我的人生哲学是工作，我要揭示大自然的奥秘，并以此为人类造福。

                                                                                      ——爱迪生（T.A.Edison）

一、DSP在高比特率光纤通信系统中的作用

       如9.5节所述，相干光通信系统具有许多优点，特别是偏振复用相干检测系统有着更高的频谱效率和传输速率。但该系统也面临着许多新的挑战，如光纤非线性和色散效应、激光器频率偏移及相位噪声等。有些效应（如色散）可以通过相关的光器件在光域进行补偿；而有的效应（如偏振模色散（PMD）、光纤非线性和光频漂移），很难通过光器件在光域补偿。此外，当本振激光与接收到的光信号拍频提取调制相位信息时，还会产生载波相位噪声。相位噪声来源于激光器，它将引起功率代价，降低接收机灵敏度，增加比特误码率。

       在开发高速光传输系统中，相干检测和数字信号处理（DSP）是已用的两种关键技术。对于400Gbit/s系统，不但接收机采用DSP，甚至奈奎斯特脉冲整形发送机也采用DSP。

       相干检测系统采用DSP，用于解调、线路增益均衡和前向纠错。在如图10.3.1所示的相干检测DSP系统中，载波相位跟踪、偏振校准和色散补偿均在数字领域完成。DSP对线性传输损伤，如色度色散、偏振模色散可以提供稳定可靠的性能，也使系统安装、监视和维修更加容易，所以在高速光纤通信中得到广泛的使用。

       在受光纤色度色散、偏振模色散和非线性效应影响的单信道和DWDM系统中，发送端/接收端的DSP技术可以显著提高QPSK和QAM调制系统的性能。

图10.3.1相干检测DSP构成及其作用

a）相干检测DSP构成原理图b）光纤传输后展宽光脉冲经接收机DSP色散补偿重新变窄

二、DSP基础——电子滤波均衡色散补偿

       电子色散补偿（EDC）是一种光纤色散补偿技术，其目的是扩展光纤线路无补偿传输的距离。EDC技术由于其小型化、低功耗和低成本的优点而逐渐受到更多的关注。EDC是基于电子滤波（均衡）的数字信号处理（DSP）技术进行光纤色散补偿的，它通过对接收光信号在电域进行抽样、软件优化和信号复原，有效地调整接收信号的波形，恢复由于色度色散、偏振模色散和非线性引起的光信号展宽和失真，从而达到色散补偿的效果。

       EDC有两种形式：基于发送端的EDC和基于接收端的EDC。目前，高速大容量光纤通信系统既在接收端采用EDC，也在发送端采用EDC。EDC结构有多种形式，比较典型的有前馈均衡器、判决反馈均衡器、固定延迟树查询和最大似然序列估计法这4种。其中最大似然序列估计法色散补偿效果最好，但这种方法需要高速模数转换和数模转换，功耗大，在10Gbit/s系统中一般不采用。

       接收机可以使用电子技术对群速度色散进行补偿。其原理是：尽管GVD使输入光信号展宽，如果认为光纤是一个线性系统，就可以用电子方法来均衡色散的影响。对于相干检测接收系统，这种色散补偿方法是很容易实现的，因为相干接收机首先把光频转换为保留了信息幅度和相位的微波中频ωIF信号。微波带通滤波器的冲激响应为

式中，L是光纤长度，它对应式（10.2.2）中的z，几十厘米长的微带线就可以对色散补偿。

       但是在直接检测接收机中，就不能用线性电子电路补偿GVD，因为光探测器只对光的强度响应，所有的相位信息在这里都丢失了。因此必须用非线性均衡方法，例如让通常固定在眼图中间位置的判决门限跟随前一个比特的幅度变化，但是这种方法需要复杂的高速逻辑控制电路，成本较高，同时此方法也只能用于低比特率补偿几个色散距离的系统。

       高速光纤通信系统一般综合采用前馈均衡器（FFE）和判决反馈均衡器（DFE）进行补偿，如图10.3.2所示。图中，FFE由一个有限冲激响应滤波器（FIR）构成，输入信号通过一个分级延时电路，将每一级的输出加权累加得到滤波器的输出。延时电路的级数取决于传输信道造成的脉冲展宽。FIR是线性滤波器，它可以设计成具有与光通道相反的传输特性，从而抵消色散的线性成分。DFE的主要作用是补偿失真信号的非线性成分，它和判决器一起构成反馈回路，用均方误差准则优化均衡器系数，基于前面探测到的信号，动态调节判决阈值电平，消除码间干扰。

图10.3.2综合使用FIR和判决反馈均衡器（DFE）进行电子色散补偿