2.3.4 相干光模块的DSP 技术的发展
图2-13 所示的是相干光传输DSP 发送和接收链路的典型功能框图。
图2-13 相干光传输DSP 发送和接收链路的典型功能框图
发送方向，电信号在经过FEC 编码和顺序交织重排之后，分4 路生成QAM 符号序列，并在符号序列中插入必要的辅助符号，用于辅助接收机的同步功能，如相位同步和FEC 编码同步等。随后，将发射端的DSP 调制符号序列转化为发射信号波形。数字域的发射信号波形经过D/A 变成模拟波形，经线性放大后驱动光电调制器，调制发射端激光，形成入纤光信号。
接收方向，来自光纤的光信号携带光场的完整信息，经过光电转换形成4 路电信号，由接收端DSP 再对接收信号进行处理、恢复及对信道中的各种损伤进行补偿。随后，调制符号判决模块对接收符号完成判决。
相干光传输DSP 技术主要包括调制解调、信道FEC 编码解码、光线路损伤补偿等关键技术。
1．调制解调技术
调制解调技术是提高频谱效率和传输速率的关键。第一代的相干光传输DSP 产品采用偏振模复用差分四相移相键控（PM-DQPSK）调制，在偏振模和信号相位两个维度上频谱效率加倍，每个调制符号承担4bit 数据。后续又加入了更高阶的QAM 格式，包括8QAM、16QAM 等。
新的调制技术主要有概率星座整形（PCS，Probabilistic Constellation Shaping）调制、时域混合调制、多维调制、多独立子载波复用调制等。
（1）PCS 调制的原理是让较小功率的星座点比较大功率的星座点具有更高的发生概率，以此降低平均功率，提升性能（理论上比均匀星座概率分布调制高1.53dB）。概率星座整形的主要优势是更有效地填补了QPSK 和16QAM 之间、16QAM 和64QAM 之间数据率的空隙。
（2）时域混合调制是填补上述数据率间隙采用的方法。如为了在8QAM 和16QAM 之间实现每个符号3.25bit 或者3.5bit 的效率，而相应地按照3 : 1 和2 : 2 的比例交替使用8QAM和16QAM。这个方法的优点在于实现简单，但性能和灵活性比概率星座整形调制差。
（3）多维度调制是在正交、时间、偏振态等多维度空间中实现调制。数字子载波调制是在DSP 中实现多个子载波调制，保持基本调制格式不变，利用数字子载波传输方案将频带划分为N 个子载波，每个子载波的波特率则相应地为单载波方案的1/N。
2．信道FEC 编码解码
FEC 的作用是确保通信系统在噪声和其他损伤的影响下，依然能够实现无差错传输。本质上FEC 是一个编码、解码的过程，其算法的结果与发送端的数据一起发送，通过在远端重复相同的算法完成错误识别和纠正，而无须重新传输数据。
在非相干光传输时代，采用传统的代数分组码及其级联组合，其净编码增益（NCG，Net Coding Gain）都在9dB 以下。得益于CMOS 工艺技术的发展，相干DSP 产品采用增益更高同时实现复杂度更高的新型码型和解码技术。码型包括Turbo 乘积码（TPC，Turbo Product Code）、低密度奇偶校验码（LDPC，Low-Density Parity-Check），它们都能在20% 左右的冗余度代价下通过软解码达到11dB 以上的NCG，基本满足了相干长传的需要。之后在TPC 基础上发展的FEC码型，被推广为行业标准，它能满足15% 的低冗余度的系统需要，其较高的NCG 可以满足中等传输距离的需要。在解码器方面，基于调制符号软判决（SD，Soft Decision）的多轮迭代式解码得以广泛应用，用高复杂度换取较高的编码增益。中短传输距离市场的标准化也促进了FEC 技术和标准的研发，但高性能、长距离的传输产品一般使用软判决前向纠错（SD-FEC）以确保产品传输性能的竞争力，如可以在QPSK 调制下确保产品实现12dB 的NCG。
3．光线路损伤补偿
DSP 在进行光线路数字补偿方面，主要考虑CD、PMD、非线性效应等三类损伤。
（1）CD 补偿
在非相干光传输时代，采用CD 补偿光纤在光域直接补偿；而相干传输采用DSP 在电域实施补偿，具有时延低、成本低、性能稳定等优点。
光网络进入智慧光网络阶段之后，传输路径可能随时根据业务服务需求发生改变，采用DSP 进行CD 补偿可以自动检测不同路径长度的光纤残余色散并灵活配置CD 补偿参数。
（2）PMD 补偿
PMD 补偿是对光信号的两个偏振分量产生的不同时延进行补偿。PMD 导致信号脉冲展宽、码间串扰和误码，成为10Gbit/s 系统之后非相干光传输提高传输速度和增大距离的主要限制因素。
光信号的偏振态一直处于随机变化之中，因此DSP 在处理PMD 时需要具有动态自适应的特征。在任意时刻，对PMD 损伤的均衡处理都可以描述为对光场信号矢量的线性变换和对信号函数的线性滤波。因此可以使用MIMO 的自适应滤波器完成PMD 均衡，该自适应滤波器利用已知的调制格式的信号特征进行自我学习或盲学习，比如QPSK 符号具有恒定幅度值、16QAM符号具有多重幅度值，对应地使用恒模算法和多模算法等自适应盲均衡算法。
（3）非线性补偿
非线性效应限制了入纤功率和光线路末端的OSNR，非线性补偿技术将会提高在给定的传输速率和频谱效率下的传输距离，具体方法包括信道内的自相位调制、偏振间非线性串扰，以及信道间非线性串扰等。这些算法都有不错的补偿效果，但算法复杂度高。如最早的数字后向传输算法在已知其他信道信号的前提下可以补偿信道间光纤非线性串扰，但这种算法需要已知光纤信道的参数，也需要很高的计算复杂度。目前相关科研聚焦于降低计算复杂度，有基于微扰理论的方法、有使用非线性滤波器的方法，近年来还有大量使用机器学习和神经网络的方法。因此，应用DSP 在非线性补偿领域的关键是找到低计算复杂度的方法，从实验室走进实际应用中。
（4）其他补偿
偏振复用技术的损伤需要DSP 补偿，包括偏振态旋转（RSOP，Rotation of State of Polarization）和偏振模衰减（PDL，Polarization Dependent Loss）。正交调制解调过程中发射端激光和接收端解调激光存在相位噪声，也需要DSP 进行预估、跟踪和补偿。
4．智慧光网络对DSP 技术的要求
智慧光网络对DSP 技术的要求体现在两个方面：一是DSP 持续提升传输的性能和容量；二是网络层需要DSP 向其提供大量光参数据。
（1）持续深挖数字补偿技术：在色度色散补偿方面，可能需要进行的改进包括有效缩短 CD 补偿量的估计和搜索所需时间；在偏振模恢复方面，需要改进算法以适应高阶调制和新的调制格式；在非线性补偿方面，需要找到低计算复杂度的算法。
另外，在智慧光网络服务的千行百业中，某些特殊行业或技术领域需要DSP 与数字补偿技术相结合。例如，在电力系统广泛使用的架空地线光缆环境中，当遇到雷击天气时，光缆内的地线会产生瞬间的强大电流，并由于法拉第磁光效应造成光纤内光信号的偏振态（SOP，State Of Polarization）瞬间快速变化。烽火通信对自适应偏振恢复算法—恒模算法进行改进，提高了信号估计的收敛速度，解决了传统恒模算法基于盲均衡对信号进行收敛估计所带来的收敛速度较慢的问题，提升了对SOP 变化的快速感知和补偿能力，从而达到高速跟踪SOP的效果。该技术已取得数项重要专利，并同步在考虑自适应偏振恢复算法的收敛上限和高阶QAM 下的算法应用。未来抗SOP 扰动的相干DSP 算法是向着与调制格式无关和高稳定性的方向发展的，如北京邮电大学的张晓光教授主张将SOP 与通常的PMD 进行解耦，基于卡曼滤波方法实现大PMD 与快速SOP 的联合补偿。
（2）数字信息为智慧光网络提供数据基础，如DSP 可以完成时延、CD、PMD 等数据的测量；可以完成电域SNR 的测量并预估OSNR ；可以感知和检测信道内部的损伤、误码率（BER，Bit Error Ratio）、PDL 等。这些数据有的可以提供给网络层AI 完成损伤建模和学习，并用于故障预测、信号测量等领域；有的可以提供给数字孪生面，进行真实模块、链路、网络的参数孪生。
2.3.5 光模块的发展趋势
新兴应用场景的需求是推进光模块发展的根本动力，5G 网络和云数据催生了大量带宽密集应用，如VR/AR、云计算、移动互联、自动驾驶、远程医疗、视频会议等，网络流量将继续以指数级增长。这些应用场景主要分为两大类：以数据中心领域和直接光纤上拉汇聚为代表的点到点场景，距离覆盖40 ～ 100km ；环网场景，主要以800 ～ 200km 环链路为主，支持4 ～ 12 波或更多。现有的100Gbit/s 光模块在40 ～ 200km 的光传输场景下存在成本与性能无法兼顾的问题，直调直检光模块无法满足这种远距离光传输场景，相干光模块无法压缩成本。为了完美匹配这个巨大的新兴市场，直接检测和相干光检测技术各自在寻求新的技术突破口。
（1）直接检测增强高阶调制技术。当前商用的NRZ、PAM4 模块已经在数据中心和传输网络中大量使用，下一步将向更高阶PAM6、PAM8、离散多音频调制（DMT， Discrete Multitone Modulation）等调制格式迈进。例如，从4×25Gbit/s 的NRZ 100Gbit/s到2×50Gbit/s PAM4 100Gbit/s，再到1×100Gbit/s PAM4，至更高阶的100Gbit/s+PAM6、PAM8。
（2）简化相干技术。相干技术分两类，一类是在现有架构上重新调整传输性能以平衡成
本和功耗，如支持多进制调制格式来提高传输效率，使用较低容量DSP、低波特率光器件和低成本激光器以降低模块的综合成本；另一类是利用技术革新来降低收发光器件的复杂度，这类技术被称为简化相干技术。
当前业内简化相干技术的路径很多，主要有自零差相干、斯托克斯矢量直接检测（Stoke Vector DD）、单载波时间交织（Single Carrier Time Interleaved）等。这几个技术路径各有优势和劣势，目前都处于研究阶段，但所有技术路径的目的均是降低光模块内的器件或者电芯片的复杂度。例如：（1）省去接收侧的本振激光器；（2）简化光源，可以使用低质量的光源，无需热电制冷器（TEC，Thermo Electric Cooler）；（3）简化电域处理，降低DSP 算法复杂度，同时可以降低功耗；（4）简化接收侧接收机等。
此外，光模块的标准化工作也从未停止。城域网、接入网、数据中心等较短距离的光传输系统已经在朝着标准化的方向发展，包括实现互联互通的调制格式、FEC 编码码型、有限开放的FEC 解码算法和仿真模型代码。由国际标准组织光互联网论坛（OIF，Optical Internetworking Forum）主导的400Gbit/s ZR 和OpenZR+MSA 组织主导的ZR+ 标准就是该方向发展的产物。随着这些标准的制定，不同厂家的光模块和设备在光层连接上实现了互联互通，将在一定程度上降低智慧光网络连接层组网的复杂度和成本，最终促进智慧光网络的繁荣发展。
