高速相干光傳輸系統數字信號處理技術研究

程 彬，閆藝元

（1.南陽理工學院；2.南陽市建業小哈佛雙語學校，河南 南陽 473001）

科學技術在快速地發展，互聯網和其他新興業務也不斷地誕生，數據傳輸流量增長非常快，在骨干網中的年增長率已經達到50%以上，將現有光纖資源有效地進行利用，光纖網絡傳輸容量的提高是當前迫切的需求[1].數字信號處理技術和高速模數轉換器技術以及集成光器件的不斷進步，致使光通信領域相干檢測通信技術的發展得以有效地推動.

1 概述高速相干光通信傳輸系統

從結構上看，直接探測光系統和相干光通信系統具一定的共性，光纖信道和發送端等是其主要的結構，但是，二者模塊的構成也有很大的區別，從調制格式方面看，通常高速相干光通信系統選用的都是高階調制格式，4-PSK以上的，導致相干光通信系統的結構更加復雜[2].此外，相干光通信系統在運行的過程中，不會補償和支持光纖信道，而是通過發送端的一些模塊，來預處理信號，致使傳輸的距離加大，而且傳輸的質量增強了，相對于傳統光纖通信系統，高速相干光通信系統具有本質上的區別，也就是服用形式具有一定的差異化，其能夠在時分復用系統和偏振復用系統條件下，同時進行工作.由于以上的特性，構建高速相干光通信系統模型時，必須要考慮到偏振模式.高速相干光通信系統具有以下幾點優勢：

其一，具有全面的調制方式.在調制光幅度的基礎上，還可以運用QAM和PSM等各種調制格式，致使高速相干光通信系統能夠靈活地進行調用.

其二，選擇性良好.高速相干光通信系統與傳統光通信系統相比，具有較好的選擇性，在直接探測高速相干光通信系統的過程中，因為其具有很大的接收波段，所以對干擾進行排除時，在探測器前端就會將濾光片置入，縮短頻率的間隔，并且將其的選擇性有效地強化[3].

其三，靈敏性非常高，中繼距離也比較長.

2 基于DSP相干光檢測技術的應用

針對相干光檢測系統而言，無論是接收端，還是發送端，都可以應用DSP技術，致使光通信系統結構與無線通信系統更加接近[4].有的研究人員認為，應該在相干光傳輸的領域中，應用無線通信中的軟件無線電技術.通過對可編程器件的應用，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制格式以及譜效率的可重構得以有效地實現，此外，與軟件定義網絡技術有機地結合，還能夠將光譜資源至系統架構重新地配置得以實現.從當前來看，根據DSP相干光檢測的技術，基本上光通信的傳統長距離骨干光傳輸系統和城域系統以及接入系統等各個領域都擴展了.

結合OIF提出的100G超長距離的DWDM文章，100Gb/s傳輸系統的調制格式將會選用雙偏振QPSK，選用相干檢測作為接收機，并且與DSP技術有機地結合.DSP技術對于100Gb/s單波長速率長距離的傳輸比較適用，還有一種應用就是對于現有40Gb/s或者10Gb/s將傳輸系統分復用，擴容到100Gb/s甚至更高一些.從當前來看，國外網絡系統和一些主要的提供商和國內的提供商都將各自解決的方案推出了，各種的現場試驗也會逐漸地開展起來.研究和分析100Gb/s系統的基礎之上，很多的研究機構對于調制格式64-QAM和16-QAM的1Tb/s或者400Gb/s的高階QAM傳輸系統進行分析和研究[5].

在城域傳輸的領域中，由于需要大規模地進行部署，因此，設備和器件的成本必須要降低，從目前發展的趨勢來看，就是將可插拔的小型化模塊做成.美國Acacia器廠商曾經對ECOC2012上市場進行觀察并報道，針對骨干網長距離傳輸而言，城域傳輸市場是其2～3倍，從技術要求上來看，與長距離傳輸系統沒有太大的差別，只要一些比較適配的工作即可.2014年，在OECC的國際會議上，Fujitsu與NTT聯合，將一種與城域傳輸相適應的相干光線路的CFP側模塊進行了報道，此模塊利用了優化功率的DSP技術，功耗只相當于傳輸長距離所用MSA模塊的1/3，致使840km的標準單模光纖上穩定的傳輸得以有效地實現[6].

傳統接入系統通常都是利用強度調制直接對技術進行檢測，當前的研究表明，由于DSP相干OFDM技術已經在光接入領域廣泛地應用.根據OFDM技術，將一種108Gb/s的偏振分集接入系統實現了，還將1：32分光比和下行20km的標準單模光纖傳輸實現了.此外，相干檢測技術有效地應用在上行鏈路上，還將36-Gb/s速率實現了，接入的距離超過了1：32分光比和100km.

近時期，將基于DSP相干光的接入系統提出了，為了將線寬300MHz的VCSEL的激光器的使用成本降低，利用IQ調制器根據單載波調制格式QPSK，來將20km的10Gbps傳輸有效地實現.曾有報道顯示，一種脈沖成形超密集波Nyquist分復用系統將192×10Gb/s太比特的上下行速率實現了，利用16QAM的調制格式，接入距離＞40km.能夠將大量信道數量進行提供是這種系統的最大優勢，波長間隔最小為2.5GHz.但是，該系統對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量級的.另外，因為該系統具有很多波長，四波混頻的現象很容易出現，需要利用不相等的信道間隔來進行消除[7].

據觀察表明，接入系統將相干檢測技術進行部署，是一個時間的問題，基于相干OFDM上行鏈路更應該重視起來，并且應該有機地結合新型器件技術進行分析和研究.針對相干單載波超密集波的分復用系統而言，DSP和光器件的成本只要能夠降低，光接入系統中也可以應用相干光檢測技術.

3 分析高速相干光通信系統中數字信號處理的算法

該研究主要分析了數字信號處理算法中的補償技術.從當前來看，信息技術的快速發展，加大了信息的承載量，所以，提高光纖通信系統傳輸信息量的容量必須要得以有效地保證[8].一般采用加強單個光傳輸的信道速率和光域復用技術兩種方式來將信道容量提高.光信號在傳導的過程中，傳輸的距離如果太長，就會減弱光纖，色散等相關狀況也會出現，尤其提高傳輸帶寬和提高單信道速率的情況下，上面的問題就會更加突出，在一定的程度上，影響了光纖的高速傳導.為了使光信號的穩定輸送能夠得以有效地保證，通常采用電均衡色散補償、光域色散補償和優化信號調制格式三種方式.優化的過程中，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），應用LMS算法的過程中，可以利用瞬時誤差來替換誤差均值，將計算量降低，并且降低迭代公式復雜策劃的那個度.例如，在通常的情況下，在信噪比數值比較高、信道變緩相對比較慢的情況下，這時控制收斂步長在某一個區間內，能夠良性地收斂算法.這種如同處理方法的算法雖然能夠將計算復雜度降低，但是，也會影響計算的精確程度.直接的結果就是增大穩態失衡量，并且下降了信道補償計算的精確度.但是，從整體的角度看，LMS算法具有結構簡單和容易實現的優勢，具有很強的穩定性，從速度上看，收斂影響會對其進行制約.

3.2 RLS算法

RLS算法就是對LMS算法的一個補充，其能夠將LMS算法速度欠缺的劣勢進行有效地彌補，尤其自相關陣特征的差值比較大時，RLS算法能夠將良好優勢體現出來.從本質上講，RLS算法是一種最小的遞推型的二乘算法，此外，結合數據的變化，可以調整有關信息的進參數，致使其的數據長度能夠具有一定的可變性.遺忘因子加入以后，能夠有效地優化自適應性均衡器收斂性.

4 高速光傳輸系統的發展趨勢

從當前來看，在分析和研究100G單信道相干光的傳輸系統已經很充分，商業上也開始應用100G相干傳輸系統，目前研究的焦點就是1Tb/s和400Gb/s的傳輸系統.為了能夠將傳輸的速率增加，應該使用高階QAM的調制格式和更高的波特率，無論是模數轉換器和光電器件帶寬，還是DSP的處理速度，都應該將更高的要求提出.此外，有效運用更高階QAM的調制格式，對于系統光信噪比也會有更高的要求，對于單波長纖功率的要求會更高，光纖非線性效應會更加嚴重地影響傳輸.由于不斷增長的數據需求，光通信系統的容量終極也比較嚴重.

針對容量極限問題的解決，MDM和SDM技術興起了，因為不同模式之間和纖芯都有串擾情況存在，對于模式均衡和解耦，接收端必須要使用更加復雜的多輸入和輸出的信號處理技術，來對其進行完成.

5 總結

綜上所述，最近幾年，隨著科學技術的快速發展，IP流媒體業務和P2P網絡以及多媒體業務都在不斷地發展，同時，也增加了寬帶通信的需求.傳統光纖傳輸系統所使用的直接檢測和強度調制，對于超大容量和超大距離的傳輸數據需求已經很難滿足.人們更加重視高速相干光通信技術，該技術既能夠將傳輸成本降低，又能夠使傳輸鏈路得以有效地簡化.