CN1747328A - 具有可调节门限的模/数转换 - Google Patents

Abstract

一种用于接收失真信号特别是由光/电转换器转换后的光信号的设备，包括具有可调节门限的模/数转换器(1)和维特比均衡器(10)。该设备还包括：直方图估计器(13)，用于确定失真信号的概率密度函数；以及门限估计器，用于在归因于该概率密度函数的第一符号(σ₁₀，X₁₀)的第一信号幅度和归因于该概率密度函数的第二符号(σ₁₁，X₁₁)的第二信号幅度的重叠区域中动态调节模/数转换器(1)的至少一个门限。

Description

具有可调节门限的模/数转换

相关申请的交叉引用

本发明基于在先的欧洲专利申请EP 04292152.8，在此引用该申请以供参考。

技术领域

本发明涉及一种用于接收失真信号特别是由光/电转换器转换的光信号的设备，包括具有可调节门限的模/数转换器和维特比均衡器。

背景技术

通过光纤链路的数字光信号会经受失真和噪声，这有可能在接收机端产生误码。因此，在较高的发送速率或较长的跨距长度下，可以在接收机端执行纠错以减少失真信号的差错率。一种公知的纠错方法最大似然序列估计(MLSE)采用维特比均衡器来减少由符号间干扰(ISI)引起的差错。在光电二极管中进行信号检测之后，维特比均衡器需要所接收光信号的模/数转换。

大多数模/数转换器(ADC)都遵循线性标度，即对于给定的比特分辨率，将标度细分为每比特等距步长。然而，光噪声取决于信号，并且因此所述模/数转换器(ADC)的最优特性不一定是线性的。

10-40Gb/s数据信号的高速ADC受到技术的限制。因此只能采用3比特或4比特的分辨率。另一方面，特别是以较低的噪声和失真，即在较低的误码率下，较少数目的门限有可能引起显著升高的误码率。这会得到仅粗略估计的信道参数，因此不是最优的操作。

美国专利6,417,965公开了一种光放大器控制***，其使用了具有对数标度的非线性模/数转换器，但是该专利没有给出这种ADC的实施方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种上述类型的设备，其中对于给定数目的门限，将误码率最小化。

这一目的通过一种设备来达到，该设备包括：直方图估计器，用于确定失真信号的概率密度函数；以及门限估计器，用于在归因于该概率密度函数的第一符号的第一信号幅度和归因于该概率密度函数的第二符号的第二信号幅度的重叠区域中动态调节模/数转换器的至少一个门限。

符号由多个信道参数来定义。在这些信道参数中，期望值和其标准偏差是最相关的。

ADC门限电平的上述调整将这些电平设置为失真电信号的电压分布中的相关点，以便可以进行最优化的模/数转换以进行进一步的信号处理。本发明特别适合于低分辨率的ADC(3-4比特)，并且可以应用于具有必须减轻的显著信号失真的***中的接收机和接近噪声极限而运行的***中的接收机。

在一个优选实施例中，将门限设置在归因于第一符号的第一信号幅度和归因于第二符号的第二信号幅度的交点处。重叠符号的交点是概率密度函数的相关点。

在又一优选实施例中，将门限设置为使得第一量化级中的符号计数的比率等于第二相邻量化级中的符号计数的比率的倒数，其中第一量化级中的符号计数的比率由归因于第一符号的多个比特计数和归因于第二符号的多个比特计数的商来定义。通过使用上述关系来固定门限，提供替代性方法来确定分布的相关点。

在一个优选实施例中，根据前向纠错的误码率来选择设置门限的重叠区域。以这种方式，可以比较容易地确定概率密度函数中最适合于放置门限电平的那些点。

在又一优选实施例中，在第一重叠区域中设置下门限，在第二重叠区域中设置上门限，将第一辅助门限设置为低于下门限，将第二辅助门限设置为高于上门限，并将其余门限设置在下门限和上门限之间。上门限和下门限限定了设置模/数转换器的量化级的范围。这一范围可以比模/数转换器的整个动态范围和数据信号的整个动态范围小得多。

在一个优选实施例中，直方图估计器包括比较器，其用于通过将失真信号与变化的门限信号进行比较来确定失真信号的累积电压分布。以这种方式，可以比较容易地获得累积电压分布。通过在求平均之后求累积电压分布的导数，可以确定概率密度函数。

在又一优选实施例中，门限信号是在计数器中产生并由数/模转换器转换为模拟信号的精细量化的锯齿电压。该精细量化的锯齿电压覆盖了ADC的整个动态范围。

在另一优选实施例中，直方图估计器包括求平均装置，其用于对失真信号的累积密度函数求平均。这种求平均可以通过采用低通滤波器来实现。

在又一优选实施例中，直方图估计器包括电压直方图确定装置，其用于将概率密度函数确定为平均累积密度函数的导数。概率密度函数也称作电压直方图，其在模/数转换器的动态范围上产生电压值的概率密度。对这种分布的了解可以确定失真信号的相关区域。

在另一优选实施例中，提供一种用于估计维特比均衡器的信道参数的参数估计装置。该参数估计装置采用概率密度函数来确定维特比均衡器的信道参数。精确估计信道参数对于保证维特比均衡器的低误码率是至关重要的。

从说明书和附图中可以提炼出另外的优点。根据本发明，可以个别地或以任意组合共同地使用上述特征和下述特征。所提到的实施例不应理解为穷尽的枚举，而应理解为具有用于描述本发明的示例性特征。

附图说明

附图中示出了本发明，其中：

图1示出了根据本发明的设备的电路图；

图2示出了现有技术的模/数转换器的电路图；

图3示出了归因于三个符号的具有两个重叠区域和五个门限电平的三个信号幅度；

图4示出了取决于失真信号电压的比较器输出信号和精细量化的锯齿电压；

图5示出了求平均之后的失真信号电压的累积分布函数；以及

图6示出了构造直方图之后的失真信号的概率密度函数。

具体实施方式

图2示出了具有三个比特转换的现有技术的模/数转换器1。将待转换的模拟信号施加到信号输入端DI。采样保持(S&H)电路3对模拟值进行采样并将其保持时钟信号输入CL1的一个时钟周期(涉及时钟的问题在本电路图中未示出，但其对本领域的普通技术人员来说是明显的并且因此可以由他们较为容易地添加)。然后，在并联排列的比较器C1到C7中将该采样值与来自门限输入T1到T7的外部门限值进行比较。然后，将比较器C1到C7的输出信号用作连接到公共时钟输入CL2的D触发器D1到D7的输入。将D触发器D1到D7的输出信号用作一个线性二进制编码器(linear to binary encoder)2的输入信号，该线性二进制编码器2产生三比特数字输出信号。

图1将图2的现有技术的模/数转换器1示出为设备的一部分，该设备包括用于固定门限电平的一些附加组件，特别是门限估计器4和直方图估计器13。门限估计器4固定门限电平的数字值。在数/模转换器A1到A7中将这些数字值转换为模拟信号并将其用作比较器C1到C7的门限输入。

门限估计器4具有信号输入DI的失真信号的概率密度函数。如下所述，调整门限使得随后的维特比均衡器10的误码率最优化。维特比均衡器10从模/数转换器1接收第一数字比特信号11作为输入，并提供均衡后的数字的1比特信号12作为输出。

为确定门限设置最有利的概率密度函数区域，门限估计器4具有用于连接到前向纠错装置(FEC，未示出)的连接装置5。FEC的误码率可用于确定概率密度函数的相关电压值。

为了获得概率密度函数，在直方图估计器13的比较器C8中，将来自采样保持电路3的输入信号与变化的门限信号进行比较。变化的门限信号是精细量化的锯齿电压，其由计数器CO产生并在数/模转换器A8中转换成模拟信号。对于具有Γ＝0.3的噪声极化模式的失真输入数据信号，图4中示出了转换器C8的输出信号。

由于输入信号的统计值只是缓慢变化的，因此概率密度函数即累积分布函数可以通过对C8的输出信号求平均来获得。因此，在通过D触发器D8之后，在低通滤波器6中对信号求平均，然后将其传送给高分辨率的模/数转换器7。由于是在大量的数据比特上对信号求平均的，因此可以采用低速的ADC7。

图5示出了ADC7的输出信号，即以6比特分辨率确定失真输入信号的累积分布函数CDF。CDF的导数为概率密度函数PDF。这一函数通过在电压直方图确定装置8中对CDF求微分而获得，如图6所示，将电压直方图确定装置8的输出信号用作门限估计器4的输入信号。如下所述，门限估计器4中的进一步数字计算以较高的精确度得出ADC门限。采用平均失真信号的PDF，可以由参数估计装置9来确定维特比均衡器10的信道模型参数，并将其提供为维特比均衡器10的输入。

在图6所示的示例中，可以对应于四个符号来确定PDF的四个峰值。对于每一个峰值，可以获得对称高斯分布的期望值X和标准偏差σ。当然，诸如指数函数之类的其他近似分布可以用作对特定符号起作用的概率密度函数特征部分。尽管光前置放大信号具有会引起比噪声“0”更大的噪声“1”的信号依赖噪声特性，但为简化起见，下面只考虑对称分布。因此，对不对称噪声的进一步调整是有利的，但其对本领域的普通技术人员来说是比较直接的问题。

图3示出了数据输入DI的失真信号的概率密度函数，数据输入DI具有对应于比特组合{0，0}，{0，1}，{1，0}和{1，1}的三个符号。对这些比特组合中的两个比特组合即{0，1}和{1，0}进行组合以构造第一符号。

由与X₁₀相同的第一期望值X₀₁和与σ₀₁相同的标准偏差σ₁₀定义第一符号。由分别由X₁₁和X₀₀的期望值与标准偏差σ₁₁和σ₀₀定义第二符号和第三符号。第一符号和第二符号在第二区域R2中重叠。第一符号和第三符号在第一区域R1中重叠。

在门限估计器4中，在第二区域R2中第一符号与第二符号的交点处设置上门限U_th3。在第一符号与第三符号的交点处设置下门限U_th1。将第一辅助门限U_th0设置为低于下门限U_th1，并将第二辅助门限U_th4设置为高于上门限U_th3。将模/数转换器1的其余门限设置在下门限U_th1和上门限U_th3之间，其原因在于这一区域被确定为模/数转换器1的动态范围的最相关部分。因此，将大量门限电平置于上门限U_th3和下门限U_th1之间，其中只示例性地示出了一个门限U_th2。

可以将下门限U_th1和上门限U_th3之间的门限设置为等距的级。对于具有多于三个符号的更复杂的功率密度函数，可以用上述方式固定上门限U_th3和下门限U_th1之间的一些门限电平。

通过使用符号的交点，可以确定门限电平。然而，还可以用下面描述的过程来确定门限电平，以上门限电平U_th3为例来解释该过程。在不能很精确地得知交点的情况下，例如当不能以较高的精确度得知信道参数时，这种方法是有利的。

该方法的起点是定义第一量化级i和第二相邻量化级i+1，必须在二者之间固定门限电平U_th3。在第一级i中，确定归因于由信道参数σ₀₁、X₀₁定义的第一符号的多个比特计数a_01，i，其在图3中表示为门限U_th2和门限U_th3之间的级i中的阴影线区域，并确定归因于由信道参数σ₁₁、X₁₁定义的第二符号的多个比特数a_11，i，其在图3中表示为级i中的交叉阴影线区域。

同样，确定归因于级i+1中的第一符号的多个比特a_01，i+1和归因于级i+1中的第二符号的多个比特a_11，i+1。确定满足以下公式的上门限U_th3：

a_01，i/a_11，i＝a_11，i+1/a_01，i+1

以上方程还可以改写成以下形式：

a_01，i·a_01，i+1＝a_11，i+1·a_11，i

以上的公式改写说明，在第一级i和第二级i+1之间设置门限电平使得归因于第一级i中的特定符号的比特计数和归因于第二级i+1中的特定符号的比特计数的乘积相等。应当理解，图3所示的上门限U_th3只具有示例性特征，并且不满足以上关系。

总之，本发明可以获得模/数转换器的适合门限以及具有高分辨率的维特比均衡器的信道参数。可以估计具有高分辨率的输入数据信号的电压直方图。调节ADC门限电平提高了重要幅度区域的分辨率，而非重要区域则具有降低的分辨率。因此，本发明提高了具有低分辨率ADC的接收机的性能。

Claims (10)

1.一种用于接收失真信号特别是由光/电转换器转换后的光信号的设备，包括具有可调节门限的模/数转换器和维特比均衡器，其中所述设备包括：

直方图估计器，用于确定失真信号的概率密度函数；以及

门限估计器，用于在归因于所述概率密度函数的第一符号的第一信号幅度和归因于所述概率密度函数的第二符号的第二信号幅度的重叠区域中动态调节所述模/数转换器的至少一个门限。

2.根据权利要求1所述的设备，其中将所述门限设置在归因于所述第一符号的所述第一信号幅度和归因于所述第二符号的所述第二信号幅度的交点处。

3.根据权利要求1所述的设备，其中将所述门限设置为使得第一量化级中的符号计数的比率等于第二相邻量化级中的符号计数的比率的倒数，其中所述第一量化级中的符号计数的比率由归因于所述第一符号的多个比特计数和归因于所述第二符号的多个比特计数的商来定义。

4.根据权利要求1所述的设备，其中根据前向纠错的误码率来选择设置所述门限的重叠区域。

5.根据权利要求1所述的设备，其中在第一重叠区域中设置下门限，在第二重叠区域中设置上门限，将第一辅助门限设置为低于所述下门限，将第二辅助门限设置为高于所述上门限，并将其余门限设置在所述下门限和所述上门限之间。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述直方图估计器包括比较器，其用于通过将所述失真信号与变化的门限信号进行比较来确定所述失真信号的累积电压分布。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述变化的门限信号是在计数器中产生并由数/模转换器转换为模拟信号的精细量化的锯齿电压。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述直方图估计器包括求平均装置，其用于对所述失真信号的累积密度函数求平均。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述直方图估计器包括电压直方图确定装置，其用于将所述概率密度函数确定为所述平均累积密度函数的导数。

10.根据权利要求1所述的设备，其中参数估计装置用于估计所述维特比均衡器的信道参数。

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