[发明专利]对电磁信号执行色散补偿的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字集成电路和信号处理，更具体地说，涉及执行电子色散补偿(dispersion compensation)，采用交错式架构，以及利用信道识别信息来执行定时恢复。

背景技术

无线电通信系统包括有发射机，用于将待发射信息编码为电磁波；传输媒介，为电磁波的传输提供渠道；以及接收机，用于接收和处理承载信息的电磁波。无线电通信系统可利用波导(waveguide)作为传输媒介。波导是一种导引或约束电磁辐射的传播的结构。波导可包括固体电介质形式的材料边界(material boundary)系统。在无线电通信系统中，光纤通常用作波导。

由于多种原因，人们希望增加无线电通信系统的带宽或传输速率。首先，需要更大的带宽来支持现在的无线电通信设备，例如，在数据中心使用的那些设备，或者用于现场视频和音频的设备，以及其它超带宽设备。其次，出于效率和成本的原因，需要增加无线电通信系统的带宽。因此，解决波导的物理条件限制对传输高带宽电磁信号来说是非常重要的。

色散是限制通过通信信道成功发射和恢复承载信息的电磁波的能力的重要物理现象。传输媒介中任何波谱分量的相位速度都会取决于物理媒介的折射系数。通常，传输媒介的折射系数取决于频率。当光纤之类的波导中的波速取决于其频率时，就会发生波导色散。被波导限制的波的横模(transverse mode)通常有取决于频率的不同速度。类似的现象有因在给定频率具有多个模式的波导所引起的模式色散(modal dispersion)，该波导的每个模式以不同的速度传播。

波导色散导致无线电通信系统中的信号衰减，因为改变信号的不同分量之间到达时间中的延迟显著降低了通过波导发射的脉冲的脉冲特征。这种现象通常被称为符号间干扰(ISI)。表示为脉冲的相邻符号明显地彼此“渗入”，在一个符号的特定取样时刻可能存在能量，该符号实际包括有与相邻符号相关的能量。

因此，必须校正误差源，例如接收到的通过通信信道发射的信号中引入的色散和相关的ISI。通常，接收机会配备信号处理系统，来校正通信信道引入的色散影响。这些信号处理系统经常分析通信信道的统计特性，以消除ISI。信号处理系统通常利用一个或者多个均衡器来执行这些校正。一种常用的均衡器是前馈均衡器(FFE)，用于校正前达(pre-cursor)ISI(其中当前符号受到下一个符号的影响)。FFE通常与判决反馈均衡器(DFE)组合，判决反馈均衡器用于校正后达(post-cursor)ISI(其中当前符号受到前一个符号的影响)。

在构造信号处理系统以校正色散和ISI的过程中可能会出现多种技术挑战，在使用高波特率或符号率的通信系统中，这些挑战变得尤为艰巨。首先，需要在数字域中执行信号处理操作，因为它通常比同等的模拟系统更容易实现更高的SNR。其次，数字系统具有在信号布局和设计方面复杂度更低的优点，并提供了可很容易修改所使用的信号处理程序的机会。

数字信号处理系统必须将所接收的模拟信号转换为数字信号。一般而言，使一系列ADC以超过1.5-2GHz的波特率工作是很困难和昂贵的。这是有问题的，因为经常需要构造在至少10GHz左右工作的通信系统。对于设计和构造在高数据率工作的均衡器来说，也存在类似的问题。

第二个技术问题与通信信道的时变特性有关，这对接收机的定时恢复操作的性能产生影响。发射机通常包括有时钟，用于将数据信号编码为载波信号，以通过信道传输。发射机时钟将会确定通过通信信道传输符号的速率。

接收机通常也需要时钟，它的相位最好是与发射机时钟锁定，以准确地恢复发射机通过通信信道发射的符号。但是，发射机和接收机时钟通常会相对于彼此漂移，这导致两者之间频率偏移。相位是频率的一部分，因此发射机和接收机时钟之间的相位会发生偏移。因此，通信系统中的接收机通常包括有定时恢复电路，用于使发射机时钟与接收机时钟同步。

数字通信系统可使用被称为波特率或符号率采样的方法，其中以波特率对所接收的信号采样。由于不必在通信系统中恢复全部模拟信号，因此不必在尼奎斯特率(Nyquist rate)采样。但是，波特率采样显著约束了在接收机中执行定时恢复操作从而使接收机对有效稳定信号采样的准确性。