100GBIT/S高速光傳輸技術的實現探討

洪練灼

【摘要】隨著信息化的步伐不斷加快，光傳輸技術的發展也在不斷的提升，從最初的100kbit/s、10Mbit/s，到40Gbit/s一直到100Gbit/s甚至到超100Gbit/s。說明光傳輸技術迎來新的時代，根據目前的工藝水平，本文對100Gbit/s光傳輸技術進行探討。

【關鍵詞】100Gbit/s光傳輸；關鍵技術；復用技術；調制

【中圖分類號】TN929.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0102-01

1、100Gbit/s光傳輸實現的關鍵技術

1.1 數字信號處理技術

100G的相干解調是在電域中對信號進行偏振估計和相位估計，因此高效的DSP技術對于100G的發展至關重要。100G信號經數字信號處理后可以提高色散容限，減少線路色散補償的使用，抑制非線性損傷的影響；提高自適應線路色散變化的相應速度，避免了40G技術采用的色散補償器的弊端；使系統PMD容限大幅度提升。PMD效應也不再成為限制系統傳輸距離的因素，系統組網能力及靈活性將得到極大的提高。目前，PDM-QPSK、相干接收和DSP技術的配合使用，已成為100G傳輸系統最主流的技術配置方案。而DSP技術由于設計復雜，成本高昂，一直是100G發展的瓶頸。因此高性能低成本的高速數字信號處理技術是100G大規模商用的關鍵因素之一。

1.2 關鍵器件技術

業界初步估計IOOG關鍵器件將于2010年左右開始生產，于2011/2012年開始規模商用。100G傳送解決方案所需的關鍵高速光器件和預計的成熟時間（規模商用時間）。

其中光模塊和高速DSP影響最大。只有高速光模塊才能實現lOOGbps速率的調制。DSP則對于相干電接收至關重要，只有在IOOG高速率數字處理技術取得突破時，才能實現軟判決、相干電接收的復雜電處理，從而提高接收靈敏度，加大IOOG的傳輸距離。

1.3 正交頻分復用技術

時間周期為T且中心頻率間隔為1/T整數倍的脈沖信號在時域和頻域具有正交性。基于上述認知，可將傳統的寬帶光載波通道細分為多個相互正交的窄帶子載波，分別進行編碼調制后復用傳輸，以減小和消除寬帶載波調制所固有的色度色散和偏振模色散，抑制同一載波通道上前后符號間的干擾。

具體實現上，光正交頻分復用發射機可將數據分塊后分別對子載波進行映射編碼，然后利用逆向離散傅立葉變換將其轉換為離散的時域波形描述序列，經數模轉換、放大驅動、低通濾波后驅動調制器實現電光轉換。在接收端，OFDM光信號經光電轉換后由模數轉換器采樣量化為數字信號，經離散傅立葉變換轉換為頻域信號，完成各子載波符號恢復和數據提取。為抑制和消除色散引起的載波間干擾，可在符號間插入保護時隙。在保護時隙間隔大于色度色散和最大差分群時延所導致的時延擴展情況下，

OFDM可以有效解決色度色散和偏振模色散所引起的符號間干擾問題。

1.4 多維度調制技術

多維度、多進制（M）調制技術可在一個符號上承載多個（log2M）比特信息，能夠有效提高頻譜效率，降低符號發送的波特率，減小基帶帶寬及與之相關的色度色散和偏振模色散，減小對傳輸通道和光電器件帶寬的要求。在此基礎上，充分利用兩線性正交偏振態可有效復用的特性進一步降低數據傳輸的波特率，提高頻譜效率和通道損傷容忍能力。需要指出的是，盡管低波特率可獲得較好的光濾波容限，但多級調制會減小星座圖上符號之間的最小間距，降低OSNR靈敏度以及非線性容忍能力，要求在頻譜效率、接收靈敏度以及OSNR要求之間進行權衡。

1.5 數字相干接收

相干檢測可將光信號的所有光學屬性（偏振態、幅度、相位）映射到電域，可解析任意光調制格式的信息。相干檢測在實現上可采用零差檢測、外差檢測和內差檢測三種方式。其中，零差檢測具有最優的接收靈敏度和波長選擇能力，但要求通過鎖頻控制確保本振激光器的頻率相位與所接收光信號保持一致，對激光器的線寬和穩定性要求極高；外差檢測經中頻轉換將頻率相位恢復的難題轉移至電域，可以降低對激光器線寬的要求，但要求接收機光電器件帶寬至少為信號基帶帶寬的兩倍；內差檢測與零差檢測結構相似，放寬了對本振激光器與發射機激光器的頻率相位一致性要求，而通過正交分量信號相位分集接收和電信號處理獲取頻率相位信息，兼具零差檢測和外差檢測的優點。

數字相干接收機采用偏振分集和相位分集方式將光脈沖信號所承載的數據信息映射轉換為電信號，經高速模數轉換器在時間和幅度的離散化后，通過數字信號處理實現色散（CD、PMD）補償、時序恢復、偏振解復用、載波相位估計、符號估計和線性解碼。數字相干接收發揮了微電子集成技術的巨大優勢，利用廉價而成熟的數字信號處理技術提高數據傳輸的可行性和可靠性。數字信號處理的自適應算法可動態補償隨時間變化的傳輸損傷，并可實現高效的前向糾錯編碼算法。不論是相干檢測還是非相干檢測，光信號在完成光電轉換經高速模數轉換器采樣量化為數字信號后，可采用數字信號處理技術實現載波頻率相位估計和線性相位噪聲的均衡及補償。載波恢復和數據提取后，可采用前向糾錯編碼對傳輸過程中產生的誤碼進行糾錯恢復。

1.6 前向糾錯編碼

在調制、檢測、均衡以及復用技術無法滿足系統傳輸性能要求的情況下，可采用線性編碼技術進一步改善系統性能。實踐證明，FEC可有效提高系統傳輸性能，優化OSNR要求，提高信號對通道損傷的容忍能力。近年來，迭代FEC編碼如Turbo、LDPC編碼以其高編碼增益廣受關注，其中迭代解碼LDPC較Turbo編碼具有更優的糾錯特性和實現復雜度。

除了采用新的編碼算法外，采用軟判決也可以提高FEC編碼增益。軟硬判決的區別在于其對信號量化所采用的比特位數。硬判決對信號量化的比特數為1位，其判決非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特位對信號進行量化，并通過Viterbi等估計算法提高判決的準確率。當FEC編碼開銷為7%和25%時，理論上軟判決比硬判決的編碼增益分別高出1.1dB和1.3dB，實際上軟判決比硬判決的編碼增益分別高出0.5dB和0.9 dB。軟判決需多位ADC采樣量化，并通過數字信號處理進行估計，其硬件復雜度以及處理時延較大，選用時需權衡其性價比。基于軟判決和加乘算法的迭代式LDPC算法具有逼近香農極限的編碼增益并易于采用并行處理的方式實現，可望用于超100Gbit/s光傳輸系統。

采用FEC編碼無疑會引入編碼開銷，導致數據傳輸波特率以及基帶帶寬增大，給系統傳輸性能帶來負面影響。在選用FEC算法時，需權衡其實現復雜度、處理時延以及編碼開銷所導致的速率增加對系統傳輸性能的影響，在滿足編碼增益要求的前提下盡可能減小編碼開銷及其所帶來的硬件實現復雜度。

2、結束語

下一代100Gbit/s光傳輸將繼承基于相干接收PM-QPSK調制的100Gbit/s光傳輸的設計思想，采用偏振復用、多級正交幅度調制提高頻譜效率，采用OFDM多載波技術提高頻譜利用率，抑制色散影響，降低對光電器件帶寬的要求，采用數字相干接收技術提高接收靈敏度和信道均衡能力，采用基于軟判決的糾錯編碼技術進一步提高編碼增益。