基于频域均衡的Tbs级相干光单载波系统

36系统与方案Systems&Solutions基于频域均衡的Tb/s级相干光单载波系统引言近年来，随着光纤通信系统每通道传输速率的飞速提升，各种传输损伤的影响也越来越严重，其中光纤色度色散、偏振模色散和克尔非线性是重要损伤来源。对于色度色散和偏振模色散，传统的解决办法是采用光学方法进行补偿，例如在传输链路中加入色散补偿光纤模块或者色散补偿光纤光栅进行色散补偿，但是光学方法不仅成本高，而且缺乏灵活性。随着近年来半导体技术的迅猛发展，集成电路的处理速度有了很大提升，将数字信号处理(DSP)技术应用于光纤通信系统中进行损伤补偿成为了一个新的研究热点。利用DSP技术，可以对直接检测方式中接收的数据进行电均衡。另外，随着DSP技术的发展，相干光检测技术又重新回到了历史的舞台。在直接检测系统中，平方律检测只保留了幅度信息，丢掉了相位信息，而相干光检测能够同时保留信号中所包含的幅度、相位、偏振等信息，利用DSP技术不仅能够恢复出信号的幅度、相位、偏振等信息，而且能够对接收到的信号进行各种补偿和均衡，这也为采用偏振复用和多进制调制，进一步提高频谱效率提供了更多的便利。近年来，在各种相干光通信技术中，相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)受到广泛关注。OFDM信号利用循环前缀能够有效抵抗色度色散和偏振模色散，所采用的频域均衡方式极大地降低了计算复杂度，此外它本身还有着高频谱效率的优势。这几年光通信领赵春旭李巨浩张帆陈章渊北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室北京100871摘　要对相干光单载波频域均衡系统(CO-SCFDE)、相干光单载波频分复用系统(CO-SCFDM)以及相干光正交频分复用系统(CO-OFDM)的理论和实验进行了对比研究，结果表明基于频域均衡的相干光单载波系统既保留了正交频分复用方式计算复杂度较低、频谱效率高和抗色散性能好的优点，又有效地减小了光纤非线性带来的传输损伤，是高速长距离光纤传输的一种有潜力的技术方案。关键词相干光通信；正交频分复用；单载波频域均衡；单载波频分复用域的主流就是围绕着CO-OFDM展开的。但是，OFDM信号有一个缺点，就是它的峰均比过大。这一方面极大地提高了对系统中放大器的要求，另一方面过大的瞬时功率在光纤中会产生较大的克尔非线性效应，使得传输性能明显恶化。其峰均比大的根本原因在于OFDM是一种多载波调制方式，其多个光载波的叠加光场功率可能因为相位的不同出现很大的差别。因此我们将目光又重新放到了单载波信号上，并且采取频域均衡的方式来尽可能保留CO-OFDM信号的优势。本文中，我们对两种单载波系统与CO-OFDM系统分别作了对比。这两种系统分别为单载波频域均衡(SCFDE)系统与单载波频分复用(SCFDM)系统，它们都是基于频域均衡的处理方法。基金项目：国家重点基础研究发展计划(2010CB328201、2010CB328202)；国家自然科学基金(60907030、60877045)371三种信号的数字信号处理方法首先，我们介绍一下这三种系统在数字信号处理方法上的区别。图1所表示的是三种信号在发射端的数字信号处理流程。首先将要传输的数据进行正交幅度调制(QAM)。与OFDM信号不同的是，SCFDE信号在发送端并没有经过逆离散傅里叶变换(IDFT)，而是将待发送的单载波信号进行了成块处理，将每一块单元加入循环前缀来效仿OFDM信号抵制色散和偏振模色散的影响。而对于SCFDM信号，在发射端引入了一对傅里叶变换。在插入导频之后，利用M点离散傅里叶变换(DFT)将信号变换到频域，然后进行子载波映射，即在高频段的子载波置零，起到保护子载波的作用，而原信号频谱置于低频段。再变换回时域时需要利用N点的IDFT，其中N＞M。如果N=M，则相当于不加入保护子载波，而这一对傅里叶变换的作用也相互抵消，SCFDM信号则变为SCFDE信号。SCFDM信号利用子载波的映射来对频谱进行整形，从而有效达到限制带宽提高频谱效率的目的。这样利用略微增加的计算复杂度取得了与OFDM信号相似的特性。另外，由于其单载波信号的特点，它的峰均比仍远小于OFDM信号。SCFDMM⚍DFTN⚍IDFTᄤ䕑⊶᯴ᇘSCFDEOFDMІˋᑊ᭄᥂ᑊ/Іᦦܹᕾ⦃ࠡ㓔QAM䇗ࠊᦦܹᇐ乥N⚍IDFTথᇘ᭄᥂QAM䇗ࠊІˋᑊᦦܹᇐ乥ᦦܹᕾ⦃ࠡ㓔ᑊ/Іথᇘ᭄᥂᭄᥂᭄᥂QAM䇗ࠊІˋᑊᦦܹᇐ乥ᦦܹᕾ⦃ࠡ㓔ᑊ/Іথᇘ᭄᥂图1三种信号在发射端的数字信号处理流程图图2表示了三种系统在接收端的数字信号处理流程。从图中我们可以看到，三种信号都是在接收端首先去掉了循环前缀，也就去除了色散的影响，然后通过DFT，变换到了频域进行均衡。这样做的好处就是大大简化了系统的计算复杂度。由于SCFDE和SCFDM信号是单载波时域信号，因此在均衡之后需要用IDFT变换回时域来进行相位的纠正，最后再进行QAM解调得到传输数据。ഛ㸵Ⳍԡ㑴ℷM⚍IDFTN⚍DFTSCFDMN⚍IDFTSCFDE᥹ᬊ᭄᥂এ䰸ᕾ⦃ࠡ㓔Ⳍԡ㑴ℷІ/ᑊᑊ/І᭄᥂QAM㾷䇗ഛ㸵N⚍DFTOFDM᥹ᬊ᭄᥂এ䰸ᕾ⦃ࠡ㓔І/ᑊഛ㸵N⚍DFTⳌԡ㑴ℷᑊ/І᭄᥂QAM㾷䇗এ䰸ᕾ⦃ࠡ㓔І/ᑊᑊ/ІQAM㾷䇗᭄᥂᥹ᬊ᭄᥂图2三种信号在接收端的数字信号处理流程图2单载波频域均衡系统早在2008年人们就对CO-SCFDE开始了研究[1]。文献[1]中的实验最早证明了CO-SCFDE信号在与CO-OFDM信号具有相似复杂度的情况下，具有相当的抵抗色散的能力。此外，CO-SCFDE信号在偏振模色散的容忍度也进一步被实验验证。我们在此基础上，利用搭建的仿真平台对两种信号进行了对比[2]。仿真结果如图3所示。图3(a)表示的是两种信号对于色散容忍度的对比。我们发现，当所引入的色散值小于所加入的循环前缀长度时，两种信号对色散的容忍度相当。而当引入的色散值超过了循环前缀长度时，OFDM方式才能凭借其多载波的特点略优于SCFDE。也就是说对于色散的容忍度基本上是取决于所加入的循环前缀长度的大小。所以我们可以认为两种信号对于色散的容忍度是相似的。图3(b)是两种信号在长距离传输时对光纤克尔非线性的容忍度的对比，分别考察了在改变入纤功率和传输距离的情况下，两种信号的传输性能。我们发现，在入纤功率较小的情况下，两种信号的性能相似。随着入纤功率的逐渐加大，光纤非线性对系统性能的影响也越来越明显。在同样的传输距离情况下，CO-OFDM信号的最优功率偏小，并且Q值最大值也要低于CO-SCFDE信号，说明其受到的光纤克尔非线性损伤要严重的多。系统与方案Systems&Solutions38ResidualchromaticDispersion(ps/nm)图3(a)CO-SCFDE与CO-OFDM对于色散容忍度的对比图3(b)CO-SCFDE与CO-OFDM对于非线性容忍度的对比图3CO-SCFDE与CO-OFDM对于(a)色散和(b)非线性容忍度的对比上面所提到的仿真和实验都是基于单偏振的CO-SCFDE信号。为了进一步提高频谱效率，我们实现了国际上第一个偏振复用的100Gb/s量级CO-SCFDE实验[3]。在此实验中，利用信号频域均衡的特点，我们采取了和OFDM信号一样的解偏振复用的方法，可以十分简单地追踪到信号偏振方向上的旋转，并且进行纠正，即利用发送交替的训练序列来得到信道响应的琼斯矩阵。为了达到100Gb/s的传输速率，我们首先利用一个光强度调制器调制窄线宽激光器的输出来产生3个光载波，然后利用这3个光载波调制产生3个波带，3个波带的总速率可以达到120Gb/s，并且信号在标准单模光纤中成功传输了317km。我们不仅研究了信号的传输性能，并且对3个光载波的间距也进行了研究。图4给出了背对背情况下光载波间距与信号Q值之间的关系。其中的插图为固定光载波间距为20GHz的时候，两个偏振方向所接受到的信号经过处理后得到的星座图。我们发现，当光载波的间距缩小的时候，接收到的信号Q值有明显的下降。当光载波的间距缩小到了15GHz的时候，信号的Q值已经从20dB掉到了13dB左右，说明光载波的间距对于信号的影响非常大。这也表明单载波信号的带宽较大，与CO-OFDM信号相比，带外旁瓣较大，因此限制了其频谱效率。图4背对背情况下光载波间距与信号Q值之间的关系针对上面提到的问题，即在保留较大的色散容忍度、较低的均衡复杂度以及较大的非线性容忍度的同时，对于如何有效提高信号的频谱效率，提出了相干光单载波频分复用系统，本文下一节对此进行重点介绍。3单载波频分复用系统图1与图2已经介绍过了CO-SCFDM信号的数字信号处理方法。需要特别强调的是，在发射端，CO-SCFDM系统利用一对傅里叶变换，将信号在频域进行子载波的映射。映射的原理就是建立一些虚拟的子载波，然后将信号的有用部分分配在低频频段，而在高频频段则将子载波调制数据0，以起到保护子载波的作用。这样就能够限制发射信号的带宽，压缩其频谱，系统与方案Systems&Solutions39使得CO-SCFDM信号的频谱效率与CO-OFDM信号相当。我们从数字信号处理的过程也可以看出，这两种信号的参数设置具有很大的相似性。这种应用于相干光通信中的SCFDM技术在2010年被首次提出[4－5]。由于其中应用的技术又称为DFT扩展，因此这种系统也被一些文献中称为基于DFT扩展的OFDM系统。同CO-SCFDE信号相似，我们首先也是利用仿真对比了CO-SCFDM信号与CO-OFDM信号的各项性能。仿真系统框图如图5所示。基带的发射和接收的数字信号处理部分如上所述。经过数模转换的模拟基带信号，利用IQ调制器进行上变频，调制到1550nm激光器上。由于相干检测对激光器的线宽要求较高，因此在仿真中设置光载波线宽为0Hz。传输的光纤信道分为两组，一组为只加入色散的链路，一组为加入了噪声与非线性的链路，利用这两组链路分别来考察信号不同的传输损伤。在接收端，将接收到的信号与本振激光器一起送入90°的光混频器和2个平衡接收机进行相干解调，最后接收到的信号再进行模数转换以及基带解调。我们可以发现，CO-SCFDM信号与CO-OFDM信号的区别仅仅在于基带的数字处理部分，而整个系统架构是通用的。एټ݀พ܋एټথ๭܋ຕ਍ຕ਍زժገ࣑زժገ࣑NۅGGUNۅGGUጱሜհᆙพೕᇘ਩࢚तጱሜհݒᆙพOۅJGGUOۅJGGUຕఇገ࣑ຕఇገ࣑ຕఇገ࣑ຕఇገ࣑گཚ୳հگཚ୳հگཚ୳հگཚ୳հฉՎೕူՎೕN[NN[N:11:11࠼္႑ڢizcsjeघ࠼ഗ3घ࠼ഗ2图5CO-SCFDM信号仿真系统框图图6为仿真对比CO-SCFDM与CO-OFDM的结果。从图6(a)中我们可以看出，与CO-SCFDE的结果相似，在循环前缀长度充足的情况下，两种信号对于所引入的色散所表现出来的性能并没有太大的区别。图6(b)表示的两种信号Q值随入纤功率的变化也同样说明SCFDM信号的非线性容忍度要优于OFDM信号，因此具有较高的最佳入纤功率和较高的Q值。0500001000001500002000002500003000004812162024Q-factor(dB)ChromaticDispersion(ps/nm)CO-SCFDMOSNR=20dBCO-SCFDMOSNR=10dBCO-OFDMOSNR=20dBCO-OFDMOSNR=10dB图6(a)CO-SCFDM与CO-OFDM对于色散容忍度的对比-20-16-12-8-40480481216202428Q(dB)LaunchedPower(dBm)SCFDM800kmSCFDM2400kmSCFDM4000kmOFDM800kmOFDM2400kmOFDM4000km图6(b)CO-SCFDM与CO-OFDM对于非线性容忍度的对比图6CO-SCFDM与CO-OFDM对于(a)色散和(b)非线性容忍度的对比由于CO-SCFDM信号与CO-OFDM信号在参数设计等方面相似，因此两种信号可以达到同样的频谱效率，这也是CO-SCFDM信号优于CO-SCFDE信号的地方，尽管前者的峰均比会稍微高于后者。光传输的主