趙環(huán)，劉毓

（1.西安郵電大學(xué)，電子工程學(xué)院，陜西 西安，710121； 2. 西安郵電大學(xué)，通信與信息工程學(xué)院學(xué)院，陜西 西安 710061）

200Gbps超高速 PDM-16QAM光通信系統(tǒng)

趙環(huán)1，劉毓2

（1.西安郵電大學(xué)，電子工程學(xué)院，陜西 西安，710121； 2. 西安郵電大學(xué)，通信與信息工程學(xué)院學(xué)院，陜西 西安 710061）

隨著2013年中國移動(dòng)和中國電信對100G光通信系統(tǒng)商業(yè)部署的啟動(dòng)，超100Gbps光通信技術(shù)逐漸成為了研究熱點(diǎn)。本文基于VPI與Python軟件，以PDM-16QAM為調(diào)制格式設(shè)計(jì)了200Gbps的超高速光通信系統(tǒng)，在接收端相干解調(diào)后通過DSP算法對色散容限、偏振模色散、非線性進(jìn)行了補(bǔ)償，本文對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了研究分析，并對基礎(chǔ)算法進(jìn)行改進(jìn)，將加權(quán)算法應(yīng)用到QPSK分區(qū)算法中，使得相位估計(jì)更準(zhǔn)確，從而得到的解調(diào)信號更加接近發(fā)送信號，減少了損耗，最終有效地提高了光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

超100Gbps；偏振復(fù)用；PDM-16QAM；VPI

0 引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展以及海量移動(dòng)設(shè)備的接入需求讓網(wǎng)絡(luò)流量暴增，直接推動(dòng)了數(shù)據(jù)中心在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面的高速需求，也進(jìn)一步刺激了光通信設(shè)備的需求量。隨著 100Gb/s 光通信系統(tǒng)商業(yè)部署的啟動(dòng)，超100Gbps光通信技術(shù)已然是研究熱點(diǎn)。

相對100Gb/s 技術(shù)而言，200Gb/s 比特速率增加了2倍，而采用高階調(diào)制碼型是提升光通信系統(tǒng)效率有效的方式［1］。現(xiàn)今100Gb/s主要采用的是PDM-QPSK調(diào)制技術(shù)，其理論上能夠?qū)崿F(xiàn)4bit/s/HZ的頻譜效率，而若釆用PDM-16QAM調(diào)制碼型，其頻譜效率則可以達(dá)到8bit/s/HZ［2］。因此本文對PDM-16QAM碼型的相干光通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究。但隨著光通信系統(tǒng)傳信速率的提高，光信號受光纖色散以及非線性效應(yīng)等因素的影響，增大了通信系統(tǒng)的誤碼率，為此本文采用DSP算法對色散容限、偏振模色散、非線性進(jìn)行補(bǔ)償，從而有效地提高光纖通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

1 PDM-16QAM光通信系統(tǒng)模型

本文為實(shí)現(xiàn)200Gbps超高速光纖傳輸，在發(fā)端采用了PDM-16QAM調(diào)制格式，接收端在相干解調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了DSP數(shù)字信號處理，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 PDM-16QAM光通信系統(tǒng)框圖Fig.1 A diagram of the optical communication systems using 200Gbps PDM-16QAM

系統(tǒng)發(fā)送端由激光器（CW）、偏振分束器（PBS）、調(diào)制器（MZM）、數(shù)據(jù)源（PRBS）、偏振耦合器（PBC）組成。兩路信號發(fā)生器PRBS 1、PRBS 2分別產(chǎn)生 100 Gbit/s 的二進(jìn)制偽隨機(jī)序列，分別經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，分為四列25 Gbit/s的序列。

傳輸鏈路由單模光纖（SMF）、光放大器（EDFA）、光濾波器組成。由于色散、偏振模色散等的存在會(huì)使光信號波形在傳輸過程中失真，會(huì)在接收端造成誤碼，降低光通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

接收端由本地振蕩器（LO）、混頻器光電檢測器、DSP處理（色散補(bǔ)償、始終恢復(fù)與再采樣、偏振解復(fù)用與均衡、載波頻相恢復(fù)）模塊組成。使用PBS將PDM-16QAM光信號分為兩束垂直的偏振光分別送入16-QAM相干接收機(jī)，再進(jìn)入到DSP模塊。在 DSP 模塊中，對電信號進(jìn)行前端預(yù)處理、色散補(bǔ)償、偏振解復(fù)用、頻偏估計(jì)、相位恢復(fù)。最后經(jīng)抽樣判決、16QAM 解碼和并串轉(zhuǎn)換，恢復(fù)出原發(fā)送序列。

2 PDM-16QAM調(diào)制格式

本文采用PDM-16QAM調(diào)制格式設(shè)計(jì)光通信系統(tǒng)，在傳信率不變的情況下，其波特率僅為PDMQPSK的一半，在超高傳信率的情況下降低了對于高速電子器件的要求［3，4］。

發(fā)射機(jī)激光源被經(jīng)分束器分為兩束正交的偏振光，然后兩個(gè)偏振光分別進(jìn)入兩個(gè)調(diào)制器進(jìn)行16QAM調(diào)制。由于兩路偏振信號攜帶的信息是一樣的，這里選取了一路偏振光信號的分析。

16QAM調(diào)制框圖如圖2所示，由兩個(gè)MZM（馬赫曾德爾）調(diào)制器和一個(gè)π/2相移器構(gòu)成。發(fā)送信號經(jīng)過預(yù)編碼以后分為I、Q兩路，比特流經(jīng)過多電平映射器映射為四電平信號，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器輸入MZM（I臂和Q臂）［5］。圖2（a）中I路信號為：

其中，Ein（t）是輸入光信號，VI為加載在I臂上的電壓，Vπ是半波電壓。β=2πneff/λ，neff是波導(dǎo)的有效折射率，λ是光的波長，L是電極長度。而Q路信號相對I路信號而言，對加到調(diào)制器上的光載波的相位延遲了90°，因此Q路信號為：

最后經(jīng)過X、Y兩個(gè)偏振態(tài)的信號耦合到光纖中，得到PDM-16QAM信號。

圖2 16QAM調(diào)制框圖Fig.2 A block diagram of 16QAM

3 相干接收與DSP處理

在接收端，本文采用90°光混頻器（Hybrid）將信號光與本振光進(jìn)行相干解調(diào)。之后，將解調(diào)產(chǎn)生的電信號送入到DSP模塊進(jìn)行整形、CD補(bǔ)償、偏振模非線性色散補(bǔ)償、偏振解復(fù)用、頻偏估計(jì)、載波恢復(fù)等處理后進(jìn)行判決恢復(fù)輸入序列。

本文主要采用頻域CD補(bǔ)償、改進(jìn)CMA算法、分區(qū)QPSK算法對輸出電信號進(jìn)行數(shù)字信號處理。

3.1 DSP前端預(yù)處理

為了便于后續(xù)數(shù)字信號處理，需要對信號進(jìn)行過采樣，此時(shí)采樣速率必須是波特率的整數(shù)倍。

3.2 色散估計(jì)與補(bǔ)償

色散是對在光纖中傳輸?shù)男盘栐斐蓳p傷的主要因素。色散補(bǔ)償方案有通過傅立葉變換的頻域補(bǔ)償，以及通過濾波器的時(shí)域補(bǔ)償方式。本文采用的是頻域補(bǔ)償。在不考慮非線性的情況下，整個(gè)光纖信道可以看做是線性的，色散對信號A（ z， t）的影響如式（4）所示［6］：

式（4）在頻域的解為：

其中，D表示光纖的色散系數(shù)，λ是光的波長，c是光速，z是傳輸距離，ω是載波角頻率。由式（4）可知色散的傳遞函數(shù)可進(jìn)一步表示：

將接收信號乘以色散傳遞函數(shù)的共軛，即可完全補(bǔ)償由色散而造成的信號畸變。頻域補(bǔ)償前后樣值點(diǎn)數(shù)相等，為后續(xù)的下采樣提供方便。

3.3 PMD補(bǔ)償及偏振串?dāng)_校正

CMA 算法通過計(jì)算接收信號模值與期望信號模值的誤差對信號進(jìn)行盲均衡，其以模值作為判斷基準(zhǔn)，對相位不敏感，故無須在均衡器之間添加載波相位恢復(fù)模塊便可以補(bǔ)償 PMD 以及殘余色散，實(shí)現(xiàn)偏振解復(fù)用［7］。CMA算法的原理是構(gòu)造一個(gè)代價(jià)函數(shù)，由代價(jià)來尋找代價(jià)函數(shù)的極小值點(diǎn)，達(dá)到PMD補(bǔ)償和解復(fù)用的目的。CMA算法的代價(jià)函數(shù)為［8］：

式中R2=E｛|a（ k）|4/E｛|a（ k ）|2｝｝。R2是一個(gè)正實(shí)數(shù)常數(shù)，a（k）是原始發(fā)送信號，y（k）是均衡器的輸出信號。CMA通過調(diào)節(jié)均衡器權(quán)向量的極點(diǎn)值，使得代價(jià)函數(shù)的梯度為0，來達(dá)到理想的均衡狀態(tài)。其權(quán)值迭代公式為：

其中u是步長迭代因子，收斂速度由其決定。w（ k）是均衡器的沖激響應(yīng)，為被均衡器恢復(fù)的信號。x*（k）是均衡器輸入信號的共軛。

當(dāng)均衡算法收斂以后，HE·HPDM接近于單位矩陣，均衡后的數(shù)據(jù)恢復(fù)為發(fā)送數(shù)據(jù)，完成信道均衡。

3.4 基于QPSK的16-QAM解調(diào)

由于16-QAM信號各數(shù)據(jù)符號的相位差不盡相同，因此應(yīng)用于傳統(tǒng)載波相位噪聲估計(jì)的VVPE算法無法應(yīng)用在16-QAM調(diào)制格式中。為此Fatadin等人提出了基于QPSK分區(qū)的16-QAM改進(jìn)算法［9，10］。

16-QAM星座圖及其分區(qū)如圖2（b）所示，其中（s5，s7，s13，s15）四個(gè)星座為第一環(huán)區(qū)，（s1，s3，s6，s14，s11，s9，s12，s4）八個(gè)星座為第二環(huán)區(qū)，（s0，s2，s8，s10）四個(gè)星座為第三環(huán)區(qū)。第一區(qū)和第三區(qū)均為標(biāo)準(zhǔn)的QPSK，可以用VVPE算法通過對接收信號進(jìn)行相位為估計(jì)，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。在第二區(qū)中，將八個(gè)星座又分為兩組（s1，s6，s11，s12）和（s3，s14，s9，s4），每一組通過（±θ=π/4-atan（1/3））旋轉(zhuǎn)成為標(biāo)準(zhǔn)的QPSK，再釆用VVPE算法去除數(shù)據(jù)碼元的相位調(diào)制信息，最后實(shí)現(xiàn)相位噪聲估計(jì)。

4 PDM-16QAM光通信系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

本文基于VPI光學(xué)仿真平臺(tái)，結(jié)合Python軟件，采用PDM-16QAM方式設(shè)計(jì)了200Gbps光通信系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了仿真分析，系統(tǒng)如圖3所示。主要由發(fā)射模塊、傳輸鏈路、DSP處理、信號分析四部分組成。

圖3 PDM-16QAM仿真光通信系統(tǒng)Fig.3 The simulation optical communication system using PDM- 16QAM

5 仿真結(jié)果分析

圖3所示的光通信仿真系統(tǒng)，采用如下參數(shù)：信號速率200GHZ，傳輸線寬TxLinwidth=200kHz，功率2dBm，光纖中繼長度 100 km，光纖色散系數(shù)16.75ps/nm / km，非線性系數(shù)偏振膜色散系數(shù)，光線寬200MHz，色散補(bǔ)償 FIR 時(shí)域均衡濾波器的階數(shù)為 199，偏振模補(bǔ)償 CAM 算法的 FIR 濾波器階數(shù)為4，步長μ = 0.11，仿真結(jié)果如下。

圖4給出了PDM-16QAM系統(tǒng)經(jīng)200km和400km傳輸距離，誤碼率隨入纖光功率變化的關(guān)系曲線。從圖4可以看出，傳輸距離不論在200km和400km的情況下，最優(yōu)入纖功率均為0dBm。系統(tǒng)誤碼率在0dBm兩側(cè)隨著入纖功率的增大呈拋物線變化，當(dāng)入纖功率相同時(shí)，傳輸距離越長，誤碼率越高。

圖5（a）、5（b）分別是非線性相位補(bǔ)償前后的星座圖。從圖5（a）中可以看到幅度越大的星座點(diǎn)受到的非線性相位噪聲的影響相對越大，這是由于非線性效應(yīng)相當(dāng)于對信號進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與信號的功率相關(guān)，本文設(shè)計(jì)的16QAM調(diào)制，三環(huán)的功率比為1：5：9，故此圖5（a）中內(nèi)環(huán)的星座點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度小，隨著幅度越大，非線性效應(yīng)造成的旋轉(zhuǎn)角度越大，外圏旋轉(zhuǎn)速率大于內(nèi)圈。圖5（b）是對圖5（a）經(jīng)過非線補(bǔ)償后的星座圖，由圖5（b）可見，進(jìn)行非線性補(bǔ)償后的信號星座圖信號點(diǎn)行對集中一些，趨向于理想狀態(tài)，降低了誤碼，提高了通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

圖4 入纖功率與誤碼率關(guān)系曲線Fig.4 The relation curve of transmitted power and BER

圖5 載波相位噪聲補(bǔ)償前后信號星座圖Fig.5 The signal constellation of carrier before and after phase noise compensation

6 結(jié)束語

本文基于VPI軟件平臺(tái)，采用改進(jìn)的QPSK分區(qū)算法相干解調(diào)16QAM，利用DSP算法對色散容限、偏振模色散、非線性進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)計(jì)了PDM- 16QAM調(diào)制格式的200Gbps超高速光纖通信系統(tǒng)，并對其性能進(jìn)行了仿真分析，為400Gbps乃至1T的超高速光通信的研究做了有益的探索。

［1］ Erwan Pincemin，Julie Karaki，Yann Loussouarn et al. Challenges of 40/100 Gbps and higher-rate deployments over long-haul transport networks ［J］. Optical fiber technology，2014，17.

［2］ Gnauck A，Winzer P，Chandrasekhar S，etal. Spectrally efficient long-haul WDM transmission using 224-Gh/s polarization-multiplexed 16-QAM ［J］. J Lightwave Technol.，2013，29（4）：373-377

［3］ 胡毅，楊家龍. 40/100G相干光通信模塊的技術(shù)分析［［J］.烽火技術(shù)，2011（6）：13-15.

HU Yi，YANG jialong.Technical Analysis of 40/100 Gbps Coherent Optical Communication Module［J］.Fiberhome Technology，2011（6）：13-15.

［4］ 及睿，忻向軍，張琦.光通信中的新型復(fù)用形式［J］.新型工業(yè)化，2011，1（8）：29-35.

JI RUI，XIN Xiangjun，ZHANG QI.Novel methods for multiplexing in optical communication［J］.The Journal of New Industrialization，2011，1（8）：29-35.

［5］ 劉繼紅，李佳泯，梁猛. 16-QAM相干光纖通信系統(tǒng)星座圖的優(yōu)化與選擇［J］.半導(dǎo)體光電，2011，33（1） ：110-112.

LIU Jihong，LI Jamin，LIANG Meng. Constellation Optimization and Selection for 16-QAM Based Optical Coherent Systems［J］. Semiconductor Optoelectronics，2011，33（1） ：110-112.

［6］ 徐天華. 高速相干光纖通信系統(tǒng)中色散補(bǔ)償及載波相位評估的研究［D］. ［博士學(xué)位論文］，天津：天津大學(xué)，2012.

XU Tianhua. Electronic Dispersion Compensation and Carrier Phase Estimation in High Speed Coherent Optical Transmission System［D］.［Ph. D. Thesis］，Tianjin：Tianjin University，2012.

［7］ 李智宇. 100Gb/s PM-QPSK 相干光接收機(jī)載波頻偏估計(jì)和相位恢復(fù)算法的研究［D］，北京： 北京郵電大學(xué)，2013，9（1）：279-307.

LI Zhiyu. The Research of frequency offset estimation and phase recovery algorithm for 100Gb/s optical coherent PM-OPSK receiver［D］. BeiJing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2013.9（1）：279-307.

［8］ 蘇真真，許義，董穎.基于相位噪聲分析補(bǔ)償?shù)腃O-OFDM系統(tǒng)信道估計(jì)研究［J］.光電子激光，2013，11（11）：2136-2137.

SU Zhengzheng，XU Yi，DONG Yin. Channel estimation based on analysis of phase noise compensation for CO-OFDM system［J］.Journal of Optoelectronics.Laser，2013，11（11）：2136-2137.

［9］ 蔡寅翔，張杰，趙永利. 多層多域光網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］. 新型工業(yè)化，2012，2（9）：1-11.

CAI Yinxiang，ZHANG Jie，ZHAO Yongli.Research of Key Technologies in Multi-layer and Multi-domain Optical Network Management System［J］.The Journal of New Industrialization，2012，2（9）：1-11.

［10］ 蔣清健，張文超. 基于DBP的DP-16QAM相干光通信非線性補(bǔ)償技術(shù)研究［J］. 激光雜志，2015（10）：144-147.

JIANG Qinchao，ZHANG Wenchao . Nonlinear Compensation Technology Research of DP-16QAM Coherent Optical Communication Based on DBP［J］ .Laser Journal，2015（10）：144-147.

Ultra High-Speed Optical Communication Systems Using 200Gbps PDM-16QAM

ZHAO Huan1， LIU Yu2
（1.School of Electrical Engineering， Xi'an University of Post and Telecommunications， Xi'an 710121， China ；2.School of Communication and Information Technology， Xi'an University of Post and Telecommunications， Xi'an 710121， China）

With the 2013 China Mobile and China Telecom to 100G optical communication system commercial deployment start， ultra 100Gbps optical communication technology has become a hot research topic.In this paper， based on VPI and Python software， using PDM- 16QAM modulation format designed 200Gbps ultra high-speed optical fiber communication system， and at the receiving end of the dispersion tolerance， polar mode dispersion， nonlinearity is compensated through DSP algorithms， In this paper， the experimental results were studied and analyzed， and the basic algorithm is improved weighting algorithm is applied to QPSK partition algorithm， so that the phase estimation more accurate， thereby demodulated signal is closer to the transmission signal， reducing wear and tear， effectively improving the quality of optical fiber communication systems .

Ultra 100Gbps； Polarization multiplexing； PDM-16QAM； VPI

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.011

ZHAO Huan1， LIU Yu. Ultra High-Speed Optical Communication Systems Using 200Gbps PDM-16QAM［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 66-71.

趙環(huán)，劉毓.200Gbps超高速 PDM-16QAM光通信系統(tǒng)［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（9）：66-71.

趙環(huán)（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：光通信

劉毓，教授，主要研究方向：信號處理、光通信與光信息技術(shù)