面向>100GHz单波长光收发器的联合时频交织DAC低复杂度MIMO DSP新架构

《IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems》：Low-Complexity MIMO DSP for Jointly Time- and Frequency-Interleaved DACs in >100 GHz Single-Wavelength Optical Transceivers

本文针对下一代光通信系统对>100 GHz带宽数模转换器(DAC)的迫切需求，深入研究了联合时频交织(GI-DAC)架构中的信号处理挑战。作者创新性地提出将各类交织DAC统一建模为多输入多输出(MIMO)线性系统，并开发了相应的低复杂度数字预均衡器。通过数值仿真验证，该MIMO预均衡(MIMO-PE)方案能有效补偿子DAC增益/时序失配、混频器本振泄漏等模拟损伤，为实现280 GSa/s采样率和130 GHz带宽的GI-DAC提供了关键技术支撑，对推动200 GBd以上单波长光通信系统发展具有重要意义。

　　

随着全球数据流量爆发式增长，下一代光通信系统正朝着单波长超高速传输方向演进。与传统的波分复用系统相比，单波长系统能够显著降低硬件复杂度、功耗和波长管理难度。然而，要实现200 G波特（GBd）以上的符号率，核心瓶颈在于数模转换器（DAC）的性能——它需要同时具备超过100 GHz的模拟带宽和近300 GSa/s的采样率。

面对这一挑战，传统的时间交织（TI-DAC）或频率交织（FI-DAC）架构各自存在局限性。TI-DAC虽然能通过多个子DAC并行工作提升采样率，但深受时序失配、孔径抖动和跟踪保持电路带宽的限制；FI-DAC则将宽带信号分割为多个窄带信号进行处理，有效规避了CMOS工艺的速度极限，更易于实现带宽扩展。在实际的高性能系统中，往往需要将两种技术联合使用，即构建联合时频交织DAC（GI-DAC），但这又引入了复杂的模拟损伤（如子DAC增益/相位失配、混频器本振泄漏、谐波等）和相应的数字信号处理（DSP）难题。

以往的研究多针对特定架构单独进行补偿，缺乏统一框架。Juan Bonetti*（来自阿根廷Fundación Fulgor）发表在《IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems》上的这项研究，正是为了突破这一瓶颈。该研究首次证明，任何交织DAC架构（无论是TI、FI还是混合型）都可以被统一建模为一个时不变的多输入多输出（MIMO）线性系统。这一深刻的洞察为分析和补偿各类损伤提供了强大的理论工具。

基于这一MIMO模型，研究人员提出了一种新颖的自适应预补偿方案。其核心是一个称为MIMO预均衡器（MIMO-PE）的数字滤波器。该均衡器能够联合补偿子DAC的直流偏移、采样相位和增益失配、电气路径的频率响应变化、混频器输入输出的带宽限制、本振泄漏、本振谐波等多种模拟损伤。尤为重要的是，该算法还能高效地完成FI-DAC架构中所需的输入信号频带分割功能，从而省去了传统方案中复杂的数字混频器和锐利数字滤波器，显著简化了DSP设计。

为了实现自适应，研究还采用了误差反传（EBP）算法和矢量最小均方（VLMS）算法，使MIMO-PE能够在系统后台运行期间持续调整系数，从而适应温度变化、老化等引起的模拟参数慢变，无需中断正常通信。

研究人员为验证所提框架的有效性，设计并仿真了一个面向下一代光收发器的GI-DAC实例。该架构目标性能为280 GSa/s的采样率和130 GHz的带宽。它采用两个8位、160 GSa/s的8路时间交织DAC（即共16个子DAC），通过频率交织技术合成最终的超宽带信号。

关键技术方法

本研究的关键技术方法主要包括：1) 建立了GI-DAC的通用离散时间MIMO线性系统模型，将系统共同频率（common frequency）下的输入输出信号表述为向量形式，从而导出表征系统损伤的矩阵值冲激响应G[r]；2) 设计了基于MIMO逆滤波的预均衡器（MIMO-PE），其系数通过训练序列或后台自适应算法（如VLMS）进行估计和更新；3) 采用了误差反传（EBP）算法，将系统总误差反推至MIMO-PE输出端，用于驱动后台自适应过程，实现不中断业务的损伤补偿；4) 通过计算机数值仿真（使用MATLAB平台），构建了包含各类模拟损伤的GI-DAC系统模型，以信噪失真比（SNDR）等指标评估MIMO-PE的性能。

研究结果

理想GI-DAC性能

在无模拟损伤的理想条件下，采用所提MIMO-PE的GI-DAC输出信号眼图清晰，实现了42.5 dB的平均SNDR，证明了该算法的有效性和鲁棒性。频谱分析显示，MIMO-PE能自动产生合适的频带重叠，facilitates自消除带间混叠，而无需传统的数字频谱切片。

自适应MIMO-PE与EBP算法

仿真表明，结合EBP的自适应MIMO-PE与信道估计（CE）模块能够协同收敛，最终达到与训练序列初始化相近的SNDR性能，验证了其在后台连续运行、跟踪补偿慢变化损伤的能力。

时间交织损伤的补偿

针对子DAC的时间偏差（±1.2 ps）、增益误差（±25%）、带宽失配（±15%）和直流偏移等损伤，蒙特卡洛仿真表明，采用后台自适应MIMO-PE能有效补偿这些损伤，性能显著优于使用理想GI-DAC系数（前台适应）的情况。

频率交织损伤的补偿

对于频带间时间偏差、本振（LO）相位偏移、本振泄漏（20 dB隔离度）和本振二次谐波（20 dB隔离度）等FI相关损伤，MIMO-PE也展现出强大的补偿能力。例如，它能通过在低频带产生补偿信号来抵消高频带混频器输出中的本振泄漏杂散。

混合损伤下的性能

在最能反映实际场景的混合损伤（同时包含上述所有TI和FI损伤）条件下，对1000个随机实例的蒙特卡洛仿真表明，8抽头MIMO-PE能有效应对多数情况，但某些特定本振相位偏移可能导致性能下降。采用16抽头MIMO-PE或引入本振相位控制则可进一步提升鲁棒性。

研究结论与意义

本研究通过将联合时频交织DAC（GI-DAC）统一建模为MIMO线性系统，提出并验证了一种低复杂度的自适应数字预均衡框架。该框架的核心——MIMO预均衡器（MIMO-PE），能够有效补偿各类交织DAC架构中存在的多种模拟损伤，且无需复杂的数字频谱切片操作。数值仿真结果表明，即使在严峻的混合损伤条件下，该方案仍能使GI-DAC实现优异的性能（SNDR > 40 dB），满足下一代单波长光通信系统对>100 GHz带宽和~300 GSa/s采样率DAC的苛刻要求。

这项工作的重要意义在于：首先，它提供了一个普适性的理论框架，统一了以往分散研究的TI-DAC、FI-DAC和JFTI-DAC架构；其次，所提出的MIMO-PE算法简化了DSP设计，降低了对模拟滤波器性能的要求，并实现了后台自适应补偿，提高了系统的实用性和可靠性；最后，它为在商用集成电路中实现高性能、高成品率的GI-DAC架构铺平了道路，是迈向单波长太比特每秒（Tb/s）传输速率目标的关键一步。未来，该线性MIMO框架有望进一步扩展至非线性MIMO模型，以补偿放大器、DAC和混频器等硬件非线性带来的损伤，从而适应更高功率和更高效的通信系统应用。