关于相干光传输中的DSP技术
By Brian
相干光传输技术已成为大容量、长距离光纤网络的重要组成部分。这种先进的调制技术可以将数据编码为光的幅度、相位和偏振。每个相干收发器的核心是高度复杂的数字信号处理器（DSP），其执行的信号处理是实现相干传输的关键。本文全面概述了相干收发器电子引擎内的不同功能，重点关注DSP，并总结了DSP技术的最新发展和未来挑战。
简介
近几十年来，全球互联网流量呈指数增长，每两年翻一番。这种持续增长源于对带宽密集型应用的巨大需求，如视频流、云计算、社交媒体以及物联网（IoT）驱动的大量联网设备。为了跟上数据爆炸的步伐，服务提供商已将核心光传输网络从简单的点对点链路转变为高速、灵活的网状拓扑。然而，依靠传统的光传输技术限制了容量和传输距离，成为未来增长的瓶颈。
相干传输技术作为解决方案应运而生，使核心网能够将单根光纤传输的数据量增加100倍。这种先进的调制方案将信息编码为光的三个属性：振幅、相位和偏振。相干传输的容量和传输距离远远超出传统的简单开关键控技术。
每个相干收发器的核心是一个高度复杂的数字信号处理器(DSP)，由专用的电子电路和先进的算法组成。DSP执行对实现相干传输至关重要的信号处理，包括数据编码/解码、补偿信道损伤、监控性能等。DSP的创新是过去十年相干传输技术革命的催化剂。
随着全球互联网流量的快速增长，相干技术的能力也需要相应提升。DSP在传输距离、效率和功耗方面的增强，为业界持续改进相干收发器以满足数据需求提供了重要机会。
相干收发器的电子引擎
DSP是每个相干收发器内部更大电子系统的一部分，称为电子引擎。如图1所示，发动机由以下关键部件组成：
- 模拟处理电路在模拟和数字格式之间转换信号。光纤传输的是模拟光信号，但数据处理是数字化的。收发信号时需要进行格式转换。
- 数字信号处理(DSP)对数据进行编码/解码，并对信道损伤进行补偿。这是核心信号处理功能。
- 前向纠错(FEC)，增强对噪声和失真的容忍度。FEC使相干链路能够处理比传统直接检测链路高一百万倍的错误率。
- 桥接器，用于在以太网和光传输网络(OTN)格式之间转换数据。
- 粘合逻辑电路，例如微处理器、串行/并行转换器（SERDES）等，用于连接各个模块。
电子引擎中的每个模块都包含专用电路和算法，使其具有独立的知识产权。因此，开发整个发动机需要各个领域的专业知识。
图1. 相干光收发器电子引擎的布局，包括引擎处理信号的顺序
DSP基础知识
现在重点关注DSP单元本身，该模块执行将数字数据映射到光信号属性的关键工作，反之亦然。
实现这种映射的核心技术称为正交调制，其将数据编码为光信号的幅度和相位。一种四状态正交调制方案称为正交相移键控（QPSK）。而更高级的变体，如16态正交调幅(16-QAM)可以实现更高的数据速率。
如图2所示，DSP的一些核心功能包括：
- 使用正交调制方案对相位和极化数据进行编码/解码。
- 插入导频信号以协助接收器解码。该导频提供相位和极化的参考。
- 自适应均衡可补偿光纤通道引起的信号频谱失真。
- 色散补偿可抵消导致光脉冲展宽的色散效应。
- 非线性补偿可减轻自相位混合等非线性效应。
- 使用数字滤波器进行频谱整形，以实现最大带宽利用率。
图2. 发送和接收信号时DSP模块的布局和顺序
DSP技术的最新进展
展望未来，DSP发展的两个重要方向是传输距离/效率和能源效率。概率星座整形（PCS）和更快的调制格式等技术有着光明的前景。
如图3所示，PCS以非均匀方式使用信号星座点，在一定的功率预算下传输更多的比特。PCS带来了显著的好处，包括增加的传输距离、更好的非线性容差和更大的灵活性。
在调制格式方面，业界正逐渐从早期的QPSK系统转向16-QAM和64-QAM等高阶调制。然而，需要改进的DSP算法来处理这些高密度调制格式增加的失真。
从能效来看，DSP消耗了相干收发器总能量的50%左右。容量和带宽的增加，将进一步增加对DSP芯片的能源需求。DSP功率随带宽、调制格式、FEC等其他处理功能而变化。因此，DSP及其电气连接的智能优化，对于未来的扩展至关重要。
图3. 传统16-QAM和概率星座整形(PCS)16-QAM的比较 图片来源：Infinera
总结
在过去的十年中，DSP创新一直是光网络相干传输技术的革命性催化剂。但我们不能止步不前，因为在视频、虚拟现实、物联网等高带宽应用的推动下，全球互联网流量持续快速增长。
DSP在传输距离、效率和功耗方面的增强，为业界持续改进相干收发器提供了重要机会。随着高带宽服务的增长，DSP将继续成为下一代光网络的数字核心，使光纤容量能够满足数据需求。DSP的持续创新，对于避免容量紧缩和保持数字世界的增长至关重要。
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