三分鐘了解相干光通信中的DSP技術(shù)

  ICC訊 相干傳輸?shù)恼Q生改變了光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其引入的電子數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)成為增加城域和長(zhǎng)途W(wǎng)DM網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)鍵推動(dòng)因素。在過去，盡管波長(zhǎng)容量的提升依賴于光源、調(diào)制器和探測(cè)器的速度演進(jìn)，但DSP和它們實(shí)現(xiàn)的相關(guān)復(fù)雜調(diào)制編碼，已經(jīng)成為增加網(wǎng)絡(luò)容量的主要驅(qū)動(dòng)因素。隨著光傳輸速度達(dá)到每波400Gbit/s以上，日益重要的相干DSP為光學(xué)供應(yīng)商和行業(yè)格局開辟了重大變革的可能性。

  什么是DSP?DSP原理與組成

  DSP即數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，DSP芯片即指能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片，是一種快速?gòu)?qiáng)大的微處理器，獨(dú)特之處在于它能即時(shí)處理資料。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，可以用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。

  DSP模塊原理

  DSP模塊處理來自相干接收機(jī)輸出得到的兩路偏振電信號(hào)，經(jīng)過如下圖功能模塊處理，完成原始信號(hào)的恢復(fù)。DSP的主要任務(wù)在于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，量化，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，去除光纖鏈路中的色度色散，偏振模色散，完成載波頻偏估計(jì)，載波相位恢復(fù)等功能。

  DSP模塊功能框圖

  DSP模塊組成

  時(shí)鐘同步及ADC模塊一般使用插值濾波器來恢復(fù)數(shù)字時(shí)鐘，由于符號(hào)時(shí)鐘(T)與ADC的采樣時(shí)鐘(Ts)是相互獨(dú)立的，因此為了使得發(fā)射符號(hào)時(shí)鐘(T)與調(diào)整后的接收機(jī)采樣時(shí)鐘(Ti)同步，因此必須調(diào)制接收機(jī)的符號(hào)取樣時(shí)刻。

  使用插值濾波器作為主要的算法是一種較為成熟的恢復(fù)數(shù)字時(shí)鐘技術(shù)、為了使數(shù)字接收機(jī)輸出正確的采用型號(hào)(與符號(hào)時(shí)鐘同步)，即調(diào)整接收機(jī)的采樣時(shí)刻，通常采用開環(huán)結(jié)構(gòu)符號(hào)時(shí)鐘同步算法。

  均衡及偏振解復(fù)用模塊為了處理偏振信號(hào)之間的干擾和信道的非理想性，必須運(yùn)用偏振解復(fù)用和均衡技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的處理。首先，偏振解復(fù)用的功能是使用特定結(jié)構(gòu)的濾波器實(shí)現(xiàn)的，這是為了抵消偏振信號(hào)之間的干擾，這種干擾是由傳輸過程中各個(gè)偏振信號(hào)產(chǎn)生的一定程度的偏轉(zhuǎn)造成的。另外，自適應(yīng)的均衡技術(shù)是為了處理在光纖鏈路傳輸過程中出現(xiàn)的由于非理想性的信道特性造成的損傷，這種線性損傷主要是由一階偏振模色散和光纖造成的。

  頻偏估計(jì)與相位恢復(fù)模塊為了正確的解調(diào)接收信號(hào)，需要完成載波的頻偏估計(jì)。主要原因在于：由于沒有對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行反饋控制，接收信號(hào)在光相干接收機(jī)中將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與本地振蕩源的頻率偏遠(yuǎn)，因此頻偏估計(jì)的方法必須在接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)。

  為什么相干光通信要采用DSP技術(shù)，有何優(yōu)勢(shì)?

  相干檢測(cè)與DSP技術(shù)相結(jié)合，可以在電域進(jìn)行載波相位同步和偏振跟蹤，清除了傳統(tǒng)相干接收的兩大障礙;基于DSP的相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有硬件透明性，可在電域補(bǔ)償各種傳輸損傷，簡(jiǎn)化傳輸鏈路，降低傳輸成本;支持多進(jìn)制調(diào)制格式和偏振復(fù)用，實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的傳輸。

  采用DSP技術(shù)有何劣勢(shì)，如何解決?

  由于DSP引入了DAC/ADC與算法，其功耗一定高于傳統(tǒng)基于模擬技術(shù)的CDR芯片。無論對(duì)于模塊本身或是未來交換機(jī)的面板熱設(shè)計(jì)都是巨大挑戰(zhàn)。因此，其功耗管理及低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)在相當(dāng)一部分的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)處于空轉(zhuǎn)或低負(fù)荷狀態(tài)，這些時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)所額外消耗的能量可以通過低功耗設(shè)計(jì)措施加以避免。

  低功耗設(shè)計(jì)的主要切入點(diǎn)即根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際負(fù)載，在保證按要求完成處理任務(wù)的前提下，通過合理調(diào)低系統(tǒng)的相關(guān)性能以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗運(yùn)行。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠的低性能運(yùn)行機(jī)制，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行有效監(jiān)控并采用合理的策略對(duì)系統(tǒng)功耗加以管理。

  相干光通信一直以來是光通信技術(shù)制高點(diǎn)。易飛揚(yáng)秉承光互連設(shè)計(jì)革新者的理念，于2018年初正式投資進(jìn)入相干光模塊開發(fā)，開放性地與上游供應(yīng)鏈進(jìn)行戰(zhàn)略合作，在低功耗設(shè)計(jì)、信號(hào)調(diào)制模型上進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，取得了重大成果。

  為順利啟動(dòng)商用，易飛揚(yáng)邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠商，在OTN傳輸設(shè)備上進(jìn)行了聯(lián)合測(cè)試，在兼容性、業(yè)務(wù)開通和傳輸性能等方面均取得優(yōu)異的效果。測(cè)試實(shí)驗(yàn)也充分驗(yàn)證了當(dāng)前采納的硅基相位調(diào)制器芯片和DSP芯片的卓越性能。聯(lián)合測(cè)試結(jié)束后，易飛揚(yáng)已經(jīng)取得海外客戶相干光模塊的正式訂單。