相干光通信實(shí)時(shí)信號(hào)處理

實(shí)時(shí)單載波相干光通信和實(shí)時(shí)相干光正交頻分復(fù)用（OFDM）通信在處理方法和處理順序上有所不同。實(shí)時(shí)相干光OFDM通信，接收端的信號(hào)處理首先在時(shí)域上進(jìn)行，在時(shí)間同步之后便進(jìn)行頻偏估計(jì)，隨后通過FFT變換之后轉(zhuǎn)換到頻域上再進(jìn)行信道估計(jì)、相位噪聲估計(jì)以及最終的信號(hào)檢測(cè)；實(shí)時(shí)單載波相干光接收端的信號(hào)處理過程在時(shí)域上進(jìn)行，首先進(jìn)行的是信道估計(jì)，隨后進(jìn)行頻偏估計(jì)。

相干光通信系統(tǒng)；實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)；單載波技術(shù)；頻域正交復(fù)用技術(shù)

The processing method and digital signal processing （DSP） order are different for coherent OFDM modulated systems and coherent-signal carrier systems. In the former， the received signal is first processed in time domain， time is synchronized， and frequency offset compensation is done. Fast Fourier Transform （FFT） changing is then done， and channel estimation， phase noise compensation， and final signal detection are done in the frequency domain. In contrast， DSP for a signal-carrier modulated system is commonly realized in the time domain， and frequency offset compensation follows channel estimation.

coherent optical transmission system； real-time digital signal processing； single carrier； orthogonal frequency division multiplexing

相干光通信系統(tǒng)具有支持高階數(shù)字調(diào)制解調(diào)，支持偏振復(fù)用等特點(diǎn)，并在接收端引入了數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的均衡技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高譜效率與長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)，因此被公認(rèn)為是100G及以上級(jí)高速光通信系統(tǒng)的解決方案，并已成功應(yīng)用于100G的商業(yè)系統(tǒng)中。目前相干光通信的理論和實(shí)驗(yàn)始于20世紀(jì)80年代，隨著多年的算法研究與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA技術(shù)）的發(fā)展，相干光通信進(jìn)入實(shí)時(shí)系統(tǒng)的研究階段，利用高速率模數(shù)變換器（ADC）配合FPGA搭建實(shí)時(shí)光相干系統(tǒng)電域處理部分是一種對(duì)其最有效率的研究方式。2006年，T. Pfau首次實(shí)現(xiàn)了單載波正交相移鍵控（QPSK）實(shí)時(shí)光通信的傳輸，前向糾錯(cuò)編碼性能在63 km傳輸后達(dá)到800 Mb/s[1]；同年，A. Leven實(shí)現(xiàn)了單載波QPSK 4.4 Gb/s實(shí)時(shí)光通信的傳輸實(shí)驗(yàn)[2]。2007年，T. Pfau采用偏振復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)單載波QPSK 2.8 Gb/s實(shí)時(shí)光通信傳輸[3]；A. Leven等人于同年通過使用常數(shù)模算法（CMA）以及偏振復(fù)用等方式首次實(shí)現(xiàn)10 Gb/s級(jí)的單載波實(shí)時(shí)光通信實(shí)驗(yàn)[4]。2008年，Sun等人首次實(shí)現(xiàn)了40 Gb/s單載波QPSK的實(shí)時(shí)光傳輸實(shí)驗(yàn)[5]。相對(duì)單載波系統(tǒng)，實(shí)時(shí)正交頻分復(fù)用（OFDM）系統(tǒng)的研究相對(duì)落后，S. Chen于2009年實(shí)現(xiàn)首個(gè)OFDM系統(tǒng)實(shí)時(shí)光通信[6]，采用QPSK調(diào)制和16QAM調(diào)制的傳輸速率分別達(dá)到1.55 Gb/s和3.1 Gb/s；同時(shí)，Q. Yang等人實(shí)現(xiàn)了54 Gb/s多頻段OFDM相干光通信實(shí)驗(yàn)[7]。2009年，F(xiàn). Buchali提出了12.1 Gb/s實(shí)時(shí)相干光OFDM發(fā)送裝置[8]，并成功應(yīng)用于109 Gb/s 400 km的傳輸實(shí)驗(yàn)中。2011年，X. Xiao等人實(shí)現(xiàn)了10.5 Gb/s相干光OFDM實(shí)時(shí)發(fā)送及接收裝置[9]，N. Kaneda等人實(shí)現(xiàn)了28.6 Gb/s偏振復(fù)用相干光OFDM傳輸?shù)膶?shí)時(shí)接收器[10]；T. Pfau等人實(shí)現(xiàn)了40 Gb/s偏振復(fù)用16QAM內(nèi)差相干接收機(jī)[11]。圖1給出了研究領(lǐng)域相干光實(shí)時(shí)通信單通道上傳輸速率的逐年發(fā)展情況。

1 實(shí)時(shí)信號(hào)處理面臨的挑戰(zhàn)

雙偏振相干光接收系統(tǒng)如圖2所示。典型的雙偏振相干光接收電域處理芯片由4塊高速ADC及一塊數(shù)字信號(hào)處理單元（DSPU）構(gòu)成。對(duì)于超100G的高速光通信系統(tǒng)，ADC的采樣率通常需要達(dá)到64 Gs/s以上，而當(dāng)前數(shù)字芯片的處理速度僅僅在數(shù)百兆赫茲。因此，DSPU無法以與ADC同樣的時(shí)鐘來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，為了完成如此高數(shù)據(jù)流量的數(shù)字信號(hào)處理工作，ADC之后必須將串行的高速采樣數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為N個(gè)并行通道以便DSPU進(jìn)行后續(xù)處理工作。例如對(duì)100G信號(hào)處理模塊來說，ADC的采樣速度在64 GHz，而數(shù)字芯片處理的速度僅為250 MHz，換言之，DSPU需要同時(shí)處理256×4路并行的數(shù)字信號(hào)。如此多的并行通道會(huì)給DSPU的設(shè)計(jì)帶來兩個(gè)問題：

（1）算法的并行化設(shè)計(jì)

在DSPU算法設(shè)計(jì)中，必須考慮算法是否能夠支持并行通道的處理模式，因?yàn)椴⒎撬械乃惴ǘ贾С植⑿谢幚?。最典型的就是?shù)字處理中經(jīng)常使用到的無限沖擊響應(yīng)（IIR）濾波器，由于IIR濾波器必須使用到前一個(gè)時(shí)鐘的輸出作為其一個(gè)輸入端口，而并行結(jié)構(gòu)打亂了IIR濾波器所需的串行結(jié)構(gòu)，因此在并行結(jié)構(gòu)中IIR濾波器結(jié)構(gòu)是無法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于帶反饋結(jié)構(gòu)的算法，如相干光單載波系統(tǒng)（CO-SC）中解偏振復(fù)用廣泛采用的基于CMA的自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)，在并行結(jié)構(gòu)中其示波器參數(shù)的更新速度會(huì)由于并行通道數(shù)量的增加而變慢，從而影響到對(duì)偏振狀態(tài)追蹤的速度[12]。因此，在高速相干光通信DSPU的設(shè)計(jì)中，算法并行化設(shè)計(jì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在這里，必須要指出的是：在CO-OFDM系統(tǒng)中，由于其采用的是頻域上基于訓(xùn)練序列的迫零均衡（ZF）算法，其本身就是并行性結(jié)構(gòu)算法且不含帶反饋的結(jié)構(gòu)，因此，在超高速CO-OFDM系統(tǒng)中，其算法的并行化設(shè)計(jì)要比相干單載波系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)[13]。

（2）并行系統(tǒng)的硬件資源使用效率優(yōu)化

在N路的并行系統(tǒng)中，同樣的數(shù)字處理模塊往往需要在N路并行系統(tǒng)中同時(shí)用到，其資源消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單路的串行系統(tǒng)。龐大的硬件資源消耗不僅帶來了芯片設(shè)計(jì)布線的難度，也使得其成本與能耗大大增大，因此在并行系統(tǒng)中必須在保證性能的條件下竟可能的優(yōu)化DSPU的硬件資源。比如在相移鍵控（PSK）以調(diào)整格式的系統(tǒng)中使用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法（CORDIC）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為角度替代復(fù)數(shù)，這樣雖然增加了一個(gè)數(shù)字處理模塊，然后之后的乘法運(yùn)算就可以轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的加減法運(yùn)算而減少資源消耗。

除了上述由并行通道帶來的問題外，實(shí)時(shí)DSPU設(shè)計(jì)還必須考慮到數(shù)字信號(hào)處理位寬對(duì)系統(tǒng)性能及系統(tǒng)功耗的影響。在相干光系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理中，均采用整形數(shù)制對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理[14]，而整形數(shù)制運(yùn)算的一個(gè)重要特點(diǎn)是所需位寬會(huì)隨著運(yùn)算過程隨之增加。例如對(duì)兩個(gè)5比特的整形數(shù)據(jù)進(jìn)行加減法運(yùn)算，為了避免溢出帶來的錯(cuò)誤，其結(jié)果必須用6比特來表示。相干光系統(tǒng)的數(shù)字處理部分是由許多復(fù)雜的運(yùn)算單元組成的，若不在運(yùn)算過程中進(jìn)行位寬限制，其位寬的迅速增長(zhǎng)會(huì)使得硬件資源的消耗迅速增加；同時(shí)，過度的限制位寬必然會(huì)帶來部分運(yùn)算結(jié)果的溢出而導(dǎo)致系統(tǒng)整體性能的下降。因此，實(shí)時(shí)DSPU必須同時(shí)考慮硬件資源消耗與系統(tǒng)性能從而計(jì)算出每一部運(yùn)算過程合適的位寬。

2 實(shí)時(shí)相干光通信的信號(hào)

處理

對(duì)于實(shí)時(shí)單載波相干光通信和實(shí)時(shí)相干光OFDM通信，在接收端的信號(hào)處理過程中都需要進(jìn)行采樣、信道估計(jì)、頻偏估計(jì)、相位噪聲估計(jì)等操作，但兩者在處理方法和處理順序上卻有所不同。相比于單載波的信號(hào)處理過程，相干光OFDM的信號(hào)處理有額外的處理步驟：時(shí)間同步、去掉循環(huán)前綴、快速傅里葉變換（FFT）等。對(duì)于實(shí)時(shí)相干光OFDM通信，接收端的信號(hào)處理首先在時(shí)域上進(jìn)行，在時(shí)間同步之后便進(jìn)行頻偏估計(jì)，隨后通過FFT變換之后轉(zhuǎn)換到頻域上再進(jìn)行信道估計(jì)、相位噪聲估計(jì)以及最終的信號(hào)檢測(cè)；而實(shí)時(shí)單載波相干光接收端的信號(hào)處理過程則全是在時(shí)域上進(jìn)行的，首先進(jìn)行的是信道估計(jì)，隨后才進(jìn)行頻偏估計(jì)?？梢?，兩者的信號(hào)處理過程及算法均有所區(qū)別，下面就兩者的信號(hào)處理過程分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 實(shí)時(shí)CO-OFDM信號(hào)處理

圖3所示為一個(gè)雙偏振相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)DSPU的結(jié)構(gòu)圖，其包括以下數(shù)字處理模塊：幀同步、頻差估計(jì)與糾正、FFT、信道估計(jì)、相位噪聲估計(jì)。

（1）幀同步模塊

由于CO-OFDM系統(tǒng)是以FFT符號(hào)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此CO-OFDM系統(tǒng)往往會(huì)引入幀結(jié)構(gòu)。幀同步有多種方法來實(shí)現(xiàn)，比較常見的有Schmidl算法，Minn算法以及Park算法。這3種算法各有其特點(diǎn)，然而究其根本都是使用到了相鄰相同符號(hào)間自相關(guān)運(yùn)算來確定OFDM幀的起始位置。自相關(guān)運(yùn)算在串行系統(tǒng)中可以簡(jiǎn)單的使用待反饋結(jié)構(gòu)的遞歸算法來實(shí)現(xiàn)，然而在并行系統(tǒng)中，該遞歸算法不再適用，而若采用直接算法來實(shí)現(xiàn)，隨著并行通道數(shù)量的增加，其硬件資源消耗將會(huì)非常的巨大。在文獻(xiàn)[9]中使用了一種特殊結(jié)構(gòu)的幀頭來簡(jiǎn)化并行結(jié)構(gòu)下幀同步復(fù)雜度；文獻(xiàn)[12]提出了一種適用于并行通道自相關(guān)運(yùn)算的遞歸算法以減少硬件資源消耗。

（2）頻差估計(jì)與糾正

在相干光通信中，發(fā)送端激光源與接收端激光源會(huì)存在頻差從而導(dǎo)致接收信號(hào)再頻域上出現(xiàn)偏移而影響OFDM子載波間的正交性。因此，在接收端DSPU必須對(duì)頻差進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償。一種廣泛使用的頻差估計(jì)方式使用了幀同步中的幀頭進(jìn)行估計(jì)，然而該方法僅能糾正1個(gè)OFDM子載波頻率大小范圍內(nèi)的頻差，相對(duì)于激光器的頻差遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在文獻(xiàn)[15]中介紹了一種適用于相干光OFDM通信能夠估計(jì)更大范圍頻差的方法。由于估計(jì)出的頻差必須由復(fù)數(shù)形式轉(zhuǎn)換為角度形式以便構(gòu)建下變頻所需的正余弦信號(hào)，在實(shí)時(shí)OFDM的DSPU設(shè)計(jì)中往往使用CORDIC算法來完成該步驟以節(jié)約硬件資源。頻差估計(jì)之后必須進(jìn)行對(duì)信號(hào)下變頻運(yùn)算以糾正頻差。在并行系統(tǒng)中需要構(gòu)建與并行通道數(shù)量相等的正余弦信號(hào)與下變頻復(fù)數(shù)乘法器以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理，該步驟不僅需要數(shù)目龐大的硬件資源，且正余弦信號(hào)的位寬與下變頻后結(jié)果的位寬對(duì)系統(tǒng)的性能影響極大。因此，很多實(shí)時(shí)OFDM實(shí)驗(yàn)均采用了發(fā)送接收同光源的結(jié)構(gòu)來避免頻差模塊，只有少量的實(shí)時(shí)OFDM實(shí)驗(yàn)加入了頻差估計(jì)的模塊。在文獻(xiàn)[16]中一種自相關(guān)光OFDM的結(jié)構(gòu)被提出并實(shí)現(xiàn)了240 Gb/s的多通道實(shí)時(shí)OFDM傳輸實(shí)驗(yàn)。

（3）FFT模塊

在實(shí)時(shí)OFDM實(shí)驗(yàn)中，有兩種方式實(shí)現(xiàn)FFT模塊，一種是全并行輸入輸出的FFT模塊，另一種是串行入串行出的FFT模塊。第一種方法雖然需要大量的乘法器資源然而其與并行結(jié)構(gòu)的契合度較好且不需要更多的控制單元。第二種方法只需要少量的乘法器，然而其需要一個(gè)儲(chǔ)存器來進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，所需儲(chǔ)存器的大小隨著并行通道數(shù)量的平方線性增加。因此，在FFT模塊結(jié)構(gòu)的選擇上必須結(jié)合并行通道數(shù)量多少以選擇更適合的結(jié)構(gòu)。除此之外，F(xiàn)FT內(nèi)旋轉(zhuǎn)因子與輸出結(jié)果的位寬也必須仔細(xì)考量以滿足系統(tǒng)性能要求。

（4）信道估計(jì)模塊

在CO-OFDM系統(tǒng)中，信道估計(jì)往往是基于訓(xùn)練序列在頻域上對(duì)信道響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。在雙偏振CO-OFDM系統(tǒng)中，需要使用2×2個(gè)訓(xùn)練序列同時(shí)完成解偏振與信道估計(jì)的工作。由于OFDM信號(hào)是基于FFT長(zhǎng)度的周期性信號(hào)，其信道均衡可以很簡(jiǎn)單的在頻域上用ZF算法來實(shí)現(xiàn)，并且只需要一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器，這種結(jié)構(gòu)使得CO-OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)模塊能夠很好的適應(yīng)高速系統(tǒng)中的多通道并行結(jié)構(gòu)。必須指出的是：與單載波系統(tǒng)所采用的基于CMA的多拍自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)相比，CO-OFDM在高速并行通道信道估計(jì)模塊上的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單的多。

（5）相位噪聲估計(jì)模塊

由于激光器的相位噪聲以及頻偏估計(jì)中的殘余誤差，在信道估計(jì)之后，每一個(gè)OFDM符號(hào)的星座圖相對(duì)原始的位置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)整體的偏轉(zhuǎn)，在CO-OFDM系統(tǒng)中，一種典型的做法是在每一個(gè)OFDM符號(hào)內(nèi)選取一定數(shù)量的子載波加載已知的導(dǎo)頻信號(hào)用于糾正這種相位偏移。同信道估計(jì)模塊類似，由于相位噪聲的糾正也僅需要一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器，其DSPU的結(jié)構(gòu)也很容易實(shí)現(xiàn)。相位噪聲估計(jì)后的輸出結(jié)果可以按照信道編碼的需要輸出軟碼或硬碼至后續(xù)的解碼模塊進(jìn)行最后的信息解調(diào)工作。

2.2 實(shí)時(shí)單載波信號(hào)處理

單載波PSK/QAM相干接收機(jī)的信號(hào)處理基本流程如圖4所示，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，累計(jì)的信道色度色散需要被補(bǔ)償，接著需要進(jìn)行偏振跟蹤及信道均衡，最后，在判決電路前需要進(jìn)行載波的相位恢復(fù)和頻率恢復(fù)。

圖4的信號(hào)處理流程中各部分的功能和算法具體描述如下：

（1）色散補(bǔ)償模塊

對(duì)接收信號(hào)的均衡分兩步進(jìn)行：首先分別在每個(gè)偏振支路上進(jìn)行靜態(tài)或者慢速的自適應(yīng)均衡，然后在兩個(gè)偏振支路上進(jìn)行聯(lián)合的快速自適應(yīng)均衡。第一個(gè)均衡器一般選擇具有較長(zhǎng)沖激響應(yīng)，以補(bǔ)償準(zhǔn)靜態(tài)的色散或者光前端的頻率響應(yīng)。第二個(gè)均衡器一般選擇較短的沖激響應(yīng)和較快的自適應(yīng)速率，用以做偏振跟蹤、偏振模色散（PMD）均衡、以及靜態(tài)均衡器未補(bǔ)償?shù)氖Ｓ嗌ⅰ?/p>

（2）偏振跟蹤及信道均衡模塊

偏振跟蹤用來補(bǔ)償兩個(gè)偏振通道之間的串?dāng)_。偏振跟蹤通常需要使用兩進(jìn)兩出的自適應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)自適應(yīng)濾波器可分為3個(gè)部分：濾波部分、誤差估計(jì)部分和濾波系數(shù)的更新部分。濾波部分通常有較短的沖擊響應(yīng)，由于它需要跟蹤任意的偏振旋轉(zhuǎn)，濾波系數(shù)必須能快速更新。第二步，進(jìn)行誤差估計(jì)。誤差估計(jì)的方法有很多，如插入訓(xùn)練序列，決策反饋；或者測(cè)量已知信號(hào)的屬性。前一種方法有良好的跟蹤性能，但需要在反饋環(huán)路中進(jìn)行載波同步。后一種方法有更小的環(huán)路延遲，可提供更快的跟蹤速度，如CMA算法[17]。CMA通過糾正信號(hào)的恒定幅值來均衡后信號(hào)的振幅的偏差，可以很好的分開兩個(gè)偏振通道，不僅適用于PSK信號(hào)。也可以用于QAM信號(hào)，但會(huì)帶來噪聲和收斂速度變慢的代價(jià)。第三步，從誤差估計(jì)的結(jié)果更新濾波系數(shù)。已知的算法如Wiener-Hopf方法，最陡下降法。從實(shí)現(xiàn)的角度來說最實(shí)用的方法是LMS算法[18]。LMS算法的基本思想是通過求均方誤差同濾波系數(shù)的導(dǎo)數(shù)來估算誤差梯度。濾波系數(shù)則通過每次加上一個(gè)負(fù)誤差梯度的比例項(xiàng)來更新。權(quán)重因子μ再用于控制濾波器的自適應(yīng)速度以及濾波系數(shù)的剩余誤差。

（3）載波同步模塊

載波同步即載波的頻差校正和相差校正，是任何基于數(shù)字信號(hào)處理的相干接收機(jī)都需要實(shí)現(xiàn)的部分。頻差校正和相差校正在概念上非常相似，都包含誤差估算，對(duì)估算結(jié)果濾波，數(shù)據(jù)恢復(fù)3部分。頻率恢復(fù)的具體方法在文獻(xiàn)[19]中提出。相位恢復(fù)通常包含兩步：首選，去除調(diào)制信息得到一個(gè)瞬時(shí)的相位估計(jì)；然后對(duì)相位估計(jì)進(jìn)行濾波以去除噪聲的影響。在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，調(diào)制信息的去除采用直接判決法，信號(hào)判決前后之差作為相位誤差的瞬時(shí)估計(jì)值。但直接判決法通常用到反饋結(jié)構(gòu)，這對(duì)并行流水線和塊處理的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榉答仌r(shí)延會(huì)并行通道數(shù)量增加，過多的并行通道會(huì)導(dǎo)致相位噪聲容忍度的降低。而前項(xiàng)反饋技術(shù)不僅可用來改善其性能[20]，也能夠較容易的在塊處理結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語

相干光通信系統(tǒng)已成為100G和更高速率的超高速光通信系統(tǒng)的主要解決方案，其最重要的核心技術(shù)就是接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。本文首先對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹；隨后就實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的難點(diǎn)及挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析；并分別對(duì)相干光通信系統(tǒng)中的兩種主流調(diào)制格式（單載波及OFDM）所采用的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了描述。

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