現代數字信號處理技術在光接入網絡中的應用分析

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現代數字信號處理技術在光接入網絡中的應用分析

張 澤

（長春大學,130022)

隨著我國計算機應用技術的發(fā)展，計算機數字技術已經是時代的主流，數字時代的主要力量就是數字信號處理技術，它是計算機數字技術中不可缺少的重要技術。所以數字信號處理技術的發(fā)展是社會較為關注的，而且數字信號有著十分廣闊的應用領域，主要為圖像圖形技術領域、通信領域、PC領域、光接入網絡領域、儀表儀器等領域，當然在未來還將會挖掘處更多的新應用領域，數字信號處理技術無疑將會被推到高峰。在距離短的接人網和距離長的骨干網中，由于動數據業(yè)務和社交媒體以及云計算的迅猛發(fā)展，個人業(yè)務和網絡的帶寬的需求量以（30%～60%）/年的速度繼續(xù)增長。而降低單位比例特成和業(yè)務帶寬增長的趨勢之間的需求互相結合，則更是使得高頻譜效率技術與高速光傳輸接口的重要性更加突出。本文將對現代數字信號處理技術在光接入網絡中的應用進行探究.

1　光接入網絡和現代數字信號處理技術分析

1.1光接入網絡及其特點

圖1　光接入網基本系統(tǒng)結構圖

光接入網絡（optical access network;OAN）主要是由光傳輸系統(tǒng)支持的共享同一網絡側接口的接入連接的集合，其泛指本地交換機或者遠端模塊和用戶之間采用光纖作為傳輸媒質的一種接入網。此種技術的應用不僅能夠有效減少銅纜網維護以及運行的費用，同時對改進用戶接入性能，支持開發(fā)新的業(yè)務也尤為重要。另外光接入網絡的優(yōu)點主要體現在以下幾點：（1）受環(huán)境干擾和距離限制小，（2）技術先進優(yōu)越；（3）光纖傳輸速率明顯高于傳統(tǒng)銅纜線傳輸速率，發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒?。其中光接入網絡屬于通信網的底層部分，直接面向用戶，因此光接入網主要有光纖傳輸技術、數字技術、同纜傳輸技術等系統(tǒng)組成，其基本系統(tǒng)結構如下圖1所示。

1.2現代數字信號處理技術及其特點

近年來，隨著社會的發(fā)展，科學技術的進步，數字信號處理技術已經被廣泛應用于多個科技領域中?，F代數字處理技術由于主要采用數字化處理形式，因此其高精度和高穩(wěn)定性的特點不僅能夠實現傳統(tǒng)模擬方法不能獲取的功能，同時現代數字信號處理技術還能夠實現大規(guī)模數字式集成化，從而實現電路特性的抑制和程序化功能的實現。

其中現代數字信號處理流程為：（1）采樣，采樣又被稱為是波形的離散化過程，其主要是將模擬信號在采樣脈沖作用下轉換成為時間上離散，從而實現將時間信號轉變?yōu)殡x散狀態(tài)。采樣數數字信號處理中的關鍵點，從頻譜角度分析可得知，采樣實際是帶線信號頻譜搬移過程，簡而言之，也即是信號頻譜從原有位置搬移到以ws、2ws等為中心的上下兩邊的位置。（2）量化，量化主要是指通過量化程序，將連續(xù)有規(guī)律的信號轉換為無規(guī)則的信號。而在PCM（脈沖編碼調制）數字化中，主要是通過采用二進制數字碼進行表示采樣值，但是由于二進制數字碼代表樣值較少，在這種情況下，就需要對有限的數量樣值進行量化，使有限數量的樣值表示原模擬信號無限各幅度采樣值。由于量化間隔大小不同，可以相同也可以不同，如果量化相隔相同那就定義為均勻量化，否者為不均勻量化。在數字化信號處理中，為了保證在高信噪比下獲得更加可靠的通信質量，有學者提出將壓縮后的信號在進行均勻量化，最終可以得到對原始信號的非均勻量化。另外在編碼位數一定時，想要達到提高信噪比，可將小信號放大，放大程隨著信號減少而呈現提高的趨勢，因此放大程度應根據信號大小而定，以達到提高小信號的平均功率值。⑶A律壓縮量化。A律壓縮量化和均勻量化均實現非均勻量化，而非均勻量化過程主要是按照信號大小進行確定間隔距離。其實施的一般原則為：當輸入信號較大時，量化間隔相對就相對大；而輸入信號較小時，量化間隔就較小，從而能夠通過改善小信號輸入時的信噪比，增強動態(tài)范圍。

2　光接入網絡中現代數字信號處理技術的應用

在光接入網絡中將現代數字信號處理技術融入其中，不僅能夠提高光接入網絡技術，同時還能夠有效提供高頻譜效率傳輸技術，增加調制階數和降低頻譜帶寬需求。其中采用高階調制格式是實現高頻譜效率的最佳方案，但是此種方案具有高損傷代價、高接收機靈敏度要求以及覆蓋距離較短等問題造成光纖傳輸功率降低，最終造成光信噪比受到限制。另外由于高頻譜效率調制格式對光纖非線性的容忍度較低，因此針對高階QAM格式的DSP算法進行研究尤為重要。

2.1光超奈奎斯特信道中的后處理算法

采用4 階超高斯窄帶濾波可以實現光域Super-Nyquist整形，例如：波長選擇的開關WSS。而針對符號率是Rs的信號PMQPSK，則可以應用3dB的帶寬等于或者是小于Rs的濾波整形機器來進行QDB頻譜整形。但是濾波效應因為在星座點上4 點QPS的信號則變成類 9-QAM信號。但是來比較 QPSK 信號可以看出，信號QDB的頻譜比較窄而且旁瓣出現被抑制的現象。而在傳統(tǒng)中信號Nyquist，通常情況下都是經過符號率以及帶寬相等的，升余弦函數所產生，但目前，可以采用的是小于信號波特率的一種3dB帶寬的濾波器，并探究并證明了頻譜效率Super-Nyquis能達到最大極限的一種方案。有關人員中大量采用了基于恒模的算法，后濾波恒模均衡CMEQ與 CMA的算法，另外還有學者講出MMEQ方案是近段時間所提出的。

而對CMEQ有后濾波的，信號所接收后，首先恢復成為QPSK，再采用用延時相加，使噪聲抑制得是由后濾波轉變成的類9-QAM的信號。但在MMEQ的計算方案里，則首先采用信號QDB來恢復成三個模的類信號9-QAM，然后再經過改進的一種載波相位，進行恢復算法直接得信號9-QAM的CMMA的算法，。為了使MMEQ和CMEQ算法對串擾抑制和噪聲的濾波容忍性進行比較，首先設計28Gbaud的一個QDB濾波的8信道 PM-QPSK實驗。此實驗系統(tǒng)的傳輸速率是8×112Gbit/s，而信道間隔是25GHz。傳輸光纖是單模光纖SMF-28，是由十段 88km循環(huán)光纖環(huán)路而組成， 他們平均的損耗是18.4dB，而色度色散CD為18 ps/km/nm。并且光纖傳輸之前在每段88km分別加入EDFA的一個單模光纖用以彌補損耗的光纖。另外，再接入由編程控制的一個WSS在光纖環(huán)中，當縮光帶通濾波器用以抑制ASE的噪聲。這個WSS擁有4階高斯頻譜的特性，而3dB帶寬是2.2nm。將接收端用一個0.35nm 3dB 的帶寬，并可調帶通BPF濾波器，選擇將要進行測量的子信道，然后應用相位分集與偏振的零差相干并進行探測。而接收機與發(fā)射機中LO本振ECL外腔激光器大約是100 kHz的線寬，而BPD平衡光電二極管的3dB帶寬是43GHz，而BPD里的各個光電二極管的平均光的輸入功率在-21dBm ～14dBm之間變化?？山邮展β适? dBm的信號，而預放大的 LO，光混頻器前經的功率是20dBm。

而30GHz的帶寬、80 GSa/s的采樣率，數字采樣示波器則用來模擬ADC數字轉換，然后，串擾將會在兩相鄰信道ADC）后被抑制，而此時不用加入額外濾在離線處理中。實驗結果證明，MMEQ的計算方法比具有后濾波CMEQ）的計算方法BER） 性能更高更好，但是MMEQ計算方法對串擾和噪聲抑制有更好的效果。如果濾波器是20.2 GHz帶寬的時候，而MMEQ的方案在應用時對應OSNR）的是BER=1x10- 3，OSNR大概在16.5dB，而相對于后濾波CMEQ的方案有1dB的改善。另外，MMEQ的方案對串擾和噪聲的濾波容忍性有比較明顯的改觀。而25 GHz QDB）的信號傳輸距離為2 745km）已經是最高距離?？墒菍τ诤鬄V波CMEQ，當小于FEC限的BER下時大概2000km已經是最高傳輸距離。所以，MMEQ 的方案與后濾波的CMEQ方案比較，傳輸性能更好、更有效，在BER 是3.8×10- 3的時候傳輸距離增高了32%。其中下圖2為光高斯濾波從QPSK信號中產生的光域奈奎斯特濾波類9-QAM信號WDM信道原理圖。

2.2數字信號處理算法在相干光通信系統(tǒng)中的應用

直接探測光系統(tǒng)與相干光通信系統(tǒng)在結構上存在著一定的共性，主要結構包括了發(fā)送端、光纖信道等，但是兩者的構成模塊又存在顯然的區(qū)別，以調制格式來看相干光通信系統(tǒng)一般都會采取4-PSK以上的高階調制格式，這也使得其結構更趨于復雜化。另外在相干光通信系統(tǒng)運行過程中并不會對光纖信道進行支持并給予補償，而是借助發(fā)送端的某些模塊對信號進行預處理從而加大傳輸距離并增強傳輸質量，而相干光通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)相比本質上的區(qū)別即體現為服用形式的差異化，它可以同時在偏振復用系統(tǒng)以及時分復用系統(tǒng)條件下工作。相干光通信系統(tǒng)在具體使用中具有很多優(yōu)點，但是相干光通信系統(tǒng)中信號傳輸后將會造成各種各樣的損失以及信號失真等問題，進而影響其使用效果。其中信號失真問題主要包括線性失真和非線性失真問題，非線性失真現象主要包括交叉相位調制問題和自相位調制問題，而線性失真主要包括色度色散、載波相位模糊、偏振相關損耗以及偏振模色散等問題。一般情況下，對于傳統(tǒng)相干光通信系統(tǒng)主要是通過數字信號處理技術進行失真補償，不考率順序問題，但是應注意的是需要對補償的線性失真分析。比如在具體的應用中，首先對補償的線性失真問題進行評估，然后在對色散色度相關變量問題進行補償，最后需要對剩余變量以及隨機變量進行補償。

通過在相干光通信系統(tǒng)中采用數字信號處理算法能夠直接在結接收端對數字信號進行處理。在具體的應用中應針對不同的情況進行數字信號處理：1）正交化系統(tǒng)能夠有效對調制器以及混頻器缺陷導致的欠正交狀況進行有效補償。2）去偏移系統(tǒng)可以對偏振之間采樣時刻偏移問題進行補償；3）歸一化系統(tǒng)則能夠促使信號具有單位能量和單位幅度。4）當采樣出現不當或者發(fā)生誤差時，可以通過采用時鐘恢復系統(tǒng)進行補償。而采用數字信號處理算法中，應先在接收端將輸入光信號及本振光進行耦合，接著才能通過數字信號處理中的子系統(tǒng)對耦合后的光信號實施正交化恢復和去偏移等?？傊谙喔晒馔ㄐ畔到y(tǒng)中采用數字信號處理算法能夠有效對色散、偏振等問題造成的失真進行補償。

2.3高級數字均衡技術和直接探測的CAP-64-QAM短距離傳輸

通過上述分析可知，由于高階QAM傳輸的高頻譜效率，它的電帶寬在一定的比特率下更低，而在（OSNR短距離光網絡中有相對較高要求的，他的性能更好好的顯示出來。此外，由于數據互聯光中心鏈路和接入網等，而對于源源不斷快速增加的短距離的帶寬通信的需求量， 而怎樣加大傳輸的容量也是應研究重點。由于 IM/DD調制技術的提出和應用，例如：（QAM-副載波調制為 SCM；脈幅度的調制 PAM；無載波幅度相位的調制 CAP以及正交頻分復用 OFDM。由此證明， 由于IM/DD的CAP 結構能夠降低復雜度且又能確保性能良好的狀態(tài)之下， 帶寬有限的光電器件、 VCSEL激光器和僅僅采用DML等成本較低的原件，數據傳輸速率依舊能夠較高的提供。與OFDM和QAM-SCM比較，CAP并不需要復雜的混頻器 、電域復數轉換到實數、 光同相正交 I/Q 調制器、 射頻源等，而且也省掉了OFDM信號調制以及解調中的離散傅里葉的變換DFT。

綜上所述，隨著社會的進步，科學技術的快速發(fā)展，電信網絡系統(tǒng)將會進一步向網絡結構扁平化以及網絡融合帶來的業(yè)務綜合承載化和網絡高可靠性的趨勢發(fā)展，光接入網絡作為一種新型接入網絡只有不斷適應這種變化的需求，不斷向高頻譜效率、更高處理能力，更高分支比的平臺發(fā)展，才能更加體現出光接入網絡技術的價值。

圖2　光高斯濾波從QPSK信號中產生的光域奈奎斯特濾波類9-QAM信號WDM信道原理

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摘要：現代數字信號處理技術是現代信號處理中重要的研究方向，其具有靈活性、穩(wěn)定性以及可重復性等特點，將現代數字信號處理技術融入光接入網絡中不僅能夠有效解決光接入網絡中的頻譜效率同時對延長傳輸距離也具有重要的作用。下面本研究首先簡單對光接入網絡和現代數字信號處理技術進行簡要分析，然后從三個不同的角度詳細深入分析了現代數字信號處理技術在光接入網絡中的應用，以供參考。

關鍵詞：數字信號處理技術；光接入網絡；應用

The application of modern digital signal processing technology in the optical access network.

Zhang Ze

（of Changchun University,130022)

Abstract：Modern digital signal processing technology is an important research direction in modern signal processing,its flexibility,stability and repeatability characteristics,the modern digital signal processing technology into optical access network can not only effectively solve the optical access network in the frequency spectrum efficiency at the same time to extend the transmission distance is also important. The following this paper simple optical access network and modern digital signal processing technology is analyzed briefly,and then from three different angles with the in-depth analysis of the application of modern digital signal processing technology in the optical access network,for reference.

Keywords：digital signal processing technology;optical access network;application