200Gbps超高速 PDM-16QAM光通信系统

赵环，刘毓

（1.西安邮电大学，电子工程学院，陕西 西安，710121； 2. 西安邮电大学，通信与信息工程学院学院，陕西 西安 710061）

200Gbps超高速 PDM-16QAM光通信系统

赵环1，刘毓2

（1.西安邮电大学，电子工程学院，陕西 西安，710121； 2. 西安邮电大学，通信与信息工程学院学院，陕西 西安 710061）

随着2013年中国移动和中国电信对100G光通信系统商业部署的启动，超100Gbps光通信技术逐渐成为了研究热点。本文基于VPI与Python软件，以PDM-16QAM为调制格式设计了200Gbps的超高速光通信系统，在接收端相干解调后通过DSP算法对色散容限、偏振模色散、非线性进行了补偿，本文对实验结果进行了研究分析，并对基础算法进行改进，将加权算法应用到QPSK分区算法中，使得相位估计更准确，从而得到的解调信号更加接近发送信号，减少了损耗，最终有效地提高了光纤通信系统的质量。

超100Gbps；偏振复用；PDM-16QAM；VPI

0 引言

移动互联网的飞速发展以及海量移动设备的接入需求让网络流量暴增，直接推动了数据中心在网络传输方面的高速需求，也进一步刺激了光通信设备的需求量。随着 100Gb/s 光通信系统商业部署的启动，超100Gbps光通信技术已然是研究热点。

相对100Gb/s 技术而言，200Gb/s 比特速率增加了2倍，而采用高阶调制码型是提升光通信系统效率有效的方式［1］。现今100Gb/s主要采用的是PDM-QPSK调制技术，其理论上能够实现4bit/s/HZ的频谱效率，而若釆用PDM-16QAM调制码型，其频谱效率则可以达到8bit/s/HZ［2］。因此本文对PDM-16QAM码型的相干光通信系统进行了研究。但随着光通信系统传信速率的提高，光信号受光纤色散以及非线性效应等因素的影响，增大了通信系统的误码率，为此本文采用DSP算法对色散容限、偏振模色散、非线性进行补偿，从而有效地提高光纤通信系统的质量。

1 PDM-16QAM光通信系统模型

本文为实现200Gbps超高速光纤传输，在发端采用了PDM-16QAM调制格式，接收端在相干解调的基础上进行了DSP数字信号处理，其系统框图如图1所示。

图1 PDM-16QAM光通信系统框图Fig.1 A diagram of the optical communication systems using 200Gbps PDM-16QAM

系统发送端由激光器（CW）、偏振分束器（PBS）、调制器（MZM）、数据源（PRBS）、偏振耦合器（PBC）组成。两路信号发生器PRBS 1、PRBS 2分别产生 100 Gbit/s 的二进制伪随机序列，分别经串并转换，分为四列25 Gbit/s的序列。

传输链路由单模光纤（SMF）、光放大器（EDFA）、光滤波器组成。由于色散、偏振模色散等的存在会使光信号波形在传输过程中失真，会在接收端造成误码，降低光通信系统的质量。

接收端由本地振荡器（LO）、混频器光电检测器、DSP处理（色散补偿、始终恢复与再采样、偏振解复用与均衡、载波频相恢复）模块组成。使用PBS将PDM-16QAM光信号分为两束垂直的偏振光分别送入16-QAM相干接收机，再进入到DSP模块。在 DSP 模块中，对电信号进行前端预处理、色散补偿、偏振解复用、频偏估计、相位恢复。最后经抽样判决、16QAM 解码和并串转换，恢复出原发送序列。

2 PDM-16QAM调制格式

本文采用PDM-16QAM调制格式设计光通信系统，在传信率不变的情况下，其波特率仅为PDMQPSK的一半，在超高传信率的情况下降低了对于高速电子器件的要求［3，4］。

发射机激光源被经分束器分为两束正交的偏振光，然后两个偏振光分别进入两个调制器进行16QAM调制。由于两路偏振信号携带的信息是一样的，这里选取了一路偏振光信号的分析。

16QAM调制框图如图2所示，由两个MZM（马赫曾德尔）调制器和一个π/2相移器构成。发送信号经过预编码以后分为I、Q两路，比特流经过多电平映射器映射为四电平信号，再经过驱动器输入MZM（I臂和Q臂）［5］。图2（a）中I路信号为：

其中，Ein（t）是输入光信号，VI为加载在I臂上的电压，Vπ是半波电压。β=2πneff/λ，neff是波导的有效折射率，λ是光的波长，L是电极长度。而Q路信号相对I路信号而言，对加到调制器上的光载波的相位延迟了90°，因此Q路信号为：

最后经过X、Y两个偏振态的信号耦合到光纤中，得到PDM-16QAM信号。

图2 16QAM调制框图Fig.2 A block diagram of 16QAM

3 相干接收与DSP处理

在接收端，本文采用90°光混频器（Hybrid）将信号光与本振光进行相干解调。之后，将解调产生的电信号送入到DSP模块进行整形、CD补偿、偏振模非线性色散补偿、偏振解复用、频偏估计、载波恢复等处理后进行判决恢复输入序列。

本文主要采用频域CD补偿、改进CMA算法、分区QPSK算法对输出电信号进行数字信号处理。

3.1 DSP前端预处理

为了便于后续数字信号处理，需要对信号进行过采样，此时采样速率必须是波特率的整数倍。

3.2 色散估计与补偿

色散是对在光纤中传输的信号造成损伤的主要因素。色散补偿方案有通过傅立叶变换的频域补偿，以及通过滤波器的时域补偿方式。本文采用的是频域补偿。在不考虑非线性的情况下，整个光纤信道可以看做是线性的，色散对信号A（ z， t）的影响如式（4）所示［6］：

式（4）在频域的解为：

其中，D表示光纤的色散系数，λ是光的波长，c是光速，z是传输距离，ω是载波角频率。由式（4）可知色散的传递函数可进一步表示：

将接收信号乘以色散传递函数的共轭，即可完全补偿由色散而造成的信号畸变。频域补偿前后样值点数相等，为后续的下采样提供方便。

3.3 PMD补偿及偏振串扰校正

CMA 算法通过计算接收信号模值与期望信号模值的误差对信号进行盲均衡，其以模值作为判断基准，对相位不敏感，故无须在均衡器之间添加载波相位恢复模块便可以补偿 PMD 以及残余色散，实现偏振解复用［7］。CMA算法的原理是构造一个代价函数，由代价来寻找代价函数的极小值点，达到PMD补偿和解复用的目的。CMA算法的代价函数为［8］：

式中R2=E｛|a（ k）|4/E｛|a（ k ）|2｝｝。R2是一个正实数常数，a（k）是原始发送信号，y（k）是均衡器的输出信号。CMA通过调节均衡器权向量的极点值，使得代价函数的梯度为0，来达到理想的均衡状态。其权值迭代公式为：

其中u是步长迭代因子，收敛速度由其决定。w（ k）是均衡器的冲激响应，为被均衡器恢复的信号。x*（k）是均衡器输入信号的共轭。

当均衡算法收敛以后，HE·HPDM接近于单位矩阵，均衡后的数据恢复为发送数据，完成信道均衡。

3.4 基于QPSK的16-QAM解调

由于16-QAM信号各数据符号的相位差不尽相同，因此应用于传统载波相位噪声估计的VVPE算法无法应用在16-QAM调制格式中。为此Fatadin等人提出了基于QPSK分区的16-QAM改进算法［9，10］。

16-QAM星座图及其分区如图2（b）所示，其中（s5，s7，s13，s15）四个星座为第一环区，（s1，s3，s6，s14，s11，s9，s12，s4）八个星座为第二环区，（s0，s2，s8，s10）四个星座为第三环区。第一区和第三区均为标准的QPSK，可以用VVPE算法通过对接收信号进行相位为估计，实现解调。在第二区中，将八个星座又分为两组（s1，s6，s11，s12）和（s3，s14，s9，s4），每一组通过（±θ=π/4-atan（1/3））旋转成为标准的QPSK，再釆用VVPE算法去除数据码元的相位调制信息，最后实现相位噪声估计。

4 PDM-16QAM光通信系统仿真及结果分析

本文基于VPI光学仿真平台，结合Python软件，采用PDM-16QAM方式设计了200Gbps光通信系统，并对其进行了仿真分析，系统如图3所示。主要由发射模块、传输链路、DSP处理、信号分析四部分组成。

图3 PDM-16QAM仿真光通信系统Fig.3 The simulation optical communication system using PDM- 16QAM

5 仿真结果分析

图3所示的光通信仿真系统，采用如下参数：信号速率200GHZ，传输线宽TxLinwidth=200kHz，功率2dBm，光纤中继长度 100 km，光纤色散系数16.75ps/nm / km，非线性系数偏振膜色散系数，光线宽200MHz，色散补偿 FIR 时域均衡滤波器的阶数为 199，偏振模补偿 CAM 算法的 FIR 滤波器阶数为4，步长μ = 0.11，仿真结果如下。

图4给出了PDM-16QAM系统经200km和400km传输距离，误码率随入纤光功率变化的关系曲线。从图4可以看出，传输距离不论在200km和400km的情况下，最优入纤功率均为0dBm。系统误码率在0dBm两侧随着入纤功率的增大呈抛物线变化，当入纤功率相同时，传输距离越长，误码率越高。

图5（a）、5（b）分别是非线性相位补偿前后的星座图。从图5（a）中可以看到幅度越大的星座点受到的非线性相位噪声的影响相对越大，这是由于非线性效应相当于对信号进行旋转，旋转的角度与信号的功率相关，本文设计的16QAM调制，三环的功率比为1：5：9，故此图5（a）中内环的星座点旋转角度小，随着幅度越大，非线性效应造成的旋转角度越大，外圏旋转速率大于内圈。图5（b）是对图5（a）经过非线补偿后的星座图，由图5（b）可见，进行非线性补偿后的信号星座图信号点行对集中一些，趋向于理想状态，降低了误码，提高了通信系统的质量。

图4 入纤功率与误码率关系曲线Fig.4 The relation curve of transmitted power and BER

图5 载波相位噪声补偿前后信号星座图Fig.5 The signal constellation of carrier before and after phase noise compensation

6 结束语

本文基于VPI软件平台，采用改进的QPSK分区算法相干解调16QAM，利用DSP算法对色散容限、偏振模色散、非线性进行补偿，设计了PDM- 16QAM调制格式的200Gbps超高速光纤通信系统，并对其性能进行了仿真分析，为400Gbps乃至1T的超高速光通信的研究做了有益的探索。

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Ultra High-Speed Optical Communication Systems Using 200Gbps PDM-16QAM

ZHAO Huan1， LIU Yu2
（1.School of Electrical Engineering， Xi'an University of Post and Telecommunications， Xi'an 710121， China ；2.School of Communication and Information Technology， Xi'an University of Post and Telecommunications， Xi'an 710121， China）

With the 2013 China Mobile and China Telecom to 100G optical communication system commercial deployment start， ultra 100Gbps optical communication technology has become a hot research topic.In this paper， based on VPI and Python software， using PDM- 16QAM modulation format designed 200Gbps ultra high-speed optical fiber communication system， and at the receiving end of the dispersion tolerance， polar mode dispersion， nonlinearity is compensated through DSP algorithms， In this paper， the experimental results were studied and analyzed， and the basic algorithm is improved weighting algorithm is applied to QPSK partition algorithm， so that the phase estimation more accurate， thereby demodulated signal is closer to the transmission signal， reducing wear and tear， effectively improving the quality of optical fiber communication systems .

Ultra 100Gbps； Polarization multiplexing； PDM-16QAM； VPI

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.09.011

ZHAO Huan1， LIU Yu. Ultra High-Speed Optical Communication Systems Using 200Gbps PDM-16QAM［J］. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（9）： 66-71.

赵环，刘毓.200Gbps超高速 PDM-16QAM光通信系统［J］. 新型工业化，2016，6（9）：66-71.

赵环（1990-），女，硕士研究生，主要研究方向：光通信

刘毓，教授，主要研究方向：信号处理、光通信与光信息技术