OFC2025 | 用于高速相干链路的调制格式无关的导频辅助光纤长度估计器

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引言

在现代高速光通信系统中，准确估计光链路中的光纤长度对于补偿色散(CD)非常重要。这种补偿发生在接收器的数字信号处理(DSP)链中，并且作为首个关键步骤，需要在其他处理过程（如偏振模式色散(PMD)均衡、载波恢复和定时恢复）能够正常运行之前完成。本文探讨了Marvell Technology研究人员开发的一种新型导频辅助光纤长度估计器(PA-FLE)，该估计器解决了当前光纤长度估计方法中的多个挑战[1]。

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光纤长度估计的挑战

传统的光纤长度估计方法通常采用暴力搜索，使用各种成本函数，如输入数据的自相关或计算定时音。然而，这些方法在处理低带宽冗余的信号或当通道经历由波长选择开关引起的严重带宽限制时表现不佳。基于峰均比(PAPR)最小化的替代方法在处理具有概率星座整形(PCS)的信号时性能会下降。

其他现有的导频序列方法在高符号速率下需要过长的序列，使其难以实现高效实施。PA-FLE通过模块化无关的方法解决了这些问题，只需要最小的导频开销（低至0.1%），同时保持准确性和稳健性。

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PA-FLE方法

PA-FLE使用定制的导频符号序列，该序列周期性地插入到传输信号中。这个序列由两个相同的QPSK模式组成，具有短持续时间W，类似于正交频分复用(OFDM)中使用的"循环前缀"方法。

图1. 两种偏振的传输导频序列结构，其中W是导频序列的长度

在接收端，算法扫描CD均衡器的系数，覆盖一系列潜在的CD值（例如，从0ns/nm到20ns/nm，步长为0.25ns/nm）。对于每个测试的CD值，算法使用来自CD均衡器的输出符号计算成本函数。然后选择使该度量最大化的CD值。

成本函数计算包括两个步骤：

• 计算输入符号的微分版本，以提供对载波频率偏移和相位噪声的免疫力
• 计算信号两个不相连部分之间的相关性
  
  

图2. 成本函数描述。当两个相关窗口与导频模式的位置对齐时，度量最大

这种设计提供了一种对各种损伤（如带宽限制、偏斜、PMD、采样相位误差和时钟频率偏移）免疫的度量。通过平均两个偏振的成本函数，该度量也对偏振状态(SOP)的变化具有免疫力。

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实验验证

研究团队使用5nm ASIC实现的相干DSP进行了广泛的验证。光学设置包括带有驱动器的数字发射器和接收器、光调制器、集成相干接收器和偏置控制器。

图3. 实验设置，显示TOSA（发射器光学子组件）和ROSA（接收器光学子组件）

实验使用DP-QAM16+PCS调制，运行在90GBd—这是用于高性能400Gbps应用的配置。光链路使用长达三段125公里的单模光纤构建，配置为创建四种通道条件：背靠背(B2B)、125公里、250公里和375公里。

为了对算法进行压力测试，研究人员添加了几个挑战条件：

• PMD具有广泛的差分群延迟范围（高达70ps）
• 二阶PMD（高达1800ps²）
• 快速偏振旋转（高达400krad/s）
• 激光线宽为50kHz
• OSNR设置为17dB
• 不完美的数字预强调
• 残余I/Q偏斜约1ps
  
  

导频序列长度W设置为128个符号，其幅度配置为与数据符号的能量匹配。导频开销保持在0.1%，导致可忽略的OSNR下降，同时将搜索时间保持在1毫秒以下。

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结果和性能比较

研究人员进行了2,000次实验，随机变化通道条件，以覆盖尽可能多的极端情况。PA-FLE的性能与基于PAPR的盲FLE实现进行了比较。

图4. 提出的PA-FLE和基于PAPR的盲FLE的估计误差直方图

结果显示，盲FLE表现出较大的残余CD，这可能会损害接收器链中后续DSP块的稳健性。一些使用盲FLE的实验导致误差大于1000ps/nm。相比之下，PA-FLE始终提供可靠和准确的估计，误差低于250ps/nm。

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相对于替代方法的优势

与尝试估计多输入多输出光通道的完整频率响应的其他导频辅助FLE不同，PA-FLE专注于CD估计。这种方法需要更小的导频突发和接收器中更简单的计算。

此外，PA-FLE可以有效地同步来自未均衡信号的输入导频符号，解决了其他基于导频的算法中未能妥善解决的挑战性问题。

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结论

本文介绍的导频辅助光纤长度估计器(PA-FLE)为高速相干光链路中的CD估计提供了稳健的解决方案。通过使用模块化无关的方法，该方法克服了传统方法的局限性，即使在复杂的调制格式（如概率星座整形）下仍然有效。

凭借较低的计算复杂度和最小的0.1%导频开销，PA-FLE非常适合高效的硬件实现。使用5nm ASIC相干DSP的实验验证证实，该算法为90GBd的DP-QAM16+PCS信号提供准确的估计，误差始终低于250ps/nm。这种性能确保了接收器链中后续DSP阶段的可靠操作，增强了整个系统的稳健性。