相干光通信实时信号处理

　　[摘要] 实时单载波相干光通信和实时相干光正交频分复用（OFDM）通信在处理方法和处理顺序上有所不同。实时相干光OFDM通信，接收端的信号处理首先在时域上进行，在时间同步之后便进行频偏估计，随后通过FFT变换之后转换到频域上再进行信道估计、相位噪声估计以及最终的信号检测；实时单载波相干光接收端的信号处理过程在时域上进行，首先进行的是信道估计，随后进行频偏估计。

　　[关键词] 相干光通信系统；实时数字信号处理技术；单载波技术；频域正交复用技术

　　相干光通信系统具有支持高阶数字调制解调，支持偏振复用等特点，并在接收端引入了数字信号处理（DSP）的均衡技术，能够实现高谱效率与长距离传输的光传输系统，因此被公认为是100G 及以上级高速光通信系统的解决方案，并已成功应用于100G 的商业系统中。

　　目前相干光通信的理论和实验始于20 世纪80 年代，随着多年的算法研究与现场可编程门阵列（FPGA 技术）的发展，相干光通信进入实时系统的研究阶段，利用高速率模数变换器（ADC）配合FPGA 搭建实时光相干系统电域处理部分是一种对其最有效率的研究方式。

　　2006 年，T. Pfau 首次实现了单载波正交相移键控（QPSK）实时光通信的传输，前向纠错编码性能在63 km传输后达到800 Mb/s[1]；同年，A. Leven实现了单载波QPSK 4.4 Gb/s 实时光通信的传输实验[2]。2007 年，T. Pfau采用偏振复用方式实现单载波QPSK2.8 Gb/s 实时光通信传输[3]；A. Leven等人于同年通过使用常数模算法（CMA）以及偏振复用等方式首次实现10 Gb/s 级的单载波实时光通信实验[4]。2008 年，Sun 等人首次实现了40 Gb/s 单载波QPSK 的实时光传输实验[5]。相对单载波系统，实时正交频分复用（OFDM）系统的研究相对落后，S. Chen 于2009 年实现首个OFDM系统实时光通信[6]，采用QPSK 调制和16QAM 调制的传输速率分别达到1.55 Gb/s 和3.1 Gb/s；同时，Q. Yang 等人实现了54 Gb/s 多频段OFDM 相干光通信实验[7]。2009 年，F. Buchali 提出了12.1 Gb/s 实时相干光OFDM 发送装置[8]，并成功应用于109 Gb/s 400 km的传输实验中。2011 年，X. Xiao 等人实现了10.5 Gb/s 相干光OFDM 实时发送及接收装置[9]，N. Kaneda 等人实现了28.6 Gb/s 偏振复用相干光OFDM 传输的实时接收器[10]；T. Pfau 等人实现了40 Gb/s 偏振复用16QAM 内差相干接收机[11]。图1 给出了研究领域相干光实时通信单通道上传输速率的逐年发展情况。

图1 相干光实时通信的发展

图2 双偏振相干光接收