電子色散補償增加10Gbps光鏈路的距離

Broadcomm公司 產(chǎn)品線經(jīng)理 Michael Furlong 總架構(gòu)師 Ali Ghiasi

當前的長距離和城域SONET OC-192(10Gbps)光鏈路采用單模光纖（SMF）能達到的距離大約只有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，由于在如此高速率下出現(xiàn)的信號色散效應，長度也限制在不足26m?；镜那闆r是，色散效應對于整個光鏈路性能有決定性的影響，限制了電信運營商和IT經(jīng)理們在大多數(shù)的長距離和短距離網(wǎng)絡應用中，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，電信運營商和IT經(jīng)理們正在尋找把這些網(wǎng)絡擴容到10Gbps的途徑，而且為了節(jié)約成本要利用已有的基礎設施，不必部署昂貴的或笨重的色散補償光纖（DCF）。當前，OC-48和1GbE分別可運行80km和220m以上的距離，而且對信號完整性而言，色散效應并不成為一個嚴重的因素。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償技術(shù)。

電子色散補償（EDC）技術(shù)構(gòu)成了光互聯(lián)網(wǎng)論壇（OIF）和IEEE802.3 提出的一些新標準的基礎，它對電領域中的光色散進行補償。電子色散補償?shù)脑O計目標是特別針對導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。當工程師們繼續(xù)努力把鏈路能力提升到10Gbps時，這些干擾源就成為前進的障礙。由于這些類型的色散效應還與碼元速率有關(guān)，信號速度增加使它們的效應更加嚴重。

正在發(fā)展的標準要克服色散問題，幫助用戶提升它們的網(wǎng)絡。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145km（差光纖情況下120km）的10Gbps SONET的長距離SMF EDC項目，這種鏈路可以從OC-48進行無縫升級。IEEE也已經(jīng)著手建立一個新標準，利用電子色散補償在現(xiàn)有的多模光纖上把1GbE鏈路升級到10GbE。在發(fā)展標準的同時，多家供應商也正在開發(fā)電子色散補償產(chǎn)品或供應這種產(chǎn)品，以便對這些已知的干擾源進行補償，使信號質(zhì)量和整個鏈路可靠性得到重大的改進（參見表1）。

多色色散

由于材料和波導的性質(zhì)而產(chǎn)生的多色色散是這樣一種現(xiàn)象，當光脈沖傳輸更大的距離時，它開始擴展（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。常用的單模光纖在1550nm波長（這是長距離傳輸系統(tǒng)的運行范圍）時的色散斜率大約為17ps/nm km。

當一個脈沖擴展時，從鄰近脈沖產(chǎn)生的能量就開始彼此干擾，導致在電領域通常叫做碼元間干擾（ISI）的出現(xiàn)。ISI帶來的問題是當一個碼元擴展到另一個碼元上時，它改變了第二個信號的電平。這就會引起誤差，因為原來的碼元不再處于使它的值可以被恢復系統(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（對于SMF-28光纖，在波長1550nm時光纖色散為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長距離應用編碼給出的指標，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。它是在不同時間到達接收機的不同模式的光之間干擾的結(jié)果。因為光纖不是對稱的，在光纖內(nèi)存在瑕疵，當光傳播一段距離后使光的性質(zhì)變壞。這種瑕疵造成光擴散或色散，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。因為多種光頻率共享同一光纖，色散可以跨頻率擴散能量，也會影響短距離應用中的鏈路性能。使用傳統(tǒng)接收機的無EDC的系統(tǒng)只有當光纖中的色散小于約0.5UI時，才能夠恢復光信號。對于運行10GbE達220m(用OM1型62.5um光纖)的鏈路，新的IEEE指標規(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用中要考慮的問題，在這種情況下發(fā)射進光纖的單個脈沖在遠端出現(xiàn)多個脈沖（參見圖3）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因為光纖支持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力，那么，這兩個極化模式就會產(chǎn)生一個同時穿越光纖的信號，在接收機上產(chǎn)生一個脈沖。極化模式色散引起脈沖本身的相位移動，而且它的效應是統(tǒng)計性質(zhì)的，在光鏈路上進行測量非常復雜。對于SMF-28一類的光纖，極化模式色散的指標為0.1ps / km ，對于小于80km的應用而言，應用標準的接收機就可以對付極化模式色散。但是，當鏈路距離增加到140km或更長時，在接收機端的電子色散補償可以補償緩慢的極化模式色散效應。當光纖受到傷害，如扭折或鏈路本身的壓縮，極化模式色散有變?yōu)楦訃乐氐内厔?。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）進行量度。

電子色散補償算法選擇

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

連續(xù)時間濾波器能給光信噪比(光噪聲)受到限帶信道限制的光應用帶來好處，而且，還能夠通過波整形對多色色散加以補償。連續(xù)時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，因為這會影響信噪比。

以電子色散補償?shù)膶崿F(xiàn)而言，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，它采用比連續(xù)時間濾波器中采用的更復雜的信號調(diào)理方式。FFE和DFE通常是多分接架構(gòu)，而且是補償碼元間干擾的有效方法。當僅有單個單位區(qū)間干擾時，F(xiàn)FE/DFE僅僅需要確定是否一個碼元已經(jīng)擴展到相鄰的碼元中，再相應地增加或減掉該碼元。當存在多于一個單位區(qū)間的干擾時，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。設計的FFE部分更多地集中在消除碼元主能量點以前（也稱作前體區(qū)）的失真，而DFE部分旨在補償碼元主能量點后面（也稱作后體區(qū)）的干擾。

普通的前饋均衡器實現(xiàn)方法以模擬分布式放大器為基礎，其中延遲元件系采用芯片上的各種延遲線來實現(xiàn)。實現(xiàn)決策反饋均衡器需要一個位速率時鐘并利用采樣的數(shù)據(jù)來確定信號質(zhì)量。決策反饋均衡器的設計可以是模擬式的或數(shù)字式的，依照選擇的架構(gòu)而定。對于模擬設計，其能耗一般比數(shù)字式設計更低，因為模擬信號不必轉(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實現(xiàn)方法時，在運行角上的性能穩(wěn)定性是必須加以考慮的另一項權(quán)衡因素。還有一些更加復雜的均衡器架構(gòu)，它們的實現(xiàn)采用似然系列估計器（MLSE）的形式，利用了Viterbi解碼器算法。MLSE一般都是數(shù)字式的設計，而且更加需要復雜的數(shù)字信號處理方法去執(zhí)行濾波。似然系列估計器比判決反饋均衡器能達到更好的性能，但是，濾波器的DSP實現(xiàn)一般更加復雜，常常消耗2～4倍的能量。這樣一來，似然系列估計器常常保留給那些提供的性能價值的確值得的應用，例如當應用中遭遇到嚴重的非線性問題，或者針對超長距離的光纖。

電子色散補償實現(xiàn)中的問題

理想的情況是電子色散補償?shù)囊环N實現(xiàn)能夠動態(tài)地適應任何鏈路?？墒?，每一條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。當前，長距離光鏈路都是利用一個色散補償濾波器或某種其他的固定手段，針對距離和波長進行手工調(diào)整。假如電子色散補償算法是自適應的，網(wǎng)絡技術(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)整設置，使得安裝過程朝著真正的即插即用前進了一步。此外，由于光纖的特征隨時間而退化，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。自適應的電子色散補償算法也便利了采用單一的電路板設計去對付多種應用。

為了達到自適應性，電子色散補償算法的實現(xiàn)常常使用很成熟的二乘方（LMS）型算法，同時應用反饋機制以及一種估計信號質(zhì)量的方法。在實現(xiàn)過程中，采取閉合環(huán)路，并使線路卡能夠自我調(diào)整，對增益和濾波器進行小的調(diào)節(jié)以得到的信號響應。當電子色散補償均衡器直接集成在收發(fā)器件上時，動態(tài)自適應更加容易實現(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雜的均衡化。

電子色散補償設計的另一個重要的器件是可變增益放大器（VGA）。在光信號到達接收機的時候，它的幅度已經(jīng)顯著地減小。可變增益放大器按照輸入信號給以增益，為濾波器提供的動態(tài)范圍?？勺冊鲆娣糯笃鲗τ谠诮o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。

電子色散補償?shù)臉藴驶?/p>

電子色散補償是一種相當關(guān)鍵的技術(shù)，因而OIF與ITU正在為SONET長距離應用開發(fā)應用編碼，同時，IEEE也在為10GbE開發(fā)基于電子色散補償?shù)男聵藴省?/p>

新標準旨在針對較長跨距的應用，其的多色色散必須至少是2400ps/nm，這等價于標稱約140km的光纖。標準的目標是使現(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償光纖。 這將能讓電信運營商替換出轉(zhuǎn)發(fā)器模塊(以及如成幀這樣的后端器件)，終結(jié)果是能夠把設備升級而不必進行鏈路本身的升級。該標準已接近于批準，只是不同供應商之間的互操作性測試還在進行中，預期對標準不會有根本性的修改。

IEEE以其基于電子色散補償?shù)?02.3aq標準，專注于在傳統(tǒng)的220m長的MMF(OM1)上運行串行的10GbE。今日的鏈路主要是運行1GbE，它支持300m的傳統(tǒng)OM1光纖。推動采用802.3aq的因素之一是運行自身的10GbE時可以用不太復雜的模塊(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，需要一個復雜的光多路復用器，以及必須進行多方面的集成和測試以滿足要求10GbE標準。。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)，預計有望在2006年年中前被批準。

結(jié)論

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