相干光通信系统

相干光通信系统是数字系统，接收机后端的数字信号处理十分重要，通过DSP可以对系统的各种信道损伤进行补偿。

对于通信的学生来说，相干光系统很简单，与通信原理所用框图无异，只不过把一个抽象的框图具体化成了器件。

将输入信号分为两组IQ信号，调制到载波频率上，由于光载波天然存在一组可以在传输过程中互不干扰的信道，因此可以传输两组IQ信号。信号通过信道之后，在接收端做解调后，将信号恢复到基带。并把天然的两组信道分开处理，提取IQ两路数据。把得到的4路数据经有DSP处理补偿信道损伤恢复出原始的数字信号。

单载波相干探测

相干探测(或相干检测、或相干接收)通常使用上图的方法，称为平衡检测。这种方式可以抑制直流成分同时保证输出的光电流为最大值。
$E_s$为调制后的光信号$$E_s(t)=A_s(t)e^{j{\omega }_{s}t}$$其中$A_s(t)$为复信号幅度，${\omega }_s$为调制光信号角频率。

接收端本地激光器同理$$E_{LO}(t)=A_{LO}(t)e^{j{\omega }_{LO}t}$$通过偏振控制器保证接收信号和本振信号有相同的偏振态(这里不要太在意为什么只有上面有偏振控制器，下面没有，只是个示意图，明白用意就好，可能画错了)。则$$E_3(t)=\frac{E_s+E_{LO}}{\sqrt{2}}$$ $$E_4(t)=\frac{E_s-E_{LO}}{\sqrt{2}}$$经光电转换之后，最终平衡检测的电流输出为$$I_I(t)=R\sqrt{P_s(t)P_{LO}}cos[{\omega }_{IF}t+{\theta }_{sig}(t)-{\theta }_{LO}(t)]$$ $$I_Q(t)=R\sqrt{P_s(t)P_{LO}}sin[{\omega }_{IF}t+{\theta }_{sig}(t)-{\theta }_{LO}(t)]$$其中${\theta }_{sig}(t)$和${\theta }_{LO}(t)$分别为接收信号和LO信号的相位。

零差检测&外差检测

使用本振的频率与接收信号的频率相同${\omega }_{IF}=0$，经平衡检测后的信号成为了基带信号。

外差检测及两个频率有一定的频率差，解调后的信号在中频${\omega }_{IF}\ne 0$。需要再进行电域下变频才能得到基带信号。

单载波DSP算法

DSP的主要流程模块：1.正交归一化 2.时钟恢复 3.色散补偿与静态均衡 4.偏振动态均衡 5.频偏估计 6.载波相位恢复。

在具体的实现中，这些算法流程先后顺序会有微调，同时根据算法不同，不同的处理过程可能相互嵌套或并行处理。比如，光纤色散是一种静态线性损伤，对一定速率的光信号，不论调制格式如何，只要光纤传输长度一定，色散就一定。所以通常放在第二步来处理。

IQ不平衡补偿(正交归一化)

在相干光通信系统中，IQ调制格式已经成为了一种标配。它能够使系统的传输容量翻倍。IQ调制的基本原理就是通过对想要传输的信号做串并变换之后，变成两路信号，分别乘以cos和-sin作为载波，以达到IQ两路信号相互正交，互不干扰的目的。

但是实际系统中，这种正交特性很容易被破坏。在相干光通信中，IQ调制器的工艺问题，偏置点设置不正确，接收机光电二极管响应程度的不匹配，等等，都能破坏IQ的正交特性，正交特性能够保持良好到成为了一件新鲜事儿。而且这种不良影响，会影响其他算法的准确性。

表现为IQ两路信号幅度上的失配和相位上的失配。
IQ正交归一化的目的就是解决，IQ两路信号幅度和相位上的失配问题。

时钟恢复

平衡接收机会输出两路电信号，电信号进入DSP处理之前需要一个模数转换的过程，需要里利用ADC对电信号做周期性采样，这个采样时钟是接收端本地，独立于发送端时钟，而且时钟本身工艺的不稳定，使得收发端时钟存在频率偏移和相位抖动。
时钟恢复的目标就是追踪并消除发送端时钟与接收机ADC采样时钟间的频率偏移以及采样时钟的相位抖动。

色散补偿(静态均衡)

早期直调直检的光通信系统，通常用色散补偿光纤、光纤光栅等色散补偿模块做光学上的色散补偿。

由于色散是一种静态线性损伤，对一定速率的光信号，不论调制格式如何只要光纤传输长度一定，色散就一定。色散补偿的目标就是对这个色散造成的一定的静态损伤，用一个其反作用的滤波器做静态补偿。

现在DSP完全可以代替它们，通过反向推导光纤的时域或频域传递函数，很容易进行时域或频域的色散补偿。

在对色散进行补偿时通常将DSP模块分为两部分，第一部分处理与偏振无关的色散，第二部分处理与偏振相关的，如偏振旋转、偏振模色散。

这种分两部分的结构使两层能够在不同的速率下运行，是很有意义的。下面对第一层进行分析。

经过一系列数学推导，得到了进行色散补偿的基础公式。
此偏微分方程描述了光纤色散如何对信号包络产生影响。

频域均衡

解得传输信号包络的频域传输方程为$$G(z,w)=e^{-j\frac{D{\lambda }^{2}z}{4\pi c}{\omega }^2}$$这个传输方程就反应了色散信道，那么我只需要一个全通滤波器$$\frac{1}{G(z,w)}$$就能够实现在频域对色散的直接补偿。一般采用FIR型滤波器对光纤色散进行频域补偿(不要问为什么了，知道了也没太大意义)。

时域均衡

对上式全通滤波器变换到时域得到$$g(z,t)=\sqrt{\frac{c}{jD{\lambda }^{2}z}}{e}^{j\frac{\pi c}{D{\lambda }^{2}z}{t}^2}$$因此同样可以在时域设计与该冲激响应相吻合的滤波器，对光纤色散进行时域均衡。

偏振解复用与动态均衡

载波恢复算法

非线性补偿

(未完待续)