12/13/2023，光纖在線訊，摘要：相干光傳輸技術(shù)已成為高容量、長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)必不可少的部分。這種先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)可以將數(shù)據(jù)編碼到光的振幅、相位和偏振中。每一個(gè)相干收發(fā)器的核心是一個(gè)高度復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），它執(zhí)行對(duì)實(shí)現(xiàn)相干傳輸至關(guān)重要的信號(hào)處理。本文全面概述了相干收發(fā)器電子引擎內(nèi)的不同功能，深入關(guān)注DSP，總結(jié)了DSP技術(shù)的最新進(jìn)展和未來(lái)挑戰(zhàn)。

簡(jiǎn)介：
     近幾十年來(lái)，全球互聯(lián)網(wǎng)流量呈指數(shù)增長(zhǎng)，每?jī)赡昃头�一番。這種持續(xù)增長(zhǎng)源自對(duì)帶寬需求巨大的應(yīng)用，如視頻流媒體、云計(jì)算、社交媒體以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）驅(qū)動(dòng)的大量聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。為了跟上數(shù)據(jù)爆炸式增長(zhǎng)的浪潮，服務(wù)提供商已經(jīng)將核心光傳輸網(wǎng)絡(luò)從簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚�、靈活的網(wǎng)狀拓?fù)�。但是，依賴傳統(tǒng)的光傳輸技術(shù)限制了容量和傳輸距離，成為未來(lái)增長(zhǎng)的瓶頸。

     相干傳輸技術(shù)已成為解決之道，使核心網(wǎng)絡(luò)在單個(gè)光纖上傳輸數(shù)據(jù)量提高了100倍。這種先進(jìn)的調(diào)制方式將信息編碼到光的三個(gè)屬性中：振幅、相位和偏振。相干傳輸打開(kāi)了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)鍵技術(shù)的容量和傳輸距離。

     每一個(gè)相干收發(fā)器的核心是一個(gè)由專用電子電路和先進(jìn)算法組成的高度復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。DSP執(zhí)行對(duì)實(shí)現(xiàn)相干傳輸必不可少的信號(hào)處理，包括編碼/解碼數(shù)據(jù)、補(bǔ)償信道損耗、監(jiān)控性能等。DSP的創(chuàng)新是過(guò)去十年相干傳輸技術(shù)革命的催化劑。

     隨著全球互聯(lián)網(wǎng)流量的快速增長(zhǎng)，相干技術(shù)的能力也需要相應(yīng)提高。DSP在傳輸距離、效率和功耗方面的增強(qiáng)為行業(yè)繼續(xù)改進(jìn)相干收發(fā)器提供了重要機(jī)遇，以滿足我們的數(shù)據(jù)需求。本文將全面概述相干收發(fā)器電子引擎內(nèi)的不同功能，重點(diǎn)深入關(guān)注DSP。它還將總結(jié)DSP技術(shù)的最新進(jìn)展和挑戰(zhàn)。

相干收發(fā)器的電子引擎

DSP是每個(gè)相干收發(fā)器內(nèi)更大的電子系統(tǒng)的一部分，稱為電子引擎。如圖1所示，該引擎包含以下關(guān)鍵部件：

 · 模擬處理電路，在模擬和數(shù)字格式間轉(zhuǎn)換信號(hào)。光纖傳輸是模擬光信號(hào)，但數(shù)據(jù)處理是數(shù)字的。在發(fā)射和接收信號(hào)時(shí)都必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。
 · 數(shù)字信號(hào)處理（DSP）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼/解碼并補(bǔ)償信道損耗。這是核心的信號(hào)處理功能。
 · 前向誤差校正（FEC）增強(qiáng)了對(duì)噪聲和失真的容忍性。FEC使相干鏈路能夠處理比傳統(tǒng)直接檢測(cè)鏈路高100萬(wàn)倍的誤碼率。
 · 網(wǎng)橋，在以太網(wǎng)和光傳送網(wǎng)絡(luò)（OTN）格式間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
 · 如微處理器、串行/并行轉(zhuǎn)換器（SERDES）等膠合邏輯電路，以連接各個(gè)模塊。

     電子引擎中的每個(gè)模塊都包含專用電路和算法，使其成為獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此，開(kāi)發(fā)整個(gè)引擎需要各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)。

    
圖1. 用于相干光收發(fā)器的電子引擎布局，包括該引擎對(duì)信號(hào)的處理順序
DSP的基礎(chǔ)

     現(xiàn)在聚焦到DSP單元本身，該模塊執(zhí)行將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)映像到光信號(hào)屬性以及反向映像的關(guān)鍵工作。

     實(shí)現(xiàn)此映射的核心技術(shù)稱為正交調(diào)制，該過(guò)程將數(shù)據(jù)編碼到光信號(hào)的振幅和相位，四狀態(tài)正交調(diào)制方案稱為正交相移鍵控（QPSK）。更高級(jí)的變體如16狀態(tài)正交振幅調(diào)制（16-QAM）可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)率。

如圖2所示，DSP的一些核心功能包括：

 · 使用正交調(diào)制方案將數(shù)據(jù)映射到相位和偏振進(jìn)行編碼/解碼。
 · 插入導(dǎo)頻信號(hào)以幫助接收端解碼。導(dǎo)頻為相位和偏振提供參考。
 · 自適應(yīng)均衡以補(bǔ)償光纖信道引起的信號(hào)頻譜失真。
 · 色散補(bǔ)償以抵消導(dǎo)致光脈沖擴(kuò)散的色散效應(yīng)。
 · 非線性補(bǔ)償以減輕自相混頻等非線性效應(yīng)。
 · 使用數(shù)字濾波器進(jìn)行譜整形，實(shí)現(xiàn)最大帶寬利用率。

 
圖2. 信號(hào)在發(fā)射和接收時(shí)所遵循的DSP模塊布局及順序
DSP技術(shù)的最新進(jìn)展

     展望未來(lái)，DSP的兩個(gè)重要進(jìn)步方向是傳輸距離/效率和能源效率。像概率星座整形（PCS）和更快調(diào)制格式等技術(shù)前景廣闊。

     如圖3所示，PCS以非均勻方式使用信號(hào)星座點(diǎn)，在給定功率預(yù)算下傳輸更多比特。PCS帶來(lái)重大好處，包括增加傳輸距離、更好的非線性容限和更大靈活性。

     關(guān)于調(diào)制格式，行業(yè)正在逐步從早期QPSK系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更高階調(diào)制如16-QAM和64-QAM。但是，需要改進(jìn)的DSP算法來(lái)處理這些高密度調(diào)制格式的增加失真。

     在能源效率方面，DSP已消耗相干收發(fā)器總能量的大約50%。繼續(xù)提高容量和帶寬將進(jìn)一步增加對(duì)DSP芯片的能量需求。DSP功率隨帶寬、調(diào)制格式和FEC等處理功能的提高而擴(kuò)展。因此，智能優(yōu)化DSP及其電連接對(duì)未來(lái)擴(kuò)展至關(guān)重要。

     
圖3. 傳統(tǒng)16-QAM與概率星座整形（PCS） 16-QAM的比較。圖片來(lái)源：Infinera
總結(jié)

     在過(guò)去十年中，DSP創(chuàng)新是相干傳輸技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)中的革命性催化劑。但我們不能停滯不前，因?yàn)槿�球互�?lián)網(wǎng)流量仍在視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等高帶寬應(yīng)用的推動(dòng)下持續(xù)快速增長(zhǎng)。

     DSP在傳輸距離、效率和功耗等方面的增強(qiáng)為行業(yè)繼續(xù)改進(jìn)相干收發(fā)器提供了重要機(jī)遇。隨著對(duì)高帶寬服務(wù)的增長(zhǎng)，DSP將繼續(xù)成為下一代光網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字之心，使光纖容量能滿足數(shù)據(jù)需求。DSP的持續(xù)創(chuàng)新對(duì)避免容量擠兌，保持?jǐn)?shù)字世界持續(xù)增長(zhǎng)非常重要。

（來(lái)源：逍遙科技）