数字相干系统知识科普

我们知道，光通信系统由于具有较大的带宽并支持远距离传输，因此应用非常广泛。其带宽可以通过速率与距离乘积或BL积来量化，BL是量化光纤链路质量和不同技术代能力的最合适指标。

如下图所示是不同时期光纤通信技术下的BL曲线图：

第 I 代光通信系统使用AlGaAs发光二极管（LED）和0.8μm激光器，在渐变折射率多模光纤（MMF）中工作。受模态色散的限制，这些系统的BL值达到了数百Mb/s⋅km。

上个世纪80年代初单模光纤(SMF)的发展克服了模态色散问题，开创了第 II 代光纤通信系统。此外，新的InGaAsP光源的开发使工作状态转向所谓的长波长，在接近1.3μm的窗口中，光纤衰减较低。80年代中期的第 III 代光纤通信系统将工作波长的窗口从1.3μm 移至1.5μm，从而进一步降低了光纤通道的衰减。第 III 代系统的传输模型为发射器和接收器通过单根光纤传输的单个光信号互连。如下图所示。

从上面的BL曲线中可以看出，光通信在第IV代实现了一个质的飞跃，即WDM，C+L，Raman等技术的出现，即通过在光纤中使用频分复用的方式（WDM技术），通过MUX（多路复用器)将工作在不同波长的多个收发器的输出光学多路复用到一根光纤中，然后在接收端，使用Demux（解复用器）将多路波长信号解复用。真正开启了低成本数据传输的新时代。

不过，在这个阶段，为了实现更远距离的传输，通常会在合适的位置放置电中继站（RGE），从而当光纤衰减信号时，信号可以在电子域中周期性地再生，以便能够恢复传输的比特。

但这种方案比较费钱，每个波长都需要配置对应的中继单板，想一想，如果是80波，那每个中继站就需要80块中继单板，假如10个中继站呢，成本是非常可怕的。为此，光放大器出现了，得益于掺铒光纤放大器EDFA的发明，它可以使得设备能够放大光域中的所有波长，单方向只需要一块EDFA放大器而无需任何光电光转换，从而大大降低成本。

后面技术持续革新，前向纠错FEC技术、C+L 波段传输以及混合EDFA/Ramam拉曼放大。再往后就是我们当前的数字相干传输系统，即具有相干检测和数字信号处理功能的数字光通信系统。

其实相干检测可以追溯到上个世纪80年代，当时就被用于提高光谱效率和灵敏度。实际上，构成当前相干光学系统基础的大多数技术在老早已经存在了。

另外当10Gb/s 转发器商用部署时，40Gb/s系统是下一代速率的一个趋势，但是，由于偏振模色散 （PMD） 和残余色散 （CD）的影响，要在原有10Gb/s系统上继续跑40Gb/s是有较大困难的，。

备注：如果比特速率增加4倍，则随着信号带宽的增加，脉冲扩展也会增加4倍。由于脉冲持续时间也减小了4倍，因此对CD的容差就减小了16 倍，与符号速率的平方成反比。同时，PMD的容限也与比特率的增加成反比，就更难接受了，因为相比10Gb/s，40Gb/s的色散补偿要求更高更难。

当然，后来CD/PMD这些影响通过相干系统中的接收机，经过数字信号处理（DSP）算法处理以及自适应数字滤波器进行补偿，也就不需要DCM等模块了。不仅减少了插损，也提高了对非线性效应的容忍度。

下面简单看一下相干接收机的结构，典型的数字相干系统的光接收机由两个主要子系统组成：

其中：

第1个子系统用灰色表示，是其接收器前端，主要由光前端、跨阻放大器（TIA）和模数转换器（ADC）组成。

第2个子系统用蓝色表示，由一系列数字信号处理（DSP）算法组成。第1个DSP模块是纠偏模块（Deskew），负责补偿4个接收组件对齐过程中可能出现的时间不匹配。下一个模块是正交化模块(orthogonalization)，它补偿接收器前端与时间错位无关的失配，例如轻微不平衡的光电探测器或功率分配器。然后，就是2个静态滤光片执行色散补偿（CD）。接着还有时钟恢复模块、自适应均衡器、频率恢复/相位恢复等。

各个模块的具体功能就不在此详细讨论了。

审核编辑：汤梓红