三分鐘了解相干光通信中的DSP技術

  ICC訊 相干傳輸?shù)恼Q生改變了光傳輸網絡的發(fā)展，其引入的電子數(shù)字信號處理器(DSP)成為增加城域和長途WDM網絡容量的關鍵推動因素。在過去，盡管波長容量的提升依賴于光源、調制器和探測器的速度演進，但DSP和它們實現(xiàn)的相關復雜調制編碼，已經成為增加網絡容量的主要驅動因素。隨著光傳輸速度達到每波400Gbit/s以上，日益重要的相干DSP為光學供應商和行業(yè)格局開辟了重大變革的可能性。

  什么是DSP?DSP原理與組成

  DSP即數(shù)字信號處理技術，DSP芯片即指能夠實現(xiàn)數(shù)字信號處理技術的芯片，是一種快速強大的微處理器，獨特之處在于它能即時處理資料。DSP芯片的內部采用程序和數(shù)據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。在當今的數(shù)字化時代背景下，DSP已成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。

  DSP模塊原理

  DSP模塊處理來自相干接收機輸出得到的兩路偏振電信號，經過如下圖功能模塊處理，完成原始信號的恢復。DSP的主要任務在于對模擬信號進行采樣，量化，把模擬信號轉換成數(shù)字信號，去除光纖鏈路中的色度色散，偏振模色散，完成載波頻偏估計，載波相位恢復等功能。

  DSP模塊功能框圖

  DSP模塊組成

  時鐘同步及ADC模塊一般使用插值濾波器來恢復數(shù)字時鐘，由于符號時鐘(T)與ADC的采樣時鐘(Ts)是相互獨立的，因此為了使得發(fā)射符號時鐘(T)與調整后的接收機采樣時鐘(Ti)同步，因此必須調制接收機的符號取樣時刻。

  使用插值濾波器作為主要的算法是一種較為成熟的恢復數(shù)字時鐘技術、為了使數(shù)字接收機輸出正確的采用型號(與符號時鐘同步)，即調整接收機的采樣時刻，通常采用開環(huán)結構符號時鐘同步算法。

  均衡及偏振解復用模塊為了處理偏振信號之間的干擾和信道的非理想性，必須運用偏振解復用和均衡技術進行信號的處理。首先，偏振解復用的功能是使用特定結構的濾波器實現(xiàn)的，這是為了抵消偏振信號之間的干擾，這種干擾是由傳輸過程中各個偏振信號產生的一定程度的偏轉造成的。另外，自適應的均衡技術是為了處理在光纖鏈路傳輸過程中出現(xiàn)的由于非理想性的信道特性造成的損傷，這種線性損傷主要是由一階偏振模色散和光纖造成的。

  頻偏估計與相位恢復模塊為了正確的解調接收信號，需要完成載波的頻偏估計。主要原因在于：由于沒有對本振信號進行反饋控制，接收信號在光相干接收機中將會出現(xiàn)一個與本地振蕩源的頻率偏遠，因此頻偏估計的方法必須在接收機中實現(xiàn)。

  為什么相干光通信要采用DSP技術，有何優(yōu)勢?

  相干檢測與DSP技術相結合，可以在電域進行載波相位同步和偏振跟蹤，清除了傳統(tǒng)相干接收的兩大障礙;基于DSP的相干接收機結構簡單，具有硬件透明性，可在電域補償各種傳輸損傷，簡化傳輸鏈路，降低傳輸成本;支持多進制調制格式和偏振復用，實現(xiàn)高頻譜效率的傳輸。

  采用DSP技術有何劣勢，如何解決?

  由于DSP引入了DAC/ADC與算法，其功耗一定高于傳統(tǒng)基于模擬技術的CDR芯片。無論對于模塊本身或是未來交換機的面板熱設計都是巨大挑戰(zhàn)。因此，其功耗管理及低功耗設計技術也成為當前研究的熱點。在實際運行中，系統(tǒng)在相當一部分的運行時間內處于空轉或低負荷狀態(tài)，這些時間段內系統(tǒng)所額外消耗的能量可以通過低功耗設計措施加以避免。

  低功耗設計的主要切入點即根據系統(tǒng)運行的實際負載，在保證按要求完成處理任務的前提下，通過合理調低系統(tǒng)的相關性能以實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運行。為了達到這一目標，需要在系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠的低性能運行機制，對系統(tǒng)的各個部件進行有效監(jiān)控并采用合理的策略對系統(tǒng)功耗加以管理。

  相干光通信一直以來是光通信技術制高點。易飛揚秉承光互連設計革新者的理念，于2018年初正式投資進入相干光模塊開發(fā)，開放性地與上游供應鏈進行戰(zhàn)略合作，在低功耗設計、信號調制模型上進行優(yōu)化創(chuàng)新，取得了重大成果。

  為順利啟動商用，易飛揚邀請國內外相關廠商，在OTN傳輸設備上進行了聯(lián)合測試，在兼容性、業(yè)務開通和傳輸性能等方面均取得優(yōu)異的效果。測試實驗也充分驗證了當前采納的硅基相位調制器芯片和DSP芯片的卓越性能。聯(lián)合測試結束后，易飛揚已經取得海外客戶相干光模塊的正式訂單。