T比特傳輸解密

烽火通信 | 許佳力

T比特傳輸解密

烽火通信 | 許佳力

由烽火牽頭的國家973項目“超高速、超大容量、超長距離光傳輸基礎研究”近日通過驗收，刷新我國光傳輸最高紀錄，推動我國光傳輸技術實現新突破。

DWDM光傳輸系統其單通道傳輸速率經歷了由2.5Gbit/s→10Gbit/s→40Gbit/s的提升，正在實現由40Gbit/s→100Gbit/s的跨越，并醞釀下一代超100Gbit/s光傳輸系統。

超100Gbit/s光傳輸意在可用頻帶資源不變的情況下進一步提升單根光纖的傳輸容量，其關鍵在于提高頻譜資源的利用率和頻譜效率。超100Gbit/s光傳輸將繼承100Gbit/s光傳輸系統的設計思想，采用偏振復用、多級調制提高頻譜效率；采用OFDM技術規避目前光電子器件帶寬和開關速度的限制；采用數字相干接收提高接收機靈敏度和信道均衡能力。關于下一代超100Gbit/s的傳輸速率目前有兩種提法，分別為400Gbit/s和1Tbit/s。

烽火通信Tbit傳輸系統工程師馮勇華介紹說：“對于光傳輸系統而言，光纖損耗窗口導致的可用帶寬限制和光傳輸通道光器件級聯引起的窄帶濾波效應，要求光傳輸的頻譜效率最大化；光傳輸通道的非線性效應要求光傳輸功率的效率最大化。光纖色散以及光電器件水平對光傳輸符號基帶帶寬亦有限制，這就要求高容量光傳輸系統充分利用光信號可調制維度（幅度、相位、偏振態）來承載數據以提高頻譜效率，采用OFDM技術提高頻譜利用率并降低符號傳輸的波特率以抑制色散的影響，減小對光、電器件帶寬的要求；采用數字相干接收技術提高接收機的靈敏度和信道均衡能力；采用更高增益的糾錯編碼提高系統的健壯性?！?/p>

多維度調制技術

如圖1所示，多維度、多進制調制技術可在一個符號上承載多個比特信息，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。充分利用兩線性正交偏振態可有效復用的特性可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。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，要求在頻譜效率和接收靈敏度以及OSNR要求之間進行權衡。

正交頻分復用技術

圖1 多維度多級調制星座圖

圖2 相干接收光正交頻分復用系統結構

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。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。（如圖2所示）

OFDM具有如下優勢：第一，子頻帶割分降低了系統對光電器件的帶寬要求，增強了光電器件和模塊選擇的靈活性；第二，導頻副載波便于信道和相位估計；第三提高了頻譜資源利用率，具有很好的可擴展性。

數字相干接收技術

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。

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。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和補償。

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。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。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”。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，實際實現上軟判決比硬判決的編碼增益分別高出0.5dB和0.9dB。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和功耗，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，可用于超100Gbit/s光傳輸系統。

由烽火牽頭的國家“973項目”——“超高速、超大容量、超長距離光傳輸基礎研究”（簡稱“三超”）通過驗收，在國內首次實現一根頭發絲般粗細的普通單模光纖中以超大容量超密集波分復用傳輸80公里，傳輸總容量達到100.23Tb/s，相當于12.01億對用戶在一根光纖上同時通話，10萬部高清電影1秒鐘下載完畢。

“三超”實驗成功刷新我國光傳輸最高紀錄、推動我國光傳輸技術實現突破，有效解決“高階調制、高譜效率實現、非線性效應抑制”等超高速高譜效率、超長距離傳輸系統等關鍵技術問題，為超高速、超密集波分復用、超長距離傳輸的實用化奠定了技術基礎，推動我國邁向傳輸容量100T全球前列。