用於對調製信號進行解碼的方法和系統與流程

2023-09-20 23:08:10 4

本發明涉及一種用於對調製信號，特別是相干接收和解碼的差分m進位相或正交調幅光信號，進行解碼的改進的方法和系統。

背景技術：

在差分m進位調相信號的相干光接收中，處於某個給定頻率的輸入光信號與被設置為接近頻率的參考本地振蕩器非線性混合(或疊加)。所期望的結果是處於差頻的混合信號，其在相位角中攜帶原始較高頻率信號的信息(諸如幅度、相位和頻率調製)，但以較低並且因此更容易處理的頻率振蕩。

所檢測的相位角取決於兩個因素：發射(發送)的符號；以及本地振蕩器雷射與輸入光信號的中心頻率之間的頻率偏置。在零差(homodyne)相干檢測方案中，人們努力將本地振蕩器的頻率精確地設置在光信號的中心波長處，並且因此頻率偏置為零。實際上，幾乎不能實現頻率的完美匹配，並且因此零差檢測方案在實踐中通常是「內差(intradyne)」，即本地振蕩器的波長不等於輸入信號的中心波長，但是非常靠近輸入信號的中心波長並且在輸入信號的頻譜內。然而，在許多實際應用中，本地振蕩器的波長位於輸入信號的頻譜之外的外差(heterodyne)檢測方案越來越普及，主要是因為它們可以用更少數量的光學部件來實現。在外差檢測方案中，通過將接收信號乘以(「下變頻」)具有差頻的正弦函數或餘弦函數，電補償本地振蕩器雷射與輸入光信號的中心頻率之間的頻率偏置。

在零差/內差檢測和外差檢測兩者中，混合的結果是兩個基帶信號，其包含信號的同相(i)分量和正交(q)分量。可以在星座圖中以圖形表示同相分量和正交分量，並且分量的不同範圍值(或區域)可以與不同的信號比特相關聯。將正交分量分配給信號比特構成允許從同相分量和正交分量提取編碼信號的解碼方案。

由於電子設備中的缺陷和本地振蕩器雷射的有限的頻率穩定性，在實際中，在內差檢測和外差檢測兩者中幾乎不能實現完美的頻率偏置。由於不完美的偏置，所檢測的差分相位角在星座中旋轉。如果頻率偏置過大，則不能再正確地檢測差分相位角。出於實際目的，本地振蕩器頻率偏差或下變頻頻率必須保持在約±50mhz的閾值以下，以允許在622mbaud(d)qpsk調製信號的情況下進行可靠檢測。這不是一個太大的技術挑戰，並已被證明是有效可行和穩定的。

然而，上述條件意味著最初當系統被啟動並且本地振蕩器雷射掃描可用於信號的頻帶時，需要非常緩慢地進行掃描過程以足夠接近地定位到正確的頻率窗口。典型的可調諧雷射覆蓋大約4太赫茲或更大的光頻帶。以100mhz的解析度掃描該頻帶需要40,000個步長或更多。在每個雷射頻率步長之後，數位訊號處理對所接收的比特進行解碼，並且嘗試識別所接收的數據流中的預定幀定界比特模式。對於m＝4，比特流由兩個比特對組成。然而，通常不知道字節本身在此比特流內開始的位置。通常，採用並行幀搜尋器單元來掃描用於幀定界模式的比特流，其中每個幀搜尋器在比特流內採用不同的偏置。對於m＝4，通常使用四個並行幀搜尋器單元。假設雷射每秒掃描100個步長，則完整的本地振蕩器雷射掃描可能需要400秒，這對於許多實際應用來說是不可接受的長時間間隔。

在現有技術中，已經採用幅度檢測來增加掃描速度。在這些方案中，進行粗略掃描，直到檢測到信號幅度增加，並且然後如上所述僅執行雷射的微調。然而，這些方案引入了額外的複雜性。

所需要的是一種改進的解碼方法，其允許在啟動系統時加快掃描過程。

技術實現要素：

此目的分別通過根據獨立權利要求1和11的用於對調製信號進行解碼的方法和系統來實現。從屬權利要求涉及優選實施方式。

根據本發明的用於對調製信號進行解碼的方法包括接收編碼信號的步驟，所述編碼信號包括從混合信號提取的同相分量和正交分量的對，通過將接收的處於第一頻率的調製信號與處於第二頻率的本地振蕩器信號混合來獲得所述混合信號。方法還包括根據多個不同解碼規則對所述編碼信號進行解碼的步驟，所述多個解碼規則對應於所述第一頻率與所述第二頻率之間的頻差或失配(mismatch)的不同數值。

本發明基於以下認識：通過提供若干不同的解碼規則(而不是如在現有技術情況中的單個解碼規則)，解碼方法可以適應本地振蕩器雷射與輸入光信號的中心頻率之間的較大頻率偏置。可以選擇不同解碼規則，該不同解碼規則對應於接收調製信號的所述第一頻率與本地振蕩器信號的所述第二頻率之間的頻差或失配的不同數值或範圍。可以並行地試探性地測試不同的解碼規則，從而即使在本地振蕩器雷射與輸入光信號的中心頻率之間存在顯著頻率偏置的情況下，也允許更可靠和更快地對編碼信號進行解碼。發明人發現了，通過選擇足夠多的解碼規則，可以適應第一頻率與第二頻率之間的任意差值或失配，除非接收器帶寬變為限制因素。

根據本發明的方法有可能會增強對數據處理的要求，因為在解碼步驟中需要採用和測試幾個不同的解碼規則而不是單個解碼規則。然而，發明人發現在初始鎖定過程中的提高的掃描速度足以補償附加的處理時間或資源。同時，本發明允許準許較高的本地振蕩器偏置，並且因此允許採用具有較低調諧粒度的較不精確並且由此更便宜的雷射設備。

可以優選地根據多個不同解碼規則對所述編碼信號並行地進行解碼以最小化處理時間。然而，如果需要順序地進行一些或所有處理，則本發明還實現了優於現有技術的有益效果。

在本發明的意義上，編碼可以被理解為這樣一種過程，其中通過調製的物理載波信號(優選為光信號)來傳送數位訊號或模擬信號，所述信號無線地或通過電纜連接來發射。作為示例，所述編碼信號可以表示比特或字節的序列。

在本發明的意義上，解碼過程可以被理解為表示這樣的逆過程，其中從編碼信號檢索編碼信息或其修改版本，例如表示為比特或字節序列。檢索編碼信息可能不總是完美可行的，並且在許多實際應用中，如果可以大致或以足夠高的精度檢索編碼信息將足夠了。

在本發明的語境中，根據所述多個不同的解碼規則對所述編碼信號進行解碼可包括以下步驟：測試所述不同的解碼規則；以及確定所述不同的解碼規則中的哪一個提供準確的解碼結果。

在優選實施方式中，所述解碼步驟包括識別所述解碼信號中的預定參考結果的步驟。所述預定參考結果可以表示所測試的不同的解碼規則中的哪一個提供最佳解碼結果。

具體地，所述編碼信號可包括測試符號(例如定界符模式)的預定序列。參考結果可以對應於測試序列的準確傳輸的預期解碼結果。因此，通過採用多個不同的解碼規則來搜索測試序列，產生期望參考結果的一個解碼規則可以被識別為準確或適當的解碼規則，其對應於所述第一頻率與所述第二頻率之間的頻差或失配。

本發明還可包括基於所識別的參考結果來確定所述頻差或失配、或至少所述頻差或失配的範圍的步驟。

在優選實施方式中，方法還包括根據所識別的參考結果調整所述頻差或失配的步驟。

調整所述頻差或失配可以具體地包括對供應所述本地振蕩器信號的本地振蕩器(諸如本地振蕩器雷射)進行調諧的步驟。

通過調整所述頻差或失配，可以補償本地振蕩器雷射與輸入光信號的中心頻率之間的頻率偏置的影響。調整所述頻率可相當於返回標準參考幀或解碼規則。

可替代地，可以採用已經被確定為對應於實際頻差或失配的所述解碼規則(諸如再現預期參考結果的解碼規則)來解碼後續信號，而不需要重新調整頻差或失配或對本地振蕩器進行調諧。

因此，在優選實施方式中，方法包括以下步驟：在所述多個不同的解碼規則中選擇解碼規則；以及採用所選擇的解碼規則來對後續編碼信號進行解碼。

在優選實施方式中，所述不同的解碼規則對應於不同的分配規則，並且所述解碼步驟包括根據所述不同的分配規則向所述編碼信號分配不同的信息符號的步驟。

例如，所述解碼規則可包括用於不同範圍的頻差或頻率失配的不同解碼錶。然後可以採用所述多個不同的解碼錶來試探性地解碼所述編碼信號，可以將正確的解碼錶確定為再現預定參考結果的解碼錶。

因此，在優選實施方式中，方法還包括將所述信息符號的多個序列與預定參考結果進行比較的步驟，所述多個序列對應於所述不同的分配規則。

可替代地，所述解碼步驟可包括根據給定分配規則(諸如給定解碼錶)向所述編碼信號分配信息符號的步驟，以及所述解碼步驟還可包括將所述信息符號與多個參考結果進行比較的步驟。

在此可替代的配置中，不同的解碼規則(對應於頻差或失配的不同數值或範圍)被併入對應的多個參考結果中。識別匹配參考結果然後允許推斷頻差或失配的值或範圍。

在優選實施方式中，所述調製信號是光信號，具體地，是m進位調製信號，m是正整數。

優選地，所述調製信號是光學m進位調相信號或光學m進位正交調幅信號。

根據本發明的方法還可包括接收處於所述第一頻率的所述調製信號的步驟。

在優選實施方式中，方法還包括通過將所接收的調製信號與本地振蕩器信號混合來提供所述混合信號的步驟，所述本地振蕩器信號具有所述第二頻率。

根據本發明的方法還可包括從所述混合信號提取所述同相分量和所述正交分量的步驟。

在優選實施方式中，通過外差檢測從所述混合信號中提取所述同相分量和所述正交分量，所述外差檢測可包括下變頻。

然而，也可以在零差檢測或內差檢測的環境中採用根據本發明的方法。

本發明還涉及一種用於對調製信號進行解碼的系統，所述系統包括適於接收編碼信號的接收單元，所述編碼信號包括從混合信號提取的同相分量和正交分量的對，所述混合信號通過將接收的處於第一頻率的調製信號與處於第二頻率的本地振蕩器信號混合來獲得。系統還包括：解碼單元，其適於根據多個不同的解碼規則對所述編碼信號進行解碼，所述多個解碼規則對應於所述第一頻率與所述第二頻率之間的頻差或失配的不同數值。

在優選實施方式中，所述系統包括提供處於所述第二頻率的所述本地振蕩器信號的本地振蕩器單元。

系統還可包括混合單元，其適於接收處於所述第一頻率的所述調製信號，從而將所述調製信號與所述本地振蕩器信號混合以及從所述混合信號中提取所述同相分量和所述正交分量的所述對，所述混合單元還適於向所述解碼單元提供所提取的對。

在優選實施方式中，所述解碼單元包括幀搜尋器單元，其適於將所述解碼信號與預定參考結果進行比較。

通常，所述系統可以適於實現具有如上所述的特徵中的一部分或全部的方法。

本發明還涉及包括計算機可讀指令的電腦程式產品，所述計算機可讀指令使得聯接到具有上述特徵中的一部分或全部的系統的計算機在所述系統上實現具有上述特徵中的一部分或全部的方法。

附圖說明

通過參照附圖的優選實施方式的詳細描述，根據本發明的用於對調製信號進行解碼的方法和系統的特徵和諸多有益效果將得以闡明，其中：

圖1是根據本發明的實施方式的用於發射調製信號的系統的示意圖，所述系統包括用於對信號進行解碼的系統；

圖2是對於每個符號發射兩個比特並具有完美頻率補償的示例的示意性星座圖；

圖3是對應於不完美頻率補償的旋轉星座圖；以及

圖4是根據本發明實施方式的解碼系統的示意圖。

具體實施方式

圖1是用於通過光通道16(諸如光纖鏈路)在發送器單元12與接收器單元14之間發射正交調幅信號的系統10的示意圖。在發送器單元12中，通過改變(調製)兩個載波信號20、20'的幅度來對兩個數字消息比特流18、18'進行編碼。通常是正弦波的兩個載波信號20、20'彼此相位相差90°，並且導致正交調幅(qam)。在發送器單元12中，對調製波進行求和，並且所得的波形是相移鍵控(psk)和幅移鍵控(ask)、或調相和調幅的組合。

通過光通道16將所得的信號發送到接收器單元14。

如圖1所示，接收器單元包括混合單元22、本地振蕩器單元24和解碼單元26。混合單元22在第一輸入端28處接收調製光信號並且具有第二輸入端30，第二輸入端30用於接收本地振蕩器單元24所提供的本地振蕩器信號。本地振蕩器單元24可以通過雷射的方式生成本地振蕩器信號，並且可以向第二輸入端30提供本地振蕩器信號，正如本領域中所公知的那樣。

混合單元22用作用於解調輸入光信號的相干解調器。為此，在第一輸入端28處接收的輸入光信號與在第二輸入端30處接收的本地振蕩器信號疊加。在接收光電二極體處，疊加產生與本地振蕩器雷射的電場和輸入信號的電場的乘積成比例的電流。此外，電流隨著本地振蕩器信號和輸入調製信號的角頻率差而振蕩，

在此等式中，ipd表示所生成的光電流，elo表示本地振蕩器的電場，esignal表示調製輸入信號的電場，ωlo表示本地振蕩器信號的角頻率，ωsignal表示輸入調製信號的角頻率，t表示時間，以及描述包含所發射的數據信息的時間相關相位。

從等式可以看出，光電二極體電流取決於兩個光源的差分角頻率ωlo-ωsignal。此振蕩項通過均衡兩個雷射頻率(所謂的「零差相干檢測」)而被完全刪除，或其通過使接收信號與具有差頻的正弦函數和餘弦函數(「外差檢測」)相乘(「下變頻」)來進行電子補償。在任何情況下，混合單元22供應包括解調信號的「同相」(i)分量的第一信號32、以及包括解調信號的「正交」(q)分量的第二信號34。將同相分量32和正交分量34供應到解碼單元26，以通過數位訊號處理(dsp)來進行數據復原。

在m進位差分調製方案中，發射的信息被編碼成兩個符號之間的相對相位差，即根據可能的差分相位數m，對於每個符號可以發射log2(m)個比特。作為示例，對於m＝4，對於每個符號可以發射log2(4)＝2個比特。換句話說，在理想信號和理想接收器的情況下，對於m＝4，可以具有四個不同數值。然後通過將這四個差分相位角對分配到兩個數據比特來重構比特流。示例如下表1所示：

表1：針對不同值的檢測比特的分配

作為示例，表1僅示出一個可能的分配。只要建立了比特對{i,q}與相位差的範圍之間的一一對應關係，則該分配是完全任意的，並且可以選擇為與表1不同。例如，在可替代的示例中，可以採用「格雷碼(graycode)」來分配值，以使得在表1中僅一個比特值在行與行之間不同。

為了從輸入信號中檢索出相位差解碼單元26優選地在分配給每個符號的時隙的中部對基帶信號32、34進行採樣。然後可以將時間t處的光信號場的相位計算為然後可以將相位差計算為其中δt＝t2–t1表示符號持續時間。

圖2示出了這樣的示例性星座圖，在該示例性星座圖中，針對多個接收信號繪製了i分量和q分量，並且根據表1將區域或象限(由虛線界定)分配到比特對。圖2所示的信號分布是由於在實踐中不能完全避免的信號和接收設備中的噪聲造成的。解碼單元26根據表1從星座分量i和q來重構比特序列，並輸出重構消息比特流18、18'的成對的解碼信號比特流36、36'。

圖2表示完美頻率補償的情況，即角頻率差δω＝ωlo–ωsignal＝0。然而，在實踐中，幾乎不能實現完美的頻率補償，這主要是由於本地振蕩器雷射中的漲落或其他裝置缺陷造成的。不完美的頻率補償將生成接收的符號的旋轉角度α。這在圖3中示意性地示出。

可以將旋轉角α計算為α＝δω*δt(弧度制)。換句話說，頻率控制可鎖定到δω＝n*π/(2*δt)的倍數。可以通過例如確定圖3的符號雲的重心，從檢測角度中推導出α的值。然而，應注意，僅可能以可能的相位角的數量為模來確定α的值。因此，當四個相位角是可能的時，只能在±45°內確定α。較高的α值折回到較低區域中。

如以上參考圖2和表1所描述的，如果所計算的差分相位角位於相應區域的邊界內，則檢測到某個比特對。例如，如果差分角在-45°與+45°之間，則它位於0°區域內，並且因此根據表1被解碼為比特對{0,0}，並且類似地適用於其他區域{0,1}、{1,0}和{1,1}。因此，在無噪聲系統中，可以允許α在-45°與+45°之間變化。根據系統的信噪比，實際上α的可容許公差是較小的，通常在±30°附近。對於符號率為例如622mbaud的數字正交相移鍵控系統，這轉換為本地振蕩器雷射的在±52mhz範圍內的最大可允許頻率偏置。因此，本地振蕩器雷射或下變頻頻率必須保持在此區間內以供解碼可靠地工作。

在大致±50mhz內控制本地振蕩器雷射頻率或下變頻頻率實際上是可行的，並且已經確定實際可行。然而，當系統啟動時，本地振蕩器雷射必須掃描可用於信號的頻帶。這個掃描過程需要是相對較慢的，以足夠接近定位到正確的頻率窗口。典型的可調諧雷射覆蓋大約4thz或更大的光頻帶。為了以約100mhz的解析度掃描該頻帶，需要約40,000個步長。在每個雷射頻率步長之後，解碼單元26對所接收的比特進行解碼，並且通常嘗試識別所接收的數據流中的特定預定幀定界符比特模式。比特流由兩個比特對組成，並且通常不知道比特在此比特流內開始的位置。在實踐中，可以採用四個並行幀搜尋器單元來掃描用於幀定界符模式的比特流。每個幀搜尋器單元可以在比特流內使用不同的偏置。因此，即使雷射每秒掃描100個步長，完整的本地振蕩器雷射掃描實際上可能需要高達400秒，這對於許多實際應用來說是過長的。

發明人發現了，可以通過添加允許較高值的旋轉角α的一個或多個檢測方案來增強最大可允許頻率偏置的公差值，並且因此增加初始鎖定過程的速度。假設旋轉角α超過45°，則所有檢測的差分角將落入圖1中的錯誤檢測區域中。然而，假設角度α不隨時間變化，則此行為是確定性的。例如，假設45°<α≤135°，則所有檢測的信號順時針偏移一個區域，即它們沿順時針方向落入相鄰區域中。這可以通過用多個附加比特分配模式補充表1來適應。例如，可以根據表2採用三個附加比特分配模式以適應任意值的α，其中每個解碼方案對應於圖1中的一個檢測區域。

表2：三個附加比特分配模式

從表2可以看出，範圍abs(α)≤45°的第一模式與表1相同。象限(i)45°<α≤135°、(ii)135°<α≤225°和(iii)225°<α45°的角度α來補償星座的旋轉，並且實際上將較大的偏移角旋轉回到第一區域中，以使得如α的絕對值小於45°那樣分配比特值。

所檢測的相位本身通常不允許推斷偏移角α。然而，這可以通過針對預定參考結果檢查接收的信號來實現，諸如對於已知發送器單元12發射的某個幀定界符位模式，如現在將參考圖4所解釋的。

圖4示出了根據本發明的實施方式的解碼單元26的詳細視圖。解碼單元26包括複製單元38、多個幀搜尋器單元40a-40d和控制單元42。

複製單元38將從混合單元接收的同相分量32和正交分量34複製為四個相同的副本。然後將這些信號對供應到四個幀搜尋器單元40a至40d，這四個幀搜尋器單元40a至40d各自根據表2中的四個不同的比特分配模式中的一個分析輸入信號並且掃描幀定界符比特模式。幀定界符模式可以是已知發送器單元12將用作參考模式發送的預定比特序列。取決於α的值，幀搜尋器單元40a至40d中只有一個將找到參考比特模式，並且將通知控制單元42。例如，假設45°<α≤135°，實現表2中的第二比特分配模式的幀搜尋器單元40b將檢測幀定界符模式，並且將其轉發到控制單元42。控制單元42確保根據對應的比特分配模式(即根據表2中的第二比特模式)來解碼所有後續信號。解碼的比特值作為解碼的信號比特流36、36'輸出。

可替代地，響應於控制單元42所檢測的α的範圍，控制單元42可以向本地振蕩器單元24發送控制信號(未示出)以適配本地振蕩器頻率，以使得偏移角α減小到第一象限abs(α)≤45°。然後可以根據表2中的第一比特分配模式來對所有後續信號進行解碼，所述第一比特分配模式對應於表1中的原始比特分配模式。

在以上參考圖4和表2描述的實施方式中，幀搜尋器單元40a至40d根據四種不同的比特分配方案對輸入信號進行解碼，並且將結果與已知的幀定界符模式進行比較。可替代地，可根據一個固定比特分配模式(諸如表1中的比特分配模式)對輸入信號32、34進行解碼，並且可將所述輸入信號32、34與幀定界符模式的不同(旋轉)版本進行比較。這提供了確定偏移角α的範圍的另一種等效方式。

為了簡單起見，上述示例假定m＝4，因此可以具有四個不同的值。然而，相同的方案可適用於包含更多數據點的高階星座。

在上述示例中，已經在外差檢測的語境中描述了本發明。然而，相同的方案可適用於零差檢測或內差檢測。

本發明增加了最大可允許頻率偏置的公差窗口，並且因此可用於實現對發射器數據的更快初始掃描和鎖定。同時，本發明允許適應具有較低調諧粒度的雷射，並且因此使得能夠利用不太複雜以及由此更便宜的設備來進行更快和可靠的相干檢測。

對優選實施方式的描述以及附圖僅用於說明本發明和與其相關聯的有益效果，但不應理解為暗示任何限制。本發明的範圍僅基於所附權利要求書來確定。

附圖標記

10用於發射調製信號的系統

12發送器單元

14接收器單元

16光通道

18,18'消息比特流

20,20'載波信號

22混合單元

24本地振蕩器單元

26解碼單元

28混合單元22的用於調製光信號的第一輸入端

30混合單元22的用於本地振蕩器單元的第二輸入端

32解調信號的同相(i)分量

34解調信號的正交(q)分量

36,36'解碼的信號比特流

38複製單元

40a,b,c,d幀搜尋器單位

42控制單元