such as 512QAM, 1024QAM and higher. For this, for a constellation normalized to unit energy, it is necessary to divide the constellation points into N MQAM groups, g = 1, ..., N MQAM , so that the points of each group g lie on a circle of the same radius R 0 [g] centered at the center of the constellation , and (R 0 [g]) 2 > (R 0 [g + 1]) 2 , and there are no other points of the constellation between circles of radii R 0 [g] and R 0 [g + 1]. Then, for each group of g points, the square of r [g] will be determined as the half-sum of squares of radii (r [g]) 2 = 0.5 ((R 0 [g]) 2 + (R 0 [g + 1]) 2 ). For such an M-QAM constellation, the radius-controlled compensator algorithm will have the form
Для созвездия QPSK, очевидно, NQPSK=1.For the constellation QPSK, obviously, N QPSK = 1.
Для высокоуровневых форматов модуляций таких, как 64QAM и 256QAM, так же как и для формата модуляции 16QAM, сигнал на выходе блока динамического эквалайзера 33 представляет собой отделенные друг от друга поляризованные моды переданного сигнала. На фиг. 17 и 18 показаны диаграммы созвездий поляризованных мод сигнала 91 и 92 для случая формата модуляции DP-64QAM. Фиг. 19 и фиг. 20 показывают точки созвездий 64QAM и 256QAM соответственно. В результате действия управляемого радиусом компенсатора искажений сигналы поляризованных мод на выходе эквалайзера 33 оказываются разбиты на группы. Точки созвездия 16QAM разбиваются на три группы 67-69, как показано на фиг. 10, причем две группы 67 и 69, нумеруемые индексами содержат по четыре точки, образующие QPSK созвездия с разными амплитудами. На фиг. 19 показано получающееся разбиение на группы точек созвездия 64QAM такое, что группа 93 включает точки группа 94 включает точки группа 95 включает точки группа 96 включает точки группа 97 включает точки группа 98 включает точки а так же точки группа 99 включает такие точки, как группа 100 включает точки созвездия группа 101 включает точки Таким образом, созвездие 64QAM разбивается на девять групп, точки каждой из групп лежат на окружности одного радиуса, причем три группы 93, 95 и 101, нумеруемые индексами содержат по четыре точки, образующие QPSK созвездия с разными амплитудами. На фиг. 20 показано получающееся разбиение на группы точек созвездия 256QAM такое, что группа 102 содержит точки созвездия группа 103 содержит точки группа 104 содержит точки группа 105 содержит точки группа 106 содержит точки созвездия группа 107 содержит точки созвездия группа 108 содержит точки созвездия как показано на фиг. 21. Таким образом, созвездие 256QAM разбивается на тридцать две группы, причем семь групп 102-108, нумеруемых индексами содержат по четыре точки созвездия, образующие QPSK созвездия с разными амплитудами. Для произвольного созвездия M-QAM группы, которые содержат по четыре точки созвездия, образующие QPSK созвездия с разными амплитудами, нумеруются индексами Для созвездия For high-level modulation formats such as 64QAM and 256QAM, as well as for the 16QAM modulation format, the signal at the output of
В некоторых вариантах реализации согласно изобретению сигнал xout, yout с выхода динамического эквалайзера 33 вместе с информацией о разбиении сигнала на группы 89, 90 далее поступает на блок 34, схематически изображенный на фиг. 22, в котором выполняется восстановление частоты несущей. Сигналы xout, yout для поляризаций X и Y поступают в блок 109, в котором для созвездия M-QAM отбирается N пар 110 последовательных символов для поляризации для поляризации Y таких, что в каждой паре каждая из точек принадлежит одной из групп, содержащих по четыре точки созвездия, образующих QPSK созвездия с разными амплитудами. В блоке 111 по отобранным парам символов 110 частота несущей 112 оценивается по формуламIn some embodiments of the invention, the signal x out , y out from the output of the
на основании чего частота несущей может быть оценена, например, какon the basis of which the carrier frequency can be estimated, for example, as
где - весовые коэффициенты, илиWhere - weighting factors, or
или формулам с обратным порядком операцийor formulas with the reverse order of operations
на основании чего частота несущей может быть оценена, например, какon the basis of which the carrier frequency can be estimated, for example, as
где - весовые коэффициенты, илиWhere - weighting factors, or
Для созвездия QPSK результат совпадает с (22), (23).For the QPSK constellation, the result coincides with (22), (23).
В некоторых вариантах реализации согласно изобретению для формата 16QAM и более высокоуровневых форматов модуляций таких, как 64QAM и 256QAM, в блоке 109 для созвездия M-QAM отбираются все сигналы для поляризации X и сигналы для поляризации Y такие, что каждый из них принадлежит одной из групп, содержащих по четыре точки созвездия, образующих QPSK созвездия с разными амплитудами. В блоке 111 выполняется компенсация частоты несущей по формуламIn some embodiments according to the invention, for the 16QAM format and higher level modulation formats such as 64QAM and 256QAM, in
подбором частоты 112 несущей Δƒ, максимизирующей концентрацию символов в областях точек созвездий поляризованных мод переданного сигнала, повернутых на величину нескомпенсированной ошибки фазы несущей так, что символы и концентрируются в областях точек созвездий, например 113 и 114 в случае созвездия 64QAM, как показано на фиг. 23 и фиг. 24 соответственно, изображенных на фиг. 15 в виде объектов 115 и 116 на фоне блока 34.selection of the
В некоторых вариантах реализации согласно изобретению сигнал с выхода динамического эквалайзера 33 вместе с оценкой частоты несущей 112 поступает в блок 35 восстановления фазы несущей.In some embodiments of the invention, the signal from the output of the
В некоторых вариантах реализации согласно изобретению для формата QPSK, а так же для формата модуляции 16QAM и более высокоуровневых форматов таких, как 64QAM и 256QAM, фаза несущей восстанавливается по схеме, показанной на фиг. 25. Помимо блоков, показанных на фиг. 13, она содержит блок выборки символов 115, посылающий на блок вычисления фазы 82 информацию о номере группы 116, к которой принадлежит полученный сигнал, и номере отсчета 117 принятого сигнала, блок вычисления начального отсчета фазы 118, использующего оценки символов 37, полученные по обратной связи от внешнего приемника 8, а так же пилотные символы xplt, yplt 119.In some embodiments of the invention for the QPSK format, as well as for the 16QAM modulation format and higher-level formats such as 64QAM and 256QAM, the carrier phase is restored according to the circuit shown in FIG. 25. In addition to the blocks shown in FIG. 13, it contains a
В блоке 115 отбираются символы для поляризации X, символы для поляризации Y, пришедшие в моменты времени t[k], принадлежащие группам содержащим по четыре точки созвездия, образующие QPSK созвездия с разными амплитудами. Как и в схеме на фиг. 13, эти символы в блоке 80 возводятся в четвертую степень (М=4) для устранения модуляции сигнала, в блоке 82 вычисляется фаза сигнала по формулеAt
где - весовые коэффициенты, либо по формулеWhere - weights, or by the formula
после чего в блоке 83 выполняется развертка фазы. Кроме фазы, возведенной в четвертую степень, в блок 82 из блока 115 поступает информация о номере группы 116, к которой принадлежит полученный сигнал, и номере отсчета 117 принятого сигнала, необходимые для вычисления выражений (41), (42). Для созвездия QPSK выражения (41), (42) сводятся к (24), (25). Блок вычисления начального отсчета фазы 118 использует усреднение по 2N+1 оценкам символов 37 и пилотов 119 для вычисления начального отсчета фазы, заданного формулойthen, in
или формулойor formula
где - весовые коэффициенты. В результате оценка фазы, посылаемая из блока 83 на блок 84, задается выражениямиWhere - weighting factors. As a result, the phase estimate sent from
Таким образом, символы xr[k], yr[k], посылаемые на блок внешнего приемника 8 и на блок эквалайзера 33 по связи 41, вычисляются по формуламThus, the characters x r [k], y r [k] sent to the
В некоторых вариантах реализации согласно изобретению в блоки 115 и 82 так же поступает оценка Δƒ частоты несущей 112. Для каждого символа выполняется компенсация частоты несущей (40), и фаза несущей вычисляется, какIn some embodiments of the invention, blocks 115 and 82 also receive an estimate of Δƒ of the
либо по формуламeither by the formulas
В некоторых вариантах реализации согласно изобретению символы (40) сразу вычисляются в блоке 34 восстановления частоты несущей, который в этом случае показан на фиг. 26. Сигнал (40), обозначенный на схеме блока 34 на фиг. 26 стрелкой 120, посылается на блок 115 блока восстановления фазы несущей 35, схематически показанного в этом случае на фиг. 27. На фиг. 28 и 29 показаны диаграммы созвездий поляризованных мод сигнала 121 и 122 для случая формата модуляции DP-64QAM на выходе блока 35. Сигнал с выхода блока 35 далее поступает на внешний приемник 8 и на блок динамического эквалайзера 33. Получаемые блоком 8 оценки символов по обратной связи 37 поступают на блок 33 динамического эквалайзера и блоки 34 и 35 восстановления частоты и фазы несущей.In some embodiments of the invention, symbols (40) are immediately calculated in the carrier
Разглашаемые здесь способы не ограничиваются областью оптических систем связи, и имеют применение в других областях, где используется когерентный приемник в качестве принимающего/детектирующего устройства.The methods disclosed herein are not limited to the field of optical communication systems, and are used in other areas where a coherent receiver is used as a receiving / detecting device.
Приведенное выше детальное описание должно пониматься во всех отношениях, как пояснительное и иллюстративное, но не как ограничивающее, и область описанного здесь изобретения должно определяться не из описания изобретения, а из формулы изобретения, интерпретированной в соответствии с полным охватом, дозволенным патентами законами. Должно быть понятно, что описанные варианты реализации являются лишь иллюстрациями принципов настоящего изобретения, и что специалистами могут быть реализованы различные модификации без отклонения от сущности и объема правовой охраны этого изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.The above detailed description should be understood in all respects as explanatory and illustrative, but not as limiting, and the scope of the invention described here should not be determined from the description of the invention, but from the claims, interpreted in accordance with the full scope permitted by patent laws. It should be understood that the described embodiments are merely illustrative of the principles of the present invention, and that various modifications can be made by specialists without departing from the spirit and scope of the legal protection of this invention as set forth in the appended claims.
Claims (18)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019123173A RU2713211C1 (en) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | Optical signal receiving device and method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019123173A RU2713211C1 (en) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | Optical signal receiving device and method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2713211C1 true RU2713211C1 (en) | 2020-02-04 |
Family
ID=69625509
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019123173A RU2713211C1 (en) | 2019-07-23 | 2019-07-23 | Optical signal receiving device and method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2713211C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2816843C2 (en) * | 2020-05-29 | 2024-04-05 | Хуавэй Текнолоджиз Ко., Лтд. | Signal processing method and device and coherent receiver |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007120403A2 (en) * | 2006-03-10 | 2007-10-25 | Discovery Semiconductors, Inc. | Feedback-controlled coherent optical receiver with electrical compensation/equalization |
US20120317181A1 (en) * | 2011-06-07 | 2012-12-13 | Syed Mohammad Amir Husain | Zero Client Device with Integrated Secure KVM Switching Capability |
WO2015144914A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | The European Union, Represented By The European Commission | Method and apparatus for processing radionavigation signals for atmospheric monitoring |
RU2567501C2 (en) * | 2010-02-26 | 2015-11-10 | Навком Текнолоджи, Инк. | Method and system for position estimation with offset compensation |
RU2674309C9 (en) * | 2017-03-10 | 2019-02-15 | Ашот Эрнстович Кочарян | Device, method, program and interface for the terminals system with control by means of a touch screen |
RU2664019C9 (en) * | 2017-04-10 | 2019-08-15 | Ашот Эрнстович Кочарян | Device and method for adaptive compensation of distortion and restoration of carrier signal for coherent receivers |
-
2019
- 2019-07-23 RU RU2019123173A patent/RU2713211C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007120403A2 (en) * | 2006-03-10 | 2007-10-25 | Discovery Semiconductors, Inc. | Feedback-controlled coherent optical receiver with electrical compensation/equalization |
RU2567501C2 (en) * | 2010-02-26 | 2015-11-10 | Навком Текнолоджи, Инк. | Method and system for position estimation with offset compensation |
US20120317181A1 (en) * | 2011-06-07 | 2012-12-13 | Syed Mohammad Amir Husain | Zero Client Device with Integrated Secure KVM Switching Capability |
WO2015144914A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | The European Union, Represented By The European Commission | Method and apparatus for processing radionavigation signals for atmospheric monitoring |
RU2674309C9 (en) * | 2017-03-10 | 2019-02-15 | Ашот Эрнстович Кочарян | Device, method, program and interface for the terminals system with control by means of a touch screen |
RU2664019C9 (en) * | 2017-04-10 | 2019-08-15 | Ашот Эрнстович Кочарян | Device and method for adaptive compensation of distortion and restoration of carrier signal for coherent receivers |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2816843C2 (en) * | 2020-05-29 | 2024-04-05 | Хуавэй Текнолоджиз Ко., Лтд. | Signal processing method and device and coherent receiver |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Mecozzi et al. | Kramers–Kronig receivers | |
Taylor | Phase estimation methods for optical coherent detection using digital signal processing | |
JP5898374B2 (en) | Nonlinear cross polarization mitigation algorithm | |
Winzer et al. | Spectrally efficient long-haul optical networking using 112-Gb/s polarization-multiplexed 16-QAM | |
JP5411303B2 (en) | Data detection in signals with data pattern dependent signal distortion | |
Mori et al. | Novel configuration of finite-impulse-response filters tolerant to carrier-phase fluctuations in digital coherent optical receivers for higher-order quadrature amplitude modulation signals | |
Leven et al. | Real-time implementation of digital signal processing for coherent optical digital communication systems | |
Tsukamoto et al. | Unrepeated transmission of 20-Gb/s optical quadrature phase-shift-keying signal over 200-km standard single-mode fiber based on digital processing of homodyne-detected signal for group-velocity dispersion compensation | |
US9209908B2 (en) | System and method for heterodyne coherent detection with optimal offset | |
Zhang et al. | Decision-aided maximum likelihood detection in coherent optical phase-shift-keying system | |
EP3202056A1 (en) | All-optical silicon-photonic constellation conversion of amplitude-phase modulation formats | |
US9369213B1 (en) | Demultiplexing processing for a receiver | |
EP2274842B1 (en) | Ldpc-coded multilevel modulation scheme | |
Eriksson et al. | Comparison of 128-SP-QAM and PM-16QAM in long-haul WDM transmission | |
US20130058644A1 (en) | Blind Equalization Algorithms for Adaptive Polarization Recovery and PMD Compensation | |
CN111431609A (en) | Method and system for receiving orthogonal mode division multiplexing signal | |
Li et al. | Building up low-complexity spectrally-efficient Terabit superchannels by receiver-side duobinary shaping | |
Kikuchi | Coherent optical communication technology | |
JP2014013965A (en) | Polarization multi-value signal optical receiver, polarization multi-value signal optical transmitter and polarization multi-value signal optical transmission device | |
RU2713211C1 (en) | Optical signal receiving device and method | |
Li et al. | A self-coherent receiver for detection of PolMUX coherent signals | |
Li et al. | Heterodyne detection and transmission of 60-Gbaud PDM-QPSK signal with SE of 4b/s/Hz | |
Djordjevic et al. | Beyond 100 Gb∕ s optical transmission based on polarization multiplexed coded-OFDM with coherent detection | |
van der Heide et al. | Real-time Transmission of Geometrically-shaped Signals using a Software-defined GPU-based Optical Receiver | |
RU2664019C9 (en) | Device and method for adaptive compensation of distortion and restoration of carrier signal for coherent receivers |