100G DWDM系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)原理

1、100G DWDM 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)原理劉志寧 張華鋒 重慶市電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，400041 liu_； HYPERLINK mailto: 摘要：通信網(wǎng)絡(luò)中高速率業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬提出了更高、更迫切的需求。從目前 主流的 10/40Gbps 光傳輸技術(shù)向 100Gb/s 演進(jìn)成為光傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文簡述了 100G DWDM 系統(tǒng)關(guān) 鍵技術(shù)的基本原理,分析了 100G系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)并詳細(xì)介紹了 100Gb/s線路側(cè)光模塊基本實(shí)現(xiàn)原理。 關(guān)鍵字：100G DWDM PM-QPSK相干接收DSP算法背景介紹通信網(wǎng)絡(luò)中高速率業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展,對(duì)現(xiàn)有的城域網(wǎng)絡(luò)及省際、國

2、際骨干通信網(wǎng)絡(luò)的傳 輸帶寬提出了更高、更迫切的要求。從目前主流的10/40Gbps光傳輸技術(shù)向lOOGb/s演進(jìn)成 為光傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。近年來大量研究表明,相位調(diào)制及相干接收時(shí)最具前景的 100G 光傳輸方式,其中,采用相干接收技術(shù)的 PM-QPSK 傳輸系統(tǒng)最被業(yè)界認(rèn)可,信道中的各種損 傷，如色散，PMD,載波的頻率和相位偏移等，都可以通過PM-QPSK系統(tǒng)接收機(jī)利用數(shù)字信 號(hào)處理（DSP）技術(shù)在電域中進(jìn)行靈活的補(bǔ)償并進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。因此，PM-QPSK結(jié)合相干檢 測提供了最優(yōu)化的解決方案，這被大多數(shù)的系統(tǒng)供應(yīng)商選擇為100G傳輸方案。100G 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2.1偏振復(fù)用正交相移鍵控（PM

3、-QPSK）正交相移鍵控（QPSK）是一種多元（4元）數(shù)字頻帶調(diào)制方式，其信號(hào)的正弦載波有4 個(gè)可能的離散相位狀態(tài)，每個(gè)載波相位攜帶2個(gè)二進(jìn)制符號(hào)。PM-QPSK將單個(gè)100G信號(hào)分 成2個(gè)具有不同偏振狀態(tài)的50G載波信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)載波做QPSK調(diào)制。因此，該方式能 將通道波特速率降到一半，同時(shí)，由于每個(gè)偏振態(tài)可以使用4個(gè)相位來表示bit信息，有可 以實(shí)現(xiàn)通道波特速率降到一半，因此，經(jīng)過PM-QPSK編碼后，波特率可以降至bit率的四分 之一。下圖為 PM-QPSK 編碼方式示意圖：Pol(0,0)(1,0)YPol(I)A YPolX XPol圖1 PM-QPSK編碼示意圖2.2 SD-F

4、ECFEC技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，不同的FEC能獲得不同的系統(tǒng)性能，根據(jù)接收信 號(hào)處理方式的不同，F(xiàn)EC可分為硬判決碼和軟判決碼。硬判決碼是基于傳統(tǒng)糾錯(cuò)碼觀點(diǎn)的譯碼方式，解調(diào)器首先對(duì)信道輸出值進(jìn)行最佳硬判決，硬判決的FEC冗余度約為7%,已在光通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。軟判決譯碼則充分利用了信道輸出的波形信息，解調(diào)器將匹配濾波器輸出的一個(gè)實(shí)數(shù)值 送入譯碼器，即軟判決譯碼器需要的不僅僅是“0/1”碼流，還需要“軟信息”來說明這些 “0/1”的可靠程度，即離判決門限越遠(yuǎn)，判決的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要體 現(xiàn)遠(yuǎn)近程度就要把判決空間劃分得更細(xì)。除了劃分“0/1”的門限，還要用“置信門限”將

5、 “0”和“1”空間進(jìn)行劃分以說明判決點(diǎn)在判決空間的相對(duì)位置。與硬判決相比，軟判決包 含了更多的信道信息，譯碼器能夠通過概率譯碼充分利用這些信息，從而獲得比硬判譯碼更 大的編碼增益。OIF建議100G選擇冗余度小于20%的軟判決糾錯(cuò)編碼(SD-FEC),凈編碼增益可達(dá)10.5dB 左右，采用SD-FEC的100G技術(shù)，能基本達(dá)到與10G同量級(jí)的傳輸距離。2.3 相干技術(shù)相干是指波的振動(dòng)量相同，振動(dòng)方向、頻率相同，而且相位關(guān)系固定信號(hào)的解調(diào)機(jī)制。 利用調(diào)制信號(hào)的載波和接收到的已調(diào)信號(hào)相乘，然后通過低通濾波得到調(diào)制信號(hào)的檢測方 式。相干檢測可檢測強(qiáng)度，相位以及頻率調(diào)制的光載無線 信號(hào)。光信號(hào)在進(jìn)入

6、光接收機(jī)之前與接收端的本振激光器(L0)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生一個(gè)等于本振激光器的頻率和原光源頻率之差 的中頻分量。與直接檢測相比，相干檢測更容易獲得大的信噪比，可恢復(fù)的信號(hào)種類較多，并且頻率 選擇性較好，更適合密集波分復(fù)用系統(tǒng)。數(shù)字相干接收機(jī)通過相位分集和偏振態(tài)分集將光信 號(hào)的所有光學(xué)屬性映射到電域，利用成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在電域?qū)崿F(xiàn)偏振解復(fù)用和通道 線性損傷(CD、PMD)補(bǔ)償，簡化傳輸通道光學(xué)色散補(bǔ)償和偏振解復(fù)用設(shè)計(jì)，減少和消除對(duì)光 色散補(bǔ)償器和低PMD光纖的依賴。旦數(shù)字相干接收機(jī)將傳輸通道設(shè)計(jì)的復(fù)雜度轉(zhuǎn)移到了接收 機(jī)，相干檢測獲得較好的檢測性質(zhì)代價(jià)就是大大提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且缺乏靈活性。

7、100G 實(shí)現(xiàn)基本原理100G 線路側(cè)模塊發(fā)送端基本原理100Gb/s線路側(cè)光模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是應(yīng)用于長距離光傳輸，支持0TU4的DWDM設(shè)備線路 側(cè)傳輸。下圖為lOOGb/s線路側(cè)光模塊發(fā)送端的原理框圖。如圖所示，可調(diào)諧激光器(ITLA)輸出的連續(xù)光送入QPSK調(diào)制器(Modulator),在調(diào) 制器中通過一個(gè)偏振分離器件產(chǎn)生 PBS 后成為兩路偏振太相互正交的光波，沒個(gè)偏振太分別 由一個(gè)QPSK調(diào)制器對(duì)該光波進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制信號(hào)時(shí)有MUX產(chǎn)生的兩路I和0信號(hào)，通過寬 帶放大器(Driver)將I和O信號(hào)放大，施加在調(diào)制器上產(chǎn)生電光調(diào)制。調(diào)制后的兩路QPSK 信號(hào)經(jīng)過一個(gè)PBC合成一路PM-QP

8、SK偏振復(fù)用信號(hào)輸出。對(duì)于QPSK調(diào)制器(Modulator)還 需要通過閉環(huán)控制對(duì)其I、Q和Pi/2相位多個(gè)偏置點(diǎn)進(jìn)行反饋控制(MZ bias control),使 QPSK調(diào)制器(Modulator)長期穩(wěn)定地工作在正常的偏置狀態(tài)。此外，發(fā)射單元還通過SD-FEC的編碼器(SD-FEC Encoder)將需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并輸入到MUX(X)和MUX(Y)中， 通過并串轉(zhuǎn)的方式產(chǎn)生4路串行數(shù)據(jù)輸出到渠道器(Driver)中。模塊接收側(cè)基本原理如圖3所示PM-QPSK光信號(hào)講過長距離傳輸后，由光模塊的相干接收單元(Coherent Detect ion)接收，光信號(hào)通過偏振分束器分為

9、兩個(gè)相互正交的偏振光信號(hào)，記為X方向和 Y方向，X方向和Y方向的光信號(hào)分別于相應(yīng)本振偏振光進(jìn)行90度相干混頻(90(Hybrid), 混頻輸出的信號(hào)經(jīng)過平衡光電檢測器(0/E)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后通過ADC進(jìn)行抽樣和量化 處理，完成模擬/數(shù)字變換，最后，抽樣量化后的離散數(shù)字序列被送入數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 單元中進(jìn)行處理。MDA1EC DecoaerADC0/EADC11O/EHybird圖 3 100Gb/s 線路側(cè)光模塊接收機(jī)原理框圖在數(shù)字信號(hào)處理單元(DSP )中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過時(shí)鐘恢復(fù)處理實(shí)現(xiàn)同步，經(jīng)電域均衡實(shí) 現(xiàn)偏振解復(fù)用及去CD，PMD及部分非線性效應(yīng)損傷，通過頻偏估計(jì)和相應(yīng)判決處理

10、消除本振 光源和發(fā)送光載波的頻差以及相位噪聲的影響。然后將處理后的數(shù)據(jù)送入 SD-FEC 解碼器單 元(SD-FEC Decoder)進(jìn)行解碼，最后恢復(fù)出數(shù)據(jù)信號(hào)。3.3 DSP 算法基本原理數(shù)字信號(hào)處理單元完成DSP算法,該算法只要可以分成5個(gè)子功能:數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)(ClockRecovery)、均衡和偏振解復(fù)用(Equalization with Polarization Demultiplexing)、頻 偏估計(jì)(Carrier Estimation),相偏估計(jì)(Phase Estimation)、解碼和數(shù)據(jù)恢復(fù)(Slicer &Decoder)。其功能框圖如圖4所示。圖4 數(shù)字信號(hào)處理單

11、元功能框圖下面對(duì)將分別對(duì)框圖中各單元進(jìn)行簡單介紹：1）數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)數(shù)字時(shí)鐘恢復(fù)的目的是：由于ADC的采樣時(shí)鐘是獨(dú)立于發(fā)射端的符號(hào)時(shí)鐘的，所以必須 利用插值濾波器接收機(jī)的符號(hào)取樣時(shí)刻，使得調(diào)整后的接收機(jī)采樣時(shí)鐘與發(fā)射符號(hào)時(shí)鐘同 步，即保證ADC的采樣速率與符號(hào)速率完全吻合。2）均衡和偏振解復(fù)用 均衡和偏振解復(fù)用是對(duì)單個(gè)偏振太進(jìn)行的。均衡的作用是消除由于信道的線性因素造成的信號(hào)串?dāng)_，可以采用固定或可變抽頭系數(shù)的FIR實(shí)現(xiàn)而偏振解復(fù)用需要采用蝶形濾波器實(shí) 現(xiàn)；偏振解復(fù)用是為了將兩個(gè)偏振太的信號(hào)分離開。因?yàn)樾盘?hào)傳輸時(shí)，兩個(gè)偏振太中間有串 擾（偏振耦合造成），而且由于偏振旋轉(zhuǎn)，接收端PBS之后的信號(hào)偏振

12、太與初始偏振太不對(duì) 應(yīng)。3）載波頻偏估計(jì) 由于激光器的非理想特性，光相干接收機(jī)種本振激光器的振蕩頻率，可能會(huì)與載波頻率之間存在一定的偏差，這個(gè)頻率偏差反映在符號(hào)上，是相位的偏移，對(duì)于 PM-QPSK 這種相位 調(diào)制系統(tǒng)而言，必須去除頻偏帶來的相位偏移，才有可能解調(diào)出最后的數(shù)據(jù)符號(hào)，因此，頻 偏估計(jì)是接收機(jī)種不可缺少的一個(gè)模塊。其原理是對(duì)頻偏大小的檢測，在根據(jù)估計(jì)出的頻偏 值，對(duì)符號(hào)進(jìn)行相位修正以去除頻偏的影響。4）載波相偏估計(jì) 由于激光器存在線寬，所以其真實(shí)振蕩頻率附近會(huì)產(chǎn)生一些相位偏移，再加上頻偏估計(jì)的誤差，使得頻偏估計(jì)之后的符號(hào)，其相位偏移依然存在，并且這個(gè)偏移量隨著時(shí)間而變化， 可以覆蓋

13、到0到2 n所有范圍。載波相位恢復(fù)的目的就是去除這部分相位偏移量，使其輸出 的符號(hào)相位可以直接用于符號(hào)判決。載波相位估計(jì)的基本原理是獲得出了信息相位意外的相 位偏移量，并從每個(gè)符號(hào)中去除。5）解碼與數(shù)據(jù)恢復(fù)對(duì)于QPSK，在恢復(fù)出信號(hào)的相位后，可根據(jù)相位調(diào)制規(guī)則分別得到兩個(gè)偏振太的I、Q 路信號(hào)；對(duì)于DQPSK，恢復(fù)出信號(hào)相位后，還需要將前后兩個(gè)符號(hào)的相位相減，再得到兩個(gè) 偏振太的I、Q信號(hào)。100G 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)眾所周知，單信道速率的每一次提升，都會(huì)受到包括OSNR容限、色散、PMD及非線性 等傳輸損傷的限制，因此需要更為先進(jìn)的技術(shù)來減小這些傳輸損傷的影響， 100G 融合了偏 振復(fù)用

14、、相位調(diào)制、超強(qiáng)FEC、相干檢測、DSP等多技術(shù)，現(xiàn)行100G技術(shù)解決方案特點(diǎn)有以 下幾點(diǎn)：1）通過采用技術(shù)偏振復(fù)用，利用光信號(hào)的兩個(gè)偏振態(tài)之間相互正交特性來實(shí)現(xiàn)在同一 個(gè)光載波上攜帶兩路信息，使得信號(hào)碼元速率下降一半。2）利用QPSK技術(shù)可以使光載波攜帶的信息量增大一倍，與偏振復(fù)用的結(jié)合使得100G 信號(hào)波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應(yīng)用在50GHz間隔的OTN系統(tǒng)中，同時(shí)也降低了 信號(hào)對(duì)光纖非線性容忍度的要求。3）通過LDPC （低密度奇偶校驗(yàn)碼）解決方案，以及軟判決方式，有效的提高和編碼增 益。4）相干檢測與ADC和數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的結(jié)合也是100G極為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)突

15、破，相 比于直接檢測和自相干解調(diào)方式，相干檢測及DSP技術(shù)結(jié)合能有效提高解調(diào)效率，提高接收 機(jī)靈敏度，在電域均衡色散和PMD,降低成本等優(yōu)點(diǎn)。100G 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)5.1 100G 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀100G技術(shù)是融合了 PM-QPSK、相干接收、超強(qiáng)FEC等多種關(guān)鍵技術(shù)的新型高速傳輸技術(shù)。 雖然100G技術(shù)提出的時(shí)間較短，但是從該技術(shù)的提出到接近設(shè)備成熟可謂異常迅速。100G 技術(shù)的源頭是100GE業(yè)務(wù)，100GE技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已由美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、 國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T）和光互聯(lián)論壇（0IF）等進(jìn)行開發(fā)。2010年IEEE802.3ba 對(duì)100G

16、E完成了規(guī)范，而ITU-T在2009年底就為100GE業(yè)務(wù)承載定義了 OTU4，同時(shí)OIF規(guī) 范了業(yè)務(wù)的100G長距模塊的實(shí)現(xiàn)以及100G互連互通接口規(guī)范。得益于IEEE、ITU-T. OIF 等標(biāo)準(zhǔn)組織幾乎同步推進(jìn)并發(fā)布100G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，100G市場被業(yè)界一致看好，普遍認(rèn)為100G 是一個(gè)具有10年以上長壽命的產(chǎn)品。隨著100G相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相繼發(fā)布，2011年國際主流設(shè)備商先后推出了 100G DWDM骨干傳 輸解決方案。為了解決干線傳輸帶寬壓力，全球領(lǐng)先運(yùn)營商積極推進(jìn)100G商用化進(jìn)程。典 型如華為在KPN的100Gb/s部署、阿朗在法國Completel的100Gb/s升級(jí)、香港新世界電信

17、 的 100G 部署等。2011 年中國電信啟動(dòng)了 100G DWDM 設(shè)備研究性測試，在此基礎(chǔ)上完成了國 內(nèi) 100G DWDM 設(shè)備技術(shù)要求( 標(biāo)準(zhǔn)) ，中國移動(dòng)近期正在進(jìn)行 100G DWDM 設(shè)備的測試，預(yù)計(jì)今 年中國電信和中國移動(dòng)都會(huì)啟動(dòng)ioog dwdm現(xiàn)網(wǎng)部署。100G 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1ooGb/s 技術(shù)的關(guān)鍵特征決定了其是未來幾年高速傳輸帶寬的主流提供技術(shù)。從100Gb/s后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)來看，2012年將是lOOGB/s長距傳輸?shù)臏y試驗(yàn)證年，2013年將是 1ooGb/s 技術(shù)現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)?zāi)辏?2o14 年在體積和功耗進(jìn)一步降低后將逐步推動(dòng)規(guī)模商用，而更高 速率的400Gb/s或1Tb

18、/s將重新成為高速傳輸應(yīng)用技術(shù)新的關(guān)注焦點(diǎn)。結(jié)論經(jīng)過光通信界的共同努力，100GDWDM技術(shù)已基本成熟，主流光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商都適時(shí)推出 了 100G長距離光傳輸解決方案，國內(nèi)外運(yùn)營商已啟動(dòng)了商用測試的步伐，我們將迎來100G DWDM時(shí)代。參考文獻(xiàn)崔平、趙文玉等.lOOGbs光收發(fā)模塊技術(shù)發(fā)展研究中國通信標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)研究報(bào)告.(2011.11)李智宇.100Gb/s PM-QPSK相干接收機(jī)載波頻偏估計(jì)和相位恢復(fù)算法的研究.北京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué) 位論文(2010.1)100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document (2009.6)OIF-FEC-100G-01.0.100G Forward Error Correction White Paper(2010.5)Draft