高速相干光传输系统数字信号处理技术研究

程 彬，闫艺元

（1.南阳理工学院；2.南阳市建业小哈佛双语学校，河南 南阳 473001）

科学技术在快速地发展，互联网和其他新兴业务也不断地诞生，数据传输流量增长非常快，在骨干网中的年增长率已经达到50%以上，将现有光纤资源有效地进行利用，光纤网络传输容量的提高是当前迫切的需求[1].数字信号处理技术和高速模数转换器技术以及集成光器件的不断进步，致使光通信领域相干检测通信技术的发展得以有效地推动.

1 概述高速相干光通信传输系统

从结构上看，直接探测光系统和相干光通信系统具一定的共性，光纤信道和发送端等是其主要的结构，但是，二者模块的构成也有很大的区别，从调制格式方面看，通常高速相干光通信系统选用的都是高阶调制格式，4-PSK以上的，导致相干光通信系统的结构更加复杂[2].此外，相干光通信系统在运行的过程中，不会补偿和支持光纤信道，而是通过发送端的一些模块，来预处理信号，致使传输的距离加大，而且传输的质量增强了，相对于传统光纤通信系统，高速相干光通信系统具有本质上的区别，也就是服用形式具有一定的差异化，其能够在时分复用系统和偏振复用系统条件下，同时进行工作.由于以上的特性，构建高速相干光通信系统模型时，必须要考虑到偏振模式.高速相干光通信系统具有以下几点优势：

其一，具有全面的调制方式.在调制光幅度的基础上，还可以运用QAM和PSM等各种调制格式，致使高速相干光通信系统能够灵活地进行调用.

其二，选择性良好.高速相干光通信系统与传统光通信系统相比，具有较好的选择性，在直接探测高速相干光通信系统的过程中，因为其具有很大的接收波段，所以对干扰进行排除时，在探测器前端就会将滤光片置入，缩短频率的间隔，并且将其的选择性有效地强化[3].

其三，灵敏性非常高，中继距离也比较长.

2 基于DSP相干光检测技术的应用

针对相干光检测系统而言，无论是接收端，还是发送端，都可以应用DSP技术，致使光通信系统结构与无线通信系统更加接近[4].有的研究人员认为，应该在相干光传输的领域中，应用无线通信中的软件无线电技术.通过对可编程器件的应用，在非线性和不同光信噪比条件下，将光传输物理层的传输速率和调制格式以及谱效率的可重构得以有效地实现，此外，与软件定义网络技术有机地结合，还能够将光谱资源至系统架构重新地配置得以实现.从当前来看，根据DSP相干光检测的技术，基本上光通信的传统长距离骨干光传输系统和城域系统以及接入系统等各个领域都扩展了.

结合OIF提出的100G超长距离的DWDM文章，100Gb/s传输系统的调制格式将会选用双偏振QPSK，选用相干检测作为接收机，并且与DSP技术有机地结合.DSP技术对于100Gb/s单波长速率长距离的传输比较适用，还有一种应用就是对于现有40Gb/s或者10Gb/s将传输系统分复用，扩容到100Gb/s甚至更高一些.从当前来看，国外网络系统和一些主要的提供商和国内的提供商都将各自解决的方案推出了，各种的现场试验也会逐渐地开展起来.研究和分析100Gb/s系统的基础之上，很多的研究机构对于调制格式64-QAM和16-QAM的1Tb/s或者400Gb/s的高阶QAM传输系统进行分析和研究[5].

在城域传输的领域中，由于需要大规模地进行部署，因此，设备和器件的成本必须要降低，从目前发展的趋势来看，就是将可插拔的小型化模块做成.美国Acacia器厂商曾经对ECOC2012上市场进行观察并报道，针对骨干网长距离传输而言，城域传输市场是其2～3倍，从技术要求上来看，与长距离传输系统没有太大的差别，只要一些比较适配的工作即可.2014年，在OECC的国际会议上，Fujitsu与NTT联合，将一种与城域传输相适应的相干光线路的CFP侧模块进行了报道，此模块利用了优化功率的DSP技术，功耗只相当于传输长距离所用MSA模块的1/3，致使840km的标准单模光纤上稳定的传输得以有效地实现[6].

传统接入系统通常都是利用强度调制直接对技术进行检测，当前的研究表明，由于DSP相干OFDM技术已经在光接入领域广泛地应用.根据OFDM技术，将一种108Gb/s的偏振分集接入系统实现了，还将1：32分光比和下行20km的标准单模光纤传输实现了.此外，相干检测技术有效地应用在上行链路上，还将36-Gb/s速率实现了，接入的距离超过了1：32分光比和100km.

近时期，将基于DSP相干光的接入系统提出了，为了将线宽300MHz的VCSEL的激光器的使用成本降低，利用IQ调制器根据单载波调制格式QPSK，来将20km的10Gbps传输有效地实现.曾有报道显示，一种脉冲成形超密集波Nyquist分复用系统将192×10Gb/s太比特的上下行速率实现了，利用16QAM的调制格式，接入距离＞40km.能够将大量信道数量进行提供是这种系统的最大优势，波长间隔最小为2.5GHz.但是，该系统对于激光器具有非常高的要求，使用的外腔激光器必须是线宽约100KHz量级的.另外，因为该系统具有很多波长，四波混频的现象很容易出现，需要利用不相等的信道间隔来进行消除[7].

据观察表明，接入系统将相干检测技术进行部署，是一个时间的问题，基于相干OFDM上行链路更应该重视起来，并且应该有机地结合新型器件技术进行分析和研究.针对相干单载波超密集波的分复用系统而言，DSP和光器件的成本只要能够降低，光接入系统中也可以应用相干光检测技术.

3 分析高速相干光通信系统中数字信号处理的算法

该研究主要分析了数字信号处理算法中的补偿技术.从当前来看，信息技术的快速发展，加大了信息的承载量，所以，提高光纤通信系统传输信息量的容量必须要得以有效地保证[8].一般采用加强单个光传输的信道速率和光域复用技术两种方式来将信道容量提高.光信号在传导的过程中，传输的距离如果太长，就会减弱光纤，色散等相关状况也会出现，尤其提高传输带宽和提高单信道速率的情况下，上面的问题就会更加突出，在一定的程度上，影响了光纤的高速传导.为了使光信号的稳定输送能够得以有效地保证，通常采用电均衡色散补偿、光域色散补偿和优化信号调制格式三种方式.优化的过程中，所涉及的几种算法.

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.公式为：e（n）=d（n）-XT（n）W（n）,W（n+1），应用LMS算法的过程中，可以利用瞬时误差来替换误差均值，将计算量降低，并且降低迭代公式复杂策划的那个度.例如，在通常的情况下，在信噪比数值比较高、信道变缓相对比较慢的情况下，这时控制收敛步长在某一个区间内，能够良性地收敛算法.这种如同处理方法的算法虽然能够将计算复杂度降低，但是，也会影响计算的精确程度.直接的结果就是增大稳态失衡量，并且下降了信道补偿计算的精确度.但是，从整体的角度看，LMS算法具有结构简单和容易实现的优势，具有很强的稳定性，从速度上看，收敛影响会对其进行制约.

3.2 RLS算法

RLS算法就是对LMS算法的一个补充，其能够将LMS算法速度欠缺的劣势进行有效地弥补，尤其自相关阵特征的差值比较大时，RLS算法能够将良好优势体现出来.从本质上讲，RLS算法是一种最小的递推型的二乘算法，此外，结合数据的变化，可以调整有关信息的进参数，致使其的数据长度能够具有一定的可变性.遗忘因子加入以后，能够有效地优化自适应性均衡器收敛性.

4 高速光传输系统的发展趋势

从当前来看，在分析和研究100G单信道相干光的传输系统已经很充分，商业上也开始应用100G相干传输系统，目前研究的焦点就是1Tb/s和400Gb/s的传输系统.为了能够将传输的速率增加，应该使用高阶QAM的调制格式和更高的波特率，无论是模数转换器和光电器件带宽，还是DSP的处理速度，都应该将更高的要求提出.此外，有效运用更高阶QAM的调制格式，对于系统光信噪比也会有更高的要求，对于单波长纤功率的要求会更高，光纤非线性效应会更加严重地影响传输.由于不断增长的数据需求，光通信系统的容量终极也比较严重.

针对容量极限问题的解决，MDM和SDM技术兴起了，因为不同模式之间和纤芯都有串扰情况存在，对于模式均衡和解耦，接收端必须要使用更加复杂的多输入和输出的信号处理技术，来对其进行完成.

5 总结

综上所述，最近几年，随着科学技术的快速发展，IP流媒体业务和P2P网络以及多媒体业务都在不断地发展，同时，也增加了宽带通信的需求.传统光纤传输系统所使用的直接检测和强度调制，对于超大容量和超大距离的传输数据需求已经很难满足.人们更加重视高速相干光通信技术，该技术既能够将传输成本降低，又能够使传输链路得以有效地简化.