CN101142771A - 具有非线性均衡器的光通信接收器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信接收器，包括非线性均衡器。本发明包括：用于携带信息的信号(S1)传输的光纤(2)的第一输入元件、光探测器单元(3)、非线性均衡器单元(4)和终端处理器单元(5)。其特征在于包括连接在光探测器单元(3)的输出端和终端处理器单元(5)的输入端之间的非线性均衡器组单元(4)。非线性电均衡器单元(4)校正光探测器(3)的二次项非线性特性。这样，光探测单元(3)和非线性电均衡器单元(4)一起具有在光纤(2)中的携带信息的光信号(S1)的电场包络和电信号(S3)之间的组合出的更线性特性。因此，终端处理器单元(5)能够更有效地补偿光信号在通过光纤的传输期间所遭受的线性失真。这样，本发明包括光接收器(1)具有光电探测过程的非线性补偿和在通过光纤的传输中出现的线性失真的线性补偿。

Description

具有非线性均衡器的光通信接收器

技术领域

本发明涉及一种用于光通信的接收器，这种接收器包括通过信息信号传播的光纤引入线的第一元件、光探测单元、非线性电均衡器单元和终端处理机单元。

背景技术

由于在激光光束和光纤的有关领域内获得的进展，实现用光纤作为传输信道的通信系统才是可能的，而从根本上说这取于光的特征。

一种光纤通信系统，在其更基础的结构上是由发射单元、也称为发射器或光发射器组成的，发射单元具有把信息电信号转换成呈光形式的信息信号的功能；这种光的传输信道，也就是光纤；和具有把所接收的光信息转换成呈电信号形式信息的功能的接收单元，接收单元称为光接收器。重要的是注意到发射器装有例如可以是激光二极管或发光二极管(LED)的光源，而光接收器装有例如可以是光电二极管(PIN或APD)或者光电晶体管。发射器和接收器两者都装有使其能够与光纤连接的连接机构。

在光接收器领域内，大家知道为常规接收器的直接探测式光接收器，和零差探测式光接收器或者外差探测式光接收器。

直接探测式光接收器构造主要是以光探测器以及放大和处理信号的一些电路为基础的。因而，接收机把光信号转换成电流和电压与输入光功率成正比的电信号，而下面就处理这种电信号。

光信号在光发射器和接收器之间整个光纤信道中的传输或传播会产生线性和非线性失真以及噪声和干扰的一些问题。在线性失真中间有色散，和例如在Govind P.Agrawal，John Wiley & Son出版者的“纤维光通信系统”中描述情况一样，因为某些波长比其他一些波长传播得快因此色散减少所探测的信号，当光纤耦合长度和带宽超过所要求探测参数的界限时扩展数字脉冲而所以使通信恶化。

在光接收器系统方面研制了通过光补偿器或均衡器，或者通过电补偿器或均衡器或者电子补偿器或均衡器来补偿而使这些线性失真的负面影响降至最低程度的若干方法。到现在为止这些电补偿器或均衡器通常提供较小补偿量，但是这些电补偿器或均衡器具有自适应的优点，也就是说，能够重新配置成自动或半自动适应不同的光耦合，而且由于一些能够以高光纤通信传输速度运行的数字信号处理技术因此不会是太昂贵的。例如在光波技术杂志2005年1月23卷1期131～142页中的T.Nielseu和S.Chandrasekhar的“关于质量降低的光和电子调节的OFC 2004专题讨论会会议录”论文中以更新的形式阐明这些方法。这些均衡方法中的像参考文献WO2004068747“光传输方法和光传输器件”那样的一些方法已取得专利；在那个发明中，通过光学傅里叶变换器来补偿光连接机构中的线性失真。

电均衡器补偿线性失真的能力通常受以前所说明的光接收器中的光电探测器的非线性特性限制，而和V.Curri，R.Gaudiho，R.，A.Napoli，以及P.Poggiolini在IEEE光子学技术通信2004年11月16卷11期2556～2558页中所发表的“在限制色散系统中用于改进型调制格式的电子均衡”中阐明情况一样。

发明内容

本发明的目的在于为了电均衡器能够通过纤维以更有效的方式更好补偿光传输中线性失真的负面影响而至少部分解决以前提及的局限性。

本发明光通信接收器，其特征在于它包括在光探测器和终端处理器之间一种非线性电均衡器单元的实际情况，非线性电均衡器单元校正在S1的电磁光场包络和光电探测器产生的电流S2之间光电探测器3的非线性特性；这种关系是二次方程式(光场包络在数学上的二次函数)，而且同时与光瞬时功率成线性关系，光瞬时功率与场包络二次方成正比(由于在光探测器中发生的光子变换到电子的量子现象所造成的)。

在本发明中，推荐包含一种非线性电子均衡器单元，它具有在光包络上与光电探测器的输入输出关系成倒数的输入输出关系。这种关系因而是一种平方根函数。在数学上，我们把这种单元定义为使输入信号和输出信号之间关系为：S3＝kS2^(1/2)，k为常数的单元。因为这个关系是理论上的而且是理想的，所以具有电路或电子线路的该单元在实际的实施过程通常是不理想的或者不精确的，但是它接近这个函数所要求的精确度。这种非线性电子均衡器单元是一种没有记忆、并不一定执行滤波功能的单元。

包含在光接收器内在光探测器单元后面的这种非线性均衡器单元特征在于，使电子均衡系统在补偿传输中线性失真时能增加它的优点。以上所述是在终端处理器单元(5)内通常采用信号处理技术、模拟式或数字式的一些算法来执行的。其中，它们是横向线性滤波器、“前馈”均衡器、“判定反馈”均衡器、“最大似然序列概算器”，或它们之中的组合。它们通常是由具有结构系数或权重的若干延迟和倍增级组成的。

这些算法在理论上允许补偿任何线性失真，因此可能允许消除线性失真的负面影响。然而，光电探测器的非线性特性把线性失真变成非线性失真。本发明的目的在于减轻以上所述的后者。

进行本发明光接收器系统的研究证实以上所述的优点。使用本发明时，相对于不使用非线性均衡器4的情况，成大约二倍地获得在最大光纤耦合长度上相当大的增量，取决于从光发射器输入端到光接收器输出端所给定的最终通信质量方面的一些条件(结定的最终质量可能更高)。包含在光电接收器内的这种单元4构成本发明的主要创新性。

电终端处理器单元5以使在接收器输出端上的信号最佳化为目的而进行可能是各种各样的信号处理，通过校正其恶化或扰动而自适应于传输线路特性。与单元4相反，电终端处理器单元5包括或是模拟式的或是数字式的滤波元件或者电存储器。这种单元和在文献中查阅情况一样能够变化甚多地随用途和技术复杂性而定。通常，这种单元是线性的，但是也存在一些更复杂的既是非线性又显示出良好系统运行的形态。这种单元5不构成本发明创新的基本部分；它可以是现有的均衡器、滤波器或自适应判定器的一些类型中的任何类型。最常见的一些类型是：模拟滤波器、“前馈均衡器”(FFE)、“判定反馈均衡器”(DEF)和“最大似然序列概算器”(MLSE)。至于其实现，单元5可以是包含硬件译码器或软件译码器，迭代或不迭代，像用“Reed-Salomon”、卷积、turbo或低密度奇偶性控制(LDPC)码，用最大似然估算技术，按序或迭代用Viterbi或BCJR算法，和执行或不执行可含有自适应阈值的判定功能的一种线性或者非线性、模拟或者数字的处理器。单元5也可能是通过前者的一些来构成的，而且也可以包括一种固定模拟低通滤波器。

有利的是，光接收器系统也包括判定元件或再生器，如果在终端处理器单元5的输出上获得的信号S4中含有数字信息，则判定元件或再生器必须提取数字信息而且必须经常用二进制格式把数字信息变换到数字数据。判定元件或再生器也能够包含在5内。

有利的是，光接收器也通过用在一些所提及的独立单元之间而且在其输入端或输出端上的一些放大器元件来增大沿着通过光纤的传播而衰减的信号电平。并且，光接收器能够采用光或电信号互连或者自适应光或电信号的连接器、电缆和其他一些元件。

用一种替换方法，通信信道能够是像称为“自由空间光学”那样的空气或空间，而不是光纤。

附图说明

为了更好理解已公开了什么，在下面包含一个附图，其中：

图1是根据本发明一种实施方式的光通信接收器的方框图；

具体实施方式

和在图1中能够看到的情况一样，光通信接收器1基本上包括传输携带信息的信号S1的光纤引入线的第一元件2、光探测器单元3、非线性均衡器单元4和终端处理器单元5。

把沿着光纤2传输而且起源于远距离光发射器(未表示出)的信息的光信号S1载波输入到光探测器单元3内，光电探测器单元3产生电信号S2，把电信号2输入到非线性均衡器单元4。这种紧接前面单元的非线性均衡器单元4从S2信号产生S3信号，以后由终端处理器单元5均衡和过滤S3信号，终端处理器单元5产生输出信号S4。

本发明的主要对象是包含的非线性均衡器单元4。非线性均衡器单元4产生在数学上与其输入信号S2的平方根成正比的信号S3。

这种单元的实施方式可以是各种各样的，基本接近于所描述的非线性输入输出关系。

一种优选的实施方式是以使用一种非线性半导体器件(或者几种)的电子电路为基础的。虽然不一定完全实现非线性函数，但是在输入信号S2的变化容限内接近非线性函数是充分的。

非线性半导体器件能够优选的是提供在输入电压(通常在栅和源之间)和输出电流(通常在漏和源上)之间二次项关系式的场效应晶体管(FET、JFET、MOSFET、MESFET或HEMT)。如果使场效应晶体管的运作逆转，也就是晶体管是反馈的而且是用受S2控制的电流源的电流激励的，并且所产生的电压是灵敏的，则能够获得理想的非线性平方根函数。

另一种可能的优选的实施方式是以半导体二极管为基础的。如果二极管是电流源的电流驱动的，而且电压是灵敏的，则获得一种对数类型输入输出关系式，并且适当地选择电阻器/偏流，在有效容限内稍有扩充的对数类型输入输出关系式就能够逼近平方根函数。

其他一些可能装有数学上的一些运算法或装有查找表或者执行每个区间的函数的一种近似或把各种各样线性和非线性函数用模拟方法或数字方法组合成接近理想函数的装置可以是数字式的。并且，能够使用像双极晶体管(BJT)或其他一些晶体管那样的其他一些半导体器件。

Claims (16)

1.一种用于光通信的接收器(1)，包括：传输携带信息的信号(S1)的第一光纤输入元件(2)，光接收器单元(1)，其特征在于包括连接在光探测器单元(3)的输出端和终端处理器单元(5)的输入端之间的非线性均衡器单元(4)，以校正光探测器(3)的二次项非线性关系，从而获得两个单元(3，4)的组合提供在光纤(2)中信息载波光信号(S1)的电场包络和电信号(S3)之间更线性化的特性以及，终端处理器单元(5)能够以更有效的方式补偿光信号在通过光纤的传输中遭受的线性失真。

2.根据权利要求1所述的接收器(1)，其特征在于，包括与接收器连接的、或在构成接收器的单元(3、4、5)之间或里面的至少一个放大器，以增强在通过光纤传输中被衰减的信号电平。

3.根据权利要求1或2所述的接收器(1)，其特征在于，放大器可以是电的或是光学的。

4.根据权利要求1或2所述的任何一个接收器(1)，其特征在于，非线性均衡器单元(4)提供数学上的平方根函数类型的输入输出关系，或者是接近无记忆功能的。

5.根据权利要求1、2或4所述的任何一个接收器(1)，其特征在于，非线性均衡器单元(4)是以使用非线性半导体器件的电子线路或电路为基础的。

6.根据权利要求5所述的接收器(1)，其特征在于，半导体器件是场效应晶体管类型(FET、JFET、MOSFET、MESFET或HEMT)的。

7.根据权利要求5所述的接收器(1)，其特征在于，半导体器件是二极管。

8.根据权利要求5所述的接收器(1)，其特征在于，通过函数的部分近似或者把各种各样线性和非线性函数组合成接近理想函数来实现非线性均衡器，而且非线性均衡器由模拟或数字的具有数学操作或查表的线性和非线性器件来制作成。

9.根据权利要求8所述的接收器(1)，其特征在于，使用像双极晶体管(BJT)或其他的半导体器件。

10.根据前面权利要求中的任一项所述的接收器(1)，使用在构成接收器的单元前面、后面或里面互连或适应光信号或电信号的连接器、缆线和其他元件。

11.根据前面权利要求中的任一项所述的接收器(1)，其中通信信道可以是空气或空间。

12.根据前面权利要求中的任一项所述的接收器(1)，在接收器(1)中为了便于接收器(1)实际完成工作，所接收的光信号(S1)含有一部分非调制光或者一点几没有调制的光。

13.根据前面权利要求中的任一项所述的接收器(1)，在接收器(1)中终端处理器单元(5)基本上是线性的。

14.根据权利要求1～12中的任一项所述的接收器(1)，在接收器(1)中终端处理器单元(5)是以“最大似然序列估算器”(MLSE)为基础的，或者总的来说，是以孤立运作或者按顺序运作所接收符号的已知类型自适应判定器装置中的任一类型自适应判定器装置为基础的。

15.根据权利要求1～12中的任一项所述的接收器(1)，在接收器(1)中终端处理器单元(5)是一种“判定反馈均衡器”(DFE)，或者总的来说，是使接收器输出上的信号质量最佳化的已知类型均衡器中的任一类型均衡器。

16.根据权利要求1～12中的任一项所述的接收器(1)，终端处理单元(5)用已知类型的均衡器、滤波器、自适应判定器或者线性或非线性、模拟或数字的处理器的一种组合来实现，所述处理器利用包含硬件译码器或软件译码器，用Reed-Salomon、卷积、turbo或低密度奇偶性控制(LDPC)码迭代或不迭代，用于最大似然序列估计技术、按序或迭代用Viterbi或BCJR算法，和执行或不执行可含有自适应阈值的判定功能。

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