12/13/2023，光纖在線訊，摘要：相干光傳輸技術已成為高容量、長距離光纖網(wǎng)絡必不可少的部分。這種先進的調(diào)制技術可以將數(shù)據(jù)編碼到光的振幅、相位和偏振中。每一個相干收發(fā)器的核心是一個高度復雜的數(shù)字信號處理器（DSP），它執(zhí)行對實現(xiàn)相干傳輸至關重要的信號處理。本文全面概述了相干收發(fā)器電子引擎內(nèi)的不同功能，深入關注DSP，總結(jié)了DSP技術的最新進展和未來挑戰(zhàn)。

簡介：
     近幾十年來，全球互聯(lián)網(wǎng)流量呈指數(shù)增長，每兩年就翻一番。這種持續(xù)增長源自對帶寬需求巨大的應用，如視頻流媒體、云計算、社交媒體以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）驅(qū)動的大量聯(lián)網(wǎng)設備。為了跟上數(shù)據(jù)爆炸式增長的浪潮，服務提供商已經(jīng)將核心光傳輸網(wǎng)絡從簡單的點對點鏈路轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚�、靈活的網(wǎng)狀拓撲。但是，依賴傳統(tǒng)的光傳輸技術限制了容量和傳輸距離，成為未來增長的瓶頸。

     相干傳輸技術已成為解決之道，使核心網(wǎng)絡在單個光纖上傳輸數(shù)據(jù)量提高了100倍。這種先進的調(diào)制方式將信息編碼到光的三個屬性中：振幅、相位和偏振。相干傳輸打開了遠超傳統(tǒng)簡單開關鍵技術的容量和傳輸距離。

     每一個相干收發(fā)器的核心是一個由專用電子電路和先進算法組成的高度復雜的數(shù)字信號處理器（DSP）。DSP執(zhí)行對實現(xiàn)相干傳輸必不可少的信號處理，包括編碼/解碼數(shù)據(jù)、補償信道損耗、監(jiān)控性能等。DSP的創(chuàng)新是過去十年相干傳輸技術革命的催化劑。

     隨著全球互聯(lián)網(wǎng)流量的快速增長，相干技術的能力也需要相應提高。DSP在傳輸距離、效率和功耗方面的增強為行業(yè)繼續(xù)改進相干收發(fā)器提供了重要機遇，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，重點深入關注DSP。它還將總結(jié)DSP技術的最新進展和挑戰(zhàn)。

相干收發(fā)器的電子引擎

DSP是每個相干收發(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，該引擎包含以下關鍵部件：

 · 模擬處理電路，在模擬和數(shù)字格式間轉(zhuǎn)換信號。光纖傳輸是模擬光信號，但數(shù)據(jù)處理是數(shù)字的。在發(fā)射和接收信號時都必須進行格式轉(zhuǎn)換。
 · 數(shù)字信號處理（DSP）對數(shù)據(jù)進行編碼/解碼并補償信道損耗。這是核心的信號處理功能。
 · 前向誤差校正（FEC）增強了對噪聲和失真的容忍性。FEC使相干鏈路能夠處理比傳統(tǒng)直接檢測鏈路高100萬倍的誤碼率。
 · 網(wǎng)橋，在以太網(wǎng)和光傳送網(wǎng)絡（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，以連接各個模塊。

     電子引擎中的每個模塊都包含專用電路和算法，使其成為獨立的知識產(chǎn)權。因此，開發(fā)整個引擎需要各個領域的專業(yè)。

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

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

     實現(xiàn)此映射的核心技術稱為正交調(diào)制，該過程將數(shù)據(jù)編碼到光信號的振幅和相位，四狀態(tài)正交調(diào)制方案稱為正交相移鍵控（QPSK）。更高級的變體如16狀態(tài)正交振幅調(diào)制（16-QAM）可實現(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行編碼/解碼。
 · 插入導頻信號以幫助接收端解碼。導頻為相位和偏振提供參考。
 · 自適應均衡以補償光纖信道引起的信號頻譜失真。
 · 色散補償以抵消導致光脈沖擴散的色散效應。
 · 非線性補償以減輕自相混頻等非線性效應。
 · 使用數(shù)字濾波器進行譜整形，實現(xiàn)最大帶寬利用率。

 
圖2. 信號在發(fā)射和接收時所遵循的DSP模塊布局及順序
DSP技術的最新進展

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

     如圖3所示，PCS以非均勻方式使用信號星座點，在給定功率預算下傳輸更多比特。PCS帶來重大好處，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，需要改進的DSP算法來處理這些高密度調(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一步增加對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展。因此，智能優(yōu)化DSP及其電連接對未來擴展至關重要。

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

     在過去十年中，DSP創(chuàng)新是相干傳輸技術在光網(wǎng)絡中的革命性催化劑。但我們不能停滯不前，因為全球互聯(lián)網(wǎng)流量仍在視頻、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等高帶寬應用的推動下持續(xù)快速增長。

     DSP在傳輸距離、效率和功耗等方面的增強為行業(yè)繼續(xù)改進相干收發(fā)器提供了重要機遇。隨著對高帶寬服務的增長，DSP將繼續(xù)成為下一代光網(wǎng)絡的數(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)新對避免容量擠兌，保持數(shù)字世界持續(xù)增長非常重要。

（來源：逍遙科技）