色散评估器和评估色散的方法

摘要

用于评估输入信号块的色散的色散评估器(100，500)包括以下部件：变换器(110、530、531)，用于将输入信号块在频域变换为已变换信号块；色散补偿器(120、545、546)，用于补偿已变换信号块的色散以获取已补偿的变换信号块；反向变换器(130、550、551)，用于将已补偿的变换信号块反向变换到时域以获取输出信号；自适应滤波器(140、200、300、570)，用于过滤输出信号以获取已过滤信号；判定器(150、580)，用于根据已过滤信号判定色散是否对应输入信号块的色散。

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及光接收机的信号处理领域。

发明背景

在数据传输系统中，数据以光信号的形式通过光路或光通道传输。在这种通信系统的接 收机中，光信号会被转换成为电信号，电信号经过数字采样后用于下一步处理。

然而，光路或光通道可能包含通道失真，从而导致接收光信号的失真。典型的一种失真 是色散，(例如)由于不同波长的光信号将以不同的速度在光路或光通道的光介质中传播， 导致接收的光信号的脉冲展宽。为了补偿这种失真，接收信号要进行相应的处理，以补偿某 些光介质色散的影响。然而，因为光介质的色散无法事先获知，所以可能需要对色散进行评 估。

可以采用各种评估技术做色散评估。例如，对频域接收信号应用平均自相关函数。进一 步地评估已补偿信号的均方差，以计算出色散。然而，因为偏振旋转或差分群时延，这种评 估技术的效果可能会有所降低。

发明内容

本发明旨在提供一种有效地评估光接收信号的色散的概念。

此目的通过各个独立权利要求的特征实现。进一步实施例显然是依据各个独立权利要求 的。

本发明是基于这一发现的：色散补偿程序采用对应于待处理信号的色散的色散，可以有 效地对待处理信号进行过滤，以获取具有需要属性的已过滤信号。因此，如果色散补偿程序 中应用的色散与待处理信号的色散不对应，则已过滤信号不可能具有需要的属性，或者只能 具有部分需要的属性。可能需要采用不同的色散来对补偿和过滤进行测试，以计算出待处理 信号的色散。

按照第一方面，本发明涉及一种用于评估输入信号块的色散的色散评估器。色散评估器 包括以下部件：变换器，用于在频域将输入信号块变换为已变换信号块；色散补偿器，用于 补偿已变换信号块的色散以获取已补偿的变换信号块；反向变换器，用于将已补偿的变换信 号块反向变换到时域，以获取输出信号。色散评估器进一步包括以下部件：自适应滤波器， 用于过滤输出信号，以获取已过滤信号；判定器，用于基于已过滤信号判定色散是否对应输 入信号块的色散。

变换器可以是傅里叶变换器，且反向变换器可以是傅里叶逆变换器。尤其是，这种傅里 叶变换器和这种傅里叶逆变换器可以采用快速傅里叶变换(FFT)算法。

在色散补偿器中，将在频域补偿信号块的色散。在将已补偿的变换信号块变换到时域之 后，获取的输出信号将提供给自适应滤波器，以获取已过滤信号。接着，将在判定器内部对 已过滤信号进行评估，以判定选择用于补偿的色散是否对应输入信号块的色散。

根据第一方面的第一种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中自适应滤波器用于 重复过滤输出信号以不断地自适应滤波系数，同时还用于使用经过自适应的滤波系数过滤输 出信号以获取已过滤信号。例如，自适应滤波器不是通过一次性的过滤操作来获取将在判定 器中进行评估的已过滤信号，而是通过重复过滤操作来获取的。因此，各个已过滤信号可能 是通过反复过滤同一个输出信号而获取的，而在每一个过滤操作中，自适应滤波器的滤波系 数是经过不断地自适应的，例如根据上一个过滤操作中的输出信号值和各个已过滤信号值可 以判定出。例如，在经过一定次数的重复过滤操作之后，可能会将已过滤信号提供给判定器。 因此，判定器对色散是否对应输入信号块的色散的判定则取决于自适应滤波器的自适应算法 的结果。

根据第一方面的第二种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中自适应滤波器用于 基于恒模算法通过重复过滤输出信号来自适应滤波系数。例如，按照恒模算法，这旨在自适 应滤波系数，以便可以恢复输入信号的恒模属性，例如，以便绝对值等同于或基本等同于输 出信号中的所有值，或者绝对值大于某个阈值。如果色散与输入信号块的色散不对应，使用 恒模算法无法达到此目的，从而表示色散与输入信号块的色散之间存在偏差。

根据第一方面的第三种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中自适应滤波器是有 限冲激响应(FIR)滤波器。例如，FIR滤波器的滤波系数可能是复值。

根据第一方面的第四种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中判定器用于评估已 过滤信号采样的振幅分布，以判定色散是否对应输入信号块的色散。例如，评估已过滤信号 采样的振幅是否显示恒模属性。

根据第一方面的第五种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中如果若干个已过滤 信号采样在一定的振幅范围内，尤其是复振幅平面上的圆形振幅没有超出阈值，判定器则用 于判定色散是否对应输入信号块的色散。例如，如果采样的恒模属性已被恢复，则已过滤的 采样具有一定的振幅或其振幅在一定的范围之内。换言之，这些采样都在一定的振幅范围之 外，例如，在复振幅平面的内圆之外。如果预定义数量(即阈值)的样品不满足恒模属性的 要求，则可以假定实现已过滤信号的恒模属性的目标是可以实现的。因此，在这种情况下可 以假定色散对应输入信号块的色散。

根据第一方面的第六种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中如果若干个已过滤 信号采样在一定的振幅范围内，尤其是复振幅平面上的圆形振幅比之前获取的其振幅在一定 范围内的若干个已过滤信号采样的要小，判定器则用于判定色散是否对应输入信号块的色散。 例如，将对应于第一色散的第一已过滤信号的振幅分布与对应于第二色散的第二已过滤信号 的振幅分布进行比较。如果第一已过滤信号在一定振幅范围内的采样比第二已过滤信号的要 少，则可以推断，较之第二色散，第一色散与输入信号块的色散更相符。

根据第一方面的第七种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中判定器用于触发色 散补偿器进一步补偿已变换信号块的色散以获取已进一步补偿的变换信号块，尤其是当色散 与输入信号块的色散不相符时。反向变换器用于将进一步补偿的变换信号块反向变换到时域 以获取进一步输出信号。自适应滤波器用于自适应地过滤进一步输出信号，以获取进一步已 过滤信号，同时判定器用于基于进一步已过滤信号判定进一步色散是否对应输入信号块的色 散。相应地，可以测试两个或多个色散，以计算出对应于输入信号块的色散在所有补偿操作 中，针对同一已变换信号块，执行各个色散的补偿。因此，补偿、过滤和判定的结果之间更 具可比性。

根据第一方面的第八种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中色散补偿器用于使 用与色散相关联的传输函数对已变换信号块进行处理。例如，可能会基于色散评事先确定与 此传输函数相对应的系数。例如，按照以下等式确定系数CD^-1：

其中，λ₀表示信号波长；f_s表示采样频率；N表示FFT样本数；c表示光速；n表示 N个系数的阶数；L表示纤维长度；D表示色散系数。

根据第一方面的第九种实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中判定器用于补偿已 变换信号块中的若干个色散，以便于判定器基于滤波器提供的若干个对应已过滤信号判定若 干个色散的色散是否与输入信号块的色散不相符。

根据第一方面的第十实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中输入信号块中包括与 第一光偏振相关联的第一信号块，以及与第二光偏振相关联的第二信号块。变换器用于在频 域获取已变换信号块，包括与第一光偏振相关联的第一已变换块，以及与第二光偏振相关联 的第二已变换块。尤其是，变换器将第一信号块变换为第一已变换块，同时将第二信号块变 换为第二已变换块。色散补偿器用于在频域获取已补偿的变换信号块，包括与第一光偏振相 关联的第一已补偿块，以及与第二光偏振相关联的第二已补偿块。尤其是，对第一已变换块 进行处理以获取第一已补偿块，同时对第二已变换进行处理以获取第二已补偿块。反向变换 器用于获取输出信号，包括与第一光偏振相关联的第一信号，以及与第二光偏振相关联的第 二信号。尤其是，第一信号是通过第一已补偿块获取的，同时第二信号是通过第二已补偿块 获取的。自适应滤波器用于过滤第一信号和第二信号以获取与第一偏振相关联的已过滤信号。 尤其是，可能会按照特定形式配置滤波器，以便对分别对应第一和第二光偏振的第一和第二 信号经过处理后，获取的已过滤信号只与第一光偏振相关联，但不与第二光偏振相关联，或 者极少与第二光偏振相关联，可完全忽略不计。例如，自适应滤波器是多输入单输出(MISO) 滤波器。

根据第一方面的第十一实施方式，本发明涉及一种色散评估器，其中包括用于色散评估 的评估模式，以及用于补偿输入信号流中的色散的补偿模式。色散评估器进一步包括用于接 收输入信号块的输入，以及用于在评估模式下将输入与色散补偿器断开来并在补偿模式下将 输入与色散补偿器连接起来的开关。因此，可以将同一已变换块提供给评估模式下的色散补 偿器用于评估输入信号块的色散，同时在补偿模式下也可以补偿输入信号流的此已变换信号 块。

按照第二方面，本发明涉及一种用于评估输入信号块的色散的方法。按照此方法，在频 域将输入信号块变换为已变换信号块。此方法进一步包括以下操作：补偿已变换信号块的色 散以获取已补偿的变换信号块；将已补偿的变换信号块反向变换到时域以获取输出信号；对 输出信号进行过滤以获取已过滤信号；根据已过滤信号，判定色散是否对应输入信号块的色 散。

按照某些实施方式，输出信号的过滤是基于滤波系数的，其中滤波系数是基于恒模算法 通过重复过滤输出信号来进行自适应地调整的。

按照本发明的第二方面，此方法的进一步实施方式是基于上述实施方式以及本发明的第 一方面的。

附图说明

有关本发明的进一步实施例的说明参考了以下附图，其中：

图1显示了根据一种实施方式的色散评估器；

图2显示了根据一种实施方式的滤波器；

图3显示了根据一种实施方式的自适应滤波器；

图4显示了根据一种实施方式的典型的星位图；

图5显示了根据一种实施方式的色散评估器；

图6显示了根据一种实施方式的剩余色散图；

图7显示了根据一种实施方式的用于评估色散的方法；

图8显示了根据一种实施方式的剩余色散图；

图9显示了根据一种实施方式的剩余色散图。

本发明具体实施方式

图1介绍了色散评估器100的实施方式，包括变换器110、色散补偿器120、反向变 换器130、自适应滤波器140和判定器150。变换器110用于将其输入端的输入信号块变 换成为在频域已变换信号块，并通过其输出端提供给色散补偿器120。例如，变换器110采 用FFT算法并经过自适应调整，以将时域内的复值输入信号块变换到频域内的复值已变换 块。输入信号块可能是由光信号变换过来并通过从光通道(例如光纤)接收的电信号的一组 数字采样值。

色散补偿器120准备用于补偿的色散，例如通过向补偿器120提供一组复补偿系数， 从而对传输函数进行自适应调整，以补偿色散。因此，在补偿器120的输出端将提供已补 偿的变换信号块，反向变换器130将对此信号块进行进一步处理。尤其是，反向变换器用 于将已补偿的变换信号块变换到时域，以获取输出信号。例如，在反向变换器中，将使用反 向FFT(IFFT)算法。

在自适应滤波器140中，对输出信号进行过滤以获取已过滤信号，并将此信号提供给 判定器150。此过滤过程可以包括多个对自适应滤波器140的滤波系数进行自适应调整的 阶段，具体的自适应调整可能是基于输出信号和/或各个调整阶段的已过滤信号的。

判定器150用于根据已过滤信号判定色散补偿器120中采用的色散是否对应输入信 号块的色散。

例如，判定器150检查已过滤信号(尤其是最后一次自适应阶段之后的已过滤信号) 是否具有需要的属性，能够表明输入信号块的色散已使用某色散值成功补偿，以便色散对应 输入信号块的色散。为此，在判定器150中，可能会评估已过滤信号的振幅分布。可能会 针对补偿器中若干个用于补偿的色散重复上述过程，以得出输入信号块的色散。因此，可以 评估输入信号块的色散。

例如，输入信号块包括与第一光偏振相关联的第一信号块，以及与第二光偏振相关联的 第二信号块。因此，变换器110、补偿器120和反向变换器130用于处理与第一和第二光 偏振相关联的两个块。因此，同样输出信号包括第一信号和第二信号，这两个信号分别与第 一和第二光偏振相关联。

图2显示了自适应滤波器200的实施方式，此滤波器用于处理两个复值输入信号，例 如第一信号和第二信号。例如，第一信号与X偏振相关联，可以写为复值信号

${\bar{U}}_X={\bar{I}}_X+j{\bar{Q}}_X,$

第二信号与Y偏振相关联，可以写为复值信号

${\bar{U}}_Y={\bar{I}}_Y+j{\bar{Q}}_Y.$

滤波器200是多输入多输出(MIMO)滤波器，带有两个输入和两个输出。滤波器200 包括四个滤波部件，分别为210、220、230和240，其中滤波部件210属于X-X关系， 滤波部件220属于Y-X关系，滤波部件230属于X-Y关系，滤波部件240属于Y-Y关 系。因此，在第一求和元件250中，将滤波部件210、220的输出加起来；在第二求和元 件260中，将滤波部件230、240的输出加起来。

因此，滤波器200输出了两个复值

${\bar{m}}_X={\bar{W}}_X^H{\bar{U}}_X,{\bar{m}}_Y={\bar{W}}_Y^H{\bar{U}}_Y,$

其中

其中，复向量表示复滤波系数。

为了更好地概述，此处未显示滤波器200的自适应元件。然而，滤波部件210、220、 230、240的系数都经过自适应处理，以便已过滤信号采样所述需要的星座图能在复平面上 按要求分布。

图3显示了自适应滤波器300的实施方式，此滤波器300属于MISO滤波器，带有 两个滤波输入和一个滤波输出。滤波器300包括第一和第二滤波部件310、320和求和元 件350。例如，滤波部件310、320可能对应于滤波器200的两个滤波部件210、220，而 求和元件350对应于第一求和元件250。滤波器300进一步包括适配部件360，用于为滤 波部件310、320的滤波系数或阶数执行适配计算。例如，使用恒模算法CMA更新阶数， 从而将输出信号和已过滤信号作为适配部件360的输入。例如，按照以 下等式更新滤波阶数或滤波系数：

而

其中，μ表示更新系数；k表示执行自适应算法的迭代次数；α表示泄露系数。在此范例中， 使用X偏振的采样计算误差e_k。

在图4中，显示了一个示例性的QPSK信号在X偏振和Y偏振的信号星座。图4A显 示了在自适应滤波器之前的采样信号星座，而图4B显示了过滤之后的信号星座。可以看出， 在FIR过滤之后，输出星座环形围绕在复平面的原点周围，且在圆圈标出的禁止或不想要 的范围之外。

在图4的信号中，色散补偿器中采用的色散等同于输入信号块的色散，所以，滤波器 能够进行自适应调整，以恢复已过滤信号中的恒模属性。

如果由于色散与输入信号块的色散不相符而导致剩余色散(RD)(即已补偿信号中的剩 余色散)过高，滤波器则无法清除圆圈内的区域。因此，如果已过滤信号中的若干个采样位 于圆圈内部，即振幅小于圆圈半径，小于阈值，那么可以推定，剩余色散非常小，可以忽略 不计，而且色散补偿器中采用的色散对应于输入信号块的实际色散。

例如，自适应滤波器能够执行偏振去耦、偏振模色散(PMD)补偿和剩余色散补偿等操 作。例如，如果每个符号间隔内有两个样品要进行处理，各个滤波部件的若干个系数在9到 15个阶数范围内。

图5显示了色散评估器500的进一步实施方式。色散评估器500包括第一处理部件 510(可能采用硬件)和第二处理部件520(可能采用软件，例如使用数字处理器)。

第一处理部件510包括变换器530、531，分别用于针对X偏振和Y偏振将输入信号 块变换到频域。变换器530、531的输出分别通过开关535、536连接至数据部件540、541， 用于存储已变换信号块。如果关闭开关535、536，变换器530、531的新输出数据将提供 给数据部件540、541。然而，如果打开535、536，数据部件540、541的内容保持不变。 存储在数据部件540、541中的信号块将提供给色散补偿器545、546，这两个补偿器将使 用第二处理部件520提供的色散进行补偿。色散补偿器545、546输出的已补偿块将被反 向变换器550、551反向变换到时域。

第二处理部件520包括加载部件560、FIR滤波器570、判定器580和控制部件590。 加载部件560用于加载若干个反向变换器550、551的输出采样，便于自适应滤波器570 进行进一步处理。例如，按照上述实施方式，自适应滤波器可能相当于上述滤波器200和 300。例如，判定器580将对已过滤信号进行评估，以判定已过滤信号的信号星座图是否满 足图4中规定的必要振幅分布。例如，可能会存储评估结果，便于将来与其他评估结果进 行比较。尤其是，通过控制部件590，可将其他色散加载到补偿器555、556中，以便补偿 器555、556使用其他色散对数据部件540、541中存储的信号块进行处理。

例如，补偿和补偿器545、546基于的色散与在预定步骤中的预定色散范围进行交换。 将相同的信号块进行补偿并提交给第二处理部件，以便针对每个已补偿块，执行过滤操作和 自适应调整滤波系数。而且，针对每个已过滤信号执行评估，尤其是对剩余色散的判定和/ 或对已过滤信号的振幅分布的评估。在最后一次过滤操作评估之后，分别从用于补偿的色散 中选择一个色散作为输入信号块的已评估色散，例如剩余色散最少的色散。

例如，如果应用了“新增和安全”的FFT方法，各数据块中的一半采样数据在已补偿输 出块中将得到正确的色散补偿。因此，IFFT输出块中的一半采样数据可能会被加载到第二 处理部件520中。如果使用了上述FFT方法，加载采样的数量可能会较少，但是也不应较 大。因此，如果假定FFT样本数N＝1024，512个采样可能将通过滤波器570。假定滤波 器有M个过滤阶数，则滤波器可能运行N/2-M+1次，从而将得到N/2-M+1个输出采样。 过滤阶数的更新可能会使用到各个输出采样。可能会针对从最小色散值RDmin到最大色散 值RDmax的所有色散值RD值，采样步长RDS重复执行此程序L次。可能会针对各个RD 值的两次偏振，计算复平面中半径为R的圆圈内的输出采样数量，并将结果存储在误差参 数RDE(i)中，其中i表示第i个RD值。最后，可能选择生成最小RDE的RD值。如 果使用最邻近的最小值做RD内插，评估将得到进一步完善。

假定这两个值是RD(i)和RD(i+1)，则可以通过以下等式计算出内插值：

其中ξ＜＜1可用于避免除数为零。

图6显示了典型剩余色散图，例如，其中通过用于补偿的RD值显示了振幅半径R以 内的若干个采样。因此，在此范例中，可以推断输入信号的色散为10.000ps/nm。

图7显示了上述实施例中可能使用的色散评估方法的流程图。在步骤701中，设置估 计算法的参数，例如Rdmin、RDS、RDmax、FFT样本数N、滤波长度M或过滤重复次数L等 值。在部件705中，将输入信号块变换到频域并将其进行冻结处理，以便相同的已变换块 可用于所有进一步操作。

在步骤710中，以最小色散值RDmin开头，然后以步长RDS递增，直到最大色散值 Rdmax，形成色散值RD循环。

在步骤715中，使用实际RD值对已变换信号块的色散进行补偿。在步骤720中，反 向FFT将已补偿块变换到时域。假定FFT样本数为N，N/2个时域输出信号采样将被加载 到评估系统中，例如，进入可能采用数字处理器的第二处理部件520中。

在步骤730中，开始执行L次滤波处理迭代循环。在部件735中，开始循环计算 N/2-M+1个滤波器输出采样，其中在步骤740中，计算FIR滤波器的输出采样；在步骤745 中，使用恒模算法(CMA)更新FIR滤波器的系数。在步骤750中，完成步骤735的循环， 同时在步骤755中，完成步骤730的相应循环。

在完成滤波循环之后，在步骤760中，计算实际RD值得误差值RDE。在步骤765中， 循环回到步骤710，以选择下一个RD值，或者如果到达了Rdmax，将继续执行步骤770。 在步骤770中，找到最小RDE值，可能会选择其相应的RD值用于色散。本方法可以到此 结束。但是，若要尽可能地改善色散评估的结果，可以选择邻近RDE的最小值且在步骤775 做内插。最后，在步骤780中，可以基于选择的RD值选择输出估算的色散。

关于内插，图8显示了剩余色散图，从此图中可以看出，图中显示有两个RD值RD1、 RD2，两者在圆圈内的采样数量都相当低。因此，可以推断出另外一个RDE最小值可以从色 散值RD1、RD2之间找到。相应地，可以重复上述类似的程序，找到新的RDmin和RDmax值， 即RDmin＝RD1、RDmax＝RD2。相应地，可以选择较小的步长RDS。

因此，图9显示了重复色度色调估算得出的典型剩余色散图，从而RD值的最小值可以在圆圈标出 的9950ps/nm和10000ps/nm之间找到。可再次重复此程序，或者将这两个值中的其中一个值作为已 评估色散。