相干光信号接收器中的双级载波相位估计

摘要

一种在用于光纤通信系统的相干接收器中实现双级载波相位估计(CPE)的系统和方法。在第一级，实现前馈CPE以对训练序列做出初始载波相位估计。初始载波相位估计耦合到实现判定反馈CPE的第二级。在训练周期后，可使用判定反馈CPE实现对系统业务的准确比特判定。

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12/718,124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61/159,018 的权益，并且是2010年3月5日提交的美国专利申请序号12/718,177 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 61/159,011的权益，通过引用将其完整地结合到本文中。

技术领域

本申请涉及信息的光传输，并且更具体来说，涉及相干光信号接 收器中的双级载波相位估计。

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(PSK)，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。多种PSK调制格式是公知的。例如，在 二进制相移键控(BPSK)格式中，可使用两个相位表示每个符号1比特。 PSK格式还包括差分相移键控(DPSK)格式。在DPSK格式中，信号的 光强度可保持为恒定，而通过差分相变来指示1和0。DPSK调制格式 包括其中归零幅度调制给予DPSK信号的归零差分相移键控 (RZ-DPSK)，以及线性调频脉冲归零差分相移键控(CRZ-DPSK)。

PSK格式包括一些已知的多级调制格式，其中多个数据比特可在 单个传送符号上编码。可用于对每个符号编码二比特的多级PSK调制 格式的示例包括：正交相移键控(QPSK)；差分正交相移键控(DQPSK)， 其中信息在四个差分相位中编码；以及幅移键控和差分二进制相移键 控的组合(ASK-DBPSK)。具有可用于对每个符号编码三比特的八个符 号级的多级调制格式包括差分8级相移键控(D8PSK)和ASK-DQPSK。 正交幅移键控和差分正交相位调制的组合(QASK-DQPSK)可用于提供 16个符号级或者每个符号四比特。另一种备选调制格式就是正交幅度 调制(QAM)，其中信息调制到传送信号的相位和幅度两者上。为了简 洁和便于说明，术语“PSK调制格式”指至少部分在光信号的相位中 对数据进行编码的任何调制格式，包括但不限于上述调制格式中的任 一种。

由于在使用PSK调制格式实现的系统中数据以光信号的相位来编 码，因此此类系统可包含用于对信号进行解调的相干接收器。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。在基于DSP的相干接收器中实现载波相位估计的已知方法会造 成不可接受的性能惩罚或需要不可接受的慢初始训练周期。

附图说明

应当参照应结合以下附图来阅读的以下详细描述，附图中相似标 号表示相似部件：

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是结合符合本公开的双级载波相位估计功能的接收器的一个 示范实施例的框图。

图4是结合符合本公开的双级载波相位估计功能的示范光通信系 统的框图。

图5是示出符合本公开的示范双级载波相位估计过程的流程图。

图6包括示出符合本公开的一实施例的性能的Q因数对光信噪比 的曲线。

具体实施方式

一般来说，符合本公开的系统实现双级载波相位估计(CPE)。在第 一级，实现前馈CPE以对训练序列(例如，伪随机比特序列(PRBS))做 出初始载波相位估计。该初始载波相位估计耦合到实现判定反馈CPE 的第二级。在训练周期后，可使用判定反馈CPE实现对系统业务的准 确比特判定。

图1是符合本公开的WDM传输系统100的一个示范实施例的简 化框图。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 相关联的输入端口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相关联的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相关联的接收器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。本文所使用的术语“耦合”指的是通过其而将一个系统元件 所载运的信号给予“耦合”元件的任何连接、耦合、链路等等。这类 “耦合”装置，或“耦合”信号和位置不一定相互直接连接，而是可 由可操纵或修改这类信号的中间组件或装置分离。

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的输入耦合。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。各偏振耦合到相关联的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的输入耦合。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)频偏补偿功能232、载波相位估计功能 234、比特判定功能236以及可选的训练序列误码率测试功能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 然功能分离地示出，但是要理解，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 频偏补偿功能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耦合到比特判定功 能236，比特判定功能236确定调制信号中由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。 比特判定功能的输出因而可表示在载波波长λ_N上调制的数据，并可在 通路118-N的输出上耦合。可选的训练序列差错率测试功能238可配 置用于在训练序列上执行误码率(BER)测试，以训练载波相位估计功能 的操作。

图3是结合符合本公开的双级载波相位估计功能234的接收器的 一个示范实施例300的简化框图。所示示范实施例包括相干接收器 202，用于接收具有按照PSK调制格式在载波波长上调制的数据的光 信号。接收器202的输出可耦合到前馈CPE功能302，用于将初始载 波相位估计提供给判定反馈CPE功能304。用于估计信号的载波相位 的前馈CPE功能包括，例如，Costas回路功能、平均相位功能及Mth 功率方案。在Ly-Gagnon等人的“Coherent Detection of Optical  Quadrature Phase-Shift Keying Signals With Carrier Phase Estimation(通 过载波相位估计对光正交相移键控信号进行相干检测)”，Journal of  Lightwave Technology，Vol.24，No.1，12-21页，2006年1月以及R.Noé 的“PLL-Free Synchronous QPSK Polarization Multiplex/Diversity  Receiver Concept With Digital I&Q Baseband Processing(具有数字I&Q 基带处理的无PLL同步QPSK极化复用/分集接收器概念)”，IEEE  Photonics Technology Letters，Vol.17，No.4，887-889页，2005年4月中 描述了使用Mth功率方案用于前馈CPE的相干接收器配置的示例，通 过引用将其完整地结合到本文中。在2007年光纤通信和国家光纤工程 师大会Yi Cai和Alexei N.Pilipetskii的“Comparison of Two Carrier  Phase Estimation Schemes in Optical Coherent Detection Systems(光相干 检测系统中两种载波相位估计方案的对比)”(第1-3页，2007年3月) 中提供了用于基于DSP的相干接收器中的Mth功率方案和判定反馈 CPE方案的描述和对比，通过引用将其教导完整地结合到本文中。

判定反馈CPE功能304的输出可以是耦合到比特判定功能236的 可操作CPE。比特判定功能236可使用可操作CPE以确定由调制信号 中的载波相位表示的数据值或比特值，并提供表示载波波长上调制的 数据的输出。比特判定功能236可将反馈306提供给用于执行判定反 馈CPE的判定反馈CPE功能304。在操作中，当单独使用判定反馈 CPE功能由于判定准确性不足而不实际时，初始级前馈CPE功能提供 建立足以允许判定反馈CPE功能的操作的判定准确性的初始CPE。

图4是结合符合本公开的双级载波相位估计功能234a的示范光通 信系统400的简化框图。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202。要理解，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。

所示示范实施例包含传送器402，配置用于选择性地在操作模式 中传送用户数据404，或在训练模式中传送训练序列406，例如，PRBS。 传送器的输出在光传输通路102上耦合到相干接收器202。接收器202 的输出可耦合到符合本公开的双级载波相位估计功能234a。双级载波 相位估计功能234a包含前馈CPE功能302和判定反馈CPE功能304。 训练序列误码率功能238可耦合到前馈CPE功能302，以协助从前馈 CPE功能建立初始CPE输出。

在训练模式中，传送器402传送训练序列并耦合到前馈CPE功能 302。由前馈CPE功能302建立的CPE可耦合到训练序列误码率测试 功能238，训练序列误码率测试功能238可应用该CPE确定训练序列 是否能够使用该CPE进行同步。例如，在一个实施例中，可通过旋转 经过与训练序列信号的样本相关联的可能相位旋转值并尝试使用训练 序列差错率测试器238获得训练序列来消除来自前馈CPE的任何相位 模糊。在训练序列误码率测试功能238能够使用来自前馈CPE的CPE 同步训练序列之前，前馈CPE功能302可不将初始CPE提供给判定反 馈CPE功能304。

来自前馈CPE功能302的初始CPE耦合到判定反馈CPE 304。判 定反馈CPE功能304的输出可以是耦合到比特判定功能236的可操作 CPE。比特判定功能236可使用可操作CPE确定由调制信号中的载波 相位表示的数据值或比特值，并提供表示载波波长上调制的数据的输 出。比特判定功能236还可将反馈306提供给用于执行判定反馈CPE 的判定反馈CPE功能304。可通过将来自判定反馈CPE功能304的反 馈408提供给前馈CPE功能302实现可选的迭代训练。

来自传送器的训练序列406、前馈CPE功能302和判定反馈CPE 功能304的组合允许了快速、实际和准确的载波相位估计。训练序列 可用于快速消除由前馈CPE引起的任何相位模糊，并且消除对用于前 馈CPE的操作的差分编码的需要及相应的性能惩罚。当单独使用判定 反馈CPE功能由于判定准确性不足而不实际时，由前馈CPE功能建立 的初始CPE建立了足以允许判定反馈CPE功能的操作的判定准确性。

一旦训练模式完成，系统可进入操作模式，由此传送器402在传 输通路上传送用户数据404。在操作模式中，相干接收器202的输出 可耦合到判定反馈CPE功能304并可旁路前馈CPE功能302。但是， 可定期运行训练模式以保持对载波相位估计的跟踪。

图5是符合本公开的一个示范双级CPE过程500的流程图。本文 中用于描述多种实施例的流程图包括特定的步骤序列。但是，能够意 识到，该步骤序列只提供可如何实现本文所述的一般功能性的一个示 例。此外，除非另有说明，每个步骤序列不一定按所示顺序执行。

另外，所示示范实施例使用Mth功率方案作为前馈CPE功能。一 般来说，Mth功率方案通过对信号样本提升到Mth功率的N个相邻符 号求平均来估计M-ary(即，对于BPSK，M＝2；对于QPSK，M＝4，等 等)PSK格式化的信号的当前符号的相位。但是，要理解，符合本公开 的系统和方法不限于任何特定前馈CPE。

在图5的示范实施例中，信号和本地振荡器(LO)信号耦合502到 Mth功率CPE功能。一开始，Mth功率CPE功能建立504具有M折 (M-fold)相位模糊的CPE(例如，CPE_M)。对于M-PSK格式，在Mth功 率方案确定CPE之后，可旋转(例如，0、2π/M、4π/M、6π/M…)信号 样本星座以消除这种相位模糊。为了确定正确的相位旋转值，可使用 训练序列并可在训练序列误码率测试器(例如，使用测试功能238)中使 用所有可能的M模糊值，直至实现训练序列同步。

根据所示实施例中的示范训练过程，计数器“i”初始化为零506， 对训练序列信号样本执行相位旋转510，以及执行训练序列误码率测 试508以确定同步。可测试训练序列，直至训练序列已同步或旋转次 数等于可能的模糊值的数量(M)(例如，i＝M)512。当在训练序列中已 实现同步时，Mth功率CPE加允许同步的相位旋转值被视作最佳的初 始CPE(例如，CPE＝CPE_M+i*2π/M)。该初始CPE传递到判定反馈 CPE功能514，而CPE功能514基于比特判定反馈提供可操作CPE给 比特判定功能516。虽然所示示范实施例示出了的i*2π/M相位旋转， 但每个相位旋转的数量对于不同应用可能有所不同并且不是限制。

从判定反馈CPE得出的可操作CPE可发回Mth功率CPE功能以 建立迭代训练回路。M-th功率CPE训练功能与判定反馈CPE功能之 间的迭代数量对于不同应用可能有所不同。一旦建立了满意的CPE， 双级CPE可退出训练模式以处理用户数据，例如，仅使用判定反馈 CPE功能。

图6包括示出在使用包含符合本公开的双级CPE功能的相干接收 器的WDM背对背噪声负载试验中符合本公开的系统的性能的Q因数 对光信噪比的曲线602、604、606。如曲线602和604中所示，在上 述双级训练之后，单独判定反馈CPE在操作模式中提供相比单独使用 Mth功率方案的、提高的性能。但是，如上所述，当单独使用判定反 馈CPE功能由于判定准确性不足而不实际时，使用前馈方案(例如， Mth功率方案)允许快速和准确的判定反馈CPE。例如，如曲线608中 所示，可使用符合本公开的双级CPE功能实现优越的Q性能。

根据本公开的一个方面，因此提供了一种用于估计其上具有按照 相移键控调制格式调制的数据的信号的相位的系统，该系统包括数字 信号处理器(DSP)，配置成：接收电信号，执行前馈载波相位估计功能 以提供初始载波相位估计，并执行判定反馈载波相位估计功能以响应 来自比特判定功能的反馈提供可操作载波相位估计。比特判定功能可 配置成响应可操作载波相位估计确定来自信号的数据值，从而提供表 示信号上调制的数据的输出。

根据本公开的另一个方面，提供一种光通信系统，包括：传送终 端，用于在光信息信道上各以不同的相关联的波长传送多个光信号， 光信号中的至少一个是其上具有按照相移键控调制格式调制的数据的 相移键控(PSK)信号；耦合到光信息通路的接收终端，用于接收多个光 信号中的至少一个，该接收终端包括：光信号接收器，用于接收PSK 信号并提供表示该PSK信号的至少一个电信号；以及数字信号处理器 (DSP)，配置成接收该电信号，执行前馈载波相位估计功能以提供初始 载波相位估计，并执行判定反馈载波相位估计功能以响应来自比特判 定功能的反馈提供可操作载波相位估计，该比特判定功能配置成响应 可操作载波相位估计确定来自该电信号的数据值，从而提供表示该 PSK信号上调制的数据的输出。

根据本公开的另一个方面，提供用于对其上具有按照相移键控调 制格式调制的数据的光信号进行解调的检测方法，该方法包括将光信 号转换成表示该光信号的至少一个电信号；执行前馈载波相位估计功 能以提供与该光信号相关联的初始载波相位估计；使用该初始载波相 位估计执行判定反馈载波相位估计功能并响应来自比特判定功能的反 馈提供与该光信号相关联的可操作载波相位估计；以及执行比特判定 功能以响应该可操作载波相位估计确定来自电信号的数据值，从而提 供表示该光信号上调制的数据的输出。

根据本公开的另一个方面，提供在基于数字信号处理(DSP)的光信 号接收器中训练判定反馈载波相位估计功能的方法，该方法包括：传 送光信号到接收器，该光信号具有其上按照相移键控调制格式调制的 训练序列；将该光信号转换成表示该光信号的至少一个电信号；执行 前馈载波相位估计功能以提供与该光信号相关联的初始载波相位估 计；使用该初始载波相位估计执行训练序列误码率测试功能以尝试同 步该训练序列；如果训练序列误码率测试功能同步了该训练序列，则 将该初始载波相位估计提供给判定反馈载波相位估计功能；以及使用 该初始载波相位估计执行判定反馈载波相位估计功能并响应来自比特 判定功能的反馈提供与该光信号相关联的可操作载波相位估计。

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。