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現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在光接入網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析

張 澤

（長(zhǎng)春大學(xué),130022)

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)已經(jīng)是時(shí)代的主流，數(shù)字時(shí)代的主要力量就是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)中不可缺少的重要技術(shù)。所以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展是社會(huì)較為關(guān)注的，而且數(shù)字信號(hào)有著十分廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，主要為圖像圖形技術(shù)領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、PC領(lǐng)域、光接入網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域、儀表儀器等領(lǐng)域，當(dāng)然在未來(lái)還將會(huì)挖掘處更多的新應(yīng)用領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)無(wú)疑將會(huì)被推到高峰。在距離短的接人網(wǎng)和距離長(zhǎng)的骨干網(wǎng)中，由于動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和社交媒體以及云計(jì)算的迅猛發(fā)展，個(gè)人業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的帶寬的需求量以（30%～60%）/年的速度繼續(xù)增長(zhǎng)。而降低單位比例特成和業(yè)務(wù)帶寬增長(zhǎng)的趨勢(shì)之間的需求互相結(jié)合，則更是使得高頻譜效率技術(shù)與高速光傳輸接口的重要性更加突出。本文將對(duì)現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在光接入網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行探究.

1　光接入網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)分析

1.1光接入網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)

圖1　光接入網(wǎng)基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光接入網(wǎng)絡(luò)（optical access network;OAN）主要是由光傳輸系統(tǒng)支持的共享同一網(wǎng)絡(luò)側(cè)接口的接入連接的集合，其泛指本地交換機(jī)或者遠(yuǎn)端模塊和用戶之間采用光纖作為傳輸媒質(zhì)的一種接入網(wǎng)。此種技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠有效減少銅纜網(wǎng)維護(hù)以及運(yùn)行的費(fèi)用，同時(shí)對(duì)改進(jìn)用戶接入性能，支持開(kāi)發(fā)新的業(yè)務(wù)也尤為重要。另外光接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）受環(huán)境干擾和距離限制小，（2）技術(shù)先進(jìn)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(wǎng)絡(luò)屬于通信網(wǎng)的底層部分，直接面向用戶，因此光接入網(wǎng)主要有光纖傳輸技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、同纜傳輸技術(shù)等系統(tǒng)組成，其基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

1.2現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及其特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)科技領(lǐng)域中。現(xiàn)代數(shù)字處理技術(shù)由于主要采用數(shù)字化處理形式，因此其高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)模擬方法不能獲取的功能，同時(shí)現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模數(shù)字式集成化，從而實(shí)現(xiàn)電路特性的抑制和程序化功能的實(shí)現(xiàn)。

其中現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理流程為：（1）采樣，采樣又被稱(chēng)為是波形的離散化過(guò)程，其主要是將模擬信號(hào)在采樣脈沖作用下轉(zhuǎn)換成為時(shí)間上離散，從而實(shí)現(xiàn)將時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散狀態(tài)。采樣數(shù)數(shù)字信號(hào)處理中的關(guān)鍵點(diǎn)，從頻譜角度分析可得知，采樣實(shí)際是帶線信號(hào)頻譜搬移過(guò)程，簡(jiǎn)而言之，也即是信號(hào)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(guò)量化程序，將連續(xù)有規(guī)律的信號(hào)轉(zhuǎn)換為無(wú)規(guī)則的信號(hào)。而在PCM（脈沖編碼調(diào)制）數(shù)字化中，主要是通過(guò)采用二進(jìn)制數(shù)字碼進(jìn)行表示采樣值，但是由于二進(jìn)制數(shù)字碼代表樣值較少，在這種情況下，就需要對(duì)有限的數(shù)量樣值進(jìn)行量化，使有限數(shù)量的樣值表示原模擬信號(hào)無(wú)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(shù)字化信號(hào)處理中，為了保證在高信噪比下獲得更加可靠的通信質(zhì)量，有學(xué)者提出將壓縮后的信號(hào)在進(jìn)行均勻量化，最終可以得到對(duì)原始信號(hào)的非均勻量化。另外在編碼位數(shù)一定時(shí)，想要達(dá)到提高信噪比，可將小信號(hào)放大，放大程隨著信號(hào)減少而呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)，因此放大程度應(yīng)根據(jù)信號(hào)大小而定，以達(dá)到提高小信號(hào)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(shí)現(xiàn)非均勻量化，而非均勻量化過(guò)程主要是按照信號(hào)大小進(jìn)行確定間隔距離。其實(shí)施的一般原則為：當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，量化間隔相對(duì)就相對(duì)大；而輸入信號(hào)較小時(shí)，量化間隔就較小，從而能夠通過(guò)改善小信號(hào)輸入時(shí)的信噪比，增強(qiáng)動(dòng)態(tài)范圍。

2　光接入網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用

在光接入網(wǎng)絡(luò)中將現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)融入其中，不僅能夠提高光接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)還能夠有效提供高頻譜效率傳輸技術(shù)，增加調(diào)制階數(shù)和降低頻譜帶寬需求。其中采用高階調(diào)制格式是實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的最佳方案，但是此種方案具有高損傷代價(jià)、高接收機(jī)靈敏度要求以及覆蓋距離較短等問(wèn)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(diào)制格式對(duì)光纖非線性的容忍度較低，因此針對(duì)高階QAM格式的DSP算法進(jìn)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(shí)現(xiàn)光域Super-Nyquist整形，例如：波長(zhǎng)選擇的開(kāi)關(guān)WSS。而針對(duì)符號(hào)率是Rs的信號(hào)PMQPSK，則可以應(yīng)用3dB的帶寬等于或者是小于Rs的濾波整形機(jī)器來(lái)進(jìn)行QDB頻譜整形。但是濾波效應(yīng)因?yàn)樵谛亲c(diǎn)上4 點(diǎn)QPS的信號(hào)則變成類(lèi) 9-QAM信號(hào)。但是來(lái)比較 QPSK 信號(hào)可以看出，信號(hào)QDB的頻譜比較窄而且旁瓣出現(xiàn)被抑制的現(xiàn)象。而在傳統(tǒng)中信號(hào)Nyquist，通常情況下都是經(jīng)過(guò)符號(hào)率以及帶寬相等的，升余弦函數(shù)所產(chǎn)生，但目前，可以采用的是小于信號(hào)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(dá)到最大極限的一種方案。有關(guān)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(xué)者講出MMEQ方案是近段時(shí)間所提出的。

而對(duì)CMEQ有后濾波的，信號(hào)所接收后，首先恢復(fù)成為QPSK，再采用用延時(shí)相加，使噪聲抑制得是由后濾波轉(zhuǎn)變成的類(lèi)9-QAM的信號(hào)。但在MMEQ的計(jì)算方案里，則首先采用信號(hào)QDB來(lái)恢復(fù)成三個(gè)模的類(lèi)信號(hào)9-QAM，然后再經(jīng)過(guò)改進(jìn)的一種載波相位，進(jìn)行恢復(fù)算法直接得信號(hào)9-QAM的CMMA的算法，。為了使MMEQ和CMEQ算法對(duì)串?dāng)_抑制和噪聲的濾波容忍性進(jìn)行比較，首先設(shè)計(jì)28Gbaud的一個(gè)QDB濾波的8信道 PM-QPSK實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)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(gè)單模光纖用以彌補(bǔ)損耗的光纖。另外，再接入由編程控制的一個(gè)WSS在光纖環(huán)中，當(dāng)縮光帶通濾波器用以抑制ASE的噪聲。這個(gè)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(gè)0.35nm 3dB 的帶寬，并可調(diào)帶通BPF濾波器，選擇將要進(jìn)行測(cè)量的子信道，然后應(yīng)用相位分集與偏振的零差相干并進(jìn)行探測(cè)。而接收機(jī)與發(fā)射機(jī)中LO本振ECL外腔激光器大約是100 kHz的線寬，而B(niǎo)PD平衡光電二極管的3dB帶寬是43GHz，而B(niǎo)PD里的各個(gè)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(hào)，而預(yù)放大的 LO，光混頻器前經(jīng)的功率是20dBm。

而30GHz的帶寬、80 GSa/s的采樣率，數(shù)字采樣示波器則用來(lái)模擬ADC數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后，串?dāng)_將會(huì)在兩相鄰信道ADC）后被抑制，而此時(shí)不用加入額外濾在離線處理中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，MMEQ的計(jì)算方法比具有后濾波CMEQ）的計(jì)算方法BER） 性能更高更好，但是MMEQ計(jì)算方法對(duì)串?dāng)_和噪聲抑制有更好的效果。如果濾波器是20.2 GHz帶寬的時(shí)候，而MMEQ的方案在應(yīng)用時(shí)對(duì)應(yīng)OSNR）的是BER=1x10- 3，OSNR大概在16.5dB，而相對(duì)于后濾波CMEQ的方案有1dB的改善。另外，MMEQ的方案對(duì)串?dāng)_和噪聲的濾波容忍性有比較明顯的改觀。而25 GHz QDB）的信號(hào)傳輸距離為2 745km）已經(jīng)是最高距離?？墒菍?duì)于后濾波CMEQ，當(dāng)小于FEC限的BER下時(shí)大概2000km已經(jīng)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(shí)候傳輸距離增高了32%。其中下圖2為光高斯濾波從QPSK信號(hào)中產(chǎn)生的光域奈奎斯特濾波類(lèi)9-QAM信號(hào)WDM信道原理圖。

2.2數(shù)字信號(hào)處理算法在相干光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

直接探測(cè)光系統(tǒng)與相干光通信系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在著一定的共性，主要結(jié)構(gòu)包括了發(fā)送端、光纖信道等，但是兩者的構(gòu)成模塊又存在顯然的區(qū)別，以調(diào)制格式來(lái)看相干光通信系統(tǒng)一般都會(huì)采取4-PSK以上的高階調(diào)制格式，這也使得其結(jié)構(gòu)更趨于復(fù)雜化。另外在相干光通信系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中并不會(huì)對(duì)光纖信道進(jìn)行支持并給予補(bǔ)償，而是借助發(fā)送端的某些模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理從而加大傳輸距離并增強(qiáng)傳輸質(zhì)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(zhì)上的區(qū)別即體現(xiàn)為服用形式的差異化，它可以同時(shí)在偏振復(fù)用系統(tǒng)以及時(shí)分復(fù)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(diǎn)，但是相干光通信系統(tǒng)中信號(hào)傳輸后將會(huì)造成各種各樣的損失以及信號(hào)失真等問(wèn)題，進(jìn)而影響其使用效果。其中信號(hào)失真問(wèn)題主要包括線性失真和非線性失真問(wèn)題，非線性失真現(xiàn)象主要包括交叉相位調(diào)制問(wèn)題和自相位調(diào)制問(wèn)題，而線性失真主要包括色度色散、載波相位模糊、偏振相關(guān)損耗以及偏振模色散等問(wèn)題。一般情況下，對(duì)于傳統(tǒng)相干光通信系統(tǒng)主要是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行失真補(bǔ)償，不考率順序問(wèn)題，但是應(yīng)注意的是需要對(duì)補(bǔ)償?shù)木€性失真分析。比如在具體的應(yīng)用中，首先對(duì)補(bǔ)償?shù)木€性失真問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估，然后在對(duì)色散色度相關(guān)變量問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，最后需要對(duì)剩余變量以及隨機(jī)變量進(jìn)行補(bǔ)償。

通過(guò)在相干光通信系統(tǒng)中采用數(shù)字信號(hào)處理算法能夠直接在結(jié)接收端對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。在具體的應(yīng)用中應(yīng)針對(duì)不同的情況進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理：1）正交化系統(tǒng)能夠有效對(duì)調(diào)制器以及混頻器缺陷導(dǎo)致的欠正交狀況進(jìn)行有效補(bǔ)償。2）去偏移系統(tǒng)可以對(duì)偏振之間采樣時(shí)刻偏移問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償；3）歸一化系統(tǒng)則能夠促使信號(hào)具有單位能量和單位幅度。4）當(dāng)采樣出現(xiàn)不當(dāng)或者發(fā)生誤差時(shí)，可以通過(guò)采用時(shí)鐘恢復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。而采用數(shù)字信號(hào)處理算法中，應(yīng)先在接收端將輸入光信號(hào)及本振光進(jìn)行耦合，接著才能通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理中的子系統(tǒng)對(duì)耦合后的光信號(hào)實(shí)施正交化恢復(fù)和去偏移等?？傊谙喔晒馔ㄐ畔到y(tǒng)中采用數(shù)字信號(hào)處理算法能夠有效對(duì)色散、偏振等問(wèn)題造成的失真進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3高級(jí)數(shù)字均衡技術(shù)和直接探測(cè)的CAP-64-QAM短距離傳輸

通過(guò)上述分析可知，由于高階QAM傳輸?shù)母哳l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(wǎng)絡(luò)中有相對(duì)較高要求的，他的性能更好好的顯示出來(lái)。此外，由于數(shù)據(jù)互聯(lián)光中心鏈路和接入網(wǎng)等，而對(duì)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?shù)娜萘恳彩菓?yīng)研究重點(diǎn)。由于 IM/DD調(diào)制技術(shù)的提出和應(yīng)用，例如：（QAM-副載波調(diào)制為 SCM；脈幅度的調(diào)制 PAM；無(wú)載波幅度相位的調(diào)制 CAP以及正交頻分復(fù)用 OFDM。由此證明， 由于IM/DD的CAP 結(jié)構(gòu)能夠降低復(fù)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(shù)據(jù)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(fù)雜的混頻器 、電域復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換到實(shí)數(shù)、 光同相正交 I/Q 調(diào)制器、 射頻源等，而且也省掉了OFDM信號(hào)調(diào)制以及解調(diào)中的離散傅里葉的變換DFT。

綜上所述，隨著社會(huì)的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)一步向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)扁平化以及網(wǎng)絡(luò)融合帶來(lái)的業(yè)務(wù)綜合承載化和網(wǎng)絡(luò)高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展，光接入網(wǎng)絡(luò)作為一種新型接入網(wǎng)絡(luò)只有不斷適應(yīng)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(tái)發(fā)展，才能更加體現(xiàn)出光接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的價(jià)值。

圖2　光高斯濾波從QPSK信號(hào)中產(chǎn)生的光域奈奎斯特濾波類(lèi)9-QAM信號(hào)WDM信道原理

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摘要：現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)是現(xiàn)代信號(hào)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(fù)性等特點(diǎn)，將現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)融入光接入網(wǎng)絡(luò)中不僅能夠有效解決光接入網(wǎng)絡(luò)中的頻譜效率同時(shí)對(duì)延長(zhǎng)傳輸距離也具有重要的作用。下面本研究首先簡(jiǎn)單對(duì)光接入網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，然后從三個(gè)不同的角度詳細(xì)深入分析了現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在光接入網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)；光接入網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)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