相干光通信中DSP技术入门解析与前沿探索

12/13/2023，光纤在线讯，摘要：相干光传输技术已成为高容量、长距离光纤网络必不可少的部分。这种先进的调制技术可以将数据编码到光的振幅、相位和偏振中。每一个相干收发器的核心是一个高度复杂的数字信号处理器（DSP），它执行对实现相干传输至关重要的信号处理。本文全面概述了相干收发器电子引擎内的不同功能，深入关注DSP，总结了DSP技术的最新进展和未来挑战。

简介：
     近几十年来，全球互联网流量呈指数增长，每两年就翻一番。这种持续增长源自对带宽需求巨大的应用，如视频流媒体、云计算、社交媒体以及物联网（IoT）驱动的大量联网设备。为了跟上数据爆炸式增长的浪潮，服务提供商已经将核心光传输网络从简单的点对点链路转变为高速、灵活的网状拓扑。但是，依赖传统的光传输技术限制了容量和传输距离，成为未来增长的瓶颈。

     相干传输技术已成为解决之道，使核心网络在单个光纤上传输数据量提高了100倍。这种先进的调制方式将信息编码到光的三个属性中：振幅、相位和偏振。相干传输打开了远超传统简单开关键技术的容量和传输距离。

     每一个相干收发器的核心是一个由专用电子电路和先进算法组成的高度复杂的数字信号处理器（DSP）。DSP执行对实现相干传输必不可少的信号处理，包括编码/解码数据、补偿信道损耗、监控性能等。DSP的创新是过去十年相干传输技术革命的催化剂。

     随着全球互联网流量的快速增长，相干技术的能力也需要相应提高。DSP在传输距离、效率和功耗方面的增强为行业继续改进相干收发器提供了重要机遇，以满足我们的数据需求。本文将全面概述相干收发器电子引擎内的不同功能，重点深入关注DSP。它还将总结DSP技术的最新进展和挑战。

相干收发器的电子引擎

DSP是每个相干收发器内更大的电子系统的一部分，称为电子引擎。如图1所示，该引擎包含以下关键部件：

 · 模拟处理电路，在模拟和数字格式间转换信号。光纤传输是模拟光信号，但数据处理是数字的。在发射和接收信号时都必须进行格式转换。
 · 数字信号处理（DSP）对数据进行编码/解码并补偿信道损耗。这是核心的信号处理功能。
 · 前向误差校正（FEC）增强了对噪声和失真的容忍性。FEC使相干链路能够处理比传统直接检测链路高100万倍的误码率。
 · 网桥，在以太网和光传送网络（OTN）格式间转换数据。
 · 如微处理器、串行/并行转换器（SERDES）等胶合逻辑电路，以连接各个模块。

     电子引擎中的每个模块都包含专用电路和算法，使其成为独立的知识产权。因此，开发整个引擎需要各个领域的专业。

    
图1. 用于相干光收发器的电子引擎布局，包括该引擎对信号的处理顺序
DSP的基础

     现在聚焦到DSP单元本身，该模块执行将数字数据映像到光信号属性以及反向映像的关键工作。

     实现此映射的核心技术称为正交调制，该过程将数据编码到光信号的振幅和相位，四状态正交调制方案称为正交相移键控（QPSK）。更高级的变体如16状态正交振幅调制（16-QAM）可实现更高的数据率。

如图2所示，DSP的一些核心功能包括：

 · 使用正交调制方案将数据映射到相位和偏振进行编码/解码。
 · 插入导频信号以帮助接收端解码。导频为相位和偏振提供参考。
 · 自适应均衡以补偿光纤信道引起的信号频谱失真。
 · 色散补偿以抵消导致光脉冲扩散的色散效应。
 · 非线性补偿以减轻自相混频等非线性效应。
 · 使用数字滤波器进行谱整形，实现最大带宽利用率。

 
图2. 信号在发射和接收时所遵循的DSP模块布局及顺序
DSP技术的最新进展

     展望未来，DSP的两个重要进步方向是传输距离/效率和能源效率。像概率星座整形（PCS）和更快调制格式等技术前景广阔。

     如图3所示，PCS以非均匀方式使用信号星座点，在给定功率预算下传输更多比特。PCS带来重大好处，包括增加传输距离、更好的非线性容限和更大灵活性。

     关于调制格式，行业正在逐步从早期QPSK系统转向更高阶调制如16-QAM和64-QAM。但是，需要改进的DSP算法来处理这些高密度调制格式的增加失真。

     在能源效率方面，DSP已消耗相干收发器总能量的大约50%。继续提高容量和带宽将进一步增加对DSP芯片的能量需求。DSP功率随带宽、调制格式和FEC等处理功能的提高而扩展。因此，智能优化DSP及其电连接对未来扩展至关重要。

     
图3. 传统16-QAM与概率星座整形（PCS） 16-QAM的比较。图片来源：Infinera
总结

     在过去十年中，DSP创新是相干传输技术在光网络中的革命性催化剂。但我们不能停滞不前，因为全球互联网流量仍在视频、虚拟现实、物联网等高带宽应用的推动下持续快速增长。

     DSP在传输距离、效率和功耗等方面的增强为行业继续改进相干收发器提供了重要机遇。随着对高带宽服务的增长，DSP将继续成为下一代光网络的数字之心，使光纤容量能满足数据需求。DSP的持续创新对避免容量挤兑，保持数字世界持续增长非常重要。

（来源：逍遥科技）