1、100G DWDM系統關鍵技術及實現原理劉志寧 張華鋒重慶市電信規劃設計院，400041liu_zhining；zhanghuafeng摘要：通信網絡中高速率業務的不斷發展，對現有的網絡的傳輸帶寬提出了更高、更迫切的需求。從目前主流的10/40Gbps光傳輸技術向100Gb/s演進成為光傳輸技術的發展趨勢。本文簡述了100G DWDM系統關鍵技術的基本原理，分析了100G系統的技術特點及優點并詳細介紹了100Gb/s線路側光模塊基本實現原理。關鍵字：100G DWDM PM-QPSK 相干接收 DSP算法1 背景介紹通信網絡中高速率業務的不斷發展，對現有的城域網絡及省際、國際骨干通信網絡的傳輸

2、帶寬提出了更高、更迫切的要求。從目前主流的10/40Gbps光傳輸技術向100Gb/s演進成為光傳輸技術的發展趨勢。近年來大量研究表明，相位調制及相干接收時最具前景的100G光傳輸方式，其中，采用相干接收技術的PM-QPSK傳輸系統最被業界認可，信道中的各種損傷，如色散，PMD，載波的頻率和相位偏移等，都可以通過PM-QPSK系統接收機利用數字信號處理（DSP）技術在電域中進行靈活的補償并進行信號重構。因此，PM-QPSK結合相干檢測提供了最優化的解決方案,這被大多數的系統供應商選擇為100G傳輸方案。2 100G系統關鍵技術2.1 偏振復用正交相移鍵控（PM-QPSK）正交相移鍵控（QPSK

3、）是一種多元（4元）數字頻帶調制方式，其信號的正弦載波有4個可能的離散相位狀態，每個載波相位攜帶2個二進制符號。PM-QPSK將單個100G信號分成2個具有不同偏振狀態的50G載波信號，然后對每個載波做QPSK調制。因此，該方式能將通道波特速率降到一半，同時，由于每個偏振態可以使用4個相位來表示bit信息，有可以實現通道波特速率降到一半，因此，經過PM-QPSK編碼后，波特率可以降至bit率的四分之一。下圖為PM-QPSK編碼方式示意圖：圖1 PM-QPSK編碼示意圖2.2 SD-FECFEC技術被廣泛的應用于光通信系統，不同的FEC能獲得不同的系統性能，根據接收信號處理方式的不同，FEC可分

4、為硬判決碼和軟判決碼。硬判決碼是基于傳統糾錯碼觀點的譯碼方式，解調器首先對信道輸出值進行最佳硬判決，硬判決的FEC冗余度約為7%，已在光通信領域得到廣泛應用。軟判決譯碼則充分利用了信道輸出的波形信息，解調器將匹配濾波器輸出的一個實數值送入譯碼器，即軟判決譯碼器需要的不僅僅是“0/1”碼流，還需要“軟信息”來說明這些“0/1”的可靠程度，即離判決門限越遠，判決的可靠性就越高，反之可靠性就越低。要體現遠近程度就要把判決空間劃分得更細。除了劃分“0/1”的門限，還要用“置信門限”將“0”和“1”空間進行劃分以說明判決點在判決空間的相對位置。與硬判決相比，軟判決包含了更多的信道信息，譯碼器能夠通過概率

5、譯碼充分利用這些信息，從而獲得比硬判譯碼更大的編碼增益。OIF建議100G選擇冗余度小于20%的軟判決糾錯編碼（SD-FEC），凈編碼增益可達10.5dB左右，采用SD-FEC的100G技術，能基本達到與10G同量級的傳輸距離。2.3 相干技術相干是指波的振動量相同，振動方向、頻率相同，而且相位關系固定信號的解調機制。利用調制信號的載波和接收到的已調信號相乘，然后通過低通濾波得到調制信號的檢測方式。相干檢測可檢測強度，相位以及頻率調制的光載無線 信號。光信號在進入光接收機之前與接收端的本振激光器(LO)進行混頻，產生一個等于本振激光器的頻率和原光源頻率之差的中頻分量。與直接檢測相比，相干檢測更

6、容易獲得大的信噪比，可恢復的信號種類較多，并且頻率選擇性較好，更適合密集波分復用系統。數字相干接收機通過相位分集和偏振態分集將光信號的所有光學屬性映射到電域，利用成熟的數字信號處理技術在電域實現偏振解復用和通道線性損傷(CD、PMD)補償，簡化傳輸通道光學色散補償和偏振解復用設計，減少和消除對光色散補償器和低PMD光纖的依賴。但數字相干接收機將傳輸通道設計的復雜度轉移到了接收機，相干檢測獲得較好的檢測性質代價就是大大提高了系統的復雜性，而且缺乏靈活性。3 100G實現基本原理3.1 100G線路側模塊發送端基本原理100Gb/s線路側光模塊的設計目標是應用于長距離光傳輸，支持OTU4的DWDM

7、設備線路側傳輸。下圖為100Gb/s線路側光模塊發送端的原理框圖。圖2 100Gb/s線路測試光模塊發射機原理框圖如圖所示，可調諧激光器（ITLA）輸出的連續光送入QPSK調制器（Modulator），在調制器中通過一個偏振分離器件產生PBS后成為兩路偏振太相互正交的光波，沒個偏振太分別由一個QPSK調制器對該光波進行調制，調制信號時有MUX產生的兩路I和O信號，通過寬帶放大器（Driver）將I和O信號放大，施加在調制器上產生電光調制。調制后的兩路QPSK信號經過一個PBC合成一路PM-QPSK偏振復用信號輸出。對于QPSK調制器（Modulator）還需要通過閉環控制對其I、Q和Pi/2相

8、位多個偏置點進行反饋控制（MZ bias control），使QPSK調制器（Modulator）長期穩定地工作在正常的偏置狀態。此外，發射單元還通過SD-FEC的編碼器（SD-FEC Encoder）將需要傳輸的業務數據進行編碼并輸入到MUX(X)和MUX(Y)中，通過并串轉的方式產生4路串行數據輸出到渠道器（Driver）中。3.2 模塊接收側基本原理如圖3所示PM-QPSK光信號講過長距離傳輸后，由光模塊的相干接收單元（Coherent Detection）接收，光信號通過偏振分束器分為兩個相互正交的偏振光信號，記為X方向和Y方向，X方向和Y方向的光信號分別于相應本振偏振光進行90度相干

9、混頻（900Hybrid）,混頻輸出的信號經過平衡光電檢測器（O/E）進行光電轉換，然后通過ADC進行抽樣和量化處理，完成模擬/數字變換，最后，抽樣量化后的離散數字序列被送入數字信號處理(DSP)單元中進行處理。圖3 100Gb/s線路側光模塊接收機原理框圖在數字信號處理單元（DSP）中，數字信號經過時鐘恢復處理實現同步，經電域均衡實現偏振解復用及去CD，PMD及部分非線性效應損傷，通過頻偏估計和相應判決處理消除本振光源和發送光載波的頻差以及相位噪聲的影響。然后將處理后的數據送入SD-FEC解碼器單元（SD-FEC Decoder）進行解碼，最后恢復出數據信號。3.3 DSP算法基本原理數字信

10、號處理單元完成DSP算法，該算法只要可以分成5個子功能：數字時鐘恢復（Clock Recovery）、均衡和偏振解復用（Equalization with Polarization Demultiplexing）、頻偏估計（Carrier Estimation），相偏估計（Phase Estimation）、解碼和數據恢復（Slicer &Decoder）。其功能框圖如圖4所示。圖4數字信號處理單元功能框圖下面對將分別對框圖中各單元進行簡單介紹：1）數字時鐘恢復數字時鐘恢復的目的是：由于ADC的采樣時鐘是獨立于發射端的符號時鐘的，所以必須利用插值濾波器接收機的符號取樣時刻，使得調整后的

11、接收機采樣時鐘與發射符號時鐘同步，即保證ADC的采樣速率與符號速率完全吻合。2）均衡和偏振解復用均衡和偏振解復用是對單個偏振太進行的。均衡的作用是消除由于信道的線性因素造成的信號串擾，可以采用固定或可變抽頭系數的FIR實現而偏振解復用需要采用蝶形濾波器實現；偏振解復用是為了將兩個偏振太的信號分離開。因為信號傳輸時，兩個偏振太中間有串擾（偏振耦合造成），而且由于偏振旋轉，接收端PBS之后的信號偏振太與初始偏振太不對應。3）載波頻偏估計由于激光器的非理想特性，光相干接收機種本振激光器的振蕩頻率，可能會與載波頻率之間存在一定的偏差，這個頻率偏差反映在符號上，是相位的偏移，對于PM-QPSK這種相位調

12、制系統而言，必須去除頻偏帶來的相位偏移，才有可能解調出最后的數據符號，因此，頻偏估計是接收機種不可缺少的一個模塊。其原理是對頻偏大小的檢測，在根據估計出的頻偏值，對符號進行相位修正以去除頻偏的影響。4）載波相偏估計由于激光器存在線寬，所以其真實振蕩頻率附近會產生一些相位偏移，再加上頻偏估計的誤差，使得頻偏估計之后的符號，其相位偏移依然存在，并且這個偏移量隨著時間而變化，可以覆蓋到0到2所有范圍。載波相位恢復的目的就是去除這部分相位偏移量，使其輸出的符號相位可以直接用于符號判決。載波相位估計的基本原理是獲得出了信息相位意外的相位偏移量，并從每個符號中去除。5）解碼與數據恢復對于QPSK，在恢復出

13、信號的相位后，可根據相位調制規則分別得到兩個偏振太的I、Q路信號；對于DQPSK，恢復出信號相位后，還需要將前后兩個符號的相位相減，再得到兩個偏振太的I、Q信號。4 100G系統的技術特點及優點眾所周知，單信道速率的每一次提升，都會受到包括OSNR容限、色散、PMD及非線性等傳輸損傷的限制，因此需要更為先進的技術來減小這些傳輸損傷的影響，100G融合了偏振復用、相位調制、超強FEC、相干檢測、DSP等多技術，現行100G技術解決方案特點有以下幾點：1）通過采用技術偏振復用，利用光信號的兩個偏振態之間相互正交特性來實現在同一個光載波上攜帶兩路信息，使得信號碼元速率下降一半。2）利用QPSK技術可

14、以使光載波攜帶的信息量增大一倍，與偏振復用的結合使得100G信號波特率降低到約25Gbaud/s，因此能夠應用在50GHz間隔的OTN系統中，同時也降低了信號對光纖非線性容忍度的要求。3）通過LDPC（低密度奇偶校驗碼）解決方案，以及軟判決方式，有效的提高和編碼增益。4)相干檢測與ADC和數字信號處理(DSP)的結合也是100G極為關鍵的一項技術突破，相比于直接檢測和自相干解調方式，相干檢測及DSP技術結合能有效提高解調效率，提高接收機靈敏度，在電域均衡色散和PMD，降低成本等優點。5 100G技術應用現狀及發展趨勢5.1 100G技術應用現狀100G技術是融合了PM-QPSK、相干接收、超強

15、FEC等多種關鍵技術的新型高速傳輸技術。雖然100G技術提出的時間較短，但是從該技術的提出到接近設備成熟可謂異常迅速。100G技術的源頭是100GE業務，100GE技術的相關標準已由美國電氣和電子工程師協會(IEEE)、國際電信聯盟電信標準化部門(ITU-T)和光互聯論壇(OIF)等進行開發。2010年IEEE802.3ba對100GE完成了規范，而ITU-T在2009年底就為100GE業務承載定義了OTU4，同時OIF規范了業務的100G 長距模塊的實現以及100G互連互通接口規范。得益于IEEE、ITU-T、OIF等標準組織幾乎同步推進并發布100G相關標準，100G市場被業界一致看好，普

16、遍認為100G是一個具有10年以上長壽命的產品。隨著100G相關標準的相繼發布，2011年國際主流設備商先后推出了100G DWDM骨干傳輸解決方案。為了解決干線傳輸帶寬壓力，全球領先運營商積極推進100G商用化進程。典型如華為在KPN的100Gb/s部署、阿朗在法國Completel的100Gb/s升級、香港新世界電信的100G部署等。2011年中國電信啟動了100G DWDM設備研究性測試，在此基礎上完成了國內100G DWDM設備技術要求(標準)，中國移動近期正在進行100G DWDM設備的測試，預計今年中國電信和中國移動都會啟動100G DWDM現網部署。5.2 100G技術發展趨勢1

17、00Gb/s技術的關鍵特征決定了其是未來幾年高速傳輸帶寬的主流提供技術。從100Gb/s后續發展趨勢來看，2012年將是100Gb/s長距傳輸的測試驗證年，2013年將是100Gb/s技術現網試驗年，2014年在體積和功耗進一步降低后將逐步推動規模商用，而更高速率的400Gb/s或1Tb/s將重新成為高速傳輸應用技術新的關注焦點。6結論經過光通信界的共同努力，100G DWDM技術已基本成熟，主流光網絡設備商都適時推出了100G長距離光傳輸解決方案，國內外運營商已啟動了商用測試的步伐，我們將迎來100G DWDM時代。參考文獻1崔平、趙文玉等.100Gbs光收發模塊技術發展研究.中國通信標準化學會研究報告.(2011.11)2李智宇.100Gb/s PM-QPSK相干接收機載波頻偏估計和相位恢復算法的研究.北京郵電大學碩士研究生學位論文（2010.1）3100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document (2009.6)4OIF-FEC-100G-01.0.100G Forward Error Correction White Paper(2010.5)5Draft CFP MS