短距离光通信中的DSP

OFC2018的文献中有好几篇paper都提到DSP-free。不是很了解这一块，就搜索了相关的文献，刚好有一篇相关的综述文章 “Digital Signal Processing for Short-Reach Optical Communications: A Review of Current Technologies and Future Trends”。借助这篇review文章，这篇笔记主要梳理一些相关的知识点，填补下知识盲点。

(图片来自文献1)

短距离光通信的传输距离从几百米到几十公里，如上图所示，可以细分为三类：1）SR, 传输距离<300m, 对应同一数据中心不同服务器之间的互联。采用的光纤为多模光纤，激光器为VCSEL; 2) LR，传输距离<20km, 对应两个不同数据中心间的互联。采用单模光纤，工作波段为O波段；3）ER，传输距离<80km, 对应更远距离数据中心间的互联。采用单模光纤。

（表格来自文献1）

出于成本的考虑，短距离光通信系统采用VCSEL或者DML激光器、电吸收调制器(EAM)，PIN型探测器等作为基本构成单元。采用直接测量(direct dection)的探测方案，而不是长距离通信所采用的相干探测方案。此外，由于传输距离较短，不需要使用光放大器。

对于短距离光通信系统，需要考虑的主要因素有：1）波长色散(chromatic dispersion)，即不同波长对应不同的群速度，导致脉冲展宽，进而引起信号失真。为此工作波长选取波长色散较小的O波段；2）由于器件带宽不足引起的低通滤波效应(low-pass filtering effect)；3）偏振旋转，由于传输距离较短，不考虑偏振模式色散(polarization mode dispersion)的影响。这些因素带来的影响，可以通过DSP进行补偿。

短距离光通信系统中，发送端DSP的主要功能函数有：

1) FEC (forwar error correction) 编码，即前向纠错编码技术，基本原理是利用冗余编码的方法，具有自动纠正传输误码的优点。

2) 比特到符号的映射（bit to symbol mapping）

3) 重新采样（re-sampling）

4) 脉冲整形（pulse shaping）

5) DAC

接收端DSP的主要功能函数有：

1) ADC

2) 重新采样

3) 重新定时（re-timing）

4) 自适应均衡器（adaptive equalizer）, 其基于对信道特性的测量自动调整自己的系数，以适应信道特性的变化，对信号进行补偿，消除码间干扰

5) FEC解码

文献1中比较了三种不同调制方式对应的DSP配置需求。这三种调制形式分别为：1) PAM，即脉冲幅度调制；2) CAP(carrier-less amplitude and phase modulation)，即无载波幅度相位调制 ; 3) DMT (discrete multi-tone modulation)，即离散多音复用调制。这三种调制方式对应的DSP配置如下图所示，

（图片来自文献1）

对于PAM，发送端的脉冲整形和预增强(pre-emphasis)函数用于补偿DAC的带宽限制和发送端器件的非线性。接收端的自适应均衡器用于补偿发送端和信道的损耗。

对于CAP，发送端采用两个整形滤波器(shaping filter)形成正交调幅(QAM)信号。预增强的功能与PAM编码中类似，也是用于补偿。在接收端，信号分为两路进行处理，最终再合成QAM信号。

对于DMT，它具有较高的频谱效率、对损耗的高容忍度和灵活的编码等优点。在发送端，S/P函数将串行信息转换成并行块(parrallel block)。IFFT函数将信号转换到时域。添加循环前缀(cyclic prefix)，可避免并行块之间的干扰。在接收端，则是发送端函数的逆操作。

DSP的复杂程度直接影响了光模块的成本与功耗。这三种调制方式拥有一些共同的DSP模块，包括FEC编解码、比特映射/解映射、DAC、ADC等。相比较而言，PAM方式所需的模块较少，而CAP和DMT都需要额外的滤波器单元，较为复杂。文献1从不同角度比较了这三种调制方式的优劣，如下表所示，

（表格来自文献1）

其中RS表示receiver sensitivity, RIN表示relative intensity noise。比较下来，PAM-4方式是最好的选择，它既可以较为简单地实现短距离光通信，且性能优良。目前400G的demo光模块大都基于PAM-4方式。

以上是对文献1的简单梳理，还有很多名词不是很理解，DSP的这些功能模块在硬件上如何实现，还是一头雾水，姑且先把它们看成一个个具有特定功能的黑盒子。PAM4方式使用较少的DSP黑盒子，实现了性能较好的短距离光通信，因而被产业界采用。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. K. Zhong, et.al., "Digital Signal Processing for Short-Reach Optical Communications: A Review of Current Technologies and Future Trends", Journal of Lightwave Technology 36, 377(2018)