实现DSP技术的优化方法

在100Gbit/s光传输系统中，相干检测和数字信号处理（DSP）是可用的关键技术。开发400Gbit/s系统，DSP也将继续扮演重要的角色，不但接收机采用，甚至奈奎斯特脉冲整形发射机也采用DSP。虽然同一个过程有各种实现途径，具体算法每个过程可能互不相同，但对所有主流产品，结构功能上通常是类似的。图3-18表示发射机DSP的功能，包括符号映射、信号定时偏移调整、色散和非线性预补偿（可选），以及支持多种调制格式和编码制式的软件编程能力等。发射机DSP也允许补偿电驱动器和光调制器引入的非线性。另外，DSP还完成脉冲整形，调整奈奎斯特WDM信道要求的信号频谱。总之，发射机DSP不仅用于信道损伤预补偿，而且可使智能光网络软件配置更为灵活。

图3-18 400Gbit/s光发射机DSP功能

在数字相干接收机中，DSP的功能如图3-19所示。四路数字信号首先经过运算得到与偏振态上的光电场信息。之后，依次经过固定色散补偿模块、时钟恢复与再采样模块、偏振解复用与自适应均衡模块、载波频率与相位恢复模块，最终完成前向纠错的处理与符号的判决功能，即模-数（A-D）转换后的4个数字信号，即同向I和正交Q分量的X、Y偏振信号，I_X、Q_X、I_Y和Q_Y送入前端损伤均衡补偿单元。该损伤可能包括4个信道间由于相干接收机中光、电通道长度不等产生的定时偏差。其他前端损伤可能还来自4个信道具有不同的输出功率，这是因为光混频时I、Q分量并不完全成90°造成的。其次，通过数字滤波器，补偿静态和动态信道传输损伤，特别要分别补偿CD和PMD。然后，处理用于符号同步的时钟恢复，以便跟踪输入取样值的定时信息。需指出的是，时钟恢复、偏振解复用或均衡所有损伤，实现符号同步是同时完成的。通过蝶状滤波器和随机梯度算法，对两个偏振同时进行快速适配均衡。此时，估计并去除信号激光器和本振激光器间的光频偏差，以防止星座以相干内差频率旋转。最后，从调制信号中，预测并补偿载波相位噪声，恢复出载波信号I_X、Q_X、I_Y和Q_Y。相干光通信系统接收机中几项关键算法包括色散补偿算法、偏振解复用与自适应均衡算法、载波频率与相位恢复算法。

图3-19 PDM-QPSK相干系统中接收机DSP基本功能(www.xing528.com)

为了有效补偿光信号的传输损伤，相干光通信接收机单元将信号均衡分为两部分实现：第一部分处理与偏振无关的传输损伤，例如对光纤色散的补偿；第二部分处理偏振相关的传输损伤，例如由于偏振旋转造成的、偏振态信号间的串扰与偏振模色散引入的损伤等，这需要采用偏振解复用技术，从偏振串扰的信号中恢复出与偏振态的信息，还要完成的补偿。由于与偏振相关的效应通常具有随机性，而且容易受环境因素影响，因此需要根据光纤信道的特性采用自适应的方式实现偏振解复用与信号均衡。另一方面，固定系数滤波器仅对固定色散进行补偿，而在光通信网络中由于环境与路由等因素改变会引起累积色散量的改变，固定色散补偿后仍然存在的残余色散也可以通过自适应均衡器来补偿。总之，偏振解复用与自适应均衡模块的作用就是完成偏振解复用、补偿以及残余色散的补偿。

相干检测系统采用DSP，用于解调、线路均衡和前向纠错（FEC）。在如图3-20所示的相干检测系统中，载波相位跟踪、偏振校准和色散补偿均在数字领域完成。对线性传输损伤，如色度色散（CD）、偏振模色散（PMD）可以提供稳定可靠的性能，也使系统安装、监视和维修更容易，所以得到了前所未有的关注。

图3-20 相干DSP对信号损伤的补偿作用