用于相干偏振复用光学接收器的符号定时估计的制作方法

用于相干偏振复用光学接收器的符号定时估计的制作方法
【专利摘要】通过固定的旋转参数(Rot0、Rot1、Rot2)使接收的POLMUX信号进行旋转，并且选择具有最佳信号性能的经过旋转的POLMUX信号，以及从两种极性获取相位信息。预滤波器提高了定时准确度。
【专利说明】用于相干偏振复用光学接收器的符号定时估计
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于在光学POLMUX(偏振复用)网络中获得符号定时信息方法和设备。具体地，本发明涉及用于没有偏振控制的相干偏振多路复用光学接收器的符号定时估计。
【背景技术】
[0002]单模光纤上的现代光学通信采用偏振复用(POLMUX)来加倍谱效率。在线性光电转换之后，“相干”接收器通过数字装置减轻相关的传输损伤并将偏振解复用。近来，单载波POLMUX传输和多载波POLMUX传输都已引起了光学界的兴趣。
[0003]接收器处进行正确处理的前提是正确的符号定时采集。本发明关注用于采用线性调制的单载波相干POLMUX接收器的符号定时同步。
[0004]符号定时恢复在于估计和校正频率差以及传输与接收符号时钟的相对抖动(jitter)。在高速系统中，因为定时抖动的频率分量延伸至高频区域中，所以这是关键的任务。跟踪并对其进行补偿对定时恢复电路的带宽提出了具有挑战性的要求。
[0005]在光学相干接收器中，准确地知道传输符号定时是许多处理任务的先决条件。然而，可在符号定时同步之前执行主要色散的粗略补偿，诸如PMD和剩余CD的自适应均衡、载波相位噪声的补偿以及传输数据的检测的接收器任务在符号定时采集之后方便地执行。
[0006]图1所示的接收器使用自适应多输入多输出(MMO)均衡器来补偿剩余⑶和PMD。接收器在MMO均衡器之后估计定时误差并在MMO均衡器之前校正采样频率。该架构保证了自适应均衡器与同步采样的信号工作，以及同时保证定时误差检测器在剩余⑶和PMD的补偿之后接收干净的信号。可惜的是，该解决方案需要实施长反馈环路，该长反馈环路嵌入具有高延迟的部件(ΜΜ0均衡器)。该长回路延时限制了时钟恢复的带宽，并且因此限制了其跟踪快速抖动的能力。
[0007]相反，在图2中示出的架构没有反馈环路，并且可能获得对定时抖动的高容忍度。然而，该构架使符号定时恢复暴露给大部分的信号损伤。因此，符号定时恢复必须能够从由PMD和剩余CD损伤的信号中提取定时信息。本发明解决了开发可用于图2的前馈架构的健壮的定时相位估计装置的挑战。
[0008]专利申请EP2375603已提出了能够容忍PMD的符号定时恢复。然而，所描述的方法和设备依赖于反馈架构(相位锁定环路)。数字电子器件有限的速度限制了环路带宽并因此限制了抖动容忍度。因此，该解决方案可能不适用于高速通信。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]下文将借助于附图通过示例的方式对本发明进行更详细的解释。
[0010]图1是具有反馈符号定时恢复的相干POLMUX接收器的示意图；
[0011]图2是具有前馈符号定时恢复的相干POLMUX接收器的示意图；
[0012]图3是根据本发明实施方式的一阶PMD元件的示意图；[0013]图4是根据本发明实施方式的偏振旋转器的示意图；
[0014]图5是根据本发明实施方式的在一阶PMD具有等于半符号周期的DGD的情况下恢复的符号定时线的标准化幅值的示意图；
[0015]图6是根据本发明实施方式的定时相位估计装置的实施的示意图；
[0016]图7是根据本发明实施方式的DFT块的实施的示意图；
[0017]图8是根据本发明实施方式的对于数个剩余CD值的、作为累加时间的函数的相位估计的方差的示意图；以及
[0018]图9是根据本发明实施方式的对于数个剩余CD值的、作为累加时间的函数的相位估计的方差的示意图。
【具体实施方式】
[0019]下文将参照附图对说明性实施方式进行描述，以公开本发明的教导。虽然在本文中参考用于具体应用的说明性实施方式描述了本发明，但是应理解，本发明并不限于此。具有本领域普通技术知识并能够获得本文中提供的教导的人员将认识到在该教导范围内的另外的修改、应用以及实施形式，以及本发明具有重大效用的另外的领域。
[0020]本发明的实施方式包括定时相位估计装置，该定时相位估计装置能够从由PMD和剩余色散(CD)损伤的信号提取定时信息。
[0021]新的相位估计装置使用固定的、预配置的偏振旋转器组来提供对于传输损伤具有增强的健壮性的标准定时相位估计装置。例如提出了如在M.0erder, and H.Meyr, "DigitalFilter and Square Timing Recovery", IEEE Trans, on Comm., vol.36, n0.5, May 1988 中描述的相位估计装置，该相位估计装置通过引用并入本文。
[0022]偏振旋转器生成具有部分补偿的PMD的一组试探性信号。在任何时候，该组中最适合的信号被识别并被进一步处理，以进行定时相位估计。恰当的装置被限定，以避免相位估计的不连续，这可能作为选择方法的结果而被导致。
[0023]可选地，预滤波器可用于提高时钟恢复的准确度并增强CD容忍度。
[0024]预定义的PMD均衡器组计算一批被试探性补偿的信号。旋转器的参数以这样的方式来选择:在任何通道条件下，至少一个所得到的信号包括有用的定时信息。
[0025]如果将考虑限制为一阶PMD并采用图3所示的传输线的模型，那么偏振旋转器组必须能够为差分群延迟(DOT) “ τ ”、偏振混合角α和偏振椭率角(polarizationellipticity angle) δ的任何组合产生至少一个有用的信号(即,包括定时信息的信号)。在这种情况下，易于验证，PMD均衡器的一个可能选择是图4中示出的用于数字采样Xt、Yt的类型的偏振旋转器。至少需要三个旋转器(包括零旋转)。方便的旋转参数为:
c/ O
RotO:.V O

if ,7/ 4
[0026]Kot!:.,!: I


I)

a - ,τ/4
Rot::.? ,7/ 2
[0027]或导致可比拟的分布偏振的相应参数。在旋转器组中计算的信号被发送至没有增强的PMD容忍度的传统定时相位估计装置。优选的是上文中Μ.0erder和H.Meyr描述的定时估计装置。
[0028]理论上，定时相位估计装置提供有试探性信号的自适应加权组合，以获得定时相位的最佳估计。然而，组合系数的调整可能遇到收敛困难，并且在存在通道上的快速偏振变化的情况下，可能导致权重的不匹配。
[0029]可替代地，可采用具有固定系数的加权组合(例如相同的权重)。然而，对于权重的任何选择都可找到τ、α和δ的组合，以使得组合信号中的定时信息消失。此外，固定的组合具有混合所有试探性信号而无论其是否包括有用的定时信息的另外的缺点。显然，混合不包括有用的定时信息的信号只会增强估计噪声。
[0030]为了避免这些问题，使用选择方法来识别包括定时信息的“最佳”信号。纯选择会非常快并且不会遭受不匹配问题和收敛困难。另外，如图5所示，对于由半符号持续时间的D⑶表示的最糟情况，其能够为τ、α和δ的任何组合传送有用的定时信息。在存在一阶PMD的情况下，符号定时线(即，包括定时信息的谱线)的功率不会下降至其最大值的58%以下，并且总是足以提取可靠的定时相位估计。通过使用多于三个的旋转体，可进一步减小最大值线下降。
[0031]然而，该选择算法可生成相位估计随时间的不连续。该不连续与在一个或多个偏振旋转器的输出处的偏振交换并行发生。POLMUX信号导致在发射器处与两个正交偏振相关联的两个信号^和sy。在存在DGD的情况下，每个POLMUX信号均以不同的定时相位到达接收器。接收的POLMUX信号分离成与POLMUX信号分量x和y相关联的2个正交偏振。理想地，最佳旋转器 能够将两个信号Sx和sY分开，并通过其输出端口之一提供这两个信号sx和sY中的每个。例如，假设旋转器通过端口 X产生信号Sx — Xt以及通过端口 Y产生信号sY — Yt (图4:端口采用输出信号的名称)。当选择算法表示新旋转器为最佳旋转器时，可出现两个可能的情况。如果第二旋转器仍然通过端口 X提供主要的Xt以及通过端口 Y提供主要的Yt，则没有观察到估计的定时相位的不连续。然而，如果第二旋转器交换数据流对输出端口的分配，则现在端口 Y传输Xt流的定时信息，而端口 X传输Yt流的定时信息。在这种情况下，估计的定时相位都表现出与新旋转器的选择并行发生的不连续。
[0032]当然，可检测到偏振交换，并且X端口和Y端口的连接可被交换，然而，该解决方案需要额外的复杂性，并且更重要地，由于交换事件的误检测的有限概率，该解决方案易于发生错误。
[0033]避免不连续的更好方法在于对用于两个偏振的定时相位估计求平均。该平均定时相位显然对偏振交换不敏感，并且不展现出不连续。观察到，平均定时相位不对应于任一 POLMUX信号的事实是不相关的，因为定时相位校正发生在偏振解多路复用之前(即，在MIMO均衡器之前)。此时，两个POLMUX信号依然是混合的，并且不可能将各自的定时相位单独地施加至这两个POLMUX信号中的每个。因此，符号定时恢复使得定时频率同步并跟踪定时抖动，但是分数间隔MMO均衡器必须将定时相位偏移至最佳取样点。
[0034]在许多设计中，⑶补偿器仅执行主要(bulk)⑶的粗略补偿。剩余⑶由MMO均衡器补偿。这意味着符号定时恢复必须展现一些CD容忍度。改进CD公差的可能性在于提供还具有CD缓解能力的均衡器组。在这种情况下，除PMD均衡器之外，该均衡器组还包括合适的CD均衡器。通过在符号定时恢复之前应用预滤波器而获得可替代性解决方案。在模拟定时恢复中使用预滤波器在本领域中已知是抑制模式噪声的方法。[0035]在本发明的实施方式中采用了具有高通频率响应的预滤波器，并且发现其对于扩展时钟恢复的CD容忍度特别有效。
[0036]图6示出了在定时相位估计装置的优选实施。图6的布置可解释为增强的数字平方器(squarer)定时相位估计装置。原始平方器包括块5_8“Intp2”、偏振旋转器组9-11、二次非线性或平方器12-17、DFT单元18-23、进一步平方器24-26、最大值检测器27、选择器电路28-29、相位信息提取器(“角度”块)30-31以及相位信息加法器32。扩展包括预滤波器1-4。
[0037]假设接收的、偏振分尚且A/D转换的POLMUX信号分量x、y的同相分量和正交分量X1、XQ ;Y1、YQ以约两个样本每符号进行采样并进行A/D转换。为了强调该装置适合于高速实施，考虑并联传递dop (即，平行度)的信号总线。作为特殊情况，在串联实施中，平行度(dop)为 I。
[0038]如上所述，高通预滤波器1-4被应用至每个信号分量，以增强定时相位估计装置的CD容忍度。由于数字平方器需要4个样本每符号，所以缺少的中间样本通过内插块(“Intp2”)来生成。在内插之后，每个总线传送2 Mop样本。可替代地，如果输入信号已经以约4个样本每符号进行采样，则不需要“ Intp2”块了。
[0039]4个POLMUX信号分量(Xt = )X1、XQ ; (Yt = )Y1、YQ随后由偏振旋转器组9_11处理。3个旋转器9-11利用等式(I)的参数实施图4的模型。具体地，第一旋转器9( “RotO”)使信号保持不变，因此不消耗任何数字资源。
[0040]所有被旋转的(POLMUX)信号分量XO、YO ;X1、Yl ;X2、Y2 (图 6)(其中 XO = XIO、XQO ；Υ0 = ΥΙΟ、YQO ；ΧΙ = XIUXQl ；Y1 = YIUYQl ；X2 = XI2、XQ2 ；Y2 = YI2、YQ2)都被发送至计算每个复数样本的平方大小的平方器12-17( 二次线性)。对于任何偏振X、Y以及任何旋转器RotO、Rotl、Rot2，获得了具有不同平方幅值的序列ΑΧΟ、AX1、AX2 (χ-偏振)和AY0、AY1、AY2 (y-偏振)。
[0041]随后，下游DFT单元18 - 23以具有平方幅值的序列的离散傅立叶变换(DFT)的符号率计算复数系数。图7中示出了 DFT块的实施。输入序列首先在主样本/中间样本(33的上输出和下输出)中重排序，然后被分为奇数样本/偶数样本(分别为34和35的上输出和下输出)。主样本的相加的奇数分离样本和相加的偶数分离样本进行相减。结果在第一累加器块42中进行累加。相加的中间样本也进行相减，并且在第二结果累加器块43中累加的结果超过样本的预定数目，以提供DFT系数的实部和虚部(具有+1和-1的样本的必要乘法通过减去偶数样本而获得)。该结果是这样的累加的复数系数，其表示与接收的数据符号率对应的谱线。
[0042]选择算法对DFT系数的大小进行操作。为此，仅关注一个偏振就足够，例如在图6中仅考虑X偏振。为了确定最大值，DFT单元18-20的复数输出值SXIO、SXQO ;SXI1、SXQ1 ；SXI2、SXQ2在平方器单元24 - 26中被平方，并且幅值供给至最大值检测器27。最大幅值与所接收数据符号的谱线对应的DFT系数被确定，并且相应的POLMUX信号例如由Rotl旋转、被平方且被DFT处理的SXI1、SXQl ；SYIK SYQl被选择，以进行进一步的处理。
[0043]对于X偏振和Y偏振，在用于旋转的样本X1、Yl的所示示例中，与谱线对应的、选择的DFT系数的相位信息Phi_x和Phi_y在各自的相位信息提取器(“角度”块)30和31中被提取。[0044]最后，相位信息数据Phi_x和Phi_y由相位信息加法器32相加，以产生平均的定时相位估计Phi。由于绝对相位是不相关的(如上所述，其由MMO均衡器进行校正)，所以不需要将两个相位的和二等分。这样避免了繁琐的相位计算中的除法。
[0045]所得到的相位/符号定时信息用于计算相位优化信号或用于校正接收器的定时。
[0046]所提出的定时相位估计装置的性能已在112Gb/s的归零四相相移键控(QPSK)传输的情况下进行了模拟。光信噪比固定至14dB/0.1nm,并在存在一阶PMD和剩余CD的情况下评估相位估计的方差。D⑶已设置为半符号周期；角度α和角度δ都设置为零。
[0047]图8示出了没有预滤波器的结果。如果剩余⑶不超过200ps/nm，那么相位估计装置能够提供可靠的相位估计。在图9中，在存在包括半带高通有限冲激响应滤波器的简单预滤波器的情况下的性能改进示出为抑制低频失真。在这种情况下，定时相位的CD容忍度扩展超过400ps/nm。在没有CD的情况下估计的微小下降是由于预滤波器的不完美实现，并不损害相干接收器的整体性能。相反，提高的CD容忍度保证了对随后仅在MMO均衡器中减轻的传输损伤和CD均衡器的不完美调谐的良好余量。
[0048]本发明并不限于上述原则和所述实施的细节。本发明的范围由所附权利要求书来限定，并且因此落入所附权利要求书的等同的范围内的所有改变和修改均被包括在本发明中。基于本发明的方法的、信号值的数学转换或等效计算、使用模拟信号而不是数字信号、并行或串行处理也被包括在本发明中。
[0049]缩写说明
[0050]CD:色 散
[0051]DFT:离散傅里叶变换
[0052]D⑶:差分群延迟
[0053]ΜΜ0:多输入多输出
[0054]PMD:偏振模色散
[0055]POLMUX:偏振复用
[0056]QPSK:归零四相相移键控
[0057]附图标记说明
[0058]Sx具有X-偏振的信号
[0059]Sy具有Y-偏振的信号
[0060]x、y接收的具有X-偏振和Y-偏振的信号[0061 ] Xt = X1、XQ (CD 补偿)分离 /POLMUX 信号分量
[0062]Yt = YI, YQ 分离 /POLMUX 信号分量
[0063]X、Y经过旋转的信号分量(样本)
[0064]XO = XIO、XQO 经过旋转的信号分量(样本)
[0065]Xl = XIUXQl 经过旋转的信号分量(样本)
[0066]YO = ΥΙ0, YQO 经过旋转的信号分量(样本)
[0067]RotO旋转参数
[0068]AX0、AX1、AX2 进行平方的同相分量
[0069]AY0、AY1、AY2 进行平方的正交分量
[0070]SXIU SXQl 谱系数(同相、正交分量)[0071]Phi相位/符号定时信息
[0072]1-4预滤波器
[0073]5-8内插装置
[0074]9-11偏振旋转器
[0075]12-17平方器
[0076]18-23DFT 单元
[0077]24-26平方器
[0078]27最大值检测器
[0079]28、29选择器电路
[0080]30、31相位信息提取器
[0081]32相位信息加法器
[0082]33样本分离器
[0083]34奇偶分离器
[0084]35第二奇偶分离器
[0085]36-39求和器
[0086]40、41减法器(减法电路)
[0087]42,43累加器
【权利要求】
1.用于在POLMUX系统中获得符号定时信息的方法，包括: -将接收的POLMUX信号偏振分离为具有正交偏振的两个接收的POLMUX信号分量(X，y ;xt，Yt)； -通过固定的旋转参数(RotO，Rotl, Rot2)使正交的所述POLMUX信号分量(x，y ；Xt,Yt)旋转，获得至少三对具有不同偏振的经过旋转的信号分量(XO，YO ；X1, Yl ；X2, Y2)； -对获得的所述经过旋转的信号分量(Χ0，Υ0 ;Χ1，Υ1 ;Χ2，Υ2)进行平方，并确定具有最佳相位信息质量的经过旋转的信号分量(Xl)； -选择与所确定的所述信号分量(Xl)对应且进行平方的经过旋转的信号分量(XI，Yl)，以进行进一步的处理； -获取所选择的所述信号分量(XI，Yl)的相位信息(Phi_x，Phi_y);以及-组合所获取的所述相位信息(Phi_x，Phi_y)，以实现所述符号定时信息，其中所述符号定时信息用于校正相位或计算优化的定时的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所接收的、正交的所述信号分量(X，y)进行采样，并转换成将进行进一步处理且具有两种极性的数字样本(Xt，Yt)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过具有固定参数的旋转器(9-11)使接收的所述POLMUX信号分量(X，y)或色散补偿的POLMUX信号分量和/或经过采样的POLMUX信号分量(Xt，Yt)进行旋转。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述POLMUX信号通过三个参数?α -O:d -- O
Λ , ?&.=π/4
Roll;![S 4
▲ ?α = μ/4
isl2:|.Λ\p = 2 或相应的参数进行旋转，其中α:偏振混合角，S:偏振椭率角。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述经过旋转的信号分量(Χ0，Χ1，Χ2;Υ0，Υ1，Υ2)进行平方和DFT处理，以获取所述相位信息(Phi_x，Phi_y)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，分别对仅与一种极性相关联的经过旋转的信号分量(X0，XI，X2)进行处理，以选择经过旋转的信号分量(XI，Yl)，然后对所述经过旋转的信号分量(XI，Yl)进行处理，以确定所述相位信息(Phi_x，Phi_y);以及对与一种极性相关联的获得的复数系数(SXI1，SXQ1)进行处理，以选择获得的复数系数(SXI1，SXQl ；SYII, SYQ1)，然后对所述复数系数(SXI1，SXQl ；SYI1, SYQI)进行处理，以确定所述相位信息(Phi_x，Phi_y)，其中所述复数系数(SXI1，SXQ1)通过DFT处理从经过旋转的信号分量(XI，Yl)获得。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将通过对经过旋转且进行平方的信号分量(X0，XI，X2 ；Y0, Yl, Υ2)进行 DFT 处理而获得的复数系数(SXIO, SXQO ；SXI1, SXQl ；SXI2, SXQ2)再次进行平方，并且对得到的幅值(AXO，AXl，AX2，AYO, AYl，AY2)进行评估，以确定和选择具有最佳相位信息质量的所述获得的复数系数(SXIO，SXQO ；SXI1, SXQl ；SXI2, SXQ2)或经过旋转的信号分量(X1，Y1)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述POLMUX信号分量(XI，XQ；YI,YQ)进行高通滤波和/或色散补偿。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述经过旋转的信号分量(Χ0，YO ；X1, Yl ；Χ2, Υ2)进行并行处理。
10.用于在POLMUX系统中获得符号定时信息的设备，所述设备包括偏振分离器、以及用于将接收的光学POLMUX信号进行采样和转换成表示POLMUX信号分量(Xt，Yt)的数字样本的装置，所述设备还包括: -至少三个偏振旋转器(9-11)，接收所述POLMUX信号分量(Xt，Yt)以及输出至少三个经过旋转的复数信号分量(X0，YO ；X1, Yl ；X2, Y2);以及 -用于计算所述符号定时信息(Phi)的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括: -平方器单元(12-17)，接收所述经过旋转的信号分量(Χ0，YO ；X1, Yl ；Χ2, Υ2)以及输出所述经过旋转的信号分量的幅值(ΑΧΟ，ΑΧ1，ΑΧ2，ΑΥ0，ΑΥ1，ΑΥ2)； -DFT单元(18-23)，处理所述幅值并获得复数系数(SXIO, SXQO ；SXI1, SXQl ；SXI2,SXQ2 ；SY10, SYQO ；SYI1, SYQl ；SYI2, SYQ2)； -平方器(24-26)，接收具有至少一种极性的复数系数(SXIO，SXQO ；SXI1, SXQl ；SXI2,SXQ2)并获取其幅值； -最大值检测器(27)，接收所述幅值，以及确定具有最佳相位信息质量的复数系数(SXII，SXQ1SYI1, SYQI)； -选择器电路(30，31)，选择所述复数系数(SXII, SXQ1SYI1, SYQ1)； -相位信息提取器(30，31)，获取所选择的所述复数系数(SXI1，SXQ1SYI1，SYQ1)的相位信息；以及 -相位信息加法器(32)，计算相位信息(Phi)以进行定时处理。
12.根据权利要求10或11所述的设备，还包括: -预滤波器(1-4)，接收所述POLMUX信号分量(XI，XQ ；YI,YQ)以及输出经过高通滤波的POLMUX信号分量，所述经过高通滤波的POLMUX信号分量供给至内插装置(5_8)或旋转器(9-11)。
13.根据权利要求11或12所述的设备，还包括: -内插装置(5-8)，设置在下游，与所述预滤波器(1-5)串联，并用于计算中间样本。
【文档编号】H04L7/027GK104012026SQ201280062706
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2011年12月30日
【发明者】斯特凡诺·卡拉布罗, 克里斯蒂娜·黑贝布兰德, 沃纳·罗森克兰茨, 伯恩哈德·施平纳勒 申请人:骁阳网络有限公司