ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА ДЛЯ КОГЕРЕНТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛА ДЛЯ КОГЕРЕНТНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

1 2* 1 1 12 1 Сенько М.А. ' , Базаров Т.О. , Соломадин И.Н. , Наний О.Е. ' , Трещиков В.Н.

1 ООО «Т8», г. Москва 2Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, г. Москва * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-53-54

Волоконно-оптическая связь, начавшаяся с амплитудных форматов модуляции, до появления волокон, компенсирующих дисперсию DCF (dispersion compensating fiber), была существенно ограничена накопленной хроматической дисперсией. Хоть DCF и позволил уменьшить ограничения, связанные с хроматической дисперсией, проектирование линий связи усложнилось вместе с ценой всей системы. В 80х годах двадцатого века была продемонстрирована возможность когерентного детектирования [1]. Таким образом, на приеме появился доступ к фазе и амплитуде сигнала в разных поляризациях. Однако до демонстрации цифрового метода компенсации фазовых искажений [2] эта область практически не развивалась. Оказалось, что имея такую информация можно компенсировать различные искажения, возникающие в линии связи, и в частности, решить проблему компенсации дисперсии, используя цифровой обратный оператор. Кроме того, такой подход обеспечил дополнительные к амплитуде степени свободы, что обеспечило более высокую информационную скорость, и уже в 2008 году был коммерчески доступен когерентный приемо-передатчик на 40 ГБод

[3].

Всю линейную фильтрацию теоретически можно заменить на один фильтр, если искажения меняются во времени, то коэффициенты этого фильтра должны также подбираться в реальном времени. Однако такой подход неэффективен с точки зрения реализации, поэтому задачу компенсации разбивают на несколько этапов, каждый из которых должен справиться со своим типом искажений. Кроме того, поскольку алгоритмы предназначены для дальнейшей реализации в СБИС и должны обеспечивать высокую пропускную способность к ним предъявляются требования по возможности к параллельной работе и возможности реализации в целочисленной арифметике.

Обзоры на тему ЦОС для когерентной ВОЛС можно найти в работах [4-5]. Первые работы подразумевали работу только во временной области. Кроме того, все алгоритмы были "слепыми", это значит, что они не опирались на знание служебной информации. Недостатком "слепых" алгоритмов является то, что при их работе сохраняется неопределенность фазы и на низких шумах неизбежно возникает проблема проскальзывания. Дальнейшие работы показали, что некоторые из этапов оптимально выполнять в частотной области. Кроме того, находятся более эффективные метрики, структуры фильтров и детали реализации.

В данной работе будет продемонстрирована возможная схема работы цифровой обработки сигнала для когерентной волоконно-оптической связи (Рис. 1). Основные блоки, компенсирующие искажения в ВОЛС:

1. Автоматическое регулирование усиления;

2. Компенсация дисперсии;

3. Грубое восстановление частоты несущей;

4. Синхронизация тактирования и интерполяция;

5. Адаптивный эквалайзер;

6. Точное восстановление частоты несущей;

7. Кадровая синхронизация;

8. Восстановление фазы несущей.

Стоит отметить, что для восстановления фазы, несущей используется служебная подпоследовательность, которая занимает около 3% информационного потока.

Результаты работы модели в числах с плавающей точкой в режиме back-to-back для экспериментальных данных приведены на Рис. 2. Набор позволяет восстановить DP-QPSK сигнал на частоте 31.569 ГГц с частотой оцифровки 64 ГГц, что достаточно для передачи информационного потока в 100 Гбод. Можно видеть, что OSNR на уровне BER, соответствующим 0.02, равен 11.6 дБ.

№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023» [email protected] 53

Временная область г I Частотная область

Г — — — — — — - "1 Г — — — —- —

Точное ВЧН Кадровая Восстановление

синхронизация фазы несущей

Точное ВЧН

Кадровая синхронизация

Восстановление фазы несущей

АЦП - аналого-цифровое

преобразование АРУ - автоматическое регулирование усиления

КДХ - компенсация хроматической дисперсии

ВЧН - восстановление частоты несущей СТИ - синхронизация тактирования и интерполяция

Рис.1. Схема тракта цифровой обработки сигнала для когерентной волоконно-оптической связи

-1.5

Pi.

ш

PÛ

00

■2.5

-3.5

1

11.6 1 . _ _—:-

10 11 12 13 14 15 OSNR, дБ/[0.1нм]

16

Рис.2. Зависимость BER от OSNR для предложенной схемы ЦОС

Литература

1. Okoshi T. Recent advances in coherent optical fiber communication systems //Journal of lightwave technology. -1987. - Т. 5. - №. 1. - С. 44-52

2. Tsukamoto S. et al. Coherent demodulation of 40-Gbit/s polarization-multiplexed QPSK signals with 16-GHz spacing after 200-km transmission //Optical Fiber Communication Conference. - Optica Publishing Group, 2005. - С. PDP29

3. Sun H., Wu K. T., Roberts K. Real-time measurements of a 40 Gb/s coherent system //Optics express. - 2008. - Т. 16. - №. 2. - С. 873-879

4. Savory S. J. Digital coherent optical receivers: Algorithms and subsystems //IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. - 2010. - Т. 16. - №. 5. - С. 1164-1179

5. Mehrez S. Advanced Digital Signal Processing tools for QAM-based optical fiber communications: дис. - PhD thesis, Telecom ParisTech, 2011

54

№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023vv»

[email protected]