光强度调制-直接检测系统的频域均衡技术研究

陆继钊，姬发家，胡 荣，程 燕

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450018； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074）

光强度调制-直接检测系统的频域均衡技术研究

陆继钊1，姬发家1，胡 荣2，程 燕2

（1.国网河南省电力公司信息通信公司，郑州 450018； 2.武汉邮电科学研究院，武汉 430074）

研究了单载波光IM-DD（强度调制-直接检测）系统的频域均衡方案，通过分析时域与频域单载波信号ISI（码间干扰）的关系，提出一种通过时域截取的方法减弱噪声影响的均衡器抽头更新方式，并通过仿真对截取位置和符号个数的选取进行了优化。仿真结果表明，10 Gbit/s NRZ-OOK（非归零码-开关键控）信号经过100 km传输后，相对于传统时域均衡方案，频域均衡方案所需要的光信噪比需求可降低约2 dB。

光强度调制；直接检测；频域均衡

0　引 言

IM-DD（强度调制-直接检测）的光传输系统在成本、可靠性等方面具有显著优势，在传统高速、长距离的光通信系统中已被大量采用。随着高速城域、接入光传输需求的持续增长，基于IM-DD的光通信技术在城域、接入等领域的应用潜力更加明显。在这类系统中，除了低成本光学器件对传输性能的影响外，光纤色散效应引入的ISI（码间干扰）也是影响传输容量与距离的主要因素。

日益成熟的数字信号处理技术提供了一种较低成本处理ISI与器件非理想效应的方式，单载波频域均衡属于一种信道均衡方案。相比于传统时域均衡方案，单载波频域均衡的并行计算方式拥有较低的计算复杂度，实现成本较低。另外，该方案将FFT（快速傅里叶变换）和IFFT（快速傅里叶逆变换）计算模块均置于接收机中，降低了发射机中电路处理硬件的复杂度［1］。目前，单载波频域均衡技术较多地应用在高速相干光通信系统中［2-4］，在色散受限的IM-DD光传输系统中应用较少。

本文针对IM-DD的光传输系统，通过分析时域与频域ISI的关系，提出一种通过时域截取方法减弱噪声影响的均衡器抽头更新方式，仿真结果表明，对于10 Gbit/s NRZ-OOK（非归零码-开关键控）系统，频域均衡方案可使得时域截取方法经优化截取位置与符号数目后能够取得优于传统时域均衡的性能。在10 Gbit/s NRZ-OOK实验系统中，改进的单载波频域均衡技术相比传统时域均衡技术取得约2 dB的性能提升。

1　IM-DD系统的频域均衡方案

在发射端，采用单载波频域均衡技术的发送信号以成帧的方式传送和处理，从而在接收端实现每帧信号的并行处理。在发射端，定义第m帧的输入数据为，长度为N。信道传输的单位冲击响应为hm，长度为L。在接收端，经过探测和采样后，第m帧的数据为ym，长度为N。通过图1所示的两种方式表示数据传输过程中由于色散等效应导致的ISI。

如图1（a）所示，从时域上观察，ISI由单位冲击响应hm描述，长度为L，表示为ISIL。使用FFT将ym变换至频域得到Ym。以Hm表示第m帧数据的信道传递函数，长度为N。在频域上ISI的作用如图1（b）所示，其中ISI由信道传递函数Hm描述，长度为N，表示为ISIN。时域、频域两种形式下信道传递函数的对应关系可描述为

图1　两种方式表示数据传输过程中由于色散等效应导致的ISI示意图

通过研究ISIL与ISIN的关系，可以发现两者所包含的信息是相同的，但ISIL分布在L个单元上，ISIN分布在N个单元上，即ISIL上每单元的平均能量高于ISIN。因此，在噪声相同的情况下，均衡器针对ISIN估计会比对ISIL的估计受到更多的影响。通常，可以采用较大的N值以减少运算复杂度。均衡器针对ISIN估计时，抽头系数更新示意如图1（c）所示。为了在频域均衡中估计ISIL，针对均衡器抽头的梯度向量提出一种时域截取的方法，更新过程如图1（d）所示。

时域截取的频域均衡包含两个方面：（1）在频域上均衡补偿ISI；（2）在时域上估计ISI，基本处理流程如图2所示。

输入向量包含两帧数据（2N个符号）进行线性卷积［5］，将两倍采样的数据序列分为奇偶部分进行自适应均衡器处理，依据频域LMS（最小均方算法）作为抽头系数更新的误差函数［6］。根据图2（a）所示，频域均衡过程可描述为式中，上标e，o表示奇偶采样序列表示均衡器的输出表示均衡器抽头系数的向量，长度为2N；F和分别表示FFT和IFFT。

进行时域ISI估计时，频域的LMS梯度向量计算为

图2　基本处理流程

式中，0N表示长度为N的零向量；errm表示误差向量。将该梯度向量变换至时域，截取L′个符号，得到

式中，μ表示更新步长，更新后wm向量在相同的位置补零增加至2N个符号，并变换回频域，

所述时域截取方法与传统梯度约束技术的区别如图2（b）所示。梯度约束是为了消除FFT带来的圆周卷积效应，而时域截取具有降噪功能，其性能将在仿真中进行研究。

2　仿真结果及分析

为了验证基于时域截取的频域均衡方法，仿真搭建了IM-DD的10 Gbit/s NRZ-OOK系统。在发射端，使用长度为214-1的PRBS（伪随机二进制序列）产生OOK调制信号，每帧128个符号，前8个符号为循环前缀。整个序列前1 024个符号用作训练序列，NRZ信号脉冲的滚降系数为0.2。传输链路由100 km普通单模光纤跨段构成，其衰减为0.2 dB/km，色散为20 ps/nm。在接收端，接收信号经强度检测、两倍采样后，进行频域LMS信道均衡，仿真系统总体结构如图3所示。不同均衡方案下BER（误码率）随OSNR（光信噪比）变化曲线如图4所示。图中，TDE为时域均衡，AWG为阵列波导光栅。

图3　基于频域均衡数字信号处理技术的直接检测系统信号仿真结构

图4 不同均衡方案下BER随OSNR变化曲线

图4比较了时域截取的位置和符号数目对传输性能的影响，同时也给出了采用16抽头的LMS时域均衡方案的结果。时域截取位置分为两种情况：梯度向量的前L′个符号（图中表示为first）或梯度向量两侧各L′/2个符号（图中表示为side）。在仿真中共验证了4种截取方法：前侧128符号、前侧16符号、两侧各64符号和两侧各8个符号。其中，截取前侧128个符号的性能相对较差，两侧各截取8个符号的性能优于其他截取方法。总体来说，截取同样数目的符号时，两侧截取的性能优于前侧截取；截取位置相同时，16个符号的性能优于128个符号。可以发现，当采用两侧截取16个符号的方案时，频域均衡方案性能由于采用16抽头LMS的时域均衡方案，在误码率接近2×10-3时，对应的OSNR需求降低了2 dB。

当采用性能较优的两段截取方案时，不同接收端OSNR条件下的BER随截取符号数目的变化曲线如图5所示。可以发现，当OSNR分别为17、20 和23 dB，每组输入均衡器的两帧数据长度为256，所截取符号数目取值为时，各OSNR下的最优截取长度取值均在（23，24）附近。

图5　不同OSNR条件下BER随截取符号数目的变化曲线

3　结束语

本文针对单载波IM-DD系统，分析了时域、频域ISI的相互关系，提出了基于时域截取估计的频域均衡方式以减小噪声对信道均衡的影响，并对截取位置和符号个数进行了仿真优化。仿真结果表明，相对于传统时域均衡方案，采用频域均衡后，10 Gbit/s NRZ-OOK信号经过100 km单模光纤传输后，所需要的OSNR需求可降低2 dB。

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Research on Frequency Domain Equalization Techniques for Optical IM-DD Systems

LU Ji-zhao1，JI Fa-jia1，HU Rong2，CHENG Yan2
（1.Information and Communication Company，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

This paper studies the frequency domain equalization scheme for single carrier optical intensity modulation direct detection system.Through theoretical analysis on the relationship between the time and frequency domain inter-symbol interference for single carrier signal，a time domain clipping based channel equalizer with new tap updating method is proposed to reduce the effect of noise.The optimal clipping position and symbol number are selected through numerical simulations.The simulation results show that compared with conventional time domain channel equalization，the required OSNR can be reduced by almost 2 dB through frequency domain channel equalization after 100 km transmission of 10 Gbit/s NRZ-OOK signals.

optical intensity modulation；direct detection；frequency domain equalization

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0005-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.002

2015-12-09

陆继钊（1985-），男，江苏盐城人。工程师，硕士研究生，主要研究方向为电力系统通信技术。