100Gbit/s光传输实现关键的技术分析

洪练灼

【摘 要】介绍了超100Gbit/s光传输实现的关键技术。鉴于当前光电器件工艺水平，100 Gbit/s的光传输速率具有更高的可行性。

【关键词】光传输；正交幅度调制；数字相干接收机

【中图分类号】TN929.1 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0101-01

1 100Gbit/s光传输实现的关键技术

1.1关键器件技术

业界初步估计100G关键器件将于2010年左右开始生产，于2011/2012年开始规模商用。100G传送解决方案所需的关键高速光器件和预计的成熟时间（规模商用时间）。

其中光模块和高速DSP影响最大。只有高速光模块才能实现100Gbps 速率的调制。DSP则对于相干电接收至关重要，只有在100G高速率数字处理技术取得突破时，才能实现软判决、相干电接收的复杂电处理，从而提高接收灵敏度，加大100G 的传输距离。

1.2数字信号处理技术

100G的相干解调是在电域中对信号进行偏振估计和相位估计，因此高效的DSP技术对于100G的发展至关重要。100G信号经数字信号处理后可以提高色散容限，减少线路色散补偿的使用，抑制非线性损伤的影响；提高自适应线路色散变化的相应速度，避免了40G技术采用的色散补偿器的弊端；使系统PMD容限大幅度提升。PMD效应也不再成为限制系统传输距离的因素，系统组网能力及灵活性将得到极大的提高。目前，PDM- QPSK、相干接收和DSP技术的配合使用，已成为100G传输系统最主流的技术配置方案。而DSP技术由于设计复杂，成本高昂，一直是100G发展的瓶颈。因此高性能低成本的高速数字信号处理技术是100G大规模商用的关键因素之一。

1.3多维度调制技术

多维度、多进制（M）调制技术可在一个符号上承载多个（log2M）比特信息，能够有效提高频谱效率，降低符号发送的波特率，减小基带带宽及与之相关的色度色散和偏振模色散，减小对传输通道和光电器件带宽的要求。在此基础上，充分利用两线性正交偏振态可有效复用的特性进一步降低数据传输的波特率，提高频谱效率和通道损伤容忍能力。需要指出的是，尽管低波特率可获得较好的光滤波容限，但多级调制会减小星座图上符号之间的最小间距，降低OSNR灵敏度以及非线性容忍能力，要求在频谱效率、接收灵敏度以及OSNR要求之间进行权衡。

1.4 正交频分复用技术

时间周期为T且中心频率间隔为1/T整数倍的脉冲信号在时域和频域具有正交性。基于上述认知，可将传统的宽带光载波通道细分为多个相互正交的窄带子载波，分别进行编码调制后复用传输，以减小和消除宽带载波调制所固有的色度色散和偏振模色散，抑制同一载波通道上前后符号间的干扰。

具体实现上，光正交频分复用发射机可将数据分块后分别对子载波进行映射编码，然后利用逆向离散傅立叶变换将其转换为离散的时域波形描述序列，经数模转换、放大驱动、低通滤波后驱动调制器实现电光转换。在接收端，OFDM光信号经光电转换后由模数转换器采样量化为数字信号，经离散傅立叶变换转换为频域信号，完成各子载波符号恢复和数据提取。为抑制和消除色散引起的载波间干扰，可在符号间插入保护时隙。在保护时隙间隔大于色度色散和最大差分群时延所导致的时延扩展情况下，OFDM可以有效解决色度色散和偏振模色散所引起的符号间干扰问题。

1.5数字相干接收

相干检测可将光信号的所有光学属性（偏振态、幅度、相位）映射到电域，可解析任意光调制格式的信息。相干检测在实现上可采用零差检测、外差检测和内差检测三种方式。其中，零差检测具有最优的接收灵敏度和波长选择能力，但要求通过锁频控制确保本振激光器的频率相位与所接收光信号保持一致，对激光器的线宽和稳定性要求极高；外差检测经中频转换将频率相位恢复的难题转移至电域，可以降低对激光器线宽的要求，但要求接收机光电器件带宽至少为信号基带带宽的两倍；内差检测与零差检测结构相似，放宽了对本振激光器与发射机激光器的频率相位一致性要求，而通过正交分量信号相位分集接收和电信号处理获取频率相位信息，兼具零差检测和外差检测的优点。

数字相干接收机采用偏振分集和相位分集方式将光脉冲信号所承载的数据信息映射转换为电信号，经高速模数转换器在时间和幅度的离散化后，通过数字信号处理实现色散（CD、PMD）补偿、时序恢复、偏振解复用、载波相位估计、符号估计和线性解码。数字相干接收发挥了微电子集成技术的巨大优势，利用廉价而成熟的数字信号处理技术提高数据传输的可行性和可靠性。数字信号处理的自适应算法可动态补偿随时间变化的传输损伤，并可实现高效的前向纠错编码算法。不论是相干检测还是非相干检测，光信号在完成光电转换经高速模数转换器采样量化为数字信号后，可采用数字信号处理技术实现载波频率相位估计和线性相位噪声的均衡及补偿。载波恢复和数据提取后，可采用前向纠错编码对传输过程中产生的误码进行纠错恢复。

1.6前向纠错编码

在调制、检测、均衡以及复用技术无法满足系统传输性能要求的情况下，可采用线性编码技术进一步改善系统性能。实践证明，FEC可有效提高系统传输性能，优化OSNR要求，提高信号对通道损伤的容忍能力。近年来，迭代FEC编码如Turbo、LDPC编码以其高编码增益广受关注，其中迭代解码LDPC较Turbo编码具有更优的纠错特性和实现复杂度。

除了采用新的编码算法外，采用软判决也可以提高FEC编码增益。软硬判决的区别在于其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位，其判决非“0”即“1”，没有回旋余地。软判决则采用多个比特位对信号进行量化，并通过Viterbi等估计算法提高判决的准确率。当FEC编码开销为7%和25%时，理论上软判决比硬判决的编码增益分别高出1.1dB和1.3dB，实际上软判决比硬判决的编码增益分别高出0.5dB和0.9 dB。软判决需多位ADC采样量化，并通过数字信号处理进行估计，其硬件复杂度以及处理时延较大，选用时需权衡其性价比。基于软判决和加乘算法的迭代式LDPC算法具有逼近香农极限的编码增益并易于采用并行处理的方式实现，可望用于超100Gbit/s光传输系统。

采用FEC编码无疑会引入编码开销，导致数据传输波特率以及基带带宽增大，给系统传输性能带来负面影响。在选用FEC算法时，需权衡其实现复杂度、处理时延以及编码开销所导致的速率增加对系统传输性能的影响，在满足编码增益要求的前提下尽可能减小编码开销及其所带来的硬件实现复杂度。

2 结束语

下一代100Gbit/s光传输将继承基于相干接收PM-QPSK调制的100Gbit/s光传输的设计思想，采用偏振复用、多级正交幅度调制提高频谱效率，采用OFDM多载波技术提高频谱利用率，抑制色散影响，降低对光电器件带宽的要求，采用数字相干接收技术提高接收灵敏度和信道均衡能力，采用基于软判决的纠错编码技术进一步提高编码增益。

参考文献

[1]李悦，OFDM关键技术研究[J].信息通信.2005（05）

[2]陈咏涛，OFDM技术浅析[A].2005年安徽通信论文集[C].2006