相干光点对多点传输中的数字信号处理设计

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引言

随着光网络的发展，对更高数据传输率和更灵活的网络架构的需求不断增加。采用相干光收发器的点对多点(P2MP)网络架构在简化城域和接入网络设计方面取得了显著进展。这些网络系统，特别是在实现数字子载波(DSC)复用时，与传统的点对点系统相比，展现出更优越的性能和灵活性[1]。

图1：(a)传统的基于点对点收发器的聚合网络与电交换/路由器的比较，以及(b)基于数字子载波的点对多点收发器聚合网络，展示了网络复杂度的显著降低。

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数字信号处理架构和基本构建模块

现代相干光系统的核心在于数字信号处理(DSP)能力。在基于DSC的系统中，DSP架构与单载波系统有许多相似之处，但包含了专门用于处理多个子载波的组件。主要区别在于处理模块的实现方式——单载波系统使用一个大型线路，而DSC系统采用多个较小的线路。

图2：(a)单通道收发器示意图和(b)数字子载波收发器示意图的详细比较，说明了两种方法在DSP实现上的主要区别。

发射端应用前向纠错(FEC)编码和帧同步，随后通过升余弦(RRC)滤波进行脉冲整形。对于DSC处理，额外的复用模块将各个基带子流数字调制到中间子载波上。接收端执行反向操作，包括色散补偿、偏振解复用和载波恢复。

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定时恢复和载波同步

DSC系统的一个关键方面是定时恢复。系统必须处理由同一个模数转换器(ADC)采样的子载波之间的定时差异。数字时钟恢复在消除信道失真后，能够有效地提取定时相位信息。

图3：在14 dB信噪比下，正弦抖动对16QAM造成0.5 dB Q因子损耗的影响，展示了抖动频率与系统性能之间的关系。

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色散和偏振模色散补偿

DSC系统在处理色散(CD)和偏振模色散(PMD)方面具有显著优势。由于每个子载波的符号率较低，这些系统在给定滤波器脉冲响应下能够承受更多的色散。

图4：固定CD滤波器系数数量情况下，色散容忍度的提升曲线图，展示了多载波系统的优越性能。

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激光器频率控制和功率管理

激光器频率的管理是P2MP系统的核心要素。如果没有适当的控制，来自不同叶节点发射机的子载波可能会重叠，导致信号质量下降。

图5：叶节点和集线器侧激光器的联合频率变化直方图，显示了实际系统中频率变化的统计分布。

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实际实现和性能

P2MP系统的实际实现证明了其可行性。实验设置显示了多个叶节点与中央集线器成功通信的结果。

图6：4×100 G叶节点到集线器实验的综合展示，包括(a)上行方向，(b)下行方向，(c)在集线器接收到的频谱，以及(d)在集线器接收到的星座图，展示了系统的实际实现。

图7：实验结果显示(a)VOA输出的相对功率和(b)集线器接收机上每个叶节点的预FEC Q因子，展示了系统对功率变化的适应能力。

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结论

采用DSC复用的相干光P2MP系统在光网络架构中显示出显著优势。DSP设计实现了对多个子载波的高效处理，同时在各种运行条件下保持稳健性能。这些系统为下一代城域和接入网络提供了技术和经济效益兼具的解决方案。