高速相干光傳輸系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)研究

程 彬，閆藝元

（1.南陽(yáng)理工學(xué)院；2.南陽(yáng)市建業(yè)小哈佛雙語(yǔ)學(xué)校，河南 南陽(yáng) 473001）

科學(xué)技術(shù)在快速地發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)和其他新興業(yè)務(wù)也不斷地誕生，數(shù)據(jù)傳輸流量增長(zhǎng)非?？?，在骨干網(wǎng)中的年增長(zhǎng)率已經(jīng)達(dá)到50%以上，將現(xiàn)有光纖資源有效地進(jìn)行利用，光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的提高是當(dāng)前迫切的需求[1].數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)以及集成光器件的不斷進(jìn)步，致使光通信領(lǐng)域相干檢測(cè)通信技術(shù)的發(fā)展得以有效地推動(dòng).

1 概述高速相干光通信傳輸系統(tǒng)

從結(jié)構(gòu)上看，直接探測(cè)光系統(tǒng)和相干光通信系統(tǒng)具一定的共性，光纖信道和發(fā)送端等是其主要的結(jié)構(gòu)，但是，二者模塊的構(gòu)成也有很大的區(qū)別，從調(diào)制格式方面看，通常高速相干光通信系統(tǒng)選用的都是高階調(diào)制格式，4-PSK以上的，導(dǎo)致相干光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜[2].此外，相干光通信系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，不會(huì)補(bǔ)償和支持光纖信道，而是通過(guò)發(fā)送端的一些模塊，來(lái)預(yù)處理信號(hào)，致使傳輸?shù)木嚯x加大，而且傳輸?shù)馁|(zhì)量增強(qiáng)了，相對(duì)于傳統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)，高速相干光通信系統(tǒng)具有本質(zhì)上的區(qū)別，也就是服用形式具有一定的差異化，其能夠在時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)和偏振復(fù)用系統(tǒng)條件下，同時(shí)進(jìn)行工作.由于以上的特性，構(gòu)建高速相干光通信系統(tǒng)模型時(shí)，必須要考慮到偏振模式.高速相干光通信系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

其一，具有全面的調(diào)制方式.在調(diào)制光幅度的基礎(chǔ)上，還可以運(yùn)用QAM和PSM等各種調(diào)制格式，致使高速相干光通信系統(tǒng)能夠靈活地進(jìn)行調(diào)用.

其二，選擇性良好.高速相干光通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)相比，具有較好的選擇性，在直接探測(cè)高速相干光通信系統(tǒng)的過(guò)程中，因?yàn)槠渚哂泻艽蟮慕邮詹ǘ?，所以?duì)干擾進(jìn)行排除時(shí)，在探測(cè)器前端就會(huì)將濾光片置入，縮短頻率的間隔，并且將其的選擇性有效地強(qiáng)化[3].

其三，靈敏性非常高，中繼距離也比較長(zhǎng).

2 基于DSP相干光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)相干光檢測(cè)系統(tǒng)而言，無(wú)論是接收端，還是發(fā)送端，都可以應(yīng)用DSP技術(shù)，致使光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與無(wú)線通信系統(tǒng)更加接近[4].有的研究人員認(rèn)為，應(yīng)該在相干光傳輸?shù)念I(lǐng)域中，應(yīng)用無(wú)線通信中的軟件無(wú)線電技術(shù).通過(guò)對(duì)可編程器件的應(yīng)用，在非線性和不同光信噪比條件下，將光傳輸物理層的傳輸速率和調(diào)制格式以及譜效率的可重構(gòu)得以有效地實(shí)現(xiàn)，此外，與軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，還能夠?qū)⒐庾V資源至系統(tǒng)架構(gòu)重新地配置得以實(shí)現(xiàn).從當(dāng)前來(lái)看，根據(jù)DSP相干光檢測(cè)的技術(shù)，基本上光通信的傳統(tǒng)長(zhǎng)距離骨干光傳輸系統(tǒng)和城域系統(tǒng)以及接入系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域都擴(kuò)展了.

結(jié)合OIF提出的100G超長(zhǎng)距離的DWDM文章，100Gb/s傳輸系統(tǒng)的調(diào)制格式將會(huì)選用雙偏振QPSK，選用相干檢測(cè)作為接收機(jī)，并且與DSP技術(shù)有機(jī)地結(jié)合.DSP技術(shù)對(duì)于100Gb/s單波長(zhǎng)速率長(zhǎng)距離的傳輸比較適用，還有一種應(yīng)用就是對(duì)于現(xiàn)有40Gb/s或者10Gb/s將傳輸系統(tǒng)分復(fù)用，擴(kuò)容到100Gb/s甚至更高一些.從當(dāng)前來(lái)看，國(guó)外網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和一些主要的提供商和國(guó)內(nèi)的提供商都將各自解決的方案推出了，各種的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也會(huì)逐漸地開(kāi)展起來(lái).研究和分析100Gb/s系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，很多的研究機(jī)構(gòu)對(duì)于調(diào)制格式64-QAM和16-QAM的1Tb/s或者400Gb/s的高階QAM傳輸系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究[5].

在城域傳輸?shù)念I(lǐng)域中，由于需要大規(guī)模地進(jìn)行部署，因此，設(shè)備和器件的成本必須要降低，從目前發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，就是將可插拔的小型化模塊做成.美國(guó)Acacia器廠商曾經(jīng)對(duì)ECOC2012上市場(chǎng)進(jìn)行觀察并報(bào)道，針對(duì)骨干網(wǎng)長(zhǎng)距離傳輸而言，城域傳輸市場(chǎng)是其2～3倍，從技術(shù)要求上來(lái)看，與長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)沒(méi)有太大的差別，只要一些比較適配的工作即可.2014年，在OECC的國(guó)際會(huì)議上，F(xiàn)ujitsu與NTT聯(lián)合，將一種與城域傳輸相適應(yīng)的相干光線路的CFP側(cè)模塊進(jìn)行了報(bào)道，此模塊利用了優(yōu)化功率的DSP技術(shù)，功耗只相當(dāng)于傳輸長(zhǎng)距離所用MSA模塊的1/3，致使840km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上穩(wěn)定的傳輸?shù)靡杂行У貙?shí)現(xiàn)[6].

傳統(tǒng)接入系統(tǒng)通常都是利用強(qiáng)度調(diào)制直接對(duì)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)前的研究表明，由于DSP相干OFDM技術(shù)已經(jīng)在光接入領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用.根據(jù)OFDM技術(shù)，將一種108Gb/s的偏振分集接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了，還將1：32分光比和下行20km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸實(shí)現(xiàn)了.此外，相干檢測(cè)技術(shù)有效地應(yīng)用在上行鏈路上，還將36-Gb/s速率實(shí)現(xiàn)了，接入的距離超過(guò)了1：32分光比和100km.

近時(shí)期，將基于DSP相干光的接入系統(tǒng)提出了，為了將線寬300MHz的VCSEL的激光器的使用成本降低，利用IQ調(diào)制器根據(jù)單載波調(diào)制格式QPSK，來(lái)將20km的10Gbps傳輸有效地實(shí)現(xiàn).曾有報(bào)道顯示，一種脈沖成形超密集波Nyquist分復(fù)用系統(tǒng)將192×10Gb/s太比特的上下行速率實(shí)現(xiàn)了，利用16QAM的調(diào)制格式，接入距離＞40km.能夠?qū)⒋罅啃诺罃?shù)量進(jìn)行提供是這種系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)，波長(zhǎng)間隔最小為2.5GHz.但是，該系統(tǒng)對(duì)于激光器具有非常高的要求，使用的外腔激光器必須是線寬約100KHz量級(jí)的.另外，因?yàn)樵撓到y(tǒng)具有很多波長(zhǎng)，四波混頻的現(xiàn)象很容易出現(xiàn)，需要利用不相等的信道間隔來(lái)進(jìn)行消除[7].

據(jù)觀察表明，接入系統(tǒng)將相干檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行部署，是一個(gè)時(shí)間的問(wèn)題，基于相干OFDM上行鏈路更應(yīng)該重視起來(lái)，并且應(yīng)該有機(jī)地結(jié)合新型器件技術(shù)進(jìn)行分析和研究.針對(duì)相干單載波超密集波的分復(fù)用系統(tǒng)而言，DSP和光器件的成本只要能夠降低，光接入系統(tǒng)中也可以應(yīng)用相干光檢測(cè)技術(shù).

3 分析高速相干光通信系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)處理的算法

該研究主要分析了數(shù)字信號(hào)處理算法中的補(bǔ)償技術(shù).從當(dāng)前來(lái)看，信息技術(shù)的快速發(fā)展，加大了信息的承載量，所以，提高光纖通信系統(tǒng)傳輸信息量的容量必須要得以有效地保證[8].一般采用加強(qiáng)單個(gè)光傳輸?shù)男诺浪俾屎凸庥驈?fù)用技術(shù)兩種方式來(lái)將信道容量提高.光信號(hào)在傳導(dǎo)的過(guò)程中，傳輸?shù)木嚯x如果太長(zhǎng)，就會(huì)減弱光纖，色散等相關(guān)狀況也會(huì)出現(xiàn)，尤其提高傳輸帶寬和提高單信道速率的情況下，上面的問(wèn)題就會(huì)更加突出，在一定的程度上，影響了光纖的高速傳導(dǎo).為了使光信號(hào)的穩(wěn)定輸送能夠得以有效地保證，通常采用電均衡色散補(bǔ)償、光域色散補(bǔ)償和優(yōu)化信號(hào)調(diào)制格式三種方式.優(yōu)化的過(guò)程中，所涉及的幾種算法.

3.1 LMS算法

LMS算法就是最小的均方算法，是由最陡下降法和MMSE而得到的.公式為：e（n）=d（n）-XT（n）W（n）,W（n+1），應(yīng)用LMS算法的過(guò)程中，可以利用瞬時(shí)誤差來(lái)替換誤差均值，將計(jì)算量降低，并且降低迭代公式復(fù)雜策劃的那個(gè)度.例如，在通常的情況下，在信噪比數(shù)值比較高、信道變緩相對(duì)比較慢的情況下，這時(shí)控制收斂步長(zhǎng)在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)，能夠良性地收斂算法.這種如同處理方法的算法雖然能夠?qū)⒂?jì)算復(fù)雜度降低，但是，也會(huì)影響計(jì)算的精確程度.直接的結(jié)果就是增大穩(wěn)態(tài)失衡量，并且下降了信道補(bǔ)償計(jì)算的精確度.但是，從整體的角度看，LMS算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，從速度上看，收斂影響會(huì)對(duì)其進(jìn)行制約.

3.2 RLS算法

RLS算法就是對(duì)LMS算法的一個(gè)補(bǔ)充，其能夠?qū)MS算法速度欠缺的劣勢(shì)進(jìn)行有效地彌補(bǔ)，尤其自相關(guān)陣特征的差值比較大時(shí)，RLS算法能夠?qū)⒘己脙?yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái).從本質(zhì)上講，RLS算法是一種最小的遞推型的二乘算法，此外，結(jié)合數(shù)據(jù)的變化，可以調(diào)整有關(guān)信息的進(jìn)參數(shù)，致使其的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度能夠具有一定的可變性.遺忘因子加入以后，能夠有效地優(yōu)化自適應(yīng)性均衡器收斂性.

4 高速光傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

從當(dāng)前來(lái)看，在分析和研究100G單信道相干光的傳輸系統(tǒng)已經(jīng)很充分，商業(yè)上也開(kāi)始應(yīng)用100G相干傳輸系統(tǒng)，目前研究的焦點(diǎn)就是1Tb/s和400Gb/s的傳輸系統(tǒng).為了能夠?qū)鬏數(shù)乃俾试黾樱瑧?yīng)該使用高階QAM的調(diào)制格式和更高的波特率，無(wú)論是模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光電器件帶寬，還是DSP的處理速度，都應(yīng)該將更高的要求提出.此外，有效運(yùn)用更高階QAM的調(diào)制格式，對(duì)于系統(tǒng)光信噪比也會(huì)有更高的要求，對(duì)于單波長(zhǎng)纖功率的要求會(huì)更高，光纖非線性效應(yīng)會(huì)更加嚴(yán)重地影響傳輸.由于不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求，光通信系統(tǒng)的容量終極也比較嚴(yán)重.

針對(duì)容量極限問(wèn)題的解決，MDM和SDM技術(shù)興起了，因?yàn)椴煌Ｊ街g和纖芯都有串?dāng)_情況存在，對(duì)于模式均衡和解耦，接收端必須要使用更加復(fù)雜的多輸入和輸出的信號(hào)處理技術(shù)，來(lái)對(duì)其進(jìn)行完成.

5 總結(jié)

綜上所述，最近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，IP流媒體業(yè)務(wù)和P2P網(wǎng)絡(luò)以及多媒體業(yè)務(wù)都在不斷地發(fā)展，同時(shí)，也增加了寬帶通信的需求.傳統(tǒng)光纖傳輸系統(tǒng)所使用的直接檢測(cè)和強(qiáng)度調(diào)制，對(duì)于超大容量和超大距離的傳輸數(shù)據(jù)需求已經(jīng)很難滿足.人們更加重視高速相干光通信技術(shù)，該技術(shù)既能夠?qū)鬏敵杀窘档?，又能夠使傳輸鏈路得以有效地?jiǎn)化.