识别双偏振相干光传输中的偏振/正交通道的系统和方法

摘要

描述了用于通过使用数字代码来识别相干传输系统的正交通道中的独立调制流的相位和偏振的系统和方法。结果，在传输期间可能已经在通道中发生旋转和交换的流的相位旋转和偏振被正确地标记并根据已知的且可预测的顺序被去排列。

说明书

发明人：

查尔斯·拉扎尔(Charles Razzell)

相关申请的交叉引用

本申请涉及2019年12月12日提交的发明人为查尔斯·拉扎尔且名称为“Systemsand Methods for Identifying Polarization/Quadrature Channels in Dual-Polarization Coherent Optical Transmission[识别双偏振相干光传输中的偏振/正交通道的系统和方法]”的美国临时专利申请序列号62/947,518，并根据35U.S.C.§119(e)要求其优先权权益。本专利文件中提及的每个参考文献通过引用以其全文结合在此并用于所有目的。

背景技术

本披露总体上涉及高速通信电路中的信号处理。更具体地，本发明涉及用于正确地识别相干光传输方案中的偏振通道和正交通道的系统和方法。

在过去的几十年中，电信网络对带宽的需求不断增长。无论是在芯片间还是在广域网(WAN)光纤链路之间传输数据，较大的可用带宽都是高速光通信系统日益普及的主要因素。例如，在数据中心和园区网络中对被设计用于通过光纤的短距离(几百米)互连的光收发机需求很高。

相干光链路通过与光纤的输入信号的不同相位和偏振状态相对应的不同通道来传送数据。例如，在双偏振相干光传输系统中，理想情况下，X偏振通道和Y偏振通道承载X偏振和Y偏振的独立同相(I)和正交相(Q)，以常规方式被表示为支路XI、XQ、YI和YQ——每个分支对应一个支路。在每个分支上使用4-PAM，会使每个调制单位间隔(UI)产生两个位，并且所有四个分支的组合使得每个UI总共产生8个位。

然而，发射机、接收机和光纤固有的特性会引入延迟，这些延迟导致这四个通道中的相位和偏振以未知的相位旋转和偏振状态到达接收机，使得接收机无法从恢复的信息中进行识别。虽然通过对四个接收到的信息流应用合适的信号处理，可以确保以高度的正交性接收这些流，即，数据流被成功解混，从而产生了单独的信息，但仅剩的模糊性在于X流和Y流可能已经以任意方式发生了翻转、反转和交换。例如，在通道中发生180°旋转相当于消除了信号。因为每个单独的XI流、XQ流、YI流和YQ流可能已经独立地旋转了90°、180°或270°，所以即使数据本身是完全有效的，也不能容易地识别这四组独立信息。当在接收机处识别出4个输出通道时，这将导致1+2+2＝5位的不确定性，因此，恢复的数据可能出现不想要的排列。

一些现有方法将发射机处的导频音添加到一个或多个分支，以帮助正确识别各个通道。然而，这样的方法具有若干缺点，包括所添加的导频音可能会干扰其他信号，诸如例如执行信号跟踪的激光器的那些信号。此外，导频音(通常为正弦波)的极性仍是未知的，因为除非可获得额外的时序信息，否则导频音看起来很像其相反的极性。

因此，期望具有克服现有方法的缺点并提供用于正确地识别和解扰各个调制流的解决方案的系统和方法。

附图说明

将参考本披露的实施例，附图中可以展示这些实施例的示例。这些附图旨在为说明性的，并非限制性的。尽管总体上在这些实施例的背景下描述了随附披露，但是应当理解的是，其不旨在将本披露的范围限制于这些具体实施例。图中的项可能不按比例描绘。

图1是基于模拟信号处理的常规双偏振正交幅度调制(DP-QAM)接收机架构的框图。

图2示出了在现有设计中使用的公共导频信号的自相关函数的幅值。

图3展示了包括根据本披露的实施例的示例性PN码生成器。

图4是根据本披露的实施例的用于生成用于识别正交通道中的独立调制流的相位和偏振的PN码的说明性过程的流程图。

图5展示了根据本披露的实施例的用于识别正交通道中的独立调制流的相位和偏振的示例性检测系统。

图6是根据本披露的实施例的用于生成用于识别正交通道中的独立调制流的相位和偏振的PN码的说明性过程的流程图。

图7展示了根据本披露的实施例的由于导频码引起的SNR降级如何影响示例性16-QAM星座中的星座点。

图8示出了根据本披露的实施例的在随机偏振下使用基于PN-导频的流识别进行的50次模拟的结果。

图9是根据本披露的实施例的示例性真值表。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本披露的理解。然而将明显的是，本领域技术人员可以在不具有这些细节的情况下实践本披露。此外，本领域技术人员将认识到，以下所描述的本披露的实施例可以在有形计算机可读介质上以诸如过程、装置、系统/设备、或方法等各种方式实施。

在图中示出的组件或模块展示了本披露的示例性实施例并且意在避免模糊本披露。还应当理解的是，贯穿本讨论，组件可以被描述为可以包括子单元的单独的功能单元，但是本领域技术人员将认识到的是，各种组件或其多个部分可以被分成单独的组件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或组件中。应当注意的是，本文所讨论的功能或操作可以被实施为组件。组件可以以软件、硬件、或其组合来实施。

此外，附图内的组件或系统之间的连接不旨在局限于直接连接。相反，这些组件之间的数据可以通过中间组件进行修改、重新格式化、或以其他方式改变。而且，可以使用附加的连接或更少的连接。还应当注意的是，术语“耦合(coupled)”、“连接(connected)”或“通信地耦合(communicatively coupled)”应当被理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备的间接连接、以及无线连接。

在本说明书中，对“一个实施例(one embodiment)”、“优选实施例(preferredembodiment)”、“实施例(an embodiment)”、或“多个实施例(embodiments)”的引用意味着结合实施例所描述的具体特征、结构、特性或功能包括在本披露的至少一个实施例中并且可以在多于一个实施例中。而且，在本说明书的不同地方出现的上述短语不一定都是指同一个实施例或多个实施例。

在本说明书中的不同地方使用某些术语是用于说明的并且不应当被解释为限制性的。术语“包括(include)”、“包括(including)”、包括(comprise)、和“包括(comprising)”应被理解为是开放性术语并且以下任何列表是示例并不旨在限于所列出的项。本文引用的所有文献均通过引用以其全文结合在此。

应当注意的是，本文描述的实施例主要在模拟接收机和二进制PN码的背景下给出。然而，本领域技术人员将认识到，本披露的教导不限于模拟应用或任何类型的代码，因为也可以使用数字信号处理(DSP)相干接收机。类似地，可以等同地使用非二进制数字代码，诸如循环重复的三进制代码、或任何任意大小的调制字母表M内的M进制调制序列。

图1是基于模拟信号处理的常规DP-QAM接收机架构的框图。接收机100是零差接收机，该零差接收机由充当本地振荡器的同通道激光器(未示出)驱动。偏振分束器和90°混合器106的布置被设计用于为这两个正交偏振(以常规方式被标记为X和Y)中的每一个提供平衡的正交光输出，这两个正交偏振入射在以平衡对布置的八个光电二极管108上。这种布置产生四个双极光电流110，这四个双极光电流由相应的跨阻抗放大器(TIA)112放大、分别对应于X偏振和Y偏振的I相和Q相。因此，接收机100的四个分支(即XI、XQ、YI、YQ)可用于模拟域中进一步的信号处理。

然而，发射机、接收机100和光纤固有的缺陷会引入不想要的延迟和失真。穿过光纤设备的偏振光输入光束所经历的一种类型的失真涉及传输期间信号的偏振状态(SOP)的不期望的变化。一旦这四个通道中的偏振和相位相互混合，它们就会以随机的相位取向和未知的相位偏振维度到达接收机，而没有允许识别有效信号的参考点。结果，接收机可能无法正确地识别恢复的信息，从而导致数据丢失。

为了避免必须在DSP域中操纵偏振状态，一些设计者提出了通过使用光学调制器来实施偏振控制。为了促进这一点，在发射机处添加导频音或标记音以标记和跟踪两个偏振(例如，X偏振、同相信号分支)的相位中的一个作为参考，使得在低功率CPU中运行的控制环路算法可以监控和调整偏振状态以校正两个或三个自由度上的偏振旋转。

使用在发射机处已叠加到XI支路上的导频音(例如50kHz的正弦信号)来恢复接收机处的SPO，该接收机对XQ、YI和YQ信号进行低通滤波并在这四个分支中同步检测这些信号。由此，接收机监控这些信号的幅度和符号，同时假设已经实现载波锁相。然后，可以使用低速信号处理来调整偏振角以减少不想要的导频音幅度，使得接收机可以补偿光纤中的偏振旋转。然而，这种方法具有许多缺点，包括：只有在载波相位恢复之后才有可能进行标记音检测，以及载波恢复取决于已经首先被校正的偏振状态，例如，以确保QPSK星座可用于检测。

因此，需要允许可靠地识别相干光传输系统中的偏振通道的系统和方法。

图2示出了在现有设计中使用的公共导频信号的自相关函数的幅值。如之前提到的，某些方法试图通过对X偏振通道的XI相或XQ相施加单个音来提供足够的信息以正确地识别XI轴和XQ轴，从而消除在识别X偏振通道和Y偏振通道时的不确定性。然而，这种单个音不足以识别出所发射信号的极性，因为对于正弦导频音，以下数学表达式成立：

sin(θ+π)＝-sin(θ)以及cos(θ+π)＝-cos(θ)。

由于可能不知道所发射的导频音的绝对相位，因此不能足够确定地识别出所接收的音的极性。考虑形成为p(t)＝cos(ωt)+i·sin(2ωt)的复数导频信号，p(t)的自相关性在(ωt)＝0...2π上具有唯一的峰值绝对值204。因为P(t)的自相关函数的峰值绝对值204在0...2π上是唯一的，因此相关峰值的自变量202产生没有模糊性的通道旋转。然而，如图2所示，导频信号的自相关函数的相关旁瓣相对较大，并且相对于峰值仅-2.5dB。

应当注意的是，理想的检测波形应当具有近似于脉冲函数(例如，狄拉克Δ脉冲)的循环自相关性。然而，由于这不能通过使用简单的导频音来实现，因此在实施例中，将相对较长的二进制PN码添加到支路(例如，通过使用求和器进行线性组合)以用作对准码或对准标记，如接下来将要讨论的那样。有利地，由于序列的长度，可以将1000个位进行相关以高度确定性地肯定地识别出支路和取向。

图3展示了包括根据本披露的实施例的示例性PN码生成系统。本领域技术人员将理解，可以例如在光学发射机内实施PN码生成系统300。如图3所描绘的，PN码生成系统300包括PN码生成器302和PN相移编码器320，在实施例中，PN相移编码器可以包括求和元件。图3中展示的PN码生成系统不限于这里示出或所附文本中描述的结构细节。例如，如本领域技术人员将理解的，合适的PN码生成器不必是图3中描绘的4QAM导频PN码生成器。

在操作中，PN码生成器302生成可以被增益元件310放大(或衰减)的一个或多个PN码。PN码312可以是包括最大长度序列的位序列。例如，可以通过使用具有最大长度的线性反馈移位寄存器来生成这些序列。在实施例中，PN相移编码器320接收PN码312和数据信号304(例如，16QAM数据信号)，并且作为响应，例如以由增益310确定的预定比例或任何其他受控因子将PN码312与数据信号304相加，以便输出经相移编码的PN码330。因此，经相移编码的PN码330可以使用同一PN序列的不同相位来标记相干传输系统的四个独立的偏振/相位通道304。

在实施例中，由于PN码312的“完美”自相关特性，通过使用在不同的相对相位偏移处的同一PN码312(或波形)，可以获得零互相干扰。例如，假设码长度为N，则相移编码器320可以利用

如以下关于图5所讨论的，在实施例中，相关峰值的符号可以用于推断相位旋转，该相位旋转假定为90°的倍数。在实施例中，相关峰值的顺序指示在传输期间信号304中的X偏振通道和Y偏振通道是否已经发生交换。

在实施例中，可以生成具有相同长度、但是具有不同的生成多项式的两个PN码312。可以通过从已经针对黄金码而制成表的预定多项式对中进行选择来生成码312，这样，码312的最大互相关被限制为对于奇数n为|θ(a，b)|≤1+2

PN码312的每个码片的持续时间应为调制UI的整数倍m。应当注意的是，可以增加每个PN码片的UI数量，以将匹配的滤波器检测器的处理速度限制到可管理的值。

在实施例中，PN导频码312可以使用幅度明显低于4PAM内部符号的NRZ波形(例如，幅度为±1/16)，其中，4PAM符号标称上为±1；±3，使得可以使用255个NRZ位的参考模式之间的相关性来唯一地识别出XI流和YI流；并且相关系数的角度可以识别出旋转。

图4是根据本披露的实施例的用于生成用于识别正交通道中的独立调制流的相位和偏振的PN码的说明性过程的流程图。在实施例中，过程400开始于步骤402，在该步骤中，例如由4QAM导频PN码生成器生成例如一个或多个PN码。

在实施例中，在步骤404处，可以将该一个或多个PN码放大一定增益。相对较长的(例如，1023位)二进制PN码提供大约30dB的过程增益。

然后，在步骤406处，可以将该一个或多个PN码与诸如16QAM数据信号等数据信号进行组合。在实施例中，编码器可以将PN码与16QAM数据信号相加，以获得经相移编码的PN码，在步骤408处，该经相移编码的PN码由编码器输出为标识信号极性和身份的标记后的经调制的数据信号。

图5展示了根据本披露的实施例的用于识别正交通道中的独立调制流的相位和偏振的示例性检测系统。本领域技术人员将理解，可以在光学接收机中实施检测系统600。检测系统500包括相关峰值检测器504(在实施例中，该相关峰值检测器可以被实施为一组匹配的滤波器)、相位旋转检测器510、参考模式检测器520、查找表530和重映射电路540。与图3一样，图5中描绘的检测系统500的细节并非旨在限制本披露的范围。

在操作中，响应于接收到正交通道数据和相关联的PN码502，相关峰值检测器504生成相关函数，相位旋转检测器510可以使用该相关函数来确定相关峰值的符号，并据此推断一个或多个正交通道中的相位旋转。

PN码的长度通常为2

在实施例中，相关峰值检测器504可以被实施为滑动窗口相关器，该滑动窗口相关器使用PN码502作为输入信号，并且例如经由乘法器电路来应用匹配的滤波器，该匹配的滤波器可以将PN序列用作一组抽头权重，使得例如在通过滑动积分器之后，一旦PN序列与抽头权重相匹配就可以检测到峰值。在实施例中，相关峰值检测器可以利用FIR滤波器作为匹配的滤波器峰值检测器，并根据PN码502来设置FIR滤波器的抽头权重以检测峰值(参见例如图9)。由于PN码502相对于PN生成器可能具有随机相位，因此可以使用已知的CDMA接收机技术来扫描和找到产生峰值的适当相位。在实施例中，可以相对于相关峰值中被设计成打破循环对称性的有意间隔来定义“第一”相位。

在实施例中，相关峰值检测器504可以进一步将相关函数应用于参考模式检测器520以获得相关峰值的顺序，该顺序可以用于确定正交通道数据502中的偏振通道是否已经发生交换，并用于映射正交通道数据(例如，通过使用重映射电路540)，以正确地检测、识别和解扰XI数据流和YI数据流。在实施例中，重映射电路540包括决策电路，该决策电路可以使用例如阈值检测来根据由相关峰值的顺序提供的信息来执行重映射操作或去排列操作。

在实施例中，查找表530可以用于获得实际的排序和符号，以检测可能已经发生的新的排序或映射。实际上，重映射电路540对数据流进行解扰。在实施例中，重映射电路540可以被实施为多路复用器，该多路复用器使用映射532来确保识别出的通道根据查找表530被正确地(重)映射到输出通道。在实施例中，重映射电路540可以包括交换矩阵，该交换矩阵将查找表530中的信息应用于通道数据以实现重映射。在实施例中，重映射电路540输出被正确地标记并根据已知的且可预测的顺序被去排列的经校正的正交通道542。

图6是根据本披露的实施例的用于识别正交通道中的独立调制流的相位和偏振的说明性过程的流程图。在实施例中，过程600开始于步骤602，在该步骤中，由相关峰值检测器(例如，匹配的滤波器)接收正交通道数据和相关联的PN码。

在步骤604处，相关峰值检测器可以应用相关函数以生成相关数据。

在步骤606处，可以将相关数据应用于相位旋转检测器，以获得相位旋转数据。

在步骤608处，可以将相关数据应用于参考模式检测器，以获得正交通道数据的映射。

最后，在步骤610处，使用相位旋转和顺序来正确地重映射正交通道数据。

应当注意的是，可以可选地执行某些步骤；步骤可以不限于本文阐述的特定顺序；可以以不同的顺序执行某些步骤；并且可以同时执行某些步骤。应当进一步注意的是，由于数字调谐系统和方法可以等同地利用本披露的教导来识别偏振通道数据和正交通道数据，因此本文披露的实施例适用于模拟和/或数字实施方式。

图7展示了根据本披露的实施例的由于导频码引起的SNR降级如何影响示例性16-QAM星座中的星座点。图7中的每个16-QAM星座点302都通过4-QAM导频信号(I和Q中的NRZ)被调制为远离其标称值。

导频C/I＝10log

假设接收机的SNR为24dB，则包括导频音的SNR由以下表达式给出：

-10log

图8示出了根据本披露的实施例的在随机偏振下使用基于PN-导频的流识别进行的50次模拟的结果。每次模拟是针对2

图8中描绘了四个匹配的滤波器的示例输出。针对每个接收机分支(分支1至4)示出了一个输出。在一定间隔之后相关峰值801至804出现的顺序可以看到是{2，1，3，4}，并且符号为{-，+，-，-}。这与图9的真值表一起提供了足够的信息来确定在传输期间X偏振和Y偏振是否已经发生了交换并且确定每个分支的旋转。模拟结果证实该方法对BER的影响最小。可以进一步优化缩放比例和其他设计参数，以减轻硬件设计方面的顾虑，诸如PN码的码片速率。

本披露的各方面可以利用用于一个或多个处理器或处理单元以使得步骤得以执行的指令编码在一个或多个非暂态计算机可读介质上。应当注意的是，该一个或多个非暂态计算机可读介质应当包括易失性存储器和非易失性存储器。应当注意的是，替代性实施方式是可能的，包括硬件实施方式或软件/硬件实施方式。硬件实施的功能可以使用专用集成电路(ASIC)、可编程阵列、数字信号处理电路系统等来实现。因此，任何权利要求中的术语都旨在覆盖软件实施方式和硬件实施方式两者。如本文使用的术语“一个或多个计算机可读介质”包括具有在其上具体化的指令程序的软件和/或硬件或其组合。考虑到这些实施方式的替代方案，将理解的是，附图及随附描述提供了本领域技术人员写入程序代码(即，软件)和/或制造电路(即，硬件)以执行所需处理将需要的功能信息。

应当注意的是，本披露的实施例可以进一步涉及具有非暂态有形计算机可读介质的计算机产品，该非暂态有形计算机可读介质在其上具有用于执行各种计算机实施的操作的计算机代码。介质和计算机代码可以是专门设计和构造用于本披露的目的的介质和计算机代码，或者其可以属于相关领域的技术人员熟知或可用的种类。有形计算机可读介质的示例包括但不限于：磁性介质，如硬盘、软盘和磁带；光学介质，诸如CD-ROM和全息设备；磁光介质；以及被专门配置用于存储或用于存储和执行程序代码的硬件设备，诸如ASIC、可编程逻辑器件(PLD)、闪存设备、以及ROM设备和RAM设备。计算机代码的示例包括如由编译器产生的机器代码以及包含由计算机使用解释器执行的高级代码的文件。本披露的实施例可以全部或部分地实施为可以处于由处理设备执行的程序模块中的机器可执行指令。程序模块的示例包括库、程序、例程、对象、组件、以及数据结构。在分布式计算环境中，程序模块可以物理地位于本地、远程、或两者的环境中。

本领域技术人员将认识到的是，没有计算系统或编程语言对于本披露的实践是至关重要的。本领域技术人员还将认识到的是，以上所描述的多个元件可以被物理地和/或功能性地分成多个子模块或组合在一起。

对于本领域技术人员将理解的是，前述示例和实施例是示例性的并且不限于本披露的范围。意图是，在阅读本说明书和研究附图之后对本领域技术人员而言显而易见的所有排列、增强、等效物、组合以及对其的改进都包括在本披露的真实精神和范围内。还应当注意的是，可以以不同方式布置任何权利要求中的要素，从而包括具有多种相关性、配置、和组合。