電子色散補(bǔ)償增加10Gbps光鏈路的距離

當(dāng)前的長距離和城域sonet oc-192(10gbps)光鏈路采用單模光纖（smf）能達(dá)到的距離大約只有80km，主要原因在于光纖內(nèi)的瑕疵。在數(shù)據(jù)中心和大樓骨干鏈路也有類似的情況，10g比特以太網(wǎng)(gbe)鏈路采用傳統(tǒng)的多模光纖（mmf,om1型）時(shí)，由于在如此高速率下出現(xiàn)的信號色散效應(yīng)，長度也限制在不足26m。最基本的情況是，色散效應(yīng)對于整個光鏈路性能有決定性的影響，限制了電信運(yùn)營商和it經(jīng)理們在大多數(shù)的長距離和短距離網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，不得不部署低速oc-48(2.488gbps)或1gbe(1gbps)。隨著對增加帶寬的需求持續(xù)地逐步增長，電信運(yùn)營商和it經(jīng)理們正在尋找把這些網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容到10gbps的途徑，而且為了節(jié)約成本要利用已有的基礎(chǔ)設(shè)施，不必部署昂貴的或笨重的色散補(bǔ)償光纖（dcf）。當(dāng)前，oc-48和1gbe分別可運(yùn)行80km和220m以上的距離，而且對信號完整性而言，色散效應(yīng)并不成為一個嚴(yán)重的因素。但是，試圖把這些鏈路再升級到10gbps將產(chǎn)生信號失真，這就限制了信號能夠傳輸?shù)木嚯x，除非采用某種形式的色散補(bǔ)償技術(shù)。

電子色散補(bǔ)償（edc）技術(shù)構(gòu)成了光互聯(lián)網(wǎng)論壇（oif）和ieee802.3 提出的一些新標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，它對電領(lǐng)域中的光色散進(jìn)行補(bǔ)償。電子色散補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)目標(biāo)是特別針對導(dǎo)致鏈路損失的三種主要的干擾類型：多色色散，模態(tài)色散和極化模式色散。當(dāng)工程師們繼續(xù)努力把鏈路能力提升到10gbps時(shí)，這些干擾源就成為前進(jìn)的障礙。由于這些類型的色散效應(yīng)還與碼元速率有關(guān)，信號速度增加使它們的效應(yīng)更加嚴(yán)重。

正在發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)要克服色散問題，幫助用戶提升它們的網(wǎng)絡(luò)。oif與國際電聯(lián)（itu）合作，已經(jīng)建立了一個針對鏈路距離達(dá)145km（最差光纖情況下120km）的10gbps sonet的長距離smf edc項(xiàng)目，這種鏈路可以從oc-48進(jìn)行無縫升級。ieee也已經(jīng)著手建立一個新標(biāo)準(zhǔn)，利用電子色散補(bǔ)償在現(xiàn)有的多模光纖上把1gbe鏈路升級到10gbe。在發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，多家供應(yīng)商也正在開發(fā)電子色散補(bǔ)償產(chǎn)品或供應(yīng)這種產(chǎn)品，以便對這些已知的干擾源進(jìn)行補(bǔ)償，使信號質(zhì)量和整個鏈路可靠性得到重大的改進(jìn)（參見表1）。

多色色散

由于材料和波導(dǎo)的性質(zhì)而產(chǎn)生的多色色散是這樣一種現(xiàn)象，當(dāng)光脈沖傳輸更大的距離時(shí)，它開始擴(kuò)展（見圖1）。一個光的激光輸出，具有有限的頻譜，且由不同的顏色組成。最常用的單模光纖在1550nm波長（這是長距離傳輸系統(tǒng)的運(yùn)行范圍）時(shí)的色散斜率大約為17ps/nm km。

當(dāng)一個脈沖擴(kuò)展時(shí)，從鄰近脈沖產(chǎn)生的能量就開始彼此干擾，導(dǎo)致在電領(lǐng)域通常叫做碼元間干擾（isi）的出現(xiàn)。isi帶來的問題是當(dāng)一個碼元擴(kuò)展到另一個碼元上時(shí)，它改變了第二個信號的電平。這就會引起誤差，因?yàn)樵瓉淼拇a元不再處于使它的值可以被恢復(fù)系統(tǒng)容易地區(qū)分開來的理想電平上。

多色色散可以用光纖色散給出量化指標(biāo)（對于smf-28光纖，在波長1550nm時(shí)光纖色散為17 ps/nm km）。因此，舉例來說，一個中心頻率為1550nm的脈沖傳輸140km后的總多色色散大約為2400ps/nm，這是未來的oif/itu smf長距離應(yīng)用編碼給出的指標(biāo)，這里假定光帶寬為0.1nm。

模態(tài)色散

模態(tài)色散更加具體地是對今日在短距離數(shù)據(jù)中心和大樓骨干鏈路中使用的多模光纖而言。它是在不同時(shí)間到達(dá)接收機(jī)的不同模式的光之間干擾的結(jié)果。因?yàn)楣饫w不是對稱的，在光纖內(nèi)存在瑕疵，當(dāng)光傳播一段距離后使光的性質(zhì)變壞。這種瑕疵造成光擴(kuò)散或色散，因而引起重疊（參見圖2）

與光纖本身有關(guān)，這種瑕疵可能產(chǎn)生擴(kuò)展到幾個單位區(qū)間（ui）的脈沖。在這種情況下，一個單位區(qū)間代表傳輸波特率的一個碼元。一個單位區(qū)間的色散意味著一個碼元開始干擾同一個碼元串中的相鄰碼元。因?yàn)槎喾N光頻率共享同一光纖，色散可以跨頻率擴(kuò)散能量，也會影響短距離應(yīng)用中的鏈路性能。使用傳統(tǒng)接收機(jī)的無edc的系統(tǒng)只有當(dāng)光纖中的色散小于約0.5ui時(shí)，才能夠恢復(fù)光信號。對于運(yùn)行10gbe達(dá)220m(用om1型62.5um光纖)的鏈路，新的ieee指標(biāo)規(guī)定可以產(chǎn)生超過4ui的色散，這就是為什么在這些系統(tǒng)上需要有電子色散補(bǔ)償?shù)脑颉?/p>

極化模式色散

極化模式色散主要是在單模光纖應(yīng)用中要考慮的問題，在這種情況下發(fā)射進(jìn)光纖的單個脈沖在遠(yuǎn)端出現(xiàn)多個脈沖（參見圖3）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)楣饫w支持2個垂直的極化平面。如果光纖是非常圓的而且沒有任何應(yīng)力，那么，這兩個極化模式就會產(chǎn)生一個同時(shí)穿越光纖的信號，在接收機(jī)上產(chǎn)生一個脈沖。極化模式色散引起脈沖本身的相位移動，而且它的效應(yīng)是統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的，在光鏈路上進(jìn)行測量非常復(fù)雜。對于smf-28一類的光纖，極化模式色散的指標(biāo)為0.1ps / km ，對于小于80km的應(yīng)用而言，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)就可以對付極化模式色散。但是，當(dāng)鏈路距離增加到140km或更長時(shí)，在接收機(jī)端的電子色散補(bǔ)償可以補(bǔ)償緩慢的極化模式色散效應(yīng)。當(dāng)光纖受到傷害，如扭折或鏈路本身的壓縮，極化模式色散有變?yōu)楦訃?yán)重的趨勢。例如，光纖中的扭折可能引起光的一個分量以90度旋轉(zhuǎn)而進(jìn)入到另一個分量，就好像一面鏡子反射它一樣。因而，盡管極化模式色散一般隨著較長的光纖而增加，但很可能短的光纖由于出現(xiàn)了扭折就有很差的極化模式色散產(chǎn)生。極化模式色散以群延遲（ps）進(jìn)行量度。

電子色散補(bǔ)償算法選擇

目前存在很多種均衡化算法，以它們?yōu)榛A(chǔ)實(shí)現(xiàn)有效的電子色散補(bǔ)償。連續(xù)時(shí)間濾波器（ctf）是在芯片上實(shí)現(xiàn)最簡單的一種，并且具有低功率的優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)時(shí)間濾波器通過擴(kuò)大和限制有關(guān)的頻帶來調(diào)整光前端的模擬帶寬。

連續(xù)時(shí)間濾波器能給光信噪比(光噪聲)受到限帶信道限制的光應(yīng)用帶來好處，而且，還能夠通過波整形對多色色散加以補(bǔ)償。連續(xù)時(shí)間濾波器對于需要高頻率提升的噪聲加載信道的好處有限，因?yàn)檫@會影響信噪比。

以電子色散補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)而言，最常見的架構(gòu)是以前饋均衡器（ffe）和/或判決反饋均衡器（dfe）的組合為基礎(chǔ)，它采用比連續(xù)時(shí)間濾波器中采用的更復(fù)雜的信號調(diào)理方式。ffe和dfe通常是多分接架構(gòu)，而且是補(bǔ)償碼元間干擾的有效方法。當(dāng)僅有單個單位區(qū)間干擾時(shí)，ffe/dfe僅僅需要確定是否一個碼元已經(jīng)擴(kuò)展到相鄰的碼元中，再相應(yīng)地增加或減掉該碼元。當(dāng)存在多于一個單位區(qū)間的干擾時(shí)，就不僅僅是單個碼元延伸到鄰近的碼元，每個碼元可以被幾個鄰近的碼元所歪曲。設(shè)計(jì)的ffe部分更多地集中在消除碼元主能量點(diǎn)以前（也稱作前體區(qū)）的失真，而dfe部分旨在補(bǔ)償碼元主能量點(diǎn)后面（也稱作后體區(qū)）的干擾。

最普通的前饋均衡器實(shí)現(xiàn)方法以模擬分布式放大器為基礎(chǔ)，其中延遲元件系采用芯片上的各種延遲線來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)決策反饋均衡器需要一個位速率時(shí)鐘并利用采樣的數(shù)據(jù)來確定信號質(zhì)量。決策反饋均衡器的設(shè)計(jì)可以是模擬式的或數(shù)字式的，依照選擇的架構(gòu)而定。對于模擬設(shè)計(jì)，其能耗一般比數(shù)字式設(shè)計(jì)更低，因?yàn)槟M信號不必轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，從而不需要使用高速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理（dsp）。在比較模擬式與數(shù)字式ffe/dfe實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，在運(yùn)行角上的性能穩(wěn)定性是必須加以考慮的另一項(xiàng)權(quán)衡因素。還有一些更加復(fù)雜的均衡器架構(gòu)，它們的實(shí)現(xiàn)采用最大似然系列估計(jì)器（mlse）的形式，利用了viterbi解碼器算法。mlse一般都是數(shù)字式的設(shè)計(jì)，而且更加需要復(fù)雜的數(shù)字信號處理方法去執(zhí)行濾波。最大似然系列估計(jì)器比判決反饋均衡器能達(dá)到更好的性能，但是，濾波器的dsp實(shí)現(xiàn)一般更加復(fù)雜，常常消耗2～4倍的能量。這樣一來，最大似然系列估計(jì)器常常保留給那些提供的性能價(jià)值的確值得的應(yīng)用，例如當(dāng)應(yīng)用中遭遇到嚴(yán)重的非線性問題，或者針對超長距離的光纖。

電子色散補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)中的問題

理想的情況是電子色散補(bǔ)償?shù)囊环N實(shí)現(xiàn)能夠動態(tài)地適應(yīng)任何鏈路?？墒牵恳粭l光鏈路都有不同的特征，包括其長度、質(zhì)量、光纖狀況，以及其他的區(qū)別因素。當(dāng)前，長距離光鏈路都是利用一個色散補(bǔ)償濾波器或某種其他的固定手段，針對距離和波長進(jìn)行手工調(diào)整。假如電子色散補(bǔ)償算法是自適應(yīng)的，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以簡單地插入新的線路卡，而不必基于線路卡連接的單個鏈路去調(diào)整設(shè)置，使得安裝過程朝著真正的即插即用前進(jìn)了一步。此外，由于光纖的特征隨時(shí)間而退化，也就是說，光纖中將會出現(xiàn)更多的扭折，線路卡就可以不必通過人的參與經(jīng)常性地重新調(diào)整連接。自適應(yīng)的電子色散補(bǔ)償算法也便利了采用單一的電路板設(shè)計(jì)去對付多種應(yīng)用。

為了達(dá)到自適應(yīng)性，電子色散補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)常常使用很成熟的最小二乘方（lms）型算法，同時(shí)應(yīng)用反饋機(jī)制以及一種估計(jì)信號質(zhì)量的方法。在實(shí)現(xiàn)過程中，采取閉合環(huán)路，并使線路卡能夠自我調(diào)整，對增益和濾波器進(jìn)行小的調(diào)節(jié)以得到最佳的信號響應(yīng)。當(dāng)電子色散補(bǔ)償均衡器直接集成在收發(fā)器件上時(shí)，動態(tài)自適應(yīng)更加容易實(shí)現(xiàn)。

在多模光纖上模態(tài)色散一般更加突出，而且可以延伸到幾個單位區(qū)間而不只是一個或2個單位區(qū)間。由于這些因素，電子色散補(bǔ)償算法必須對短距離的多模光纖提供比對145km距離的單模光纖還要更復(fù)雜的均衡化。

電子色散補(bǔ)償設(shè)計(jì)的另一個重要的器件是可變增益放大器（vga）。在光信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)候，它的幅度已經(jīng)顯著地減小?？勺冊鲆娣糯笃靼凑蛰斎胄盘柦o以增益，為濾波器提供最大的動態(tài)范圍。可變增益放大器對于在給定的動態(tài)范圍內(nèi)的輸入信號流不論其如何變化均保持輸出穩(wěn)定。

電子色散補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化

電子色散補(bǔ)償是一種相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，因而oif與itu正在為sonet長距離應(yīng)用開發(fā)應(yīng)用編碼，同時(shí)，ieee也在為10gbe開發(fā)基于電子色散補(bǔ)償?shù)男聵?biāo)準(zhǔn)。

新標(biāo)準(zhǔn)旨在針對較長跨距的應(yīng)用，其最小的多色色散必須至少是2400ps/nm，這等價(jià)于標(biāo)稱約140km的光纖。標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是使現(xiàn)有的oc-48鏈路能夠升級到10gbps/oc-192，而且不必替換現(xiàn)有的光纖或使用色散補(bǔ)償光纖。 這將能讓電信運(yùn)營商替換出轉(zhuǎn)發(fā)器模塊(以及如成幀這樣的后端器件)，最終結(jié)果是能夠把設(shè)備升級而不必進(jìn)行鏈路本身的升級。該標(biāo)準(zhǔn)已接近于批準(zhǔn)，只是不同供應(yīng)商之間的互操作性測試還在進(jìn)行中，預(yù)期對標(biāo)準(zhǔn)不會有根本性的修改。

ieee以其基于電子色散補(bǔ)償?shù)?02.3aq標(biāo)準(zhǔn)，專注于在傳統(tǒng)的220m長的mmf(om1)上運(yùn)行串行的10gbe。今日的鏈路主要是運(yùn)行1gbe，它支持300m的傳統(tǒng)om1光纖。推動采用802.3aq的因素之一是運(yùn)行自身的10gbe時(shí)可以用不太復(fù)雜的模塊(允諾了較低成本和基于xfp外形的更小尺寸的模塊)來完成。lx4模塊具有4個波長的穩(wěn)定激光，需要一個復(fù)雜的光多路復(fù)用器，以及必須進(jìn)行多方面的集成和測試以滿足要求10gbe標(biāo)準(zhǔn)。。與此相對照，802.3aq模塊只支持一個波長的光(而不是4個波長)，消耗較少的能量，而且配置成本只接近于現(xiàn)有的10g-baselx4 pmd成本的一半。ieee 802.3aq目前還處在草案狀態(tài)，預(yù)計(jì)有望在2006年年中前被批準(zhǔn)。

結(jié)論

電子色散補(bǔ)償對短距離和長距離應(yīng)用而言都是一種有效的均衡技術(shù)。通過補(bǔ)償在信號頻率增加到10gbps時(shí)出現(xiàn)的已知色散源，電信運(yùn)營商和it經(jīng)理們能夠利用現(xiàn)有的光纖結(jié)構(gòu)，無需鋪設(shè)新的光纖或笨重的色散補(bǔ)償光纖，就能有把握和成本經(jīng)濟(jì)地把現(xiàn)有的1gbe和oc-48鏈路升級到自身的10gbps。