用于解码光信号的方法和用于接收并解码光信号的接收器

摘要

一种方法对从发送器向接收器通过光信道发送的光信号进行解码。接收器接收所发送的光信号，以产生数字信号，该数字信号在频域中滤波以补偿静态效应和/或动态效应。滤波在频域中执行，而通过更新滤波器的时间系数中的至少一部分并将时间系数变换到频域来在时域中更新滤波器的频率系数。

说明书

技术领域

本发明总体涉及相干光通信系统，更具体地涉及解码通过光信道发送的数据。

背景技术

对诸如长途光网络中的链路这样的光链路的带宽需求的增长使光链路的容量的快速增大成为必需。比如，一些光通信系统中的光链路的每波长容量超过100吉比特每秒(Gb/s)。而且，为了满足光网络的将来容量需求，下一代光通信系统被设计为保持达到多太比特每秒(Tb/s)的容量。虽然增大带宽和吞吐量的需求继续增长，但用于光系统的设计经常受成本、功率以及尺寸要求约束。

例如，载波相位估计和振幅均衡中的不准确引起降低光通信系统性能的失真，即，噪声增强。在光通信中，不同的方法用于减轻失真。这些方法基于用于确定接收信号的相位和振幅的硬决定。例如，面向决定的最小均方(LMS)方法使用硬决定来确定更新的误差。

然而，不同类型的失真会需要用于使失真均衡的不同类型的滤波器。这多个滤波器的光组合是通常难以实现的期望成本有效选项。例如，色散的均衡通常在较长响应长度的频域中执行。在光学中，色散为波的群速依赖于其频率的现象。色散的均衡可以使用具有恒定系数的静态滤波器来执行。

相反，光信号的偏振的均衡由于信道条件的变化而是快速时间变化过程。偏振的均衡可以用动态滤波器来进行，该动态滤波器需要定期更新其系数。静态和动态滤波器的组合会具有挑战性。

因此，需要改善通过光信道发送的光信号的均衡。

发明内容

本发明的一些实施方式基于以下认识：色散以及其他效应(诸如偏振模式色散)的组合均衡可以在频域中有利地执行。这是因为由于色散和其他效应而产生的滤波响应可以在不分开色散和其他效应的滤波的情况下在仅调整少量时域系数的情况下应用于频域中。

特别地，一些实施方式基于以下认识：由于适于光通信的滤波器的长度(即，抽头或系数的数量，滤波操作在频域中比在时域中高效。这是因为频域中的滤波可以按块进行，但时域中的滤波逐元素地进行。然而，还认识到，滤波器的系数的更新在时域中比在频域中高效。这是因为仅更新频域中的系数的一部分不实际。然而，在一些情况下，更新所有抽头是不期望的，并且时域中的更新可以增加另外的灵活性。例如，频域中所有系数的更新会增大滤波器的抽头噪声。

为此，本发明的一些实施方式在时域中更新滤波器的系数，而在频域中执行滤波操作。

本发明的一些其他实施方式基于以下认识：组合均衡器输入采样率可以在不不利地影响性能的情况下从两个样本每符号降低至大于一个样本每符号的任意速率。这是有利的，因为可以减少滤波器所需的系数的数量，因此降低滤波器的复杂性。

本发明的一些其他实施方式基于以下认识：通过对于输出符号的子集计算时域中的时间系数，可以以降低的复杂性计算输出误差项。一些实施方式使用仅对导频符号确定的误差项，而一些其他实施方式使用对未知输出符号的子集确定的误差项。

因此，一个实施方式公开了一种用于对通过光信道从发送器向接收器发送的光信号进行解码的方法。方法包括：将通过光信道在时域中接收的光信号变换到频域，以产生离散频谱；更新滤波器的时间系数中的至少一部分，以在时域中进行滤波；将时间系数变换到频域以产生滤波器的频率系数以在频域中进行滤波；使用滤波器的频率系数在频域中对离散频谱滤波；将滤波后的离散频谱变换为时域中的数字信号；以及解码数字信号的符号。方法的步骤使用接收器的处理器来执行。

另一个实施方式公开了一种用于对通过光信道从发送器向接收器发送的光信号进行解码的方法。方法包括以下步骤：接收通过光信道发送的光信号，以产生时域中的数字信号；将时域中的数字信号分解成交叠样本块的集合；将样本块变换到频域，以产生离散频谱；用静态滤波器对离散频谱滤波，以产生第一已滤波频谱；用动态滤波器对第一已滤波频谱滤波，以产生第二已滤波频谱；将第一已滤波频谱变换到时域，以产生第一信号；将第二已滤波频谱变换到时域，以产生第二信号；基于第一信号和第二信号的至少一部分元素之间的差来确定动态滤波器的在时域中时间系数；通过用零替换时间系数的子集来更新时间系数；将更新后的时间系数变换到频域；用被变换到频域的更新后的时间系数更新动态滤波器的频域中的频率系数；以及使用与交叠样本块的集合对应的第二数字信号的集合在时域中重构光信号。方法的步骤是使用接收器的处理器来执行的。

又一个实施方式公开了一种用于接收并解码通过光信道发送的光信号的接收器，该接收器包括：前端，该前端包括光学器件和电子器件，该光学器件和电子器件用于通过光信道在时域中接收光信号，并且将光信号变换到频域，以产生离散频谱；数字信号处理器，该数字信号处理器用于使用滤波器的频率系数在频域中对离散频谱滤波，并且将滤波后的离散频谱变换成时域中的数字信号，其中，处理器更新滤波器的时间系数中的至少一部分以在时域中进行滤波，并且将时间系数变换到频域，以产生滤波器的频率系数；以及解码器，该解码器用于解码数字信号的符号。

附图说明

[图1A]图1A是根据本发明的一些实施方式的光通信系统的框图；

[图1B]图1B是根据本发明的一个实施方式的光通信系统的发送器的框图；

[图1C]图1C是根据本发明的一个实施方式的光通信系统的接收器的框图；

[图1D]图1D是根据本发明的一个实施方式的用于光通信系统中的接收器数字信号处理算法的框图；

[图1E]图1E是根据本发明的一些实施方式的具有在时域中更新的系数的用于在频域中滤波的滤波器的示意图；

[图1F]图1F是根据本发明的一个实施方式的用于对通过光信道从发送器向接收器发送的光信号进行解码的方法的流程图；

[图2]图2是根据本发明的一个实施方式的用于解码通过光信道从发送器向接收器发送的光信号的方法的框图；

[图3A]图3A是根据本发明的一些实施方式的导频辅助光通信系统的示意图；

[图3B]图3B是根据本发明的一些实施方式的用于导频辅助光通信系统的信号结构的示例示意图；

[图4A]图4A是根据本发明的一个实施方式的用于导频辅助光通信系统的发送器的框图；

[图4B]图4B是根据本发明的一个实施方式的用于导频辅助光通信系统的接收器的框图；

[图5A]图5A是根据本发明的一个实施方式的对用于导频辅助光通信系统的频域中的静态和动态效应滤波的示意图；以及

[图5B]图5B是根据本发明的一个实施方式的用于导频辅助解码通过光信道从发送器向接收器发送的光信号的方法的框图。

具体实施方式

图1A示出了根据本发明的一些实施方式的光通信系统的框图。来自源(001)的数据被发送到发送器(Tx)(010)。例如，在发送器中，数据被发送到可选的前向纠错(FEC)编码器(011)，然后由数字信号处理器(DSP)(014)处理编码后的信号。在一些实施方式中，DSP还执行各种功能，诸如信号的映射、滤波以及预均衡。信号然后被发送到发送器前端(015)，在该发送器前端，进行模拟操作，诸如放大、滤波、调制以及上转换，然后通过光信道(020)发送到接收器(Rx)(030)。

在接收器处，信号通过接收器前端(031)，该接收器前端用于执行对接收信号的模拟操作，诸如下转换、放大、滤波以及量化，以产生数字信号。由接收器DSP(032)处理数字信号，以提高均衡和载波相位恢复的准确性。然后在处理后的信号被发送到例如数据接收器(040)这样的目的地之前被可选地发送以进行FEC解码(034)。

图1B示出了根据本发明的一个实施方式的光通信系统的发送器的框图。来自源(101)的数据(110)被发送到发送器(120)。在发送器中，数据被FEC编码器(121)编码。信号然后经过DSP和其他前端电子器件(122)诸如模数转换器的处理。信号然后被发送到发送器光学器件(123)以调制光载波。光信号然后被发送到波长复用器(WM)(130)，在该波长复用器中，信号在被发送到光信道(135)之前可以可选地与具有不同波长的其他光信号(131)组合。

图1C示出了根据本发明的一个实施方式的光通信系统的接收器的框图。来自光信道(141)的信号被发送到波长解复用器(WDM)(150)。其他波长(151)可选地发送到其他接收器，以独立于关注波长信道进行处理。信号然后被发送到接收器(160)。光信号由光接收器前端(161)来检测。该块可以包括光学元件和电子元件这两者，诸如下转换、放大以及量化，以产生数字信号179。然后由DSP(162)处理该数字信号，包括滤波或振幅和相位失真的均衡。然后在被发送到处理后的信号的例如数据汇(170)这样的最终目的地之前，处理后的信号被发送到解码器(163)以产生针对FEC解码的软决定信息。

图1D示出了根据本发明的一个实施方式的DSP 162的数字信号处理的框图。例如，DSP可以可选地执行信号的静态滤波(182)然后被执行以补偿时间不变效应，诸如色散和脉冲成形，其在一些情况下具有长响应长度。为此，在一些实施方式中，用具有恒定系数的静态滤波器执行静态滤波。

另外或另选地，DSP 162执行动态滤波(183)来校正未知失真，诸如由于电滤波而导致的失真；和时间变化失真，诸如偏振模式色散，其通常具有短的多的响应长度。使用例如最小均方(LMS)方法，基于动态滤波器的输入和输出来更新(180)动态滤波器的系数。然后可选地执行(184)载波频率和相位的单独恢复，以补偿发送器与接收器激光之间的光频率的差以及它们相位的随机波动。

一些实施方式基于以下认识：由于适于光通信的滤波器的长度即抽头或系数的数量，滤波操作在频域中比在时域中高效。这是因为频域中的滤波可以按块进行，但时域中的滤波逐元素地进行。然而，还认识到，滤波器的系数的更新在时域中比在频域中高效。这是因为在频域中仅更新系数的一部分不实际。然而，在一些情况下，更新所有抽头是不期望的，并且在时域中进行更新可以增加另外的灵活性。例如，频域中对所有系数的更新会增大滤波器的抽头噪声。

图1E示出了根据本发明的一些实施方式的具有在时域中更新的系数的用于在频域中滤波的滤波器190的示意图。滤波器使用滤波器的系数来滤波，其依赖于滤波的域的。例如，滤波器可以具有用于在时域中滤波的时间系数191和用于在频域中滤波的频率系数192。时间系数191和频率系数192与彼此相关。例如，可以使用傅里叶变换193将时间系数191变换成频率系数192。

类似地，可以使用逆傅里叶变换193将频率系数192变换成时间系数191。本发明的一些实施方式使用频率系数191执行频域中的滤波器190的滤波196操作。然而，通过更新时间系数中的至少一部分来在时域中更新195频率系数。

例如，返回参照图1D，在由动态滤波器183滤波之前，将频域中的数字信号或数字频谱变换到时域，以产生第一信号165。还将滤波后的数字频谱，即，在由动态滤波器183滤波之后，变换到时域，以产生第二信号166。更新180基于第一信号165和第二信号166的函数确定时域中的滤波器的时间系数，并且在频域中变换时间系数的至少一部分以更新频率系数。

图1F示出了根据本发明的一个实施方式的用于对通过光信道从发送器向接收器发送的光信号进行解码的方法的流程图。实施方式将通过光信道在时域中接收的光信号变换171到频域，以产生离散频谱。实施方式更新172滤波器的时间系数中的至少一部分以在时域中进行滤波，并且将时间系数变换173到频域以产生滤波器的频率系数以在频域中进行滤波。实施方式使用滤波器的频率系数在频域中对离散频谱进行滤波174，将滤波后的离散频谱变换175为时域中的数字信号，并且解码176数字信号的符号。方法的步骤是使用接收器的处理器(例如，DSP 32)来执行的。

图2示出了根据本发明的一些实施方式的用于频域中的滤波的方法的框图。在这些实施方式中，滤波器190包括用于对光信道的静态效应滤波的静态滤波器，例如，滤波器182，和用于对光信道的动态效应滤波的动态滤波器，例如，滤波器183。静态滤波器的频率系数恒定；然而，动态滤波器的频率系数在时域中更新。

例如，一个实施方式接收201通过光信道发送的光信号，并且将该光信号转换成时域中的数字信号。在时域中将数字信号分解成202交叠样本块的集合，然后将样本的各块变换203到频域，以产生离散频谱，例如使用快速傅里叶变换。在本发明的不同实施方式中，样本块每符号包括要解码的整数个或有理数个样本。例如，在一个实施方式中，各符号用两个样本来编码。在另选实施方式中，样本块每符号包括多于一个但少于两个的样本。

例如，光接收器在时刻k检测信号E_k。然后将信号分解成具有长度2N的交叠块，其中，N严格大于信道响应的长度。在一些情况下，与连续块的交叠可以为块长度的一半。在这种情况下，我们将定义块B_j＝[E_k+1,…,E_k+2N]及其相邻块Bj＝[E_k+1,…,E_k+2N]。接着，实施方式用静态滤波器对离散频谱进行滤波204，以产生第一滤波频谱，并且用动态滤波器对第一滤波频谱进行滤波205，以产生第二滤波频谱。接着，实施方式将第二滤波频谱变换206到时域，以产生第二信号207，该第二信号用于在时域中重构208光信号209。例如，与交叠样本块的集合对应的第二数字信号的集合可以用于重构光信号209，使用例如交叠相加或交叠保存方法。

例如，交叠保存方法可以用以下伪代码来描述：

h＝FIR_impulse_response；

M＝length(h)；

overlap＝M-1；

N＝4*overlap；

step_size＝N-overlap；

H＝DFT(h,N)；

position＝0；

while(position+N<＝length(x))

yt＝IDFT(DFT(x(1+position:N+position),N)*H,N)；

y(1+position:step_size+position)＝yt(M:N)；

position＝position+step_size；

end

实施方式还在时域中更新动态滤波器的频率系数。例如，为了更新动态滤波器的频率系数，实施方式，例如定期或响应于触发事件，将第一滤波频谱变换211到时域，以产生第一信号216，将第二滤波频谱变换206到时域，以产生第二信号207，并且基于第一信号和第二信号的至少一部分元素之间的差来确定210时域中的动态滤波器的时间系数。例如，时间系数可以使用第一信号来确定和/或更新，该第一信号根据第二信号中的至少一部分样本与一组预定值之间的误差来调整。为此，一些实施方式在调整第一信号之前计算对应输出块上的误差(213)，并且其可选地滤波(212)，例如，平均化。

例如，2×2MIMO滤波器205的瞬时时域输出207由以下算式给出：

其中，u_x和u_y分别是x和y偏振上的时域输入向量216，h_xx、h_yx、h_xy以及h_yy是四个FIR滤波器的系数，v_x和v_y分别是在x和y偏振上从输出块207取得的瞬时时域输出，并且^H运算符是埃尔米特向量转置。

一个实施方式根据(例如)以下恒模算法根据各偏振上的均衡信号207的半径来计算误差项213：

e_x＝1-|v_x|²

e_y＝1-|v_y|²

其中，e_x和e_y分别是x和y偏振上的误差项。

另外，一个实施方式还可以通过使用误差项212的滤波版本来细化我们的误差项计算，其在滑动窗累加器滤波器的情况下给出如下：

其中，e_x′和e_y′分别是x和y偏振上的平均误差项，并且M是被平均的误差项的数量。

滤波器210的系数使用误差项和一些自适应算法(例如，最小均方(LMS)算法)来确定，算法由以下方程组来确定：

h_xx′＝h_xx+μe_xu_xv_x*

h_yx′＝h_yx+μe_xu_yv_x*

h_xy′＝h_xy+μe_yu_xv_y*

h_yy′＝h_yy+μe_yu_yv_y*

其中，向量h_xx′，h_yx′，h_xy′和h_yy′是更新后的滤波器系数向量，*是共轭算子，μ是均衡器收敛参数。我们然后在用诸如快速傅里叶变换的算法将它们变换215到频域之前用零填充214更新后的系数，使得它们与频域滤波器长度相同。

本发明的一些实施方式基于以下认识：响应于光信道的状况的变化而更新动态滤波器的系数的仅一部分可以降低滤波器的抽头噪声。然而，因为单个时域系数的变化影响所有频域系数，所以更新频域中的系数的仅一部分不实际。

然而，因为时域中的期望适应响应的稀疏性，所以可以更新时间系数的仅一部分。为此，一些实施方式更新时域中的时间系数的仅一部分。例如，在确定210时间系数之后，一个实施方式214通过用零替换时间系数的子集来更新214时间系数。这种替换仅保留决定要更新的那些时间系数，并且在频域中变换215仅那些剩余的时间系数，从而更新动态滤波器的频率系数。例如，为了补偿偏振模式色散，其动态且仅具有短的响应长度，我们可以决定更新在时域中仅处于中心的抽头。除了中心系数之外的所有系数更新项被设置为零，因此不被更新。

本发明的一些实施方式基于以下认识：每符号多个样本可以用于光传输中来考虑光信道的不确定性。通常，各符号用整数个样本来编码，例如，每符号两个样本，因为由于样本与符号之间的直接对应，这种采样简化了滤波。

然而，一些实施方式基于以下认识：将每符号的样本数量减少至一至二之间的有理数降低了滤波的复杂性，但消除了样本与符号之间的直接对应。特别地，当样本与符号的比是有理数时，例如，交叠样本块每符号具有多于一个但少于两个的样本，一个样本可以携带多个符号的信息。然而，一些实施方式基于以下认识：伴随将滤波信号重采样为每符号整数个样本的随后的重采样操作，可以使用有理数个符号进行滤波。尽管有另外的重采样步骤，但伴随重采样的滤波信号的直接关系的、滤波器的复杂性的降低仍然是有益的。

为此，在本发明的一个实施方式中，离散频谱包括交叠样本块的集合，该交叠样本块对于每个符号具有多于一个但少于两个的样本。该实施方式将滤波后的离散频谱重采样226为每个符号有整数个样本，并且206重采样且滤波的离散频谱变换到时域，以产生第二信号。

图3A示出了根据本发明的一些实施方式的导频辅助光学通信系统的框图。来自源(301)的数据被发送到发送器(Tx)(310)。例如，数据被发送给可选的前向纠错(FEC)编码器(311)，然后数据被发送给导频插入块(312)，在该导频插入块中，以某一预定速率添加来自导频序列(313)的导频符号，以产生包括数据符号的集合和具有已知振幅和相位的一组导频符号的信号。在插入导频符号之后，信号经过数字信号处理(DSP)(314)。在一些实施方式中，DSP还执行其他功能，诸如映射、滤波以及预均衡。信号然后被发送给发送器前端(315)，在该发送器前端，进行模拟操作，诸如放大、滤波、调制以及上转换，然后通过光信道(320)发送到接收器(Rx)(330)。

在接收器处，信号通过接收器前端(331)，该接收器前端用于执行对所接收信号的模拟操作，诸如下转换、放大、滤波以及量化，以产生数字信号。在提取所接收导频符号(333)之前，由数字算法(332)处理数字信号。然后由导频辅助DSP算法(336)处理所提取的导频符号结合具有对应于导频符号(313)的已知振幅和相位的所发送的导频序列(335)。从该处理产生的信息然后用于接收器DSP(332)，以提高均衡和载波相位恢复的准确性。导频提取之后的所接收信号然后在被发送到例如，数据汇(340)这样的目的地之前被发送以进行FEC解码(334)。

图3B示出了要编码的对应数字信号的示例结构。信号包括根据本发明的一些实施方式的数据符号的集合和具有已知振幅和相位的一组导频符号。多个导频符号(350、352、354以及356)在数据符号的多个块(351、353以及355)上分配。对数据符号的单个块(353)的数字信号处理可以使用相邻的导频符号(352、354)和/或非相邻导频符号(350、356)来执行。

图4A示出了根据本发明的一个实施方式的用于导频辅助光学通信系统的发送器的框图。来自源(401)的数据(410)被发送到发送器(420)。在发送器中，数据在间歇插入导频符号(424)之前由FEC编码器(421)编码。信号然后经过DSP算法和其他前端电子器件(422)诸如模数转换器的处理。信号然后被发送到发送器光学器件(423)，以对光载波进行调制。光信号然后被发送到波长复用器(WM)(430)，在该波长复用器中，信号在被发送到光信道(435)之前可以可选地与具有不同波长的其他光信号(431)组合。

图4B示出了根据本发明的一个实施方式的用于导频辅助光学通信系统的接收器的框图。来自光信道(441)的信号被发送到波长解复用器(WDM)(450)。其他波长(451)可选地发送到其他接收器，以独立于关注波长信道进行处理。信号然后被发送到接收器(460)。光信号由光接收器前端(461)来检测。该块可以包括光学元件和电子元件这两者，诸如下转换、放大以及量化。然后由DSP算法(462)处理数字信号。在DSP处理之后，提取(465)所接收的导频符号，并且结合导频符号的已知发送序列(466)处理(464)所接收的导频符号。来自该导频处理的信息然后在包括用于诸如振幅和相位均衡的功能的均衡器的Rx DSP(462)中使用。然后在被发送到所处理信号的例如数据汇(470)这样的最终目的地之前，对于解调模块(463)发送处理后的信号，以产生针对FEC解码的软决定信息。

图5A示出了根据本发明的一个实施方式的导频辅助数字接收器子系统的框图。来自量化器(501)的数字信号由DSP(510)处理。最初，在光端电接收器前端(511)中执行静态且可能为非线性的处理，以校正缺陷。然后，用静态滤波器(512)执行信号的静态均衡，以补偿时间不变效应，诸如色散和脉冲成形，其在一些情况下具有极长响应长度。然后用动态滤波器(513)执行适应均衡，以校正未知失真，诸如由于电滤波而导致的失真)；和时间变化失真，诸如偏振模式色散，其通常具有远远更短响应长度的。在时域中更新(515)动态滤波器的频率系数，例如使用最小均方(LMS)方法基于导频符号(514)的值和导频符号的预定值。然后可选地执行(516)载波频率和相位的单独恢复，以补偿发送器与接收器信号之间的光频率的差以及它们相位的随机波动。然后发送信号，以进行解调和解码(520)。

图5B示出了根据本发明的一些实施方式的用于频域中的导频辅助滤波的方法的框图。除了关于图2描述的步骤之外，在该实施方式中，还使用从第二信号提取的导频符号543和预定导频符号550来确定用于确定时间系数的误差542。例如，在一个实施方式中，基于第一信号、第二信号中的导频符号的值以及导频符号550的预定值的函数确定510时间系数。例如，我们可以根据(例如)根据以下方程的恒模方法根据各偏振上的发送550导频和接收543导频的半径计算误差项542：

e_x＝|p_x|²-|v_x|²

e_y＝|p_y|²-|v_y|²，

其中，e_x和e_y分别是x和y偏振上的误差项，并且p_x和p_y分别是x和y偏振上的导频符号。

本发明的以上所描述的实施方式可以以大量方式中的任一个来实施。例如，实施方式可以使用硬件、软件或其组合来实施。当在软件中实施时，可以在任意合适的处理器或处理器的集合上执行软件代码，而不管处理器是设置在单个计算机中还是分布在多个计算机之间。这种处理器可以被实施为集成电路，一个或更多个处理器在集成电路部件中。但处理器可以使用任意合适格式的电路来实施。

同样，本发明的实施方式可以被具体实施为示例已经被提供的方法。被执行为方法的一部分的动作可以以任意合适的方式来排序。因此，可以构造以下实施方式：虽然动作在例示性实施方式中被示出为顺序动作，但动作以与所例示的不同顺序来执行，这可以包括同时执行一些动作。

序数术语(诸如“第一”、“第二”)在权利要求中用于修改权利要求元素本身不暗示一个权利要求元素超过另一个权利要求元素的任何优先权、在先或顺序或执行方法动作的时间顺序，而是仅用作区分具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但用于序数术语)的另一个元素以区分权利要求元素的标签。