陸繼釗，姬發(fā)家，胡 榮，程 燕

（1.國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074）

光強度調(diào)制-直接檢測系統(tǒng)的頻域均衡技術(shù)研究

陸繼釗1，姬發(fā)家1，胡 榮2，程 燕2

（1.國網(wǎng)河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074）

研究了單載波光IM-DD（強度調(diào)制-直接檢測）系統(tǒng)的頻域均衡方案，通過分析時域與頻域單載波信號ISI（碼間干擾）的關(guān)系，提出一種通過時域截取的方法減弱噪聲影響的均衡器抽頭更新方式，并通過仿真對截取位置和符號個數(shù)的選取進行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，10 Gbit/s NRZ-OOK（非歸零碼-開關(guān)鍵控）信號經(jīng)過100 km傳輸后，相對于傳統(tǒng)時域均衡方案，頻域均衡方案所需要的光信噪比需求可降低約2 dB。

光強度調(diào)制；直接檢測；頻域均衡

0　引 言

IM-DD（強度調(diào)制-直接檢測）的光傳輸系統(tǒng)在成本、可靠性等方面具有顯著優(yōu)勢，在傳統(tǒng)高速、長距離的光通信系統(tǒng)中已被大量采用。隨著高速城域、接入光傳輸需求的持續(xù)增長，基于IM-DD的光通信技術(shù)在城域、接入等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力更加明顯。在這類系統(tǒng)中，除了低成本光學(xué)器件對傳輸性能的影響外，光纖色散效應(yīng)引入的ISI（碼間干擾）也是影響傳輸容量與距離的主要因素。

日益成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)提供了一種較低成本處理ISI與器件非理想效應(yīng)的方式，單載波頻域均衡屬于一種信道均衡方案。相比于傳統(tǒng)時域均衡方案，單載波頻域均衡的并行計算方式擁有較低的計算復(fù)雜度，實現(xiàn)成本較低。另外，該方案將FFT（快速傅里葉變換）和IFFT（快速傅里葉逆變換）計算模塊均置于接收機中，降低了發(fā)射機中電路處理硬件的復(fù)雜度［1］。目前，單載波頻域均衡技術(shù)較多地應(yīng)用在高速相干光通信系統(tǒng)中［2-4］，在色散受限的IM-DD光傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

本文針對IM-DD的光傳輸系統(tǒng)，通過分析時域與頻域ISI的關(guān)系，提出一種通過時域截取方法減弱噪聲影響的均衡器抽頭更新方式，仿真結(jié)果表明，對于10 Gbit/s NRZ-OOK（非歸零碼-開關(guān)鍵控）系統(tǒng)，頻域均衡方案可使得時域截取方法經(jīng)優(yōu)化截取位置與符號數(shù)目后能夠取得優(yōu)于傳統(tǒng)時域均衡的性能。在10 Gbit/s NRZ-OOK實驗系統(tǒng)中，改進的單載波頻域均衡技術(shù)相比傳統(tǒng)時域均衡技術(shù)取得約2 dB的性能提升。

1　IM-DD系統(tǒng)的頻域均衡方案

在發(fā)射端，采用單載波頻域均衡技術(shù)的發(fā)送信號以成幀的方式傳送和處理，從而在接收端實現(xiàn)每幀信號的并行處理。在發(fā)射端，定義第m幀的輸入數(shù)據(jù)為，長度為N。信道傳輸?shù)膯挝粵_擊響應(yīng)為hm，長度為L。在接收端，經(jīng)過探測和采樣后，第m幀的數(shù)據(jù)為ym，長度為N。通過圖1所示的兩種方式表示數(shù)據(jù)傳輸過程中由于色散等效應(yīng)導(dǎo)致的ISI。

如圖1（a）所示，從時域上觀察，ISI由單位沖擊響應(yīng)hm描述，長度為L，表示為ISIL。使用FFT將ym變換至頻域得到Y(jié)m。以Hm表示第m幀數(shù)據(jù)的信道傳遞函數(shù)，長度為N。在頻域上ISI的作用如圖1（b）所示，其中ISI由信道傳遞函數(shù)Hm描述，長度為N，表示為ISIN。時域、頻域兩種形式下信道傳遞函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系可描述為

圖1　兩種方式表示數(shù)據(jù)傳輸過程中由于色散等效應(yīng)導(dǎo)致的ISI示意圖

通過研究ISIL與ISIN的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)兩者所包含的信息是相同的，但ISIL分布在L個單元上，ISIN分布在N個單元上，即ISIL上每單元的平均能量高于ISIN。因此，在噪聲相同的情況下，均衡器針對ISIN估計會比對ISIL的估計受到更多的影響。通常，可以采用較大的N值以減少運算復(fù)雜度。均衡器針對ISIN估計時，抽頭系數(shù)更新示意如圖1（c）所示。為了在頻域均衡中估計ISIL，針對均衡器抽頭的梯度向量提出一種時域截取的方法，更新過程如圖1（d）所示。

時域截取的頻域均衡包含兩個方面：（1）在頻域上均衡補償ISI；（2）在時域上估計ISI，基本處理流程如圖2所示。

輸入向量包含兩幀數(shù)據(jù)（2N個符號）進行線性卷積［5］，將兩倍采樣的數(shù)據(jù)序列分為奇偶部分進行自適應(yīng)均衡器處理，依據(jù)頻域LMS（最小均方算法）作為抽頭系數(shù)更新的誤差函數(shù)［6］。根據(jù)圖2（a）所示，頻域均衡過程可描述為式中，上標e，o表示奇偶采樣序列表示均衡器的輸出表示均衡器抽頭系數(shù)的向量，長度為2N；F和分別表示FFT和IFFT。

進行時域ISI估計時，頻域的LMS梯度向量計算為

圖2　基本處理流程

式中，0N表示長度為N的零向量；errm表示誤差向量。將該梯度向量變換至?xí)r域，截取L′個符號，得到

式中，μ表示更新步長，更新后wm向量在相同的位置補零增加至2N個符號，并變換回頻域，

所述時域截取方法與傳統(tǒng)梯度約束技術(shù)的區(qū)別如圖2（b）所示。梯度約束是為了消除FFT帶來的圓周卷積效應(yīng)，而時域截取具有降噪功能，其性能將在仿真中進行研究。

2　仿真結(jié)果及分析

為了驗證基于時域截取的頻域均衡方法，仿真搭建了IM-DD的10 Gbit/s NRZ-OOK系統(tǒng)。在發(fā)射端，使用長度為214-1的PRBS（偽隨機二進制序列）產(chǎn)生OOK調(diào)制信號，每幀128個符號，前8個符號為循環(huán)前綴。整個序列前1 024個符號用作訓(xùn)練序列，NRZ信號脈沖的滾降系數(shù)為0.2。傳輸鏈路由100 km普通單模光纖跨段構(gòu)成，其衰減為0.2 dB/km，色散為20 ps/nm。在接收端，接收信號經(jīng)強度檢測、兩倍采樣后，進行頻域LMS信道均衡，仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。不同均衡方案下BER（誤碼率）隨OSNR（光信噪比）變化曲線如圖4所示。圖中，TDE為時域均衡，AWG為陣列波導(dǎo)光柵。

圖3　基于頻域均衡數(shù)字信號處理技術(shù)的直接檢測系統(tǒng)信號仿真結(jié)構(gòu)

圖4 不同均衡方案下BER隨OSNR變化曲線

圖4比較了時域截取的位置和符號數(shù)目對傳輸性能的影響，同時也給出了采用16抽頭的LMS時域均衡方案的結(jié)果。時域截取位置分為兩種情況：梯度向量的前L′個符號（圖中表示為first）或梯度向量兩側(cè)各L′/2個符號（圖中表示為side）。在仿真中共驗證了4種截取方法：前側(cè)128符號、前側(cè)16符號、兩側(cè)各64符號和兩側(cè)各8個符號。其中，截取前側(cè)128個符號的性能相對較差，兩側(cè)各截取8個符號的性能優(yōu)于其他截取方法?？傮w來說，截取同樣數(shù)目的符號時，兩側(cè)截取的性能優(yōu)于前側(cè)截??；截取位置相同時，16個符號的性能優(yōu)于128個符號?？梢园l(fā)現(xiàn)，當采用兩側(cè)截取16個符號的方案時，頻域均衡方案性能由于采用16抽頭LMS的時域均衡方案，在誤碼率接近2×10-3時，對應(yīng)的OSNR需求降低了2 dB。

當采用性能較優(yōu)的兩段截取方案時，不同接收端OSNR條件下的BER隨截取符號數(shù)目的變化曲線如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當OSNR分別為17、20 和23 dB，每組輸入均衡器的兩幀數(shù)據(jù)長度為256，所截取符號數(shù)目取值為時，各OSNR下的最優(yōu)截取長度取值均在（23，24）附近。

圖5　不同OSNR條件下BER隨截取符號數(shù)目的變化曲線

3　結(jié)束語

本文針對單載波IM-DD系統(tǒng)，分析了時域、頻域ISI的相互關(guān)系，提出了基于時域截取估計的頻域均衡方式以減小噪聲對信道均衡的影響，并對截取位置和符號個數(shù)進行了仿真優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)時域均衡方案，采用頻域均衡后，10 Gbit/s NRZ-OOK信號經(jīng)過100 km單模光纖傳輸后，所需要的OSNR需求可降低2 dB。

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Research on Frequency Domain Equalization Techniques for Optical IM-DD Systems

LU Ji-zhao1，JI Fa-jia1，HU Rong2，CHENG Yan2
（1.Information and Communication Company，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

This paper studies the frequency domain equalization scheme for single carrier optical intensity modulation direct detection system.Through theoretical analysis on the relationship between the time and frequency domain inter-symbol interference for single carrier signal，a time domain clipping based channel equalizer with new tap updating method is proposed to reduce the effect of noise.The optimal clipping position and symbol number are selected through numerical simulations.The simulation results show that compared with conventional time domain channel equalization，the required OSNR can be reduced by almost 2 dB through frequency domain channel equalization after 100 km transmission of 10 Gbit/s NRZ-OOK signals.

optical intensity modulation；direct detection；frequency domain equalization

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0005-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.002

2015-12-09

陸繼釗（1985-），男，江蘇鹽城人。工程師，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)通信技術(shù)。