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      我的人生哲學(xué)是工作，我要揭示大自然的奧秘，并以此為人類造福。

                                                                                      ——愛迪生（T.A.Edison）

一、DSP在高比特率光纖通信系統(tǒng)中的作用

       如9.5節(jié)所述，相干光通信系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是偏振復(fù)用相干檢測系統(tǒng)有著更高的頻譜效率和傳輸速率。但該系統(tǒng)也面臨著許多新的挑戰(zhàn)，如光纖非線性和色散效應(yīng)、激光器頻率偏移及相位噪聲等。有些效應(yīng)（如色散）可以通過相關(guān)的光器件在光域進(jìn)行補(bǔ)償；而有的效應(yīng)（如偏振模色散（PMD）、光纖非線性和光頻漂移），很難通過光器件在光域補(bǔ)償。此外，當(dāng)本振激光與接收到的光信號拍頻提取調(diào)制相位信息時(shí)，還會產(chǎn)生載波相位噪聲。相位噪聲來源于激光器，它將引起功率代價(jià)，降低接收機(jī)靈敏度，增加比特誤碼率。

       在開發(fā)高速光傳輸系統(tǒng)中，相干檢測和數(shù)字信號處理（DSP）是已用的兩種關(guān)鍵技術(shù)。對于400Gbit/s系統(tǒng)，不但接收機(jī)采用DSP，甚至奈奎斯特脈沖整形發(fā)送機(jī)也采用DSP。

       相干檢測系統(tǒng)采用DSP，用于解調(diào)、線路增益均衡和前向糾錯(cuò)。在如圖10.3.1所示的相干檢測DSP系統(tǒng)中，載波相位跟蹤、偏振校準(zhǔn)和色散補(bǔ)償均在數(shù)字領(lǐng)域完成。DSP對線性傳輸損傷，如色度色散、偏振模色散可以提供穩(wěn)定可靠的性能，也使系統(tǒng)安裝、監(jiān)視和維修更加容易，所以在高速光纖通信中得到廣泛的使用。

       在受光纖色度色散、偏振模色散和非線性效應(yīng)影響的單信道和DWDM系統(tǒng)中，發(fā)送端/接收端的DSP技術(shù)可以顯著提高QPSK和QAM調(diào)制系統(tǒng)的性能。

圖10.3.1相干檢測DSP構(gòu)成及其作用

a）相干檢測DSP構(gòu)成原理圖b）光纖傳輸后展寬光脈沖經(jīng)接收機(jī)DSP色散補(bǔ)償重新變窄

二、DSP基礎(chǔ)——電子濾波均衡色散補(bǔ)償

       電子色散補(bǔ)償（EDC）是一種光纖色散補(bǔ)償技術(shù)，其目的是擴(kuò)展光纖線路無補(bǔ)償傳輸?shù)木嚯x。EDC技術(shù)由于其小型化、低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到更多的關(guān)注。EDC是基于電子濾波（均衡）的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)進(jìn)行光纖色散補(bǔ)償?shù)?，它通過對接收光信號在電域進(jìn)行抽樣、軟件優(yōu)化和信號復(fù)原，有效地調(diào)整接收信號的波形，恢復(fù)由于色度色散、偏振模色散和非線性引起的光信號展寬和失真，從而達(dá)到色散補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

       EDC有兩種形式：基于發(fā)送端的EDC和基于接收端的EDC。目前，高速大容量光纖通信系統(tǒng)既在接收端采用EDC，也在發(fā)送端采用EDC。EDC結(jié)構(gòu)有多種形式，比較典型的有前饋均衡器、判決反饋均衡器、固定延遲樹查詢和最大似然序列估計(jì)法這4種。其中最大似然序列估計(jì)法色散補(bǔ)償效果最好，但這種方法需要高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，功耗大，在10Gbit/s系統(tǒng)中一般不采用。

       接收機(jī)可以使用電子技術(shù)對群速度色散進(jìn)行補(bǔ)償。其原理是：盡管GVD使輸入光信號展寬，如果認(rèn)為光纖是一個(gè)線性系統(tǒng)，就可以用電子方法來均衡色散的影響。對于相干檢測接收系統(tǒng)，這種色散補(bǔ)償方法是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橄喔山邮諜C(jī)首先把光頻轉(zhuǎn)換為保留了信息幅度和相位的微波中頻ωIF信號。微波帶通濾波器的沖激響應(yīng)為

式中，L是光纖長度，它對應(yīng)式（10.2.2）中的z，幾十厘米長的微帶線就可以對色散補(bǔ)償。

       但是在直接檢測接收機(jī)中，就不能用線性電子電路補(bǔ)償GVD，因?yàn)楣馓綔y器只對光的強(qiáng)度響應(yīng)，所有的相位信息在這里都丟失了。因此必須用非線性均衡方法，例如讓通常固定在眼圖中間位置的判決門限跟隨前一個(gè)比特的幅度變化，但是這種方法需要復(fù)雜的高速邏輯控制電路，成本較高，同時(shí)此方法也只能用于低比特率補(bǔ)償幾個(gè)色散距離的系統(tǒng)。

       高速光纖通信系統(tǒng)一般綜合采用前饋均衡器（FFE）和判決反饋均衡器（DFE）進(jìn)行補(bǔ)償，如圖10.3.2所示。圖中，F(xiàn)FE由一個(gè)有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）構(gòu)成，輸入信號通過一個(gè)分級延時(shí)電路，將每一級的輸出加權(quán)累加得到濾波器的輸出。延時(shí)電路的級數(shù)取決于傳輸信道造成的脈沖展寬。FIR是線性濾波器，它可以設(shè)計(jì)成具有與光通道相反的傳輸特性，從而抵消色散的線性成分。DFE的主要作用是補(bǔ)償失真信號的非線性成分，它和判決器一起構(gòu)成反饋回路，用均方誤差準(zhǔn)則優(yōu)化均衡器系數(shù)，基于前面探測到的信號，動態(tài)調(diào)節(jié)判決閾值電平，消除碼間干擾。

圖10.3.2綜合使用FIR和判決反饋均衡器（DFE）進(jìn)行電子色散補(bǔ)償