利用标准化插值功率加德纳相位检测器提高时钟音调检测性能，适用于带宽受限的光纤传输系统

《Journal of Lightwave Technology》：Enhanced Clock Tone Detection Using a Normalized Interpolated-Power Gardner Phase Detector for Bandwidth-Limited Optical Fiber Transmissions

带宽受限场景下时钟恢复算法性能提升研究，提出归一化插值功率Gardner相位检测器(NIP-Gardner)，通过非线性归一化增强时钟信号，对比验证其比IP-Gardner和FP-Gardner在CNR、残余抖动和色散容限方面优势显著，实验显示OSNR提升1.2dB和3.6dB，光纤传输中色散容限提高125ps/nm和166ps/nm。

　　

摘要：

在严重的带宽限制下，定时同步变得非常具有挑战性，因为所需的高频成分被抑制了，导致传统的时钟恢复（CR）算法失效。在这种情况下，时钟信号（CT）与噪声无法区分，或者完全被掩盖。为了克服这一挑战，我们提出了一种新型的相位检测器（PD），即归一化插值功率Gardner（NIP-Gardner），它通过非线性归一化插值功率来增强时钟信号并提高定时提取的准确性。与插值功率Gardner（IP-Gardner）和四次方Gardner（FP-Gardner）PD相比，NIP-Gardner PD实现了更低的残余抖动和更强的锁相环（PLL）带宽鲁棒性。我们在一个60 GBd的偏振分复用四相移键控（PDM-QPSK）系统中进行了实验验证，该系统的发射机带宽限制在7.5 GHz，仅为波特率的1/8。实验结果表明，NIP PD在时钟信噪比（CNR）、残余定时抖动性能和残余色散（rCD）容忍度方面优于现有的方案。在连续实验（BTB）中，NIP方案相对于IP方案和FP方案分别实现了1.2 dB和3.6 dB的光信号信噪比（OSNR）提升。在300公里的光纤传输实验中，NIP方案在残余色散容忍度方面比IP方案提高了125.22 ps/nm（150%），比FP方案提高了166.96 ps/nm（400%）。

引言

在有限的带宽约束下，对更高数据速率的需求不断增加，这要求在相干光系统中采用先进的数字信号处理（DSP）方案[1]、[2]、[3]。在弹性光网络中，多级可重构光加 drop 复用器（ROADMs）内的级联波长选择开关（WSSs）会导致通带逐渐变窄，这在长距离传输中尤为严重[4]、[5]。在传统的固定网格波长分复用（WDM）（即50 GHz信道间隔）传输系统中，由于滤波裕度较小，高波特率信号还会受到进一步的光谱压缩[6]。此外，实验验证了快于奈奎斯特（FTN）的传输是一种提高光谱效率（SE）的实际方法，但这进一步加剧了带宽限制的影响[7]。在这些情况下，某些传统的DSP算法在相干系统中可能会失效，特别是时钟恢复（CR）算法，因为高频成分的衰减会显著削弱时钟信号（CT），使其提取变得越来越困难[8]、[9]、[10]。因此，传统的CR算法（包括Gardner [11]、Godard [12]、[13] 和Lee [14]）依赖于额外的信号带宽来提取定时信息，仅对具有非零额外带宽的亚奈奎斯特信号有效。多项研究[10]、[13]、[15]、[16]表明，当符号率接近奈奎斯特率时，这些CR算法提取时钟信号的能力会下降，在极端情况下甚至可能完全失效。