三分钟了解相干光通信中的DSP技术

易飞扬

相干传输的诞生改变了光传输网络的发展，其引入的电子数字信号处理器（DSP）成为增加城域和长途WDM网络容量的关键推动因素。在过去，尽管波长容量的提升依赖于光源、调制器和探测器的速度演进，但DSP和它们实现的相关复杂调制编码，已经成为增加网络容量的主要驱动因素。随着光传输速度达到每波400Gbit/s以上，日益重要的相干DSP为光学供应商和行业格局开辟了重大变革的可能性。

什么是DSP?DSP原理与组成
DSP即数字信号处理技术，DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片，是一种快速强大的微处理器，独特之处在于它能即时处理资料。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。

DSP模块原理
DSP模块处理来自相干接收机输出得到的两路偏振电信号，经过如下图功能模块处理，完成原始信号的恢复。DSP的主要任务在于对模拟信号进行采样，量化，把模拟信号转换成数字信号，去除光纤链路中的色度色散，偏振模色散，完成载波频偏估计，载波相位恢复等功能。

DSP模块框图

DSP模块组成
时钟同步及ADC模块
一般使用插值滤波器来恢复数字时钟，由于符号时钟（T）与ADC的采样时钟（Ts）是相互独立的，因此为了使得发射符号时钟（T）与调整后的接收机采样时钟（Ti）同步，因此必须调制接收机的符号取样时刻。

使用插值滤波器作为主要的算法是一种较为成熟的恢复数字时钟技术、为了使数字接收机输出正确的采用型号（与符号时钟同步），即调整接收机的采样时刻，通常采用开环结构符号时钟同步算法。

均衡及偏振解复用模块
为了处理偏振信号之间的干扰和信道的非理想性，必须运用偏振解复用和均衡技术进行信号的处理。首先，偏振解复用的功能是使用特定结构的滤波器实现的，这是为了抵消偏振信号之间的干扰，这种干扰是由传输过程中各个偏振信号产生的一定程度的偏转造成的。另外，自适应的均衡技术是为了处理在光纤链路传输过程中出现的由于非理想性的信道特性造成的损伤，这种线性损伤主要是由一阶偏振模色散和光纤造成的。

频偏估计与相位恢复模块
为了正确的解调接收信号，需要完成载波的频偏估计。主要原因在于：由于没有对本振信号进行反馈控制，接收信号在光相干接收机中将会出现一个与本地振荡源的频率偏远，因此频偏估计的方法必须在接收机中实现。

为什么相干光通信要采用DSP技术，有何优势？
相干检测与DSP技术相结合，可以在电域进行载波相位同步和偏振跟踪，清除了传统相干接收的两大障碍；基于DSP的相干接收机结构简单，具有硬件透明性，可在电域补偿各种传输损伤，简化传输链路，降低传输成本；支撑多进制调制格式和偏振复用，实现高频谱效率的传输。

采用DSP技术有何劣势，如何解决？
由于DSP引入了DAC/ADC与算法，其功耗一定高于传统基于模拟技术的CDR芯片。无论对于模块本身或是未来交换机的面板热设计都是巨大挑战。因此，其功耗管理及低功耗设计技术也成为当前研究的热点。在实际运行中,系统在相当一部分的运行时间内处于空转或低负荷状态，这些时间段内系统所额外消耗的能量可以通过低功耗设计措施加以避免。

低功耗设计的主要切入点即根据系统运行的实际负载，在保证按要求完成处理任务的前提下，通过合理调低系统的相关性能以实现系统的低功耗运行。为了达到这一目标，需要在系统中实现可靠的低性能运行机制，对系统的各个部件进行有效监控并采用合理的策略对系统功耗加以管理。