数字信号处理（DSP光纤通信系统在应用）

      我的人生哲学是工作，我要揭示大自然的奥秘，并以此为人类造福。

                                                                                      ——爱迪生（T.A.Edison）

       如9.5节所述，相干光通信系统具有许多优点，特别是偏振复用相干检测系统有着更高的频谱效率和传输速率。但该系统也面临着许多新的挑战，如光纤非线性和色散效应、激光器频率偏移及相位噪声等。有些效应（如色散）可以通过相关的光器件在光域进行补偿；而有的效应（如偏振模色散（PMD）、光纤非线性和光频漂移），很难通过光器件在光域补偿。此外，当本振激光与接收到的光信号拍频提取调制相位信息时，还会产生载波相位噪声。相位噪声来源于激光器，它将引起功率代价，降低接收机灵敏度，增加比特误码率。

       在开发高速光传输系统中，相干检测和数字信号处理（DSP）是已用的两种关键技术。对于400Gbit/s系统，不但接收机采用DSP，甚至奈奎斯特脉冲整形发送机也采用DSP。

       相干检测系统采用DSP，用于解调、线路增益均衡和前向纠错。在如图10.3.1所示的相干检测DSP系统中，载波相位跟踪、偏振校准和色散补偿均在数字领域完成。DSP对线性传输损伤，如色度色散、偏振模色散可以提供稳定可靠的性能，也使系统安装、监视和维修更加容易，所以在高速光纤通信中得到广泛的使用。

       在受光纤色度色散、偏振模色散和非线性效应影响的单信道和DWDM系统中，发送端/接收端的DSP技术可以显著提高QPSK和QAM调制系统的性能。

图10.3.1相干检测DSP构成及其作用

a）相干检测DSP构成原理图b）光纤传输后展宽光脉冲经接收机DSP色散补偿重新变窄

       电子色散补偿（EDC）是一种光纤色散补偿技术，其目的是扩展光纤线路无补偿传输的距离。EDC技术由于其小型化、低功耗和低成本的优点而逐渐受到更多的关注。EDC是基于电子滤波（均衡）的数字信号处理（DSP）技术进行光纤色散补偿的，它通过对接收光信号在电域进行抽样、软件优化和信号复原，有效地调整接收信号的波形，恢复由于色度色散、偏振模色散和非线性引起的光信号展宽和失真，从而达到色散补偿的效果。

       EDC有两种形式：基于发送端的EDC和基于接收端的EDC。目前，高速大容量光纤通信系统既在接收端采用EDC，也在发送端采用EDC。EDC结构有多种形式，比较典型的有前馈均衡器、判决反馈均衡器、固定延迟树查询和最大似然序列估计法这4种。其中最大似然序列估计法色散补偿效果最好，但这种方法需要高速模数转换和数模转换，功耗大，在10Gbit/s系统中一般不采用。

       接收机可以使用电子技术对群速度色散进行补偿。其原理是：尽管GVD使输入光信号展宽，如果认为光纤是一个线性系统，就可以用电子方法来均衡色散的影响。对于相干检测接收系统，这种色散补偿方法是很容易实现的，因为相干接收机首先把光频转换为保留了信息幅度和相位的微波中频ωIF信号。微波带通滤波器的冲激响应为

式中，L是光纤长度，它对应式（10.2.2）中的z，几十厘米长的微带线就可以对色散补偿。

       但是在直接检测接收机中，就不能用线性电子电路补偿GVD，因为光探测器只对光的强度响应，所有的相位信息在这里都丢失了。因此必须用非线性均衡方法，例如让通常固定在眼图中间位置的判决门限跟随前一个比特的幅度变化，但是这种方法需要复杂的高速逻辑控制电路，成本较高，同时此方法也只能用于低比特率补偿几个色散距离的系统。

       高速光纤通信系统一般综合采用前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）进行补偿，如图10.3.2所示。图中，FFE由一个有限冲激响应滤波器（FIR）构成，输入信号通过一个分级延时电路，将每一级的输出加权累加得到滤波器的输出。延时电路的级数取决于传输信道造成的脉冲展宽。FIR是线性滤波器，它可以设计成具有与光通道相反的传输特性，从而抵消色散的线性成分。DFE的主要作用是补偿失真信号的非线性成分，它和判决器一起构成反馈回路，用均方误差准则优化均衡器系数，基于前面探测到的信号，动态调节判决阈值电平，消除码间干扰。

图10.3.2综合使用FIR和判决反馈均衡器（DFE）进行电子色散补偿

       在适配状态下，蝶形有限冲激响应（FIR）滤波器的特性可以产生光纤传输函数的逆矩阵，正好可以抵消光纤传输引起的群速度色散、偏振模色散、偏振相关损耗和双折射效应的影响。

       所以，电子色散补偿技术已在数字信号处理器中得到广泛的应用。

       图10.3.3表示DSP在DQPSK调制和异步相干检测接收机中的应用，在这种接收机中，通常使用相位&偏振分集接收，提取同向分量I信号和正交分量Q信号。这样的接收机前端由90°光混频耦合器组成，其时钟提取、重取样、色散补偿和时钟恢复采用DSP来完成，有的DSP功能也包含滤波和模数转换。通常用极大似然算法进行相位估计。

       用于偏振复用相干检测的数字信号处理（DSP）电路如图10.3.4所示，它由抗混叠滤波器、4通道模数转换器（ADC）、频域均衡器、适配均衡器、载波相位评估补偿和解码器等组成。

       对ADC取样速率的要求通常是2倍比特率R，以避免混淆的影响。目前100Gbit/s偏振复用QPSK调制（PM-QPSK）系统，波特率是25Gbaud，取样率是50GSa/s。

图10.3.3  DQPSK调制相干检测平衡光接收机用DSP完成时钟恢复和色散补偿

图10.3.4数字信号处理电路构成

       频域均衡实现过程是对模数转换后的输入数据进行傅里叶变换和逆变换，对系统因传输损伤展宽的输入脉冲信号恢复原来的形状。

       开发出的100Gbit/s PM-QPSK光纤通信系统收发模块和相干检测专用集成电路（ASIC）接收机通道（含数字信号处理器）分别如图10.3.5a和图10.3.5b所示，该收发模块与光互联网论坛（OIF）发布的指标一致。相干检测接收通道ASIC的主要功能包括模数转换、CD补偿、适配均衡、载波相位恢复和FEC解码。这种DSP和ASIC设计用于长距离应用，该系统的典型要求是，在FEC后的BER为10-15时（要求FEC净编码增益约11dB），光信噪比（OSNR）约12dB，CD容限60000ps/nm和PMD容限30ps。

        模数转换器取样率约1.3倍符号率或更高，模拟带宽要超过1/2符号率的奈奎斯特频率。

图10.3.5100Gbit/sPM-QPSK系统收发模块及相干ASIC
a）100Gbit/s用户光线路卡b）ASIC接收机通道

       适配均衡完成偏振解复用，同时对偏振模色散、极化相关损耗和残留色度色散进行补偿。它有2个输入和2个输出，分别用于每个偏振。适配均衡器使用有限冲激响应滤波器（FIR）和恒定模量算法进行均衡补偿，同时对使用器件和工厂制造偏差进行补偿。FIR是一个线性滤波器，具有与光通道相反的传输特性，从而抵消色散的线性成分。

       图10.3.6表示9抽头有限冲激响应滤波器，它由8个移位寄存器、9个倍乘器和1个加法器组成。移位寄存器在9个不同的连续时刻接入取样信号，通常取样频率是2倍波特率。从左到右的每个取样信号值依次与hxx1、hxx2、…、hxx9相乘。假如对均衡没有要求，除中心hxx5系数为1外，其他所有倍乘系数均为0。然后，9路信号经倍乘后的取样信号值相加输出。倍乘系数值被恒定模量算法更新。FIR可以用DSP来实现。

图10.3.6  有限冲激响应滤波器（FIR）

        色散补偿可以在时域进行，也可以在频域进行。为了更有效补偿，当补偿范围超过约1000ps/nm时，就在频域补偿。使用一个快速傅里叶变换（FFT），将时域样值转换成频域样值，如图10.3.7所示，FFT值与滤波器冲激响应频率值WN相乘，其乘积用一个傅里叶逆变换（IFFT）转换回时域。频域均衡值与其对应的时域均衡值在数学上是等效的（见9.2.4节），但是其均衡的复杂性要低得多。这种转换也可以用DSP来实现。

图10.3.7从时域转换到频域（FFT/IFFT）对色散进行补偿