仿真分析相干光通信中的數(shù)字信號處理算法

林宏 周傳璘 趙娜 胡錦聰

摘 ?要： 為了提高相干光通信系統(tǒng)的性能，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速相干光通信系統(tǒng)，將數(shù)字信號處理算法應(yīng)用到相干光通信中。對受到噪聲影響的信號進(jìn)行仿真，通過Matlab軟件處理離線信號，利用部分算法對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)仿真平臺及算法接收沒有色散補(bǔ)償?shù)墓饫w信號，提出加權(quán)前饋相位恢復(fù)算法，其能夠使靈敏度得到提高。最后，對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明所創(chuàng)建的仿真平臺和數(shù)字信號處理算法能夠充分展現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情況，為今后數(shù)字相干光通信的實(shí)現(xiàn)提供研究基礎(chǔ)及指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞： 相干光通信; 數(shù)字信號; 處理算法; 相位恢復(fù); 動態(tài)色散補(bǔ)償; 歸一化處理

中圖分類號： TN929.1?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）19?0054?05

Abstract： In order to improve the performance of the coherent optical communication system， reduce the complexity of the system， and facilitate the realization of real?time high?speed coherent optical communication system， a digital signal processing algorithm is used in coherent optical communication. Firstly， the signal affected by noise is simulated， and then the off?line signal is processed by Matlab software ， and tested and verified with some algorithms. According to the simulation platform and the algorithm， the fiber without dispersion compensation is received， and a weighted feedforward phase recovery algorithm is proposed， which can improve the sensitivity. The performance of the system is analyzed and expressed. The simulation platform and digital signal processing algorithm can fully show the actual experimental situation， and provide research basis and guidance for the future high?speed implementation of digital coherent optical communication.

Keywords： coherent optical communication; digital signal; signal processing algorithm; phase retrieval; dynamic dispersion compensation; normalization processing

0 ?引 ?言

光通信系統(tǒng)是指在通信領(lǐng)域中，使光成為一種全新的傳播介質(zhì)進(jìn)行信息傳輸。在信息傳輸?shù)倪^程中，使用光電變化原理得到信息，此信息傳播的方式為我國通信技術(shù)方面采用的主要技術(shù)。對光通信技術(shù)來說，使用相干檢測方法能夠提高相干通信能力，對比傳統(tǒng)信號傳輸及處理的過程，現(xiàn)代化相干通信技術(shù)使用數(shù)字信號處理算法能夠降低系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算的缺陷，使系統(tǒng)運(yùn)行性能得到改善及優(yōu)化，還能夠?qū)崿F(xiàn)載波同步[1]。所以，本文仿真分析相干光通信中的數(shù)字信號處理算法。

1 ?基于數(shù)字信號處理算法的相干光傳輸平臺

1.1 ?仿真平臺的各模塊

1.1.1 ?光發(fā)射機(jī)

光發(fā)射機(jī)模塊是利用多種調(diào)制器產(chǎn)生光及信息的全局發(fā)射端，調(diào)制器的構(gòu)成主要包括雙臂單驅(qū)、單臂雙驅(qū)、雙臂雙驅(qū)馬赫增德爾調(diào)制器。本文在仿真過程中使用雙臂單驅(qū)馬赫增德爾調(diào)制器，調(diào)制器的構(gòu)成如圖1所示。

1.1.2 ?傳輸光纖

本文使用非線性薛定諤方程創(chuàng)建雙折射PMD光纖模型，此模型能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)正交偏正態(tài)共同傳輸影響的仿真。PMD光纖利用兩個(gè)耦合非線性薛定諤方程的解描述光信號在隨機(jī)雙折射光纖中的正交傳輸偏振部分，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高群延時(shí)差偏振模色散的數(shù)字建模。該模型全面考慮時(shí)延、多階PMD、偏振損耗、自相位調(diào)制，其中對于FWM，SPM及XPM中的參數(shù)，通過偏振態(tài)變化實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。但是由于兩個(gè)信號偏振態(tài)是共同傳播的，此模型在仿真過程中耗時(shí)比較長，大部分時(shí)間都消耗在光纖傳輸中[2]。

1.1.3 ?放大器

本文使用固定放大頻譜放大器模型，此模型屬于放大倍數(shù)可控、飽和放大及功率可控的模型。如果輸出功率較高，那么應(yīng)考慮限制效應(yīng)。此模型能夠作為放大、衰減放大器，本文使用固定放大系數(shù)模式。

1.2 ?接收端的DSP處理算法仿真

1.2.1 ?DSP處理算法設(shè)計(jì)

圖2為數(shù)字相干接收中的DSP處理流程，使用相位+偏振分集接收得出[X]和[Y]偏振態(tài)的[I]和[Q]分量信息，之后送到ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得出量化之后的數(shù)字信號。ADC采樣率會對后續(xù)算法設(shè)計(jì)造成影響，其值為傳輸波特率的[n]倍，也就是每個(gè)信號碼元中具有[n]個(gè)采樣點(diǎn)。在[n]比2大時(shí)，能夠消除全部線性因素對光信號的影響[3]。

1.2.2 ?色散補(bǔ)償

動態(tài)色散補(bǔ)償技術(shù)能夠解決色散對于傳輸距離限制的問題，光纖傳輸系統(tǒng)中的色散在溫度變化過程中會發(fā)生改變，在高速系統(tǒng)中色散容忍度比較低時(shí)，需要補(bǔ)償溫度變化導(dǎo)致的殘余色散變化，因此，一般在高速光傳輸信號時(shí)要使用動態(tài)色散補(bǔ)償技術(shù)。電域動態(tài)色散補(bǔ)償采用高速信號處理技術(shù)，也就是利用DSP技術(shù)具有靈活及方便集成的優(yōu)勢。光纖中的色散能夠作為光波電場全通濾波器，頻域傳輸函數(shù)表示為：

VPI仿真要求實(shí)現(xiàn)光信號調(diào)制、相干檢測及傳輸三部分的模擬，并且還要導(dǎo)出數(shù)據(jù)，處理后續(xù)DSP算法。表1為仿真系統(tǒng)中需要的主要參數(shù)，調(diào)制部分修改VPI內(nèi)置Tx?mQAM，通過外部激光器提供光信號，并且通過此模塊導(dǎo)出偽隨機(jī)序列號，使仿真平臺開始工作。調(diào)制之后的光信號光功率比較弱，在入纖之前要放大，從而滿足入纖光功率的需求。在光纖傳輸過程中，因?yàn)楣饫w會衰減，所以在傳輸一段距離之后要再次放大，從而提高光功率。為了使加性噪聲影響得到降低，在ADC采樣之前實(shí)現(xiàn)電信濾波，采樣之后數(shù)據(jù)利用VPI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)出。因?yàn)橐獙Ψ蔷€性效應(yīng)進(jìn)行觀測，所以入纖功率不能夠太小。本文使用EDFA對調(diào)制后的信號進(jìn)行放大，使其為3 dBm恒定功率，之后進(jìn)入到光纖中[7]。

2.2 ?仿真結(jié)果

利用表1中的參數(shù)設(shè)置VPI器件，并且使用本文算法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)色散、非線性、相位噪聲及頻率偏移的補(bǔ)償，詳見圖8b）和圖8d）。因?yàn)榫哂猩⒓胺蔷€性效應(yīng)，所以不適用集中式補(bǔ)償算法，可以使用反向傳輸方法修正。其中，反向傳輸修正方法在每個(gè)span補(bǔ)償一次時(shí)，保證能夠完全補(bǔ)償非線性效應(yīng)導(dǎo)致的星座旋轉(zhuǎn)。色散及非線性補(bǔ)償之后的結(jié)果詳見圖8b），雖然原始數(shù)據(jù)雜亂，但算法在實(shí)現(xiàn)非線性及色散補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)具有明顯的圈，通過EDFA中的噪聲導(dǎo)致圈和圈相互重疊。

在色散及非線性補(bǔ)償之后，數(shù)據(jù)中存在激光器及頻率偏移相位噪聲。在頻率估計(jì)方面，本文使用基于高階QAM頻率估計(jì)方法，此算法能夠應(yīng)用到任意階段中的QAM調(diào)制格式。在補(bǔ)償頻率偏移以后，信號還是會受到激光器相位噪聲的影響，主要是因?yàn)樾亲c(diǎn)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。在接收數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)以上補(bǔ)償之后就能夠進(jìn)入到判決電路中實(shí)現(xiàn)譯碼，仿真系統(tǒng)中具有8 192個(gè)16?QAM符號。在接收端譯碼之后，有69 bit誤碼，所以誤碼率[be=2.1×10-3]，使糾錯(cuò)編碼需求得到滿足[8]。

3 ?結(jié) ?語

在互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的過程中，隨著商業(yè)對于帶寬需求的不斷提高，需要解決主干網(wǎng)絡(luò)中高速數(shù)據(jù)傳輸問題。目前商用光纖通信系統(tǒng)使用直接檢測方法，雖然檢測方法較為簡單，但是在直接檢測過程中還是存在一定的問題，比如檢測靈敏度較低、頻譜使用率較低。相干檢測技術(shù)是一種能夠提高通信系統(tǒng)頻譜使用率的矢量調(diào)制格式，備受人們的重視。本文重點(diǎn)研究數(shù)字信號處理算法相干光通信中的應(yīng)用，通過研究表明本文所采用的方法能夠正確恢復(fù)相應(yīng)比特?cái)?shù)據(jù)，誤碼率比較低，能夠滿足實(shí)際需求。

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