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相干傳輸已成為光網絡的一個基本組成部分，以解決直接探測技術無法提供所需容量和覆蓋范圍的情況。

直接探測傳輸只使用光信號的振幅，而相干光傳輸具有三種不同的光屬性：振幅、相位和偏振。這些額外的調制維度，允許在不影響傳輸距離的情況下實現(xiàn)更快的光信號。此外，相干技術實現(xiàn)了容量的升級，而無需更換地面上昂貴的物理光纖基礎設施。

然而，對數(shù)據的需求從未停止，隨之而來的是，數(shù)字信號處理器（DSP）的開發(fā)者不得不想辦法提高相干傳輸?shù)男?。在這篇文章中，我們將簡要介紹DSP開發(fā)者用來提高相干傳輸效率的兩種算法的影響，前向糾錯（FEC）和概率星座整形（PCS）。

什么是前向糾錯（FEC）？

由DSP實現(xiàn)的前向糾錯（FEC）已經成為相干通信系統(tǒng)的一個重要組成部分。前向糾錯使相干鏈路 (coherent link) 比直接檢測系統(tǒng)對噪聲的容忍度高得多，并能實現(xiàn)更遠的距離和更高的容量。由于有了FEC，相干鏈路可以處理比典型的直接探測鏈路高一百萬倍的誤碼率。

讓我們對FEC的工作原理做一個高層次的概述。FEC編碼器在傳輸?shù)臄?shù)據流中添加一系列冗余位（稱為開銷）。接收器可以使用這個開銷來檢查錯誤，而不要求發(fā)射器重新發(fā)送數(shù)據。

圖1: 帶有前向糾錯（FEC）的網絡鏈路的簡化圖

換句話說，F(xiàn)EC算法允許DSP在不改變硬件的情況下增強鏈路性能。這種增強類似于成像相機：圖像處理算法讓你手機相機內的鏡頭產生更高質量的圖像。

我們必須強調，F(xiàn)EC是電子DSP引擎的一個模塊，有自己專門的電路和算法，所以它是一個獨立的知識產權。因此，開發(fā)整個DSP電子引擎（見圖2，DSP的關鍵組件塊）需要擁有或獲得特定的FEC知識產權。

圖2: 相干光收發(fā)器中使用的電子引擎的布局，包括信號在被引擎處理時的順序。

什么是概率星座整形（PCS）？

DSP開發(fā)者可以通過在其正交振幅調制過程中傳輸更多的狀態(tài)來傳輸更多的數(shù)據。最簡單的一種QAM（4-QAM）使用四種不同的狀態(tài)（通常稱為星座點），結合兩種不同的強度水平和兩種不同的光相位（phases of light）。

通過使用更多的強度等級和相位，一次可以傳輸更多的比特。最先進的商用400ZR收發(fā)器通常使用16-QAM，有16個不同的星座點，這些星座點由四個不同的強度級別和四個相位組合而成。然而，這種傳輸能力的提高是有代價的：具有更多調制階數(shù)的信號更容易受到噪聲和失真影響。這就是為什么這些收發(fā)器可以在100公里內傳輸400Gbps，但不能在1000公里內傳輸。

最近DSP在增加光信號的覆蓋范圍方面最顯著的進展之一是概率星座整形（PCS）。在相干收發(fā)器中使用的典型的16-QAM調制中，每個星座點都有相同的使用概率。這是低效的，因為需要更多功率的外部星座點與需要較低功率的內部星座點具有相同的概率。

圖3：傳統(tǒng)16-QAM和使用概率星座整形（PCS）的16-QAM的比較，靈感來自Infinera公司的圖。

如圖3所示，PCS更頻繁地使用低功耗的內部星座點，而較少使用外部星座點。這一特點提供了許多好處，包括提高對失真的容忍度，以及更容易根據具體的比特傳輸要求進行系統(tǒng)優(yōu)化。如果你想了解更多，請閱讀參考文獻 [1], [2] 的解釋。

標準化和可重新配置的重要性

像FEC和PCS這樣的算法通常都是專利技術。設備和元件制造商對其算法嚴加保護，因為它們提供了關鍵的競爭優(yōu)勢。然而，這往往意味著來自不同供應商的相干收發(fā)器不能相互操作，整個網絡部署必須使用同一個供應商。

隨著時間的推移，相干收發(fā)器越來越需要具有互操作性，導致了這些算法的一些標準化。例如，用于數(shù)據中心互連的400ZR標準使用一種公共算法，稱為串聯(lián)FEC（CFEC）。相比之下，一些400ZR+MSA標準使用開放的FEC（oFEC），它以多一點的帶寬和能源消耗為代價，提供更多的延伸。對于最長的可能鏈路長度（500公里以上），專有的FEC成為400G傳輸?shù)谋匾獥l件。不過，至少公共的FEC標準已經實現(xiàn)了400G收發(fā)器市場中很大一部分的互操作性。也許在未來，這可能會發(fā)生在PCS方法上。

未來的DSP可以在不同的算法和方法之間切換，以適應網絡性能和使用情況。例如，讓我們看看升級一條650公里長的地鐵鏈路的案例，該鏈路以100Gbps的速度運行，采用開放式FEC。運營商需要將該鏈路的容量提高到400Gbps，但開放式FEC可能難以提供必要的鏈路性能。然而，如果DSP可以被重新配置為使用專有的FEC標準，收發(fā)器將能夠處理這個升級的鏈路。同樣，如果DSP激活其PCS功能，可以實現(xiàn)更遠的距離。

表1：400G可插拔收發(fā)器的不同用例和標準的匯總

總結

可以說，整個通信技術領域可以用一個問題來概括：我們如何才能在盡可能長的距離內將更多的信息傳輸?shù)揭粋€單一的頻率限制信號中？

DSP開發(fā)人員有許多工具來回答這個問題，其中兩個是FEC和PCS。這兩種技術使相干鏈路對噪聲的耐受性大大增強，并能擴大其覆蓋范圍。未來處理不同用例的可插拔收發(fā)器必須使用不同的編碼、錯誤編碼和調制方案，以適應不同的網絡要求。

在改進DSP并使其以更節(jié)能的方式傳輸更多的比特方面，未來仍有許多挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在，EFFECT Photonics公司已經吸收了Viasat公司的相干DSP團隊的人才和知識產權，我們希望這將為有利于正在進行的研究和開發(fā)，使收發(fā)器比以前更快、更持久。

參考文獻：

1.https://www.infinera.com/blog/ah-so-thats-how-probabilistic-constellation-shaping-works/tag/long-haul/，《Ah, So That’s How Probabilistic Constellation Shaping Works!》

2.https://www.infinera.com/blog/probabilistic-constellation-shaping-faster-further-smoother/tag/optical/，《Probabilistic Constellation Shaping: Faster, Further, Smoother》

逍遙科技 | 編譯自 Effect Photonics