數(shù)字相干系統(tǒng)知識(shí)科普

我們知道，光通信系統(tǒng)由于具有較大的帶寬并支持遠(yuǎn)距離傳輸，因此應(yīng)用非常廣泛。其帶寬可以通過速率與距離乘積或BL積來量化，BL是量化光纖鏈路質(zhì)量和不同技術(shù)代能力的最合適指標(biāo)。

如下圖所示是不同時(shí)期光纖通信技術(shù)下的BL曲線圖：

第 I 代光通信系統(tǒng)使用AlGaAs發(fā)光二極管（LED）和0.8μm激光器，在漸變折射率多模光纖（MMF）中工作。受模態(tài)色散的限制，這些系統(tǒng)的BL值達(dá)到了數(shù)百M(fèi)b/s?km。

上個(gè)世紀(jì)80年代初單模光纖(SMF)的發(fā)展克服了模態(tài)色散問題，開創(chuàng)了第 II 代光纖通信系統(tǒng)。此外，新的InGaAsP光源的開發(fā)使工作狀態(tài)轉(zhuǎn)向所謂的長(zhǎng)波長(zhǎng)，在接近1.3μm的窗口中，光纖衰減較低。80年代中期的第 III 代光纖通信系統(tǒng)將工作波長(zhǎng)的窗口從1.3μm 移至1.5μm，從而進(jìn)一步降低了光纖通道的衰減。第 III 代系統(tǒng)的傳輸模型為發(fā)射器和接收器通過單根光纖傳輸?shù)膯蝹€(gè)光信號(hào)互連。如下圖所示。

從上面的BL曲線中可以看出，光通信在第IV代實(shí)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)的飛躍，即WDM，C+L，Raman等技術(shù)的出現(xiàn)，即通過在光纖中使用頻分復(fù)用的方式（WDM技術(shù)），通過MUX（多路復(fù)用器)將工作在不同波長(zhǎng)的多個(gè)收發(fā)器的輸出光學(xué)多路復(fù)用到一根光纖中，然后在接收端，使用Demux（解復(fù)用器）將多路波長(zhǎng)信號(hào)解復(fù)用。真正開啟了低成本數(shù)據(jù)傳輸?shù)男聲r(shí)代。

不過，在這個(gè)階段，為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的傳輸，通常會(huì)在合適的位置放置電中繼站（RGE），從而當(dāng)光纖衰減信號(hào)時(shí)，信號(hào)可以在電子域中周期性地再生，以便能夠恢復(fù)傳輸?shù)谋忍亍?/p>

但這種方案比較費(fèi)錢，每個(gè)波長(zhǎng)都需要配置對(duì)應(yīng)的中繼單板，想一想，如果是80波，那每個(gè)中繼站就需要80塊中繼單板，假如10個(gè)中繼站呢，成本是非常可怕的。為此，光放大器出現(xiàn)了，得益于摻鉺光纖放大器EDFA的發(fā)明，它可以使得設(shè)備能夠放大光域中的所有波長(zhǎng)，單方向只需要一塊EDFA放大器而無需任何光電光轉(zhuǎn)換，從而大大降低成本。

后面技術(shù)持續(xù)革新，前向糾錯(cuò)FEC技術(shù)、C+L 波段傳輸以及混合EDFA/Ramam拉曼放大。再往后就是我們當(dāng)前的數(shù)字相干傳輸系統(tǒng)，即具有相干檢測(cè)和數(shù)字信號(hào)處理功能的數(shù)字光通信系統(tǒng)。

其實(shí)相干檢測(cè)可以追溯到上個(gè)世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)就被用于提高光譜效率和靈敏度。實(shí)際上，構(gòu)成當(dāng)前相干光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)的大多數(shù)技術(shù)在老早已經(jīng)存在了。

另外當(dāng)10Gb/s 轉(zhuǎn)發(fā)器商用部署時(shí)，40Gb/s系統(tǒng)是下一代速率的一個(gè)趨勢(shì)，但是，由于偏振模色散 （PMD） 和殘余色散 （CD）的影響，要在原有10Gb/s系統(tǒng)上繼續(xù)跑40Gb/s是有較大困難的，。

備注：如果比特速率增加4倍，則隨著信號(hào)帶寬的增加，脈沖擴(kuò)展也會(huì)增加4倍。由于脈沖持續(xù)時(shí)間也減小了4倍，因此對(duì)CD的容差就減小了16 倍，與符號(hào)速率的平方成反比。同時(shí)，PMD的容限也與比特率的增加成反比，就更難接受了，因?yàn)橄啾?0Gb/s，40Gb/s的色散補(bǔ)償要求更高更難。

當(dāng)然，后來CD/PMD這些影響通過相干系統(tǒng)中的接收機(jī)，經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法處理以及自適應(yīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，也就不需要DCM等模塊了。不僅減少了插損，也提高了對(duì)非線性效應(yīng)的容忍度。

下面簡(jiǎn)單看一下相干接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，典型的數(shù)字相干系統(tǒng)的光接收機(jī)由兩個(gè)主要子系統(tǒng)組成：

其中：

第1個(gè)子系統(tǒng)用灰色表示，是其接收器前端，主要由光前端、跨阻放大器（TIA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成。

第2個(gè)子系統(tǒng)用藍(lán)色表示，由一系列數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法組成。第1個(gè)DSP模塊是糾偏模塊（Deskew），負(fù)責(zé)補(bǔ)償4個(gè)接收組件對(duì)齊過程中可能出現(xiàn)的時(shí)間不匹配。下一個(gè)模塊是正交化模塊(orthogonalization)，它補(bǔ)償接收器前端與時(shí)間錯(cuò)位無關(guān)的失配，例如輕微不平衡的光電探測(cè)器或功率分配器。然后，就是2個(gè)靜態(tài)濾光片執(zhí)行色散補(bǔ)償（CD）。接著還有時(shí)鐘恢復(fù)模塊、自適應(yīng)均衡器、頻率恢復(fù)/相位恢復(fù)等。

各個(gè)模塊的具體功能就不在此詳細(xì)討論了。