相干光通信实时信号处理研究

With increasing demand for high capacity and long reach of transmission system, Coherent optical (CO) transmission system is considered as the most promising solution for next generation optical system beyond 100G. Digital signal processing (DSP) is the one of the key components in CO system, by applying offline DSP terabit transmission have been demonstrated. However, real time implementation of CO system is constrained by some bottlenecks such as: the complexity of DSP algorithms; consumption of hardware resources; degradation of transmission performance comparing with offline processing etc. Based on previous researching milestones, the proposed project focuses on three major challenges in real time implementation of coherent optical system: a) Realization of parallel structure of DSP algorithms and introduced resource consumption; b) Impact of fixed-point resolution of DSP algorithms on transmission performance. c) Compare of single carrier and orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulated real time CO systems

网络带宽需求的不断增加,促使光纤通信系统向着100Gbit/s及更高速率发展,相干光通信技术已成为未来高速光传输系统的主要解决方案。使用离线相干数字DSP处理技术已能实现速率为 Tbit/s级别的大容量传输实验,然而将离线DSP算法转换为实时实现却存在着实现复杂度,资源消耗,性能劣化等各方面问题。 本项目拟在前期研究的基础上，对DSP实时实现过程中的算法结构，精度性能影响，资源消耗等多个方面展开研究，分析解决理论及应用上的关键问题。本项目主要研究：1）实时信号处理中算法的并行处理技术及对资源性能的影响研究；2）各模块的精度选取方法的研究；3）相干实时OFDM系统同单载波系统的分析对比研究。

相干光通信系统已成为下一代超高速光通信系统最可能的解决方案，而相干接收机中的数字信号处理芯片是相干光通信技术的核心技术之一，本项目分析了实时数字信号处理技术的难点及挑战；并分别对相干光通信系统中的两种主流调制格式 （单载波 及 OFDM）所采用的实时数字信号处理技术进行了研究及实现。对对主要模块进行了并行化处理及精度选择的研究，并对OFDM和单载波实时技术进行了对比。.本项目利用商用的5G/s采样速率模数转换芯片(Analog digital convertor, ADC)，及大容量现场可编程门阵列（Field－Programmable gate array，FPGA），建立了基于FPGA与ADC的实时信号处理平台，研究了中低速相干光通信之数字信号处理。.依托项目研究积累的成果，我们实现了4Gbit/s速率OFDM实时通信系统，采用Altera的FPGA进行接收数据数字信号处理及恢复，达到FEC(前向纠错)前平均BER（误码率）为8.62E-06。另外，还实现了2.5G-BPSK单载波相干光通信超长跨距传输系统。在FPGA中实现了所有核心算法，实测该系统接收端灵敏度为-54dB，此时FEC纠错前误码率在5e-4左右。该系统在同等光路条件下，比起传统直调直检设备总传输损耗提高5～6dB。在同时使用Raman放大与前后端遥泵的情况下，系统正常工作时的无中继总传输损耗可以达到100.23dB。.本项目所实现低速相干光通信系统超不但可应用与长跨距无中继通信应用场景，对卫星通信、星地通信、大气激光通信等需要高灵敏度的空间通信场景也有积极意义。其研究成果更可直接应用大容量的传输系统中，为我国的自助研发相干光通信中的核心数字处理芯片提供可靠的技术支持和有力支撑。