100Gbit-s光傳輸實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的技術(shù)分析

1、    100gbit/s光傳輸實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的技術(shù)分析    洪練灼【摘 要】介紹了超100gbit/s光傳輸實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于當(dāng)前光電器件工藝水平，100 gbit/s的光傳輸速率具有更高的可行性?！娟P(guān)鍵詞】光傳輸；正交幅度調(diào)制；數(shù)字相干接收機(jī)tn929.1 a 1672-5158（2013）03-0101-011 100gbit/s光傳輸實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)1.1關(guān)鍵器件技術(shù)業(yè)界初步估計(jì)100g關(guān)鍵器件將于2010年左右開(kāi)始生產(chǎn)，于2011/2012年開(kāi)始規(guī)模商用。100g傳送解決方案所需的關(guān)鍵高速光器件和預(yù)計(jì)的成熟時(shí)間（規(guī)模商用時(shí)間）。其中光模塊和高速ds

2、p影響最大。只有高速光模塊才能實(shí)現(xiàn)100gbps 速率的調(diào)制。dsp則對(duì)于相干電接收至關(guān)重要，只有在100g高速率數(shù)字處理技術(shù)取得突破時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)軟判決、相干電接收的復(fù)雜電處理，從而提高接收靈敏度，加大100g 的傳輸距離。1.2數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)100g的相干解調(diào)是在電域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行偏振估計(jì)和相位估計(jì)，因此高效的dsp技術(shù)對(duì)于100g的發(fā)展至關(guān)重要。100g信號(hào)經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理后可以提高色散容限，減少線路色散補(bǔ)償?shù)氖褂?，抑制非線性損傷的影響；提高自適應(yīng)線路色散變化的相應(yīng)速度，避免了40g技術(shù)采用的色散補(bǔ)償器的弊端；使系統(tǒng)pmd容限大幅度提升。pmd效應(yīng)也不再成為限制系統(tǒng)傳輸距離的因素，系統(tǒng)組網(wǎng)能

3、力及靈活性將得到極大的提高。目前，pdm- qpsk、相干接收和dsp技術(shù)的配合使用，已成為100g傳輸系統(tǒng)最主流的技術(shù)配置方案。而dsp技術(shù)由于設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高昂，一直是100g發(fā)展的瓶頸。因此高性能低成本的高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是100g大規(guī)模商用的關(guān)鍵因素之一。1.3多維度調(diào)制技術(shù)多維度、多進(jìn)制（m）調(diào)制技術(shù)可在一個(gè)符號(hào)上承載多個(gè)（log2m）比特信息，能夠有效提高頻譜效率，降低符號(hào)發(fā)送的波特率，減小基帶帶寬及與之相關(guān)的色度色散和偏振模色散，減小對(duì)傳輸通道和光電器件帶寬的要求。在此基礎(chǔ)上，充分利用兩線性正交偏振態(tài)可有效復(fù)用的特性進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，提高頻譜效率和通道損傷容忍能力。需

4、要指出的是，盡管低波特率可獲得較好的光濾波容限，但多級(jí)調(diào)制會(huì)減小星座圖上符號(hào)之間的最小間距，降低osnr靈敏度以及非線性容忍能力，要求在頻譜效率、接收靈敏度以及osnr要求之間進(jìn)行權(quán)衡。1.4 正交頻分復(fù)用技術(shù)時(shí)間周期為t且中心頻率間隔為1/t整數(shù)倍的脈沖信號(hào)在時(shí)域和頻域具有正交性。基于上述認(rèn)知，可將傳統(tǒng)的寬帶光載波通道細(xì)分為多個(gè)相互正交的窄帶子載波，分別進(jìn)行編碼調(diào)制后復(fù)用傳輸，以減小和消除寬帶載波調(diào)制所固有的色度色散和偏振模色散，抑制同一載波通道上前后符號(hào)間的干擾。具體實(shí)現(xiàn)上，光正交頻分復(fù)用發(fā)射機(jī)可將數(shù)據(jù)分塊后分別對(duì)子載波進(jìn)行映射編碼，然后利用逆向離散傅立葉變換將其轉(zhuǎn)換為離散的時(shí)域波形描述序

5、列，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大驅(qū)動(dòng)、低通濾波后驅(qū)動(dòng)調(diào)制器實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。在接收端，ofdm光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣量化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)離散傅立葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，完成各子載波符號(hào)恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取。為抑制和消除色散引起的載波間干擾，可在符號(hào)間插入保護(hù)時(shí)隙。在保護(hù)時(shí)隙間隔大于色度色散和最大差分群時(shí)延所導(dǎo)致的時(shí)延擴(kuò)展情況下，ofdm可以有效解決色度色散和偏振模色散所引起的符號(hào)間干擾問(wèn)題。1.5數(shù)字相干接收相干檢測(cè)可將光信號(hào)的所有光學(xué)屬性（偏振態(tài)、幅度、相位）映射到電域，可解析任意光調(diào)制格式的信息。相干檢測(cè)在實(shí)現(xiàn)上可采用零差檢測(cè)、外差檢測(cè)和內(nèi)差檢測(cè)三種方式。其中，零差檢測(cè)具有最優(yōu)的接收靈敏度和波長(zhǎng)選擇能力

6、，但要求通過(guò)鎖頻控制確保本振激光器的頻率相位與所接收光信號(hào)保持一致，對(duì)激光器的線寬和穩(wěn)定性要求極高；外差檢測(cè)經(jīng)中頻轉(zhuǎn)換將頻率相位恢復(fù)的難題轉(zhuǎn)移至電域，可以降低對(duì)激光器線寬的要求，但要求接收機(jī)光電器件帶寬至少為信號(hào)基帶帶寬的兩倍；內(nèi)差檢測(cè)與零差檢測(cè)結(jié)構(gòu)相似，放寬了對(duì)本振激光器與發(fā)射機(jī)激光器的頻率相位一致性要求，而通過(guò)正交分量信號(hào)相位分集接收和電信號(hào)處理獲取頻率相位信息，兼具零差檢測(cè)和外差檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字相干接收機(jī)采用偏振分集和相位分集方式將光脈沖信號(hào)所承載的數(shù)據(jù)信息映射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器在時(shí)間和幅度的離散化后，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)色散（cd、pmd）補(bǔ)償、時(shí)序恢復(fù)、偏振解復(fù)用、載波相

7、位估計(jì)、符號(hào)估計(jì)和線性解碼。數(shù)字相干接收發(fā)揮了微電子集成技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)，利用廉價(jià)而成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行院涂煽啃?。?shù)字信號(hào)處理的自適應(yīng)算法可動(dòng)態(tài)補(bǔ)償隨時(shí)間變化的傳輸損傷，并可實(shí)現(xiàn)高效的前向糾錯(cuò)編碼算法。不論是相干檢測(cè)還是非相干檢測(cè)，光信號(hào)在完成光電轉(zhuǎn)換經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣量化為數(shù)字信號(hào)后，可采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波頻率相位估計(jì)和線性相位噪聲的均衡及補(bǔ)償。載波恢復(fù)和數(shù)據(jù)提取后，可采用前向糾錯(cuò)編碼對(duì)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的誤碼進(jìn)行糾錯(cuò)恢復(fù)。1.6前向糾錯(cuò)編碼在調(diào)制、檢測(cè)、均衡以及復(fù)用技術(shù)無(wú)法滿足系統(tǒng)傳輸性能要求的情況下，可采用線性編碼技術(shù)進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。實(shí)踐證明，fec可有效提

8、高系統(tǒng)傳輸性能，優(yōu)化osnr要求，提高信號(hào)對(duì)通道損傷的容忍能力。近年來(lái)，迭代fec編碼如turbo、ldpc編碼以其高編碼增益廣受關(guān)注，其中迭代解碼ldpc較turbo編碼具有更優(yōu)的糾錯(cuò)特性和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。除了采用新的編碼算法外，采用軟判決也可以提高fec編碼增益。軟硬判決的區(qū)別在于其對(duì)信號(hào)量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對(duì)信號(hào)量化的比特?cái)?shù)為1位，其判決非“0”即“1”，沒(méi)有回旋余地。軟判決則采用多個(gè)比特位對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，并通過(guò)viterbi等估計(jì)算法提高判決的準(zhǔn)確率。當(dāng)fec編碼開(kāi)銷(xiāo)為7%和25%時(shí)，理論上軟判決比硬判決的編碼增益分別高出1.1db和1.3db，實(shí)際上軟判決比硬判決的編碼增益分別高

9、出0.5db和0.9 db。軟判決需多位adc采樣量化，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行估計(jì)，其硬件復(fù)雜度以及處理時(shí)延較大，選用時(shí)需權(quán)衡其性價(jià)比。基于軟判決和加乘算法的迭代式ldpc算法具有逼近香農(nóng)極限的編碼增益并易于采用并行處理的方式實(shí)現(xiàn)，可望用于超100gbit/s光傳輸系統(tǒng)。采用fec編碼無(wú)疑會(huì)引入編碼開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸波特率以及基帶帶寬增大，給系統(tǒng)傳輸性能帶來(lái)負(fù)面影響。在選用fec算法時(shí)，需權(quán)衡其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、處理時(shí)延以及編碼開(kāi)銷(xiāo)所導(dǎo)致的速率增加對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響，在滿足編碼增益要求的前提下盡可能減小編碼開(kāi)銷(xiāo)及其所帶來(lái)的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。2 結(jié)束語(yǔ)下一代100gbit/s光傳輸將繼承基于相干接收pm-qpsk調(diào)制的100gbit/s光傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思想，采用偏振復(fù)用、多級(jí)正交幅度調(diào)制提高頻譜效率，采用ofdm多載波技術(shù)提高頻譜利用率，抑制色散影響，降低對(duì)光電器件帶寬的要求，采用數(shù)字相干接收技術(shù)提高接收靈敏度和信道均衡能力，采用基于軟判決的糾錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)一步提高編碼增益。參考文獻(xiàn)1李?lèi)?，ofdm關(guān)鍵技術(shù)研究j.信息通信.2005（05）2陳詠濤，ofdm技術(shù)淺析a.2005年安徽通信論文集c.2006中國(guó)信息化·學(xué)術(shù)版2013年3