相干光接收机的相关问题

我们之前介绍了最灵活的检测电路是使用外差时域检测器，它适用于测试信号和实时信号，并且不受调制制式的影响。

图 1 中左侧的器件就是这种 IQ 检波器。此图清晰地说明，在识别并进一步分析符号中编码的输入比特之前，还有几个步骤需要完成。此处所示的接收机体系结构是光互联论坛 (OIF) 的推荐设计，它能够提取信号中的所有信息。详细检查接收机体系结构。

图 1. OIF 建议采用的集成内差相干接收机体系结构 ( 《用于集成双偏振相干接收机的 OIF 实施协议》，IA # OIF-DPC-RX-01.2，2013 年 11 月 14 日 )

大幅降低减损

光信号在经过模数转换后，还需要进行 DSP，这个步骤对于任何相干光接收机都是不可或缺的。传统的开/关键控存在 CD 和 PMD 信号失真效应，与之相比，使用 DSP 可以获得明显的优势。DSP 支持通过算法补偿 CD、PMD 和其他减损，因为相干检测可以提供完整的光场信息。这意味着采用复合光调制，我们再也不必使用 PMD 补偿器或色散补偿光纤，也不会因为这些模块增加的损耗和时延而头疼。

上游预校正步骤可以消除接收机缺陷。这些缺陷可能包括四个电通道之间的通道不平衡、 IQ 混频器的 IQ 相角误差、四个 ADC 通道之间的计时偏移，以及正常平衡接收机的差分不平衡。要消除这些减损，通常需要在进行仪器校准时，在波长范围内执行器件表征。

除了接收机带来的这些缺陷之外，DSP 还必须补偿信号经过发射机和接收机之间的光路径所发生的衰减，其中包括 CD 和 PMD、偏振相关损耗 (PDL)、偏振旋转或偏振态转换(PST) 和相位噪声。

为了评估相位噪声的影响，可以跟踪载波相位随时间的变化。不过，这个步骤在相干接收机设置中不是必需的。

载波相位恢复

通过引入本振，我们可以跟踪信号相位在不同时间相对本振相位的变化。但实际上外差接收机场景中的本振与信号之间存在频率差，导致相位漂移会随时间发生线性变化。只要记住在外差接收机中，IPhoto 与 cos(Δφ + Δω t) 成正比（如何检测复合调制的光信号），这一点就很好理解。图 2 所示为 QPSK 调制的这种“旋转”星座图。

图 2. 发射机激光源与本地振荡器之间的频率差会使星座图发生“旋转”。

为防止模糊，相位的变化速度不得快于每符号时间 π/4，即两个相邻符号之间的相位差的一半。这意味着本振和信号之间的频偏必须小于 QPSK 符号时钟的 1/8。

为了能够跟踪相位，信号采样必须在相位值可预测的时间点（例如在符号时间处）执行。对于有限带宽的信号，相位采样率小于符号率。图 3 中深灰色线显示相位可能没有正确恢复。

图 3. 在实际传输系统中，由于采样率太低，再考虑到相位噪声和偏移，相位通常不可能恢复。

在这些情况下，载波相位噪声和偏移必须遵循非常严格的限制，以使相位可以恢复。在实际传输系统中，通常不会出现这种情况，因为在执行实时采集的实际线路卡中不需要遵循这些更严格的规范。

图 4 显示了载波带宽对 DFB 激光源相位恢复的影响。左侧是高跟踪带宽实例。IQ 图中的星座点人为缩窄，因为在这种情况下相位跟踪会减少符号的角宽。较低的带宽带来的是更逼真的圆形符号。随着带宽进一步变小，在载波相位图中我们已经达到极限，不可能再跟踪相位。无法消除的相位噪声会对符号角展度产生明显影响。

图 4. 这个示例表明，DFB 激光源的载波相位跟踪取决于跟踪带宽

找到 Jones 矩阵以恢复原始偏振态

为了给数字解调器提供两个独立的基带信号（用于 x 偏振和 y 偏振），需要在 DSP 中进行偏振去多路复用这一步骤。在这个步骤中，必须对 PMD 和 PDL 进行补偿。还需要考虑的是，在单模光纤 (SMF) 中，传播期间不会保持偏振态。

沿着信号通过光纤的路径，偏振方向会逐渐发生变化（图 46），因此终端的偏振态 (SOP)不仅仅与接收机的方向有关。如果接收机中存在偏振分束器的话，我们无法获得两个独立的信号，而只能得到这两个偏振信号的线性组合。偏振维持光纤可以保留 SOP，但是由于它们的衰减更大，价格也更高，因此不会在数据传输中部署。

图 5. 单模光纤改变了发射光的偏振态。因此，接收机一侧的偏振分束器不提供 2 个独立信号， 而是提供线性组合，这里是偏振解复用之前的双偏振 QPSK 星座图示例。

光纤通道中全偏振光的所有衰减效应，均可用 Jones 矩阵进行数学描述。发送信号 S乘以 Jones 矩阵，即得到接收信号 R。对于没有减损的理想信道，Jones 矩阵是一个恒等矩阵；接收信号与最初发射的信号相同（参见图 47）。Jones 矩阵最常见的形式是一个复杂的 2x2 矩阵，其中含有 8 个独立的实时参数。

图 5. 理想信道的 Jones 矩阵

必须确定 Jones 矩阵以便从测得的接收信号中推导出原始信号。由于我们对信号在信道中的减损效应大小了解极少，因此很难完成以上任务。

为此，我们通常采用所谓的“盲算法”来近似估算原始信号。这些估算方法不要求我们了解原始信号（调制制式除外）。这里，我们用串联的均衡滤波器（图 6）来过滤接收信号，得到 Jones 矩阵的倒数。每个滤波器元件建立一种信号衰减效应的模型。该算法迭代搜索滤波器变量组 (α、β、k...)，最终得到收敛结果，这意味着测得的符号以最小误差映射到该算法计算得出的符号。

图 6. 用于补偿色散 (CD)、差分群时延 (DGD)、偏振相关损耗 (PDL) 和偏振态转换 (PST) 的 均衡滤波器模型 . ( 1. J. C. Geyer，F. N. Hauske，C. R. S. Fludger，T. Duthel，C. Schulien，M. Kuschnerov，K. Piyawanno， D. van den Borne，E.-D. Schmidt，B. Spinnler，H. de Waardt，B. Lankl 和 B. Schmauss ：《偏振多样性相干接收机的信道参数估算》，IEEE 光子技术快报，第 20 期，第 10 号，2008 年 5 月 15 日)

这种方法的缺点是同一个偏振信道可能会恢复两次。这个问题被称为该算法的奇异性。这种方法也非常复杂，因为每个符号都必须单独处理，才能计算下一个迭代步骤。

在 Stokes 空间中更容易估算

使用 Stokes 空间可以更容易估算。在 Stokes 空间中，由于无需进行解调，也无需知道使用的调制制式或载波频率，所以偏振去多路复用是真正的盲程序。此外，Stokes 空间中没有奇点问题。

Stokes 空间可帮助显示光信号的偏振条件，因此是观察光信道中偏振变化的出色工具。完全偏振光的任何偏振态都可以通过球体表面上的三维空间点来描绘，所谓的 Poincaré球的中心位于这个坐标系的原点。球半径对应光幅度。沿着 S3 轴可以找到圆偏振。S1和 S2 轴所跨越平面的赤道上是线性偏振，中间位置表示椭圆偏振。图7 中，我们可以看到球体上有一些绿色的独立偏振态。

图 7. 偏振多路复用 (PDM) QPSK 信号的 Stokes 空间中的 Poincaré 球

图 7 中还显示了测得的 x 偏振和 y 偏振 QPSK 信号。这两个信号在采样点上有四个可能的相位差。通过 x 信号和 y 信号与这四个相位差的组合，可以得到 Stokes 空间中测得的蓝点云。（使用只有一个偏振方向的 QPSK 信号，我们只能在 S1 轴上获得一次累积。）

四个偏振态之间的转换在 Stokes 空间中定义了一个类似透镜的目标（参见图 8）。由此可见，任何制式的偏振多路复用信号都可以定义此类透镜。

图 8. PDM QPSK 信号的符号之间的跳变，在左半球中，x 偏振信号（H ：水平）的跳变和右半球的 y 偏振信号（V ：垂直）

图 9. PST 导致透镜在 Stokes 空间旋转。透镜的法向定义了 Jones 矩阵――此处以 PDM QPSK 信号作为实例。

当我们面对沿着单模光纤光路径的 PST 时，透镜在 Stokes 空间中旋转（参见图 9）。根据 旋转，我们可以推导出 Jones 矩阵，即类似透镜目标的法向。

如何在 Stokes 空间中表现其他信号衰减效应？PDL 会使透镜发生变形和位移。但这并不影响 Jones 矩阵的恢复。通过变形，可以定量确定 PDL 的大小。CD 与偏振无关，也不 会妨碍偏振去多路复用。在这种情况下，星座图是进行定量研究的最佳工具。

符号的确定

成功完成 DSP 之后，接收的符号得以最终确定。在 QPSK 中，判定标准是星座图中测量点的 I 和 Q 值（参见图 10），例如每个具有正 I 和 Q 值的点都理解为“11”。在更先进的制式中，不可能简单地将 I 和 Q 值当成判定标准。这些点被指定给最近的符号。通过 图 10 右侧的扩散云，我们可以看到即使使用相干检测，还是会出现比特误码。如何量化确定这些问题？

图 10. 在 QPSK 中，根据 I 值和 Q 值，在距离最近邻居的距离上采用更高级的制式