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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，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，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。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)模ㄟ^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法這4種。其中最大似然序列估計法色散補(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，同時此方法也只能用于低比特率補(bǔ)償幾個色散距離的系統(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由一個有限沖激響應(yīng)濾波器（FIR）構(gòu)成，輸入信號通過一個分級延時電路，將每一級的輸出加權(quán)累加得到濾波器的輸出。延時電路的級數(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