光強度調制-直接檢測系統的頻域均衡技術研究

陸繼釗，姬發家，胡 榮，程 燕

（1.國網河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學研究院，武漢 430074）

光強度調制-直接檢測系統的頻域均衡技術研究

陸繼釗1，姬發家1，胡 榮2，程 燕2

（1.國網河南省電力公司信息通信公司，鄭州 450018； 2.武漢郵電科學研究院，武漢 430074）

研究了單載波光IM-DD（強度調制-直接檢測）系統的頻域均衡方案，通過分析時域與頻域單載波信號ISI（碼間干擾）的關系，提出一種通過時域截取的方法減弱噪聲影響的均衡器抽頭更新方式，并通過仿真對截取位置和符號個數的選取進行了優化。仿真結果表明，10 Gbit/s NRZ-OOK（非歸零碼-開關鍵控）信號經過100 km傳輸后，相對于傳統時域均衡方案，頻域均衡方案所需要的光信噪比需求可降低約2 dB。

光強度調制；直接檢測；頻域均衡

0　引 言

IM-DD（強度調制-直接檢測）的光傳輸系統在成本、可靠性等方面具有顯著優勢，在傳統高速、長距離的光通信系統中已被大量采用。隨著高速城域、接入光傳輸需求的持續增長，基于IM-DD的光通信技術在城域、接入等領域的應用潛力更加明顯。在這類系統中，除了低成本光學器件對傳輸性能的影響外，光纖色散效應引入的ISI（碼間干擾）也是影響傳輸容量與距離的主要因素。

日益成熟的數字信號處理技術提供了一種較低成本處理ISI與器件非理想效應的方式，單載波頻域均衡屬于一種信道均衡方案。相比于傳統時域均衡方案，單載波頻域均衡的并行計算方式擁有較低的計算復雜度，實現成本較低。另外，該方案將FFT（快速傅里葉變換）和IFFT（快速傅里葉逆變換）計算模塊均置于接收機中，降低了發射機中電路處理硬件的復雜度［1］。目前，單載波頻域均衡技術較多地應用在高速相干光通信系統中［2-4］，在色散受限的IM-DD光傳輸系統中應用較少。

本文針對IM-DD的光傳輸系統，通過分析時域與頻域ISI的關系，提出一種通過時域截取方法減弱噪聲影響的均衡器抽頭更新方式，仿真結果表明，對于10 Gbit/s NRZ-OOK（非歸零碼-開關鍵控）系統，頻域均衡方案可使得時域截取方法經優化截取位置與符號數目后能夠取得優于傳統時域均衡的性能。在10 Gbit/s NRZ-OOK實驗系統中，改進的單載波頻域均衡技術相比傳統時域均衡技術取得約2 dB的性能提升。

1　IM-DD系統的頻域均衡方案

在發射端，采用單載波頻域均衡技術的發送信號以成幀的方式傳送和處理，從而在接收端實現每幀信號的并行處理。在發射端，定義第m幀的輸入數據為，長度為N。信道傳輸的單位沖擊響應為hm，長度為L。在接收端，經過探測和采樣后，第m幀的數據為ym，長度為N。通過圖1所示的兩種方式表示數據傳輸過程中由于色散等效應導致的ISI。

如圖1（a）所示，從時域上觀察，ISI由單位沖擊響應hm描述，長度為L，表示為ISIL。使用FFT將ym變換至頻域得到Ym。以Hm表示第m幀數據的信道傳遞函數，長度為N。在頻域上ISI的作用如圖1（b）所示，其中ISI由信道傳遞函數Hm描述，長度為N，表示為ISIN。時域、頻域兩種形式下信道傳遞函數的對應關系可描述為

圖1　兩種方式表示數據傳輸過程中由于色散等效應導致的ISI示意圖

通過研究ISIL與ISIN的關系，可以發現兩者所包含的信息是相同的，但ISIL分布在L個單元上，ISIN分布在N個單元上，即ISIL上每單元的平均能量高于ISIN。因此，在噪聲相同的情況下，均衡器針對ISIN估計會比對ISIL的估計受到更多的影響。通常，可以采用較大的N值以減少運算復雜度。均衡器針對ISIN估計時，抽頭系數更新示意如圖1（c）所示。為了在頻域均衡中估計ISIL，針對均衡器抽頭的梯度向量提出一種時域截取的方法，更新過程如圖1（d）所示。

時域截取的頻域均衡包含兩個方面：（1）在頻域上均衡補償ISI；（2）在時域上估計ISI，基本處理流程如圖2所示。

輸入向量包含兩幀數據（2N個符號）進行線性卷積［5］，將兩倍采樣的數據序列分為奇偶部分進行自適應均衡器處理，依據頻域LMS（最小均方算法）作為抽頭系數更新的誤差函數［6］。根據圖2（a）所示，頻域均衡過程可描述為式中，上標e，o表示奇偶采樣序列表示均衡器的輸出表示均衡器抽頭系數的向量，長度為2N；F和分別表示FFT和IFFT。

進行時域ISI估計時，頻域的LMS梯度向量計算為

圖2　基本處理流程

式中，0N表示長度為N的零向量；errm表示誤差向量。將該梯度向量變換至時域，截取L′個符號，得到

式中，μ表示更新步長，更新后wm向量在相同的位置補零增加至2N個符號，并變換回頻域，

所述時域截取方法與傳統梯度約束技術的區別如圖2（b）所示。梯度約束是為了消除FFT帶來的圓周卷積效應，而時域截取具有降噪功能，其性能將在仿真中進行研究。

2　仿真結果及分析

為了驗證基于時域截取的頻域均衡方法，仿真搭建了IM-DD的10 Gbit/s NRZ-OOK系統。在發射端，使用長度為214-1的PRBS（偽隨機二進制序列）產生OOK調制信號，每幀128個符號，前8個符號為循環前綴。整個序列前1 024個符號用作訓練序列，NRZ信號脈沖的滾降系數為0.2。傳輸鏈路由100 km普通單模光纖跨段構成，其衰減為0.2 dB/km，色散為20 ps/nm。在接收端，接收信號經強度檢測、兩倍采樣后，進行頻域LMS信道均衡，仿真系統總體結構如圖3所示。不同均衡方案下BER（誤碼率）隨OSNR（光信噪比）變化曲線如圖4所示。圖中，TDE為時域均衡，AWG為陣列波導光柵。

圖3　基于頻域均衡數字信號處理技術的直接檢測系統信號仿真結構

圖4 不同均衡方案下BER隨OSNR變化曲線

圖4比較了時域截取的位置和符號數目對傳輸性能的影響，同時也給出了采用16抽頭的LMS時域均衡方案的結果。時域截取位置分為兩種情況：梯度向量的前L′個符號（圖中表示為first）或梯度向量兩側各L′/2個符號（圖中表示為side）。在仿真中共驗證了4種截取方法：前側128符號、前側16符號、兩側各64符號和兩側各8個符號。其中，截取前側128個符號的性能相對較差，兩側各截取8個符號的性能優于其他截取方法?？傮w來說，截取同樣數目的符號時，兩側截取的性能優于前側截??；截取位置相同時，16個符號的性能優于128個符號?？梢园l現，當采用兩側截取16個符號的方案時，頻域均衡方案性能由于采用16抽頭LMS的時域均衡方案，在誤碼率接近2×10-3時，對應的OSNR需求降低了2 dB。

當采用性能較優的兩段截取方案時，不同接收端OSNR條件下的BER隨截取符號數目的變化曲線如圖5所示?？梢园l現，當OSNR分別為17、20 和23 dB，每組輸入均衡器的兩幀數據長度為256，所截取符號數目取值為時，各OSNR下的最優截取長度取值均在（23，24）附近。

圖5　不同OSNR條件下BER隨截取符號數目的變化曲線

3　結束語

本文針對單載波IM-DD系統，分析了時域、頻域ISI的相互關系，提出了基于時域截取估計的頻域均衡方式以減小噪聲對信道均衡的影響，并對截取位置和符號個數進行了仿真優化。仿真結果表明，相對于傳統時域均衡方案，采用頻域均衡后，10 Gbit/s NRZ-OOK信號經過100 km單模光纖傳輸后，所需要的OSNR需求可降低2 dB。

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Research on Frequency Domain Equalization Techniques for Optical IM-DD Systems

LU Ji-zhao1，JI Fa-jia1，HU Rong2，CHENG Yan2
（1.Information and Communication Company，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450018，China；2.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China）

This paper studies the frequency domain equalization scheme for single carrier optical intensity modulation direct detection system.Through theoretical analysis on the relationship between the time and frequency domain inter-symbol interference for single carrier signal，a time domain clipping based channel equalizer with new tap updating method is proposed to reduce the effect of noise.The optimal clipping position and symbol number are selected through numerical simulations.The simulation results show that compared with conventional time domain channel equalization，the required OSNR can be reduced by almost 2 dB through frequency domain channel equalization after 100 km transmission of 10 Gbit/s NRZ-OOK signals.

optical intensity modulation；direct detection；frequency domain equalization

TN929.11

A

1005-8788（2016）04-0005-03

10.13756/j.gtxyj.2016.04.002

2015-12-09

陸繼釗（1985-），男，江蘇鹽城人。工程師，碩士研究生，主要研究方向為電力系統通信技術。