Способ и устройство восстановления гибридно-модулированных во временной области сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией

Способ и устройство восстановления гибридно-модулированных во временной области сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США № 14308315, поданной 18 июня 2014 года, озаглавленной "Способ и устройство восстановления гибридно-модулированных во временной области сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией", которая включена в данное описание посредством ссылки.

Области техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к области квадратурной амплитудной модуляции (КАМ). Более конкретно, настоящее изобретение относится к восстановлению гибридно-модулированного во временной области КАМ сигнала.

Уровень техники

В оптической связи для передачи данных использовалось множество схем модуляции. Одной из использовавшихся схем модуляции, в которой данные кодируются с помощью изменения интенсивности сигнала, является амплитудная манипуляция (АМн). При АМн используются сильные характерные тональные сигналы в частотной области, которые могут быть обнаружены в виде периодических изменений интенсивности сигнала. Для обнаружения сигналов используют обычную схему восстановления тактовой синхронизации для получения информации о синхронизации тональных сигналов, например, фильтрацию обнаруженной интенсивности сигнала с помощью узкополосного частотного фильтра.

Фазовая манипуляция (ФМн), дифференциальная фазовая манипуляция (ДФМн), квадратурная фазовая манипуляция (КФМн) и дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (ДКФМн) представляют собой другие схемы модуляции, которые использовались в последнее время. В таких схемах модуляции данные кодируются посредством изменения фазы сигнала. Квадратурная фазовая модуляции широко используется на протяжении многих лет для достижения высокой эффективности использования спектра в радиочастотных системах связи, в том числе в поляризационных мультиплексированных системах оптической связи.

В поляризационных мультиплексированных системах оптической связи два сигнала переносятся на одной длине волны в двух ортогональных состояниях линейной поляризации, где один сигнал модулируется в одном из ортогональных состояний поляризации, а другой сигнал модулируется в другом состоянии ортогональной поляризации. Квадратурная фазовая модуляция в поляризационных мультиплексированных системах оптической связи позволяет достичь примерно четырехкратного улучшения эффективности передачи, например, по сравнению с другими схемами модуляции.

Сущность изобретения

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения раскрывается способ восстановления КАМ сигнала. Способ включает в себя прием КАМ сигнала демультиплексором, причем КАМ сигнал содержит множество схем модуляции, разделение КАМ сигнала на k ветвей, где k – количество схем КАМ модуляции сигнала, передачу ветви, имеющую наименьший порядок схем КАМ модуляции, в первый эквалайзер для восстановления и отслеживания поляризации и компенсации дисперсии поляризационных мод, обновление алгоритма обновления ответвления с помощью параметра восстановления, определенного первым эквалайзером, и восстановление и отслеживания поляризации и компенсация дисперсии поляризационных мод во всех других ветвях на основе параметра восстановления.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения способ продолжается путем пропускания каждой из компенсируемых ветвей через блоки коррекции фазы, восстановления и отслеживание фазы несущей КАМ сигнала с низшим порядком схем модуляции, выдаваемого из первого блока коррекции фазы, с целью получения сигнала ошибки и восстановления и отслеживания фазы несущей остальных ветвей КАМ сигнала с использованием полученного сигнала ошибки.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи, включенные в состав данного описания и составляющие его часть, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для пояснения принципов настоящего изобретения. На чертежах показано:

на Фиг. 1 – блок-схема типичных блоков передачи данных гибридно-модулированных во временной области КАМ сигналов;

на Фиг. 2 – блок-схема типичного распределения данных с перемежением символов и перемежением блоков гибридно-модулированных во временной области КАМ сигналов;

на Фиг. 3 – блок-схема типичного эквалайзера, структурированного по схеме ведущий-ведомый, с множеством входов и множеством выходов (MIMO), в вариантах осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 4 – блок-схема типичной цепи восстановления фазы несущей, структурированной по схеме ведущий-ведомый, в вариантах осуществления настоящего изобретения;

на Фиг. 5 – звездная диаграмма типичной гибридной КАМ передачи (4-позиционная КАМ и 8-позиционная КАМ) в вариантах осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Ниже приведено подробное описание нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения. Несмотря на то, что объект изобретения описан на примере альтернативных вариантов осуществления изобретения, следует понимать, что заявленный объект изобретения не ограничивается приведенными вариантами осуществления изобретения. Напротив, предполагается, что заявленный объект изобретения охватывает альтернативные варианты, модификации и эквиваленты, которые могут попасть в рамки существа и объема заявленного объекта изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения.

Кроме того, в нижеследующем подробном описании приведены многочисленные конкретные детали, позволяющие обеспечить полное понимание заявленного объекта настоящего изобретения. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что изобретение может быть реализовано на практике без этих конкретных деталей или с использованием их эквивалентов. В других случаях хорошо известные способы, процедуры, компоненты и схемы подробно не описываются, чтобы излишне не затенять аспекты и отличительные признаки объекта изобретения.

Нижеследующие разделы подробного описания представлены и рассмотрены через призму способа. Хотя этапы и последовательность их осуществления могут быть раскрыты в настоящем документе в виде чертежей, иллюстрирующих операции данного способа, такие этапы и последовательность их осуществления являются типичными. Варианты осуществления настоящего изобретения хорошо подходят для выполнения различных других этапов или вариантов таких этапов, представленных в структурной схеме на чертежах в данном документе, и в последовательности, отличающейся от приведенной и описанной в данном документе.

Некоторые разделы подробного описания представлены в терминах процедур, этапов, логических блоков, процессов и других символьных представлений операций над битами данных, которые могут выполняться в компьютерной памяти. Такие описания и представления являются средствами, используемыми специалистами в области обработки данных для наиболее эффективной передачи сущности их работы другим специалистам в данной области техники. Процедура, выполняемый компьютером этап, логический блок, процесс и т.д. здесь и в целом задуманы как самосогласованная последовательность этапов или команд, приводящих к желаемому результату. К таким этапам относятся этапы, требующие физических манипуляций с физическими величинами. Обычно, хотя и не обязательно, упомянутые величины имеют вид электрических или магнитных сигналов, которые можно хранить, передавать, комбинировать, сравнивать и которыми можно иными способами манипулировать в компьютерной системе. Время от времени удобно, главным образом по причине распространенности, ссылаться на эти сигналы как на биты, значения, элементы, символы, знаки, составляющие, числа или тому подобное.

Однако следует иметь в виду, что все эти и подобные им термины должны быть связаны с соответствующими физическими величинами и являются просто удобными обозначениями, применяемыми к этим величинам. Если не оговорено иное, что очевидно из последующего рассмотрения, следует понимать, что на протяжении всего рассмотрения использование терминов, таких как "доступ", "ввод данных", "включение в состав", "хранение", "передача", "прохождение", "ассоциирование", "идентификация" и т.п., относятся к работе и процессам компьютерной системы или аналогичного электронного вычислительного устройства, которое манипулирует данными и преобразует данные, представленные в виде физических (электронных) величин в регистрах и памяти компьютерной системы, в другие данные, также представленные в виде физических величин в памяти или регистрах компьютерной системы или других подобных устройств хранения, передачи или отображения информации.

Способ и устройство восстановления гибридно-модулированных во временной области КАМ сигналов

В данном документе раскрыта эффективная аппаратная схема восстановления поляризации и фазы несущей, структурированная по схеме ведущий-ведомый, для восстановления гибридно-модулированных во временной области КАМ сигналов. Ведущая схема обрабатывает сигнал с низшим порядком КАМ и получает сигнал ошибки для конвергирования эквалайзера и отслеживания фазы несущей. Одна или несколько ведомых цепей обрабатывают КАМ сигналы более высокого порядка, непосредственно применяя коррекцию и восстановленную фазу несущей, полученные при обработке КАМ сигнала с низшим порядком, к КАМ сигналам более высокого порядка. Таким образом, адаптивная передача с постоянной скоростью с использованием гибридной модуляции во временной области способна повысить спектральную эффективность.

Как показано на Фиг. 1, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения передаваемые данные могут быть разделены на смежные блоки с обучающими символами, вставляемыми в заголовок каждого блока. Данные (например, данные 101 и 102) передаются в виде гибридной во временной области КАМ с блоками данных с перемежающимися символами (левая сторона на Фиг. 2) или с перемежающимися блоками (правая сторона на Фиг. 2). Расположенные параллельно MIMO эквалайзеры (блоки выравнивания задержки) с несколькими входами и несколькими выходами используются для восстановления поляризации и компенсации поляризационной дисперсии мод поляризации мультиплексированного КАМ сигнала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сложность аппаратных средств пропорциональна не только порядку КАМ сигнала, но и сложности алгоритма эквалайзера.

Как показано на Фиг. 2, для сигналов с перемежающимися символами и с перемежающимися блоками принятые цифровые выборки распределены по k ветвям, исходя из порядка КАМ. Например, сигнал 200 с перемежающимися символами ранжирует несколько выборок по заголовкам (например, выборки 201, 202 и 203) в единый поток данных с использованием 1:k*k распределителя 204 символов. Может также использоваться структура 210 с перемежающимися блоками, в которой каждая выборка (например, выборки 211, 212 и 213) распределяется по заголовку с использованием 1:k распределителя 214 блоков. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для сигнала с перемежающимися символами могут выполняться как MIMO выравнивание задержки, так и восстановление фазы, в то время как для сигнала с перемежающимися блоками может выполняться только MIMO выравнивание задержки из-за быстрых изменений фазы.

На Фиг. 3 показаны типичные MIMO эквалайзеры, структурированные по схеме ведущий-ведомый, с множеством входов и множеством выходов для восстановления и отслеживания поляризации и компенсации поляризационной дисперсии мод в вариантах осуществления настоящего изобретения. Цифровая поток 301 выборок, содержащий k схем модуляции, кадрируется и разуплотняется на k ветвей в демультиплексоре 302. Например, k=3, когда сигнал включает в себя схемы модуляции КФМн, 8-позиционную КАМ и 16-позиционную КАМ. K ветвей из демультиплексора 302 выдают кадры в один из k MIMO эквалайзеров (например, в MIMO эквалайзеры 303, 304 и 305) и обрабатываются параллельно. Один из MIMO эквалайзеров k-ой ветви (например, MIMO эквалайзер 303) является ведущим эквалайзером и имеет схему 306 обновления коэффициента (W) ответвления. Ведущий эквалайзер обрабатывает КАМ низшего порядка, чтобы получить сигнал ошибки для восстановления и отслеживания поляризации и компенсации поляризационной дисперсии мод. Вместо того, чтобы рассчитывать новый коэффициент ответвления для каждой ветви, остальные эквалайзеры k-1 ветвей настроены в качестве ведомых. Ведомые эквалайзеры используют для компенсации ошибки то же значение коэффициента W, что и ведущий эквалайзер. Другими словами, обновление ответвления производится только на основании КАМ сигнала более низкого порядка, поступающего от ведущего эквалайзера.

При такой параллельно структурированной по схеме ведущий-ведомый MIMO обработке аппаратные средства, используемые для обновления MIMO обработки, сокращаются по меньшей мере до 1/k обычной схемы обновления для гибридного КАМ сигнала k-го порядка. Так как выборки КАМ модуляции низшего порядка распределяются ведущему эквалайзеру, схема обновления ответвления реализуется при наименьшем объеме вычислений сигнала ошибки и позволяет существенного упростить аппаратные средства. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сигналы 401, 402 и 403 с выровненной задержкой выдаются для восстановления фазы (см. Фиг. 4).

На Фиг. 4 показан типичный модуль 400 восстановления фазы несущей, выполненный по схеме ведущий-ведомый, для восстановления и отслеживания фазы несущей в вариантах осуществления настоящего изобретения. Выходные сигналы (например, выходные сигналы 401, 402 и 403) MIMO эквалайзеров (например, MIMO эквалайзеров 303, 304 и 305) поступают в корректоры фаз КАМ сигналов (например, корректоры фаз 404, 405 и 406 КАМ сигнала) и обрабатываются параллельно. Схема 407 восстановления фазы несущей восстанавливает КАМ сигнал низшего порядка, поступающий от ведущего корректора фазы КАМ сигнала (например, корректора 404 фазы КАМ сигнала), для получения сигнала ошибки для восстановления и отслеживания фазы несущей. Остальные корректоры фазы КАМ сигналов (например, корректоры 405 и 406 фазы КАМ сигналов) сконфигурированы в качестве ведомых и используют сигнал ошибки, определяемый схемой 407 восстановления фазы несущей, использующей для компенсации ошибки КАМ сигнал низшего порядка.

Сложность аппаратных средств схемы восстановления фазы несущей снижается до по меньшей мере 1/k обычной схемы восстановления фазы несущей для гибридного КАМ сигнала k-го порядка. Схема восстановления фазы несущей требуется для восстановления и отслеживания изменения фазы и частоты принимаемого сигнала. Поскольку изменение фазы происходит намного быстрее, чем изменение поляризации, гибридная КАМ с перемежением блоков должна использовать обычные схемы восстановления несущей: либо цифровую ФАПЧ, либо схему Витерби восстановления фазы. Фаза несущей восстанавливается схемой восстановления фазы несущей на основании цифровых выборок КАМ модуляции низшего порядка, применяемой ко всем выборкам КАМ. Поскольку для восстановления фазы используется выборки, имеющие КАМ модуляцию низшего порядка, сложность аппаратных средств дополнительно снижается.

На Фиг. 5 показана типичная звездная диаграмма гибридной КАМ передачи (4-позиционной КАМ и 8-позиционной КАМ) в вариантах осуществления настоящего изобретения. Каждый прямоугольник представляет собой символ данных на горизонтальной оси (во временной области). Как показано на чертеже, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сигнал 4-позиционная КАМ имеет 4 возможных символа (использует 67% времени), а 8-позиционная КАМ имеет 8 возможных символов (использует 33% времени).

1. Способ восстановления сигнала с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ), включающий в себя:

прием КАМ сигнала демультиплексором, причем КАМ сигнал содержит k схем модуляции;

разуплотнение КАМ сигнала на k ветвей, где каждая из k ветвей включает в себя соответствующий эквалайзер, при этом эквалайзеры работают параллельно;

пропускание ветви, имеющей низший порядок схем КАМ модуляции, через первый эквалайзер для восстановления и отслеживания поляризации и компенсации дисперсии поляризационных мод;

обновление алгоритма обновления ответвления с использованием параметра восстановления, определенного первым эквалайзером; и

восстановление и отслеживание поляризации и компенсации дисперсии поляризационных мод для всех других ветвей другими k–1 эквалайзерами с использованием полученного параметра восстановления.

2. Способ по п. 1, в котором k = 2, и КАМ сигнал включает в себя квадратурную фазовую манипуляцию (КФМн) и 8-позиционную КАМ модуляцию.

3. Способ по п. 1, в котором k = 3, и сигнал КАМ включает КФМн, 8-позиционную КАМ модуляцию и 16-позиционную КАМ модуляцию.

4. Способ по п. 1, в котором КАМ сигнал представляет собой сигнал с перемежением символов.

5. Способ по п. 1, в котором КАМ сигнал представляет собой сигнал с перемежением блоков.

6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этапы:

пропускание каждой из компенсируемых ветвей через блоки коррекции фазы;

восстановление и отслеживание фазы несущей КАМ сигнала низшего порядка, поступающего от первого блока коррекции фазы, чтобы получить сигнал ошибки; и

восстановление и отслеживание фазы несущих остальных ветвей КАМ сигнала с использованием полученного сигнала ошибки.

7. Способ по п. 6, в котором как эквалайзеры, так и блоки коррекции фазы работают параллельно.

8. Способ по п. 6, в котором k = 2, и КАМ сигнал включает КФМн и 8-позиционную КАМ модуляцию.

9. Способ по п. 6, в котором k = 3, и КАМ сигнал включает КФМн, 8-позиционную КАМ и 16-позиционную КАМ модуляцию.

10. Способ по п. 6, в котором КАМ сигнал представляет собой сигнал с перемежением символов.

11. Способ по п. 6, в котором КАМ сигнал представляет собой сигнал с перемежением блоков.

12. Способ по п. 6, в котором КАМ сигнал представляет собой гибридно-модулированный во временной области сигнал с квадратурной амплитудной модуляцией.

13. Устройство восстановления сигнала с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ), включающее в себя:

демультиплексор, предназначенный для приема КАМ сигнала и разуплотнения КАМ сигнала на k ветвей, причем КАМ сигнал содержит k КАМ схем модуляции;

k эквалайзеров, предназначенных для приема части КАМ сигнала от демультплексора, причем k эквалайзеров работают параллельно, каждый из k эквалайзеров выполнен с возможностью приема сигнала, разуплотнения на одну из k ветвей и модуляции одной из k КАМ схем модуляции, при этом k эквалайзеров включают в себя первый эквалайзер для обработки части сигнала, имеющей низший порядок схем КАМ модуляции, с целью восстановления и отслеживания поляризации и компенсации дисперсии поляризационных мод;

блок обновления ответвления для обновления параметра восстановления, определяемого первым эквалайзером и используемого другими эквалайзерами для восстановления и отслеживания поляризации и компенсации дисперсии поляризационных мод;

несколько блоков коррекции фазы, включающих в себя первый блок коррекции фазы для восстановления и отслеживания фазы несущей КАМ сигнала низшего порядка с целью получения сигнала ошибки; и

схему восстановления фазы несущей, предназначенную для обновления сигнала ошибки, определенного первым блоком коррекции фазы и используемого другими блоками коррекции фазы для восстановления и отслеживания фазы несущей.

14. Устройство по п. 13, в котором КАМ сигнал включает КФМн и 8-позиционную КАМ модуляцию.

15. Устройство по п. 13, в котором сигнал КАМ включает в себя КФМн, 8-позиционную КАМ и 16-позиционную КАМ модуляцию.

16. Устройство по п. 13, в котором КАМ сигнал представляет собой сигнал с перемежением символов.

17. Устройство по п. 13, в котором КАМ сигнал представляет собой сигнал с перемежением блоков.

18. Устройство по п. 13, в котором КАМ сигнал представляет собой гибридно-модулированный во временной области сигнал с квадратурной амплитудной модуляцией.