具有数据模式相关信号失真的信号中的数据检测

摘要

一种检测系统和方法可用于检测在具有数据模式相关信号失真的信号中传送的数据。一般来说，检测系统和方法比较接收信号的样本和与已知数据模式相关联的、存储的失真信号样本，并选择与接收信号的样本最接近一致的已知数据模式。这样，该检测系统和方法可减轻数据模式相关信号失真的影响。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2010年3月5日提交的美国专利申请序号12/718,132的 继续，并要求2009年3月10日提交的美国临时专利申请序号 61/158,823的权益，通过引用将其完整地结合到本文中。

技术领域

本公开涉及数据检测，并且更具体来说，涉及检测具有数据模式 相关信号失真的信号中的数据。

背景技术

信号可用于远距离传送数据。在光通信系统中，例如，数据可在 一个或多个光波长上调制以产生可通过光波导(例如，光纤)传送的调 制光信号。可用于光通信系统中的一种调制方案是相移键控，其中通 过调制光波长的相位以使得光波长的相位或相变表示编码一个或多个 比特的符号来传送数据。例如，在二进制相移键控(BPSK)调制方案中， 可使用两个相位表示每个符号1比特。在正交相移键控(QPSK)调制方 案中，可使用四个相位编码每个符号2比特。其它相移键控格式包括 差分相移键控(DPSK)格式以及相移键控格式和差分相移键控格式的 变体，例如归零DPSK(RZ-DPSK)。另一种调制格式是正交幅度调制 (QAM)，其中信息调制到传送信号的相位和幅度两者上。

为了接收数据，可对信号进行检测和解调。例如，在相位调制光 通信系统中，相干光接收器可使用相干检测来检测调制光信号，并且 相对于使用非相干检测的接收器可提供灵敏度优势。在此类系统中可 实现数字信号处理(DSP)，用于处理接收信号以提供解调数据。接收信 号的数字信号处理提供了速度和灵活性并可用于执行多种功能，包括 估计接收信号的载波相位和使用估计的载波相位进行数据检测。

但是，信号失真(例如，在传输期间)可对检测和解调信号后获得的 数据的完整性造成不利影响。在使用相位调制方案的光通信系统中， 非线性效应(例如，自相位调制(SPM))可导致调制信号中的相位失真， 而这可极大降级相干检测性能并减少相干检测相对于非相干检测具有 的接收器灵敏度优势。在2006年光纤通信和国家光纤工程师大会Yi  Cai等人的“On Performance of Coherent Phase-Shift-Keying Modulation  in 40Gb/s Long-Haul Optical Fiber Transmission Systems(关于40Gb/s 长距离光纤传输系统中的相干相移键控调制的性能)”(论文JThB11， 2006年3月)中更详细地描述了BPSK信号的降级，通过引用将其完整 地结合到本文中。

调制信号中的失真(例如，调制光信号中的相位失真)通常与数据模 式或比特模式相关。图9和图10示出可能出现在基于单信道非线性传 播模拟的光通信系统中的比特模式相关相位失真。图9显示失真的 BPSK信号的星座图，其中星座点延伸到实轴上方和下方，指示了相 位失真的影响。图10显示对应于多种比特模式的相位失真并示出相位 失真如何与比特模式相关。

已经提出了用于减轻由数据模式相关失真(例如，光相干接收器中 的非线性相位失真)引起的性能惩罚的方法。一种方法基于作为接收信 号强度函数的、估计的相位失真来补偿非线性相位失真，例如，如在 K.Ho和J.Kahn的“Electronic compensation technique to mitigate  nonlinear phase noise(减轻非线性相位噪声的电子补偿技术)”，Journal  of Lightwave Technology，22，779-783(2004)以及K.Kikuchi的 “Electronic Post-compensation for nonlinear Phase Fluctuations in a  1000-km 20-Gb/s Optical Quadrature Phase-shift Keying Transmission  System Using the Digital Coherent Receiver(使用数字相干接收器在 1000-km 20-Gb/s光正交相移键控传输系统中对非线性相位波动进行 电子后补偿)”，Optics Express，Vol.16，No.2，2007)中描述的那样，通 过引用将它们完整地结合到本文中。但是，当光信号强度在传播期间 显著变化时(在采用实际色散图的光通信系统中通常出现这种情况)， 这种方法可能会失败。

另一种方法通过数字反向传播补偿非线性失真，例如，如在X.Li、 X.Chen、G.Goldfarb、E.Mateo、I.Kim、F.Yaman和G.Li的“Electronic  post-compensation of WDM transmission impairments using coherent  detection and digital signal processing(使用相干检测和数字信号处理对 WDM传输损伤进行电子后补偿)”，Optics Express，vol.16，no.2， 880-888页，2008年1月21日以及E.Ip、A.P.T.Lau、D.J.Barros  和J.M.Kahn的“Compensation of chromatic dispersion and nonlinearity  using simplified digital backpropagation(使用简化数字反向传播对色散 和非线性进行补偿)”，OSA相干光学技术及应用专题会会议论文集， 马萨诸塞州波士顿，2008年7月13日-16日中描述的那样，通过引用 将其完整地结合到本文中。这种反向传播方法涉及复杂的计算并且在 10～100Gb/s光传输中可能不实用。

附图说明

通过阅读以下结合附图的详细描述，将更好地理解这些及其它特 征和优点，在附图中：

图1是符合本公开的系统的一个示范实施例的框图；

图2是符合本公开的接收器的一个示范实施例的框图。

图3是包含具有符合本公开的一实施例的数据检测系统的接收器 的通信系统的框图，该数据检测系统用于检测具有数据模式相关信号 失真的信号中的数据。

图4是示出符合本公开的一实施例的、用于检测具有数据模式相 关信号失真的信号中的数据的方法的流程图。

图5是示出符合本公开的一实施例的、用于训练数据检测系统的 方法的流程图。

图6是示出符合本公开实施例的、使用不同最大后验概率(MAP) 检测方案计算的多种比特模式的最小欧几里德距离的曲线图。

图7是示出作为符合本文描述的实施例的、使用不同MAP检测方 案的模拟光学系统的信道功率的函数的Q因数的曲线图。

图8是示出作为符合本文描述的实施例的、使用不同MAP检测方 案的模拟光学系统的信道功率的函数的Q因数的曲线图。

图9是示出失真的BPSK信号的星座图。

图10是示出与不同比特模式相关联的比特模式相关相位失真的 简图。

具体实施方式

一种符合本公开的检测系统和方法可用于检测在具有数据模式相 关信号失真的信号中传送的数据。一般来说，该检测系统和方法比较 接收信号的样本和与已知数据模式相关联的、存储的失真信号样本， 并选择与接收信号的样本最接近一致的已知数据模式。这样，该检测 系统和方法可减轻数据模式相关信号失真的影响。

根据示范实施例，本文描述的检测系统和方法可用于光通信系统 中，以减轻相位调制光信号中比特模式相关相位失真的影响。相位调 制光信号可使用相移键控调制方案(例如，BPSK、QPSK、DPSK、DQPSK 或一些其它更高阶的nPSK方案)或其一些变体(例如，RZ-DPSK)进行 调制。在光通信系统中，比特模式相关信号失真可由光纤非线性效应 (例如，自相位调制(SPM)或其它非线性度)引起。本文所述的检测系统 和方法还可用于传送信号中出现数据模式相关信号失真的其它通信系 统中。

图1是WDM传输系统100的一个示范实施例的简化框图，在该 系统中可使用符合本公开的检测系统和方法。传输系统服务于通过光 信息通路102将多个光信道从传送终端104传送到一个或多个远程定 位接收终端106。示范系统100可以是长距离水下系统，配置用于将 信道从传送器传送到距离5000km或以上的接收器。虽然示范实施例 在光学系统的上下文中描述并且在结合长距离WDM光学系统时是有 用的，但是本文讨论的宽广的概念可在传送和接收其它类型信号的其 它通信系统中实现。

本领域技术人员将认识到，为了便于说明，系统100描绘为极简 化的点对点系统。例如，传送终端104和接收终端106当然均可配置 为收发器，由此每个都可配置成执行传送和接收功能两者。但是为了 便于说明，本文中仅针对传送功能或接收功能来描绘和描述终端。要 理解，符合本公开的系统和方法可结合到大量网络组件和配置中。本 文示出的示范实施例仅作为说明而不是限制来提供。

在示出的示范实施例中，多个传送器TX1、TX2…TXN的每个在 关联输入端口108-1、108-2…108-N上接收数据信号，并在相关联的 波长λ₁、λ₂…λ_N上传送数据信号。传送器TX1、TX2…TXN中的一个 或多个可配置成使用PSK调制格式(例如，DBPSK、DQPSK、RZ-DPSK、 RZ-DQPSK等)在相关联的波长上调制数据。为了便于说明，传送器当 然以极简化形式示出。本领域技术人员将认识到，各传送器可包含配 置用于在其关联波长传送具有所需幅度和调制的数据信号的电组件和 光组件。

分别在多个通路110-1、110-2…110-N上载运传送的波长或信道。 数据信道由复用器或组合器112组合到光路102上的汇聚信号中。光 信息通路102可包括光纤波导、光放大器、光滤波器、扩散补偿模块、 以及其它有源组件和无源组件。

汇聚信号可在一个或多个远程接收终端106接收。解复用器114 将波长λ₁、λ₂…λ_N的传送信道分离到与关联接收器RX1、RX2…RXN 耦合的相关联的通路116-1、116-2…116-N上。接收器RX1、RX2…RXN 中的一个或多个可配置成对传送信号进行解调，并且在相关联的输出 通路118-1、118-2、118-3…118-N上提供相关联的输出数据信号。

图2是符合本公开的一个示范接收器200的简化框图。示出的示 范实施例200包含用于接收通路116-N上的输入信号的相干接收器配 置202，以及用于处理相干接收器的输出以在通路118-N上提供输出 数据信号的数字信号处理(DSP)电路204。按照PSK调制格式在光输入 信号的载波波长λ_N上调制数据。相干接收器202将接收的光输入信号 转换成一个或多个数字信号，它们作为DSP电路204的输入提供。DSP 电路对来自数字信号的数据进行解调，以便在通路118-N上提供表示 在载波波长λ_N上调制的数据的输出数据流。

相干接收器202可采用多种配置。在示出的示范实施例中，接收 器包含偏振分束器(PBS)206，第一90°光混合(optical hybrid)和第二 90°光混合208、210，本地振荡器(LO)212，平衡检测器214、216、 218、220以及模数(A/D)转换器222、224、226、228。下面简要描述 相干光信号接收器中的这些组件的操作。一般来说，输入光信号的不 同偏振由PBS 206分裂到分离的通路上。各偏振被提供给相关联的90 °光混合208、210。各光混合在复数域空间中将其输入信号与LO振 荡器信号的四种四边形状态混合。然后，各光混合将四个混合的信号 递送到两对平衡检测器214、216、218、220。平衡检测器的输出由 A/D转换器222、224、226、228转换成数字信号。

A/D转换器的数字输出作为DSP电路204的输入提供。一般来说， DSP涉及使用一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或配置用于(例如，直 接地和/或在软件指令的控制下)执行特定指令序列的专用处理器的信 号处理。在示出的示范实施例中，DSP电路204显示为包含预处理功 能230、可选本地振荡器(LO)频偏跟踪功能232、载波相位估计功能 234、比特判定功能236以及可选的PRBS误码率功能238。这些功能 可使用硬件、软件和/或固件的任何组合在多种配置中实现。虽然各功 能分离地示出，但是要理解，这些功能中的任何一个或多个可在单个 集成电路或处理器中、或在集成电路和/或处理器的组合中执行。另外， 实现DSP功能的集成电路和/或处理器可完整或部分地在所示功能之 间共享。

DSP的预处理功能230可包括在不同类型的基于DSP的相干检测 接收器中实现的多种光信号检测功能。例如，预处理功能可包括波形 恢复和对准功能、确定性失真补偿功能、时钟恢复功能、同步数据重 采样功能、以及偏振跟踪和偏振模式色散(PMD)补偿功能。可选的LO 频偏跟踪功能232可配置成跟踪和补偿接收信号和LO信号之间的频 偏。

一般来说，由于PSK调制信号中的数据以光载波信号的相位编码， 因此基于DSP的接收器中PSK调制信号的解调涉及估计和跟踪载波相 位。载波相位估计功能234提供用于此目的并可配置为双级载波相位 估计功能。来自载波相位估计功能的载波相位估计提供到比特判定功 能236，比特判定功能236确定由调制信号中的载波相位表示的数据 值或比特值，并减轻数据模式相关信号失真(例如，相位失真)的影响。 然后，可将数据提供在通路118-N的输出上，来表示在载波波长λ_N上 调制的数据。可选的差错率测试功能238可配置用于在训练序列信号 上执行误码率(BER)测试，以测试DSP电路204的性能。

图3示出结合检测系统300的简化通信系统，检测系统300可用 于执行比特判定功能236(图2)并减轻传送信号中数据模式相关失真的 影响。检测系统300可在如上所述耦合到相干接收器202的DSP电路 204中实现。为了简洁和易于说明，该系统显示为仅包含用于接收仅 单个波长的单个相干接收器。应该理解，该系统可配置为包含解复用 器和用于接收多个波长的多个接收器的WDM系统。在其它实施例中， 检测系统300可用于具有其它类型的接收器的其它通信系统中。

在示范实施例中，相干接收器202接收、检测和数字化由传送器 或传送终端104传送的传送信号。例如，在传送相位调制光信号的光 学系统中，相干接收器202接收光信号，检测接收光信号的电场，以 及产生表示光信号中的符号的相位的数字化样本(并由此在光信号上 调制的数据)。然后，检测系统300可处理接收信号的样本以确定由样 本表示的数据值(例如，比特值)并提供包含该数据值或比特值的输出。 在示范实施例中，检测系统300通过比较样本和与已知数据模式相关 联的、存储的样本并选择与接收样本最接近一致的已知数据模式来处 理样本。

检测系统300包含：用于存储与已知数据模式相关联的失真信号 样本的失真信号表310，以及用于比较接收信号样本和存储的信号样 本并选择最接近一致的已知数据模式的检测器320。检测系统300还 可包含移位寄存器330，以在长度对应于失真信号表310中存储的已 知数据模式的长度的移位数据模式窗口内获得接收信号样本。然后， 检测器320可比较移位数据模式窗口内的接收样本和失真信号表310 中存储的样本。失真信号表310可例如存储在DSP电路内或耦合到 DSP电路的存储器中。检测器320和移位寄存器330可在DSP电路中 作为硬件、软件、固件或它们的组合来实现。

在示范实施例中，数据模式为包含预定数量(N)个比特的模式的N 比特模式(例如，5比特模式可包含00000、00001、00010，…)。因此， 失真信号表310可以是存储具有N个比特的长度的比特模式(及相关联 的信号样本)的N比特失真信号表，并且移位寄存器330可以是提供在 窗口内获得接收信号样本的N比特移位窗口的N比特移位寄存器。下 面的表1中提供了来自示范光BPSK调制信号的5比特模式及相关联 的信号样本的示例。

表1

当移位数据模式窗口内的接收信号样本馈送到检测器320时，检 测器320通过使用最大后验概率(MAP)检测算法选择最接近一致的已 知数据模式。例如，检测器320可计算和比较移位窗口内的接收样本 与失真信号表中的样本之间的欧几里德距离。选择失真信号表310中 具有到接收样本最小欧几里德距离的已知数据模式作为MAP判定。 N比特窗口内的接收样本(rs₁、rs₂、…、rs_N)与N比特失真信号表中的 存储样本(ss₁、ss₂、…、ss_N)之间的欧几里德距离可计算如下：

$\mathrm{ED}=\sqrt{{({\mathrm{rs}}_1-{\mathrm{ss}}_1)}^2+{({\mathrm{rs}}_2-{\mathrm{ss}}_s)}^2+...+{({\mathrm{rs}}_N-{\mathrm{ss}}_N)}^2}$

也可以使用其它类似算法来选择最接近一致的已知数据模式。例 如，根据另一个实施例，可使用最大相关准则来选择最接近一致的已 知数据模式。还可使用Chase算法提高失真信号表的最小欧几里德距 离或最大相关搜索的速度。根据进一步的实施例，可使用最大似然序 列估计(MLSE)算法来选择最接近一致的已知数据模式。

检测系统300可进一步包含训练器340，用于通过表示已知数据 模式的失真信号来训练系统，以及生成失真信号表310。训练器340 可在DSP电路中作为硬件、软件、固件或它们的组合来实现。为了 执行训练功能，可由传送器104传送预设训练序列，例如，伪随机比 特序列(PRBS)。相干接收器202接收、检测和数字化可能因数据模式 相关失真(例如，光信号中的相位失真)原因而失真的训练序列信号。

移位寄存器330在移位数据模式窗口内获得接收的训练序列信号 样本并将所述样本馈送到训练器340。训练器340基于窗口中的数据 模式将接收信号样本安排到数据模式相关集合中。例如，对于N比特 数据模式，训练器340基于围绕每个比特的N比特窗口中的N比特模 式安排接收的信号样本。在一个示例中，可安排5比特数据模式以使 得与00000比特模式相关联的信号样本安排在一集合中，与00001比 特模式相关联的信号样本安排在一集合中，与00010比特模式相关联 的信号样本安排在一集合中等。然后，训练器340可对每个集合中的 样本求平均以减轻噪声影响，并且将平均的样本存储在存储器中作为 由比特模式索引的失真信号表310。

训练器340可在系统操作的初始阶段执行训练并生成失真信号表 310。训练器340还可在系统操作期间使用预设非用户数据更新失真信 号表。更新该信号表允许惩罚减轻，从而适应传输系统中的改变，例 如，偏振模式色散(PMD)。

在一些实施例中，检测系统300还可使用软判定前向纠错(FEC) 来提高性能。FEC涉及将适合的纠错码插入传送的数据流中以便于检 测和纠正无之前已知信息的数据错误。纠错码在用于数据流的FEC编 码器(例如，在传送器104中)中生成。FEC编码/解码可根据多种FEC 方案来实现，FEC方案包括但不限于：线性和循环汉明码、循环 Bose-Chaudhuri-Hocquenghem(BCH)码、卷积(维特比)码、循环Golay 和Fire码、以及一些更新的码(例如，增强型卷积码和乘积码(TCC、 TPC)和低密度奇偶校检(LDPC)码)。

在软判定FEC中，生成表示接收数据的置信水平或可靠性(例如， 某个比特极可能是一、可能是一、可能是零、还是最可能是零)的多比 特“软”信息。额外的“软”信息使能更有效的FEC解码。美国专利 No.7,398,454、美国专利公开号2006/0136798、和美国专利申请序号 12/108,155中更详细地公开了软判定FEC的示例，通过引用将它们全 部完整地结合到本文中。

为了实现软判定FEC解码，检测系统300可包含与检测器320组 合的软判定FEC解码器350。检测器320可生成软判定数据流，而软 判定FEC解码器350接收该软判定数据流，恢复纠错码并使用它们来 纠正接收数据流中的任何错误。在一实施例中，检测器320可计算每 个判定比特的可靠性以生成软判定数据流。可靠性计算可基于计算的 欧几里德距离、最大相关准则或表示接收信号样本与已知比特模式有 多么一致的其它准则。

检测器320还可响应来自FEC解码器350的反馈来迭代地调整软 信息，这可进一步提高系统性能。例如，如果FEC解码器350纠正接 收N比特模式中的比特值之一，则馈送回用于该比特模式的检测器320 的软信息反映了纠正的比特。然后，纠正的软信息可由检测器320用 于提高最接近一致的比特模式的选择，例如，通过更新失真信号表310。

图4和5示出符合本公开的方法。图4示出用于检测具有数据模 式相关信号失真的信号中的数据的检测方法。这种检测方法可使用图 1-3中示出的系统来实现，或者在接收和检测具有数据模式相关信号 失真的信号的其它系统中实现。根据该检测方法，提供410与已知数 据模式相关联的失真信号样本(例如，通过训练和创建N比特失真信号 表)。该检测方法还包括：接收412数字化的信号样本(例如，从相干接 收器)和在滑动数据模式窗口(例如，由N比特移位寄存器提供)内获得 414样本。该检测方法进一步包括：比较416滑动数据模式窗口内的 样本和与已知数据模式相关联的样本，以及选择418与数据模式窗口 中的样本最接近一致的数据模式(例如，使用MAP检测技术)。

图5示出对用于检测具有数据模式相关信号失真的信号中的数据 的系统进行训练的训练方法。这种训练方法可使用图1-3中示出的系 统实现，或者在接收和检测具有数据模式相关信号失真的信号的其它 系统中实现。该训练方法包括：接收510表示包括数据模式相关失真 的训练序列(例如，PRBS)的信号，以及数字化512接收信号从而产生 与训练数据序列相关联的信号样本(例如，使用相干接收器)。该训练 方法还包括：将接收信号样本安排514到数据模式相关集合中，以及 存储516接收信号样本作为由数据模式索引的失真信号表。

图6-8示出用于在模拟系统中减轻传送信号中的数据模式相关失 真的系统和方法的效果。该模拟系统基于9000km 40Gb/s WDM相干 RZ-BPSK系统。图6示出与理想的和背对背(B2B)噪声负载模拟相比， 每个N比特模式到使用不同N比特窗口的其它N比特模式(例如，1 比特硬判定、7比特MAP、4比特MAP、及3比特MAP)的最小欧几 里德距离。如所指示的，7比特MAP检测方案、5比特MAP检测方 案和3比特MAP检测方案全部具有近似理想的比特模式之间的最小欧 几里德距离，并因此具有较高的Q因数以及与1比特硬判定检测相比 更大。

图7和图8示出Q因数作为信道功率的函数。如图7中所示，与 5比特和3比特MAP检测及1比特硬判定检测相比，作为信道功率的 函数的Q因数对7比特MAP检测更高。图7还示出在有更高非线性 度时7比特MAP检测可极大提高性能。图8进一步示出对每符号使用 2个样本的5比特MAP检测的、作为信道功率的函数的Q因数，其与 每符号使用1个样本的5比特MAP检测形成对比。如在模拟系统中所 指示的，每符号使用2个样本仅在系统高度非线性时有帮助，并且在 线性和准线性体系中可能会降低MAP检测性能。

相应地，本文所述的检测系统和方法的实施例可减轻数据模式相 关信号失真并提高通信系统(例如，光通信系统)的性能。

与一个实施例一致，提供了用于检测具有数据模式相关信号失真 的信号中的数据的系统。该系统包含失真信号表，其配置成存储多个 已知数据模式和与已知数据模式相关联的失真信号样本。该系统还包 含数据移位寄存器，其配置成在长度对应于已知数据模式的长度的移 位数据模式窗口内获得接收信号样本。该系统进一步包含检测器，其 配置成比较数据模式窗口中的样本和失真信号表中的样本，并选择失 真信号表中与数据模式窗口中的样本最接近一致的已知数据模式。

与另一个实施例一致，基于数字信号处理器(DSP)的接收器包括： 相干接收器，其配置成接收、检测和数字化调制光信号以产生接收信 号样本；以及DSP，其配置成存储包含多个已知数据模式和与已知数 据模式相关联的失真信号样本的失真信号表，在长度对应于已知数据 模式的长度的移位数据模式窗口内获得接收信号样本，比较数据模式 窗口中的样本和失真信号表中的样本，并选择失真信号表中与数据模 式窗口中的样本最接近一致的已知数据模式。

与进一步的实施例一致，提供了用于检测具有数据模式相关信号 失真的信号中的数据的检测方法。该检测方法包括：提供包含多个已 知数据模式和与已知数据模式相关联的失真信号样本的失真信号表； 接收包含多个数字化样本的数字化信号；以及在数字信号处理器中处 理数字化信号以在长度对应于已知数据模式的长度的滑动数据模式窗 口内获得接收信号样本，比较数据模式窗口中的样本和与已知信号模 式相关联的样本，并选择失真信号表中与数据模式窗口中的样本最接 近一致的数据模式。

与又一个实施例一致，提供了对用于检测具有数据模式相关信号 失真的信号中的数据的系统进行训练的训练方法。该训练方法包括： 在接收器中接收表示训练数据序列的信号；数字化接收信号以产生与 训练数据序列相关联的信号样本；以及基于数据模式在数字信号处理 器中处理数字化接收信号以将接收信号样本安排到数据模式相关集合 中，并将接收信号样本存储为由数据模式索引的失真信号表。

虽然本文描述了本发明的原理，但本领域技术人员会理解，本描述 仅作为举例，而不是对本发明的范围进行限制。除了本文示出及描述的 示范实施例之外，可在本发明的范围内考虑其它实施例。本领域普通技 术人员所做的修改和替换被认为在本发明的范围之内，仅所附权利要求 对此做出限制。