仿真分析相干光通信中的数字信号处理算法

林宏 周传璘 赵娜 胡锦聪

摘  要： 为了提高相干光通信系统的性能，降低系统复杂度，便于实现实时高速相干光通信系统，将数字信号处理算法应用到相干光通信中。对受到噪声影响的信号进行仿真，通过Matlab软件处理离线信号，利用部分算法对其进行试验验证。根据仿真平台及算法接收没有色散补偿的光纤信号，提出加权前馈相位恢复算法，其能够使灵敏度得到提高。最后，对系统性能进行分析，分析结果表明所创建的仿真平台和数字信号处理算法能够充分展现真实的实验情况，为今后数字相干光通信的实现提供研究基础及指导。

关键词： 相干光通信; 数字信号; 处理算法; 相位恢复; 动态色散补偿; 归一化处理

中图分类号： TN929.1?34                         文獻标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）19?0054?05

Abstract： In order to improve the performance of the coherent optical communication system， reduce the complexity of the system， and facilitate the realization of real?time high?speed coherent optical communication system， a digital signal processing algorithm is used in coherent optical communication. Firstly， the signal affected by noise is simulated， and then the off?line signal is processed by Matlab software ， and tested and verified with some algorithms. According to the simulation platform and the algorithm， the fiber without dispersion compensation is received， and a weighted feedforward phase recovery algorithm is proposed， which can improve the sensitivity. The performance of the system is analyzed and expressed. The simulation platform and digital signal processing algorithm can fully show the actual experimental situation， and provide research basis and guidance for the future high?speed implementation of digital coherent optical communication.

Keywords： coherent optical communication; digital signal; signal processing algorithm; phase retrieval; dynamic dispersion compensation; normalization processing

0  引  言

光通信系统是指在通信领域中，使光成为一种全新的传播介质进行信息传输。在信息传输的过程中，使用光电变化原理得到信息，此信息传播的方式为我国通信技术方面采用的主要技术。对光通信技术来说，使用相干检测方法能够提高相干通信能力，对比传统信号传输及处理的过程，现代化相干通信技术使用数字信号处理算法能够降低系统内部数据处理及运算的缺陷，使系统运行性能得到改善及优化，还能够实现载波同步[1]。所以，本文仿真分析相干光通信中的数字信号处理算法。

1  基于数字信号处理算法的相干光传输平台

1.1  仿真平台的各模块

1.1.1  光发射机

光发射机模块是利用多种调制器产生光及信息的全局发射端，调制器的构成主要包括双臂单驱、单臂双驱、双臂双驱马赫增德尔调制器。本文在仿真过程中使用双臂单驱马赫增德尔调制器，调制器的构成如图1所示。

1.1.2  传输光纤

本文使用非线性薛定谔方程创建双折射PMD光纤模型，此模型能够实现两个正交偏正态共同传输影响的仿真。PMD光纤利用两个耦合非线性薛定谔方程的解描述光信号在随机双折射光纤中的正交传输偏振部分，所以能够实现高群延时差偏振模色散的数字建模。该模型全面考虑时延、多阶PMD、偏振损耗、自相位调制，其中对于FWM，SPM及XPM中的参数，通过偏振态变化实现自动调节。但是由于两个信号偏振态是共同传播的，此模型在仿真过程中耗时比较长，大部分时间都消耗在光纤传输中[2]。

1.1.3  放大器

本文使用固定放大频谱放大器模型，此模型属于放大倍数可控、饱和放大及功率可控的模型。如果输出功率较高，那么应考虑限制效应。此模型能够作为放大、衰减放大器，本文使用固定放大系数模式。

1.2  接收端的DSP处理算法仿真

1.2.1  DSP处理算法设计

图2为数字相干接收中的DSP处理流程，使用相位+偏振分集接收得出[X]和[Y]偏振态的[I]和[Q]分量信息，之后送到ADC实现模数转换，从而得出量化之后的数字信号。ADC采样率会对后续算法设计造成影响，其值为传输波特率的[n]倍，也就是每个信号码元中具有[n]个采样点。在[n]比2大时，能够消除全部线性因素对光信号的影响[3]。

1.2.2  色散补偿

動态色散补偿技术能够解决色散对于传输距离限制的问题，光纤传输系统中的色散在温度变化过程中会发生改变，在高速系统中色散容忍度比较低时，需要补偿温度变化导致的残余色散变化，因此，一般在高速光传输信号时要使用动态色散补偿技术。电域动态色散补偿采用高速信号处理技术，也就是利用DSP技术具有灵活及方便集成的优势。光纤中的色散能够作为光波电场全通滤波器，频域传输函数表示为：

VPI仿真要求实现光信号调制、相干检测及传输三部分的模拟，并且还要导出数据，处理后续DSP算法。表1为仿真系统中需要的主要参数，调制部分修改VPI内置Tx?mQAM，通过外部激光器提供光信号，并且通过此模块导出伪随机序列号，使仿真平台开始工作。调制之后的光信号光功率比较弱，在入纤之前要放大，从而满足入纤光功率的需求。在光纤传输过程中，因为光纤会衰减，所以在传输一段距离之后要再次放大，从而提高光功率。为了使加性噪声影响得到降低，在ADC采样之前实现电信滤波，采样之后数据利用VPI数据结构导出。因为要对非线性效应进行观测，所以入纤功率不能够太小。本文使用EDFA对调制后的信号进行放大，使其为3 dBm恒定功率，之后进入到光纤中[7]。

2.2  仿真结果

利用表1中的参数设置VPI器件，并且使用本文算法实现相应色散、非线性、相位噪声及频率偏移的补偿，详见图8b）和图8d）。因为具有色散及非线性效应，所以不适用集中式补偿算法，可以使用反向传输方法修正。其中，反向传输修正方法在每个span补偿一次时，保证能够完全补偿非线性效应导致的星座旋转。色散及非线性补偿之后的结果详见图8b），虽然原始数据杂乱，但算法在实现非线性及色散补偿后的数据具有明显的圈，通过EDFA中的噪声导致圈和圈相互重叠。

在色散及非线性补偿之后，数据中存在激光器及频率偏移相位噪声。在频率估计方面，本文使用基于高阶QAM频率估计方法，此算法能够应用到任意阶段中的QAM调制格式。在补偿频率偏移以后，信号还是会受到激光器相位噪声的影响，主要是因为星座点出现旋转。在接收数据并实现以上补偿之后就能够进入到判决电路中实现译码，仿真系统中具有8 192个16?QAM符号。在接收端译码之后，有69 bit误码，所以误码率[be=2.1×10-3]，使纠错编码需求得到满足[8]。

3  结  语

在互联网不断发展的过程中，随着商业对于带宽需求的不断提高，需要解决主干网络中高速数据传输问题。目前商用光纤通信系统使用直接检测方法，虽然检测方法较为简单，但是在直接检测过程中还是存在一定的问题，比如检测灵敏度较低、频谱使用率较低。相干检测技术是一种能够提高通信系统频谱使用率的矢量调制格式，备受人们的重视。本文重点研究数字信号处理算法相干光通信中的应用，通过研究表明本文所采用的方法能够正确恢复相应比特数据，误码率比较低，能够满足实际需求。

参考文献

[1] 张琪，王目光.相干光通信系统载波相位估计算法性能分析[J].光电技术应用，2016，31（6）：39?46.

ZHANG Qi， WANG Muguang. Performance analysis of carrier phase estimation algorithms for coherent optical communication systems [J]. Electro?optic technology application， 2016， 31 （6）： 39?46.

[2] 纪亚琪.浅析在相干光通信系统中如何应用数字信号处理算法[J].中国新通信，2016，18（7）：10.

JI Yaqi. Brief analysis on how to apply digital signal processing algorithm in coherent optical communication system [J]. China new communications， 2016， 18（7）： 10.

[3] 张曼丽.PM?16QAM相干光通信中偏振复用及追踪技术的研究[D].北京：北京交通大学，2016.

ZHANG Manli. Research on polarization multiplexing and tracking technology in PM?16QAM Coherent optical communication [D]. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2016.

[4] 劉群，吴香林，杜慧琴.相干光通信系统中信道损伤及相应的数字信号处理算法[J].广东通信技术，2017（6）：58?63.

LIU Qun， WU Xianglin， DU Huiqin. Channel damage and corresponding digital signal processing algorithms in coherent optical communication systems [J]. Guangdong communication technology， 2017（6）： 58?63.

[5] 辛鹏，李海涛，李垠韬，等.一种32Q?AM相干光通信系统中相位估算算法[J].光通信技术，2017，41（2）：78?79.

XIN Peng， LI Haitao， LI Yintao， et al. A phase estimation algorithm for 32Q?AM coherent optical communication system [J]. Optical communication technology， 2017， 41（2）： 78?79.

[6] 周珍娟.基于DSP的导航计算机数据处理[J].现代电子技术，2016，39（7）：44?47.

ZHOU Zhenjuan. Data processing of navigation computer based on DSP [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（7）： 44?47.

[7] 李守用，李玲生.基于最小误码率的虚拟光纤长度优化算法[J].光通信技术，2016，40（3）：59?62.

LI Shouyong， LI Lingsheng. Virtual optical fiber length optimization based on minimum bit error rate [J]. Optical communication technology， 2016， 40（3）： 59?62.

[8] 王飞，黄细霞，张兵，等.基于DSP和小波变换的电压暂态扰动在线监测方法研究[J].现代电子技术，2015，38（4）：150?154.

WANG Fei， HUANG Xixia， ZHANG Bing， et al. Study of voltage transient disturbance on?line detection based on DSP and wavelet transform [J]. Modern electronics technique， 2015， 38（4）： 150?154.