CN101491044B - 用于解调正交调制信号的接收器结构和方法 - Google Patents

用于解调正交调制信号的接收器结构和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种正交调制信号的接收器，该正交调制信号可划分成同相信号(I)和正交信号(Q)。将该同相信号(I)输入给第一和第三校正器(EZ1，EZ3)并将该正交信号(Q)输入给第二和第四校正器(EZ2，EZ4)，其中第一和第二校正器(EZ1，EZ2)分别进行各自信号的第一次校正。第一校正器(EZ1)的输出端与第四校正器(EZ4)的第二输入端连接，该第四校正器(EZ4)通过依赖于输入的由第一校正器(EZ1)校正的同相信号(I1)对正交信号(Q)进行第二次校正来输出校正的正交信号(Q2)。第二校正器(EZ2)的输出端与第三校正器(EZ3)的第二输入端连接，该第三校正器(EZ3)通过依赖于输入的由第二校正器(EZ2)校正的正交信号(Q1)对同相信号(I)进行第二次校正来输出校正的同相信号(I2)。

Description

用于解调正交调制信号的接收器结构和方法
数字信息借助于一个或多个信号用许多方法传输。为了产生具有数字信息的信号，使用所谓的数字调制方法。在这种情况下，将二进制的信息刻印
Figure G2007800268278D00011
到或调制到载体上。数字调制方法的特征是，对于刻印只使用离散的振幅值、相位值或频率值，其中这样的离散值相应于二进制数值或二进制序列。基本上这些数字调制方法分为移幅键控，简称ASK(Amplitude Shift Keying)，移相键控，简称PSK(Phase Shift Keying)，和移频键控，简称FSK(FrequencyShift Keying)。但是，也可以是移幅键控、移相键控和/或移频键控的组合。通常使用移幅键控和移相键控的组合，该组合也称为正交振幅调制，简称QAM。视离散值的数量而定，将该正交振幅调制称为16-QAM，64-QAM等，其中每个离散值分别相应于信号的确定振幅和相位值。
在使用两个离散的振幅值、相位值或频率值时，一般一个值相应于逻辑0，另一个值相应于逻辑1。如果使用多个离散值，则每个值相应于一个二进制序列。例如，在四个离散值的情况下，如四移相键控或正交移相键控，简称4-PSK或QPSK，其中定义四个相位状态如0度；90度；180度；270度，可以对每个值分别传输的2位(00，01，11，10)。在定义八个值的情况下，如8重移幅键控(8-ASK)、8重移相键控(8-PSK)、8重移频键控(8-FSK)或8重移幅移相键控(8-QAM)，可以同时传输三个位。对大量离散值或离散级的使用也称作多级调制或多级调制方法。
为了产生多级信号，尤其是产生多级相位调制的或振幅相位调制的信号，通常使用所谓的正交调制。在此将所产生的载体加倍成第一载体和第二载体。直接用第一所谓的同相信号来调制第一载体。用第二所谓的正交信号来调制第二载体，并跟第一载体相比在相位上移动90°或Pi/2。随后，又将两个这样调制的载体合并到一起，形成所谓的正交调制信号。同相信号和正交信号通过编码器产生。该编码器根据输入的数据信号产生相应的同相信号和正交信号。光学传输的原理在图1中示出。将数据信号，例如40兆位的信号，输入给编码器EN，该编码器EN分别产生同相信号和正交信号。将这些信号分别输入给马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder-Modulator)MZM，该马赫-曾德尔调制器MZM分别调制一个通过激光二极管产生并且输入给两个马赫-曾德尔调制器MZM的载体。将两个经过调制的载体中的一个移相90°或Pi/2，随后将两个信号通过组合器C合并成正交调制信号。该正交调制信号借助于传输线路US传输，该传输线路作为光波导SSMF来实施，并且可以具有进行散射补偿的装置DCF以及放大器EDFA。在接收侧，必要时在接收器RX中对所传输的信号进行带通滤波，并且用专业人员熟悉的装置还原两个同相信号和正交信号。
为了分析所接收的同相值和正交值，有一系列的方法。用校正器、判定器、均衡器或滤波器来分析所接收的同相值和正交值。作为本发明含义中的校正器可以理解为判定器，该判定器根据所输入信号的不同电平来按照预先给出的判定空间输出判定。这个判定空间通过所谓的度量(Metriken)来定义。在电信息传输领域，多级调制方法的最佳校正是公知的，任意数据速率的实现是受电子元件处理速度限制的。尤其是在用相应的高数据速率进行光学传输时，不可能实现在电领域可实现的最佳校正。在US 2003/0007552 A1中说明了一种校正，该校正为此使用一种带有迭代均衡的简化字母均衡器(reduced alphabetequalizer)。在US 2003/0063681 A1中，说明了一种利用MLSE和动态改变的格状结构(Trellis)来识别数字数据的装置以及方法。在欧洲专利申请EP 1 494413 A1中，说明了一种用于光学***的MLSE，该MLSE用一维的度量工作以及确定这个度量。
两个同相信号和正交信号形成正交调制信号。这个正交调制信号可以直观地在二维平面中示出，其中同相信号绘制在X轴上，正交信号绘制在Y轴上。正交调制信号的信号值或信号状态在这个二维平面中是一个点。振幅相应于到中心点的距离，相位相应于以逆时针方向与正X轴所成的角度。因此，在进行具有恒定振幅的相位调制或移相键控时，离散的相位值在围绕坐标系中心点的圆上，并且相位角或相位值相应于与正X轴的夹角。在图2中将这针对4移相键控或正交移相键控(QPSK)举例示出。示出的是4个离散的相位值(45°，135°，225°，315°)，分别给它们分配两位(00，10，11，01)。在进行振幅相位调制或正交振幅调制时，根据光栅为位序列确定该二维坐标***中的离散点。角度以及到中心点的距离形成相位值或振幅值。
本发明的任务是，改进正交调制信号的解调。
这个任务通过具有权利要求1特征的接收器和具有权利要求10特征的方法来解决。
本发明的优点在于，通过多个校正器的交叉方式连接的排列，在考虑所确定的正交信号的条件下来确定同相信号，并且相反地，在考虑所确定的同相信号的条件下来确定正交信号，因此可以对所发送的信号序列进行更准确的确定。此外，这种特别是在光学传输时的确定即使在高数据速率的情况下实现起来也既简单又经济。
本发明的优选设置在从属权利要求中以及在实施例中说明。
在本发明的优选设置中，将校正多次进行，从而更准确的确定原来所发送的信号。
借助附图详细阐述本发明的实施例。在此
图1示出光学传输***，
图2示出信号星座，
图3示出本发明接收器排列的方块图，
图4示出根据图3的进一步设置，
图5示出阐述本发明的简图和表格。
图1示出已经在前言中描述过的根据现有技术的光学传输***。图2是已经描述过的QPSK信号或4移相键控信号的信号星座。
图3示出根据本发明分析同相信号和正交信号的排列的方块图。该方块图具有八个校正器EZ1至EZ8。将同相信号分别输入给校正器EZ1，EZ3，EZ5和EZ7的第一输入端E1。将正交信号Q分别输入给校正器EZ2，EZ4，EZ6和EZ8的第一输入端E1。将第一校正器EZ1的输出信号I1输入给第四校正器EZ4的第二输入端。将第二校正器EZ2的输出信号Q1输入给第三校正器EZ3的第二输入端。将第三校正器EZ3的输出信号I2输入给第六校正器EZ6的第二输入端。将第四校正器EZ4的输出信号Q2输入给第五校正器EZ5的第二输入端。将第五校正器EZ5的输出信号I3输入给第八校正器EZ8的第二输入端。将第六校正器EZ6的输出信号Q3输入给第七校正器EZ7的第二输入端，在该校正器EZ7的输出端上输出校正的同相信号I4。在第八校正器EZ8的输出端上输出校正的正交信号Q4。
工作原理如下。将同相信号I输入给第一校正器EZ1，该校正器EZ1进行同相信号I的校正并输出校正的第一同相信号I1，并且输入给第四校正器EZ4。该校正器EZ4依赖于校正的第一同相信号I1对输入给它的正交信号Q进行校正，并在它的输出端输出校正的第二正交信号Q2。第二校正器EZ2对输入给它的正交信号Q进行校正，并输出校正的第一正交信号Q1，该正交信号Q1被输入给第三校正器EZ3。该校正器EZ3依赖于校正的第一正交信号Q对在它的第一输入端输入的同相信号I进行校正，并在它的输出端A输出校正的第二同相信号I2。
这样校正的第二同相信号I2和这样校正的第二正交信号Q2，在本发明的最基本情况下供进一步的处理使用。优点在于，不仅对各个信号进行单独校正，而且分别依赖于另一个所传输的并且经过校正的信号而对信号进行校正。因此，可以更准确的判定所传送的信号序列。
在分别考虑另一个信号组分的条件下，可以在后续级中对校正的第二同相信号I2和校正的第二正交信号Q2进行重复校正。这样，根据图3将校正的第二同相信号I2输入给下一个校正器EZ6的第二输入端，该校正器EZ6依赖于校正的第二同相信号I2对在它的第一输入端E1上输入的正交信号Q进行校正，并在输出端输出校正的第三正交信号Q3。该正交信号Q3可以输入给下一级。根据图3，将校正的第三正交信号Q3输入给第七校正器EZ7的第二输入端，该校正器EZ7依赖于校正的第三正交信号Q3对在它的第一输入端E1上输入的同相信号I进行校正，并在它的输出端输出校正的第四同相信号I4。以相应的方式，将经过第四校正器EZ4校正的第二正交信号Q2输入给第五校正器EZ5的第二输入端。该校正器EZ5依赖于输入的经过校正的第二正交信号Q2对在它的第一输入端上输入的同相信号I进行校正，并在它的输出端上输出校正的第三同相信号I3。现在可以再将该同相信号I3输入给第八校正器EZ8的第二输入端，该校正器EZ8依赖于校正的同相信号I3对在它的第一输入端上输入的正交信号Q进行校正，并在它的输出端A上输出校正的第四正交信号Q4。
可以用相应的方式在后面连接用于校正的后续级。本发明的核心是至少进行具有校正器EZ1，EZ2的第一个校正级，接下来是具有校正器EZ3，EZ4的第二个校正级，这些校正器EZ3，EZ4分别依赖于另一个信号的第一次校正而对它们各自的信号进行校正。第三、第四、第五级等可以以相似方式接在这些级之后。
图4示出根据图3的排列，区别是在校正之前借助于模数转换器ADC1，ADC2将同相信号和正交信号进行模数转换，从而可以进行数字校正。为此可以将校正器作为数字滤波器或最大似然序列估计校正器来设置。这个最大似然率序列估计校正器或简称MLSE装置，通常具有比较表或判定表，在这些表中填有数据或度量，以便可以可靠地估计各自通道所传输的信号序列。因此，本发明很好地适用于格形编码(Trellis-codiert)的信号。度量数据通过度量发生器MG产生，一方面将接收的同相信号和正交信号输入给该度量发生器MG，另一方面将一个或者多个校正的同相信号和正交信号也输入给该度量发生器MG，也就是说根据级的数量来确定输入最后一级的经过校正的同相信号和正交信号。通过比较未经过校正的和经过校正的同相信号或正交信号，以及通过使用之前确定的测试序列，可以确定对在各自信号路径(同相或正交)中传输的信号序列的判定空间的估计。将这些数据或度量输入给校正器，以此初始化或者加载这些校正器。将数据或度量存储在校正器的比较表中。校正器中的适当算法，例如Viterbi算法，可以从输入的信号(同相，正交)中借助于所述表确定最可能被传输的信号序列。在第一级校正器(EZ1，EZ2)中，这个确定只在所输入的同相信号或正交信号的基础上进行。在随后的校正器级中，这个确定在考虑另一个信号的条件下进行。在随后的校正器级中，使用更复杂的数据或度量。
这样的具有用于选择度量的判定简图的表在图5中示出。。
作为本发明含义中的校正器可以理解为判定器，该判定器根据所输入的不同信号电平而根据预定的判定空间输出判定。在这种情况下，第一级校正器具有至少一个一维的判定空间，也就是说只借助于输入的输入信号来输出对应的输出信号。在后续级中，校正器具有至少一个二维判定空间，也就是说在分别考虑另一个路径的校正条件下对将要输出的输出信号进行判定。判定空间通过度量确定。也就是说，借助于度量作出判定。每个校正器都有与图5相应的度量来用于判定，例如度量表，据此对于接收的同相信号值，与图5相应地在考虑正交信号值的条件下确定可能发送的同相信号值。也就是说，为了确定最有可能发送的同相信号和正交信号，对于接收的同相信号和正交信号的组合存在所谓的概率密度函数，简称WDF。
校正器也可以这样实现，即该校正器的判定通过
a)阈值开关，如适配的阈值开关或者具有分布式反馈均衡器(DistributedFeedback Equalizer)的阈值开关，或
b)检测单元或
c)MLSE
进行。
在此可以在阈值开关、检测单元或MLSE的前面连接滤波器，如有限脉冲响应滤波器，简称FIR滤波器，无限脉冲响应滤波器，简称IIR滤波器，或模拟滤波器。
下面再次详尽地阐述本发明。在多级的调制方法中，通过在二维图中或在复数信号空间中的点来示出位序列或位模式。在传输正交调制的信号期间，不仅同相分量有所失真而且正交分量也有所失真，也就是说在发送侧信号空间中的点不再与接收侧信号空间中的点相对应。
因为通常情况下，失真不仅对同相分量(实部)起作用而且也对正交分量(虚部)起作用，并且两个分量是耦合的，因此在进行分离的校正时忽略该耦合中所包含的信息。根据本发明这样利用耦合信息，即第一校正级分离地分析两个分量，在后续级中进行相反的考虑。
只有所传输的信号序列的有限数量的路径度量或状态跃迁可供第一校正级使用。限制的基础是，在这个第一校正级中为了分析只考虑两个(或多个)可能维度中的一个。从这种缩减中得出通过对较大数量的原来的多维模型化状态跃迁取平均值产生的度量。
在第二个校正步骤中，可以从较大数量的状态或状态跃迁中选择可用于已经确定的互补信号的度量，并可以为校正使用更多或更准确的信息。互补信号(同相或正交)的预判定，为待分析信号的状态概率给出标准并用作为选择判据。
在后续的校正级中，就可以逐步地最大可能地利用耦合信息。
性能-收益一般随级数的增加而逐步下降。性能收益的标准(Maβ)是将两个连续的级(迭代)的校正序列进行比较。改变越少，性能收益就越小。如果从某个确定级起不再出现改变，则实现了最大的校正。该校正可以在该级中或该级之后中断。
本发明与通过度量发生器MG来确定度量的方法无关。这种方法可以独立于校正进行，例如可以刚性地或以硬件为基础工作。
通过本发明对交错连接的单个部件进行平行排列，可以达到较小的复杂性，这种复杂性使得可以对多级调制方法进行简单校正。
如果用校正器中的状态测量该复杂性，则为了使校正器具有最佳复杂性，在校正器的记忆长度为L并且多级调制方法的离散值或离散级的数量是M时，得到ML个状态。由此对于本发明的链接，该链接具有i个依次连接的、排列成两个平行链的校正器级或迭代，得出(2.i.2L)个状态的复杂性。
通过使用尤其像MLSE那样的校正器和它们交叉方式的耦合，与单个部件(MLSE)相比可以在高处理速率或数据速率时达到更高的效能。
复杂性降低通过交叉方式耦合迭代的排列来实现。在此，所有的组成部分都可以基于硬件来实现，因此可以实现很高的数据速率。
此外，为了纠错可以在每个校正器后面连接前向纠错单元，简称FEC单元。这样，FEC单元可以设置在各单个校正器之间。
另外，每个校正器可以使用度量发生器MG的同一个尺度，从而通过这种协同作用得到经济的排列或方法。
此外，第一级的校正器例如可以是MLSE，阈值判定器或者其它的检测单元。在第一级中，只需要一定程度上“正确”的估计，即BER＜10％。如果使用MLSE，可以在形成基于概率密度WDF的度量时利用协同作用效应。这些概率密度WDF可以通过对后续级的度量简单取平均值(Mittelung)形成。对于第二级(第一次迭代)，必须将包含所有可能的状态和这些状态的WDF的“完整的”度量与这些度量的子集区分开来。借助于预判定，从完整的度量中选出“有利的”子集。例如：具有用于QPSK调制的3个符号的状态模型(Zustandsmodellierung)：Z＝{Iv，Qv，I，Q，In，Qn}，I，Q是二进制的；4^3个状态。根据前面迭代的I-路径，Iv，I，In是已知的。对于Q-路径的当前迭代，只选出包含这个模式的状态，也就是说留下的2^3个有利状态只包括涉及到Qv，Q，Qn的置换。

Claims (21)

1.一种用于正交调制的信号的接收器，该正交调制的信号可分成同相信号(I)和正交信号(Q)，其特征在于，同相信号(I)输入给第一和第三校正器(EZ1，EZ3)并且正交信号(Q)输入给第二和第四校正器(EZ2，EZ4)，其中第一和第二校正器(EZ1，EZ2)分别对各自的信号进行第一次校正，第一校正器(EZ1)的输出端与第四校正器(EZ4)的第二输入端连接，该第四校正器(EZ4)通过依赖于输入的经过第一校正器(EZ1)校正的同相信号(I1)对正交信号(Q)进行第二次校正来输出校正的正交信号(Q2)，第二校正器(EZ2)的输出端与第三校正器(EZ3)的第二输入端连接，该第三校正器(EZ3)通过依赖于输入的经过第二校正器(EZ2)校正的正交信号(Q1)对同相信号(I)进行第二次校正来输出校正的同相信号(I2)。
2.根据权利要求1所述的接收器，其特征在于，同相信号(I)输入给第五校正器(EZ5)，正交信号(Q)输入给第六校正器(EZ6)，第三校正器(EZ3)的输出端与第六校正器(EZ6)的第二输入端连接，并且第四校正器(EZ4)的输出端与第五校正器(EZ5)的第二输入端连接，从而第五和第六校正器(EZ5，EZ6)分别依赖于另一个信号第二次校正的结果进行第三次校正，并且在第五和第六校正器(EZ5，EZ6)的输出端上输出校正的同相信号(I)或正交信号(Q)。
3.根据权利要求2所述的接收器，其特征在于，以相似于第一至第六校正器的方式设置其它的校正器，同相信号(I)或正交信号(Q)以及前面一级的另一个经过校正的信号分别输入给这些校正器，从而能继续进行至少一次校正。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的接收器，其特征在于，同相信号(I)和正交信号(Q)的信号路径分别具有模数转换器(ADC1，ADC2)。
5.根据权利要求4所述的接收器，其特征在于，校正器是作为数字滤波器设置的。
6.根据权利要求4所述的接收器，其特征在于，校正器是作为最大似然序列估计校正器设置的。
7.根据权利要求4所述的接收器，其特征在于，至少一个校正器是作为滤波器和最大似然序列估计校正器或阈值开关或检测装置的串联电路设置的。
8.根据权利要求7所述的接收器，其特征在于，滤波器是作为FIR，IIR或模拟滤波器设置的。
9.根据权利要求6，7或8的接收器，其特征在于，所述最大似然序列估计校正器具有比较表和实施Viterbi算法的比较装置。
10.根据权利要求9所述的接收器，其特征在于，第一和第二校正器的比较表是用具有第一度量的第一数据进行初始化的，其它校正器是用具有第二度量的第二数据进行初始化的。
11.根据权利要求10所述的接收器，其特征在于，分别具有第一和第二度量的第一和第二数据来自于未经过校正的同相信号(I)或正交信号(Q)与经过校正的同相信号或正交信号的比较。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的接收器，其特征在于，在至少一个校正器后面串接前向纠错单元。
13.一种用于校正正交调制的信号的方法，该信号分为同相信号(I)和正交信号(Q)，其特征在于，通过对同相信号(I)进行校正，产生校正的第一同相信号(I1)，通过对正交信号(Q)进行校正，产生校正的第一正交信号(Q1)，通过依赖于经过校正的第一同向信号(I1)对正交信号(Q)进行进一步校正而产生并输出校正的第二正交信号(Q2)，通过依赖于经过校正的第一正交信号(Q1)对同相信号(I)进行进一步校正而产生并输出校正的第二同相信号(I2)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将同相信号(I)输入给第五校正器(EZ5)，将正交信号(Q)输入给第六校正器(EZ6)，将校正的第二同相信号(I2)输入给第六校正器(EZ6)，所述第六校正器(EZ6)依赖于经过校正的第二同相信号(I2)对正交信号(Q)进行校正并输出校正的第三正交信号(Q3)，将校正的第二正交信号(Q2)输入给第五校正器(EZ5)，所述第五校正器(EZ5)依赖于经过校正的第二正交信号(Q2)对同相信号(I)进行校正并输出校正的第三同相信号(I3)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，以相似于第一至第六校正器的方式在后面连接其它的校正器，将同相信号(I)或正交信号(Q)以及前面一级的另一个校正信号分别输入给所述其它的校正器，从而继续进行至少一次校正。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，校正之前将同相信号(I)和正交信号(Q)进行模数转换。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，校正器作为数字滤波器实施。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，校正器作为最大似然序列估计校正器设置。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，在最大似然序列估计校正器中设置比较表和实施Viterbi算法的比较装置。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，用具有第一度量的第一数据初始化第一和第二校正器的比较表，用具有第二度量的第二数据初始化其它的校正器。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，分别具有第一和第二尺度的第一和第二数据通过将未经过校正的同相信号(I)或正交信号(Q)与经过校正的同相信号或正交信号进行比较而被确定。
CN2007800268278A 2006-07-14 2007-07-05 用于解调正交调制信号的接收器结构和方法 Active CN101491044B (zh)

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