一种基于穆勒-穆勒算法的低复杂度双极化相干系统发射端偏斜估计方法

《Optical Fiber Technology》：A low-complexity Tx-skew estimation method for dual-polarization coherent system based on Mueller-Muller algorithm

双极化单载波相干光通信系统中，提出基于Mueller-Muller算法的低复杂度发射端skew估计方法，通过插入QPSK训练序列实现skew补偿，实验验证了±5ps动态范围和±0.2ps误差的估计精度，并提升50GBaud 16QAM系统性能。

　　

秦思淼|王伟|邹东东|李帆

电子与信息技术学院，光电信息处理芯片与系统广东省重点实验室，中山大学，广州510275，中国

摘要

在单载波相干光通信系统中，非理想的收发器硬件会导致信号的同相（I）分量和正交（Q）分量之间的时间不对准，从而在对称频率分量之间引入共轭干扰，导致系统性能下降。本文提出了一种基于穆勒-穆勒（Mueller-Muller）算法的低复杂度发射端偏斜（Tx-skew）估计方法，适用于双极化相干系统。在该方案中，在数据前插入一个QPSK格式的训练序列，用于在接收端进行载波相位恢复后的符号速率下的Tx-skew估计。仿真结果表明，动态范围可达±5 ps，估计误差在±0.2 ps以内，并且对各种干扰具有鲁棒性。此外，使用50 GBaud双极化16QAM信号对所提出方法的有效性进行了实验评估。实验结果表明，在发射端使用估计的Tx-skew值进行预补偿，在接收端进行后补偿可以显著提升系统性能。

引言

包括云计算、物联网（IoT）和5G无线网络在内的新兴技术的快速发展，迫切需要高容量传输系统[1]、[2]、[3]。相干技术通过在调制中提供额外的自由度，成为应对日益增长的流量需求所带来挑战的有希望的解决方案[4]、[5]、[6]。使用高波特率或高阶调制格式的信号是增加传输容量的最直接方法[7]、[8]。然而，波特率和调制格式的提高降低了系统对IQ偏斜的容忍度。IQ偏斜是指相干收发器的同相（I）分量和正交（Q）分量之间的时间不对准，这是由于路径不匹配造成的。这种偏差会导致信号失真和性能下降。在没有补偿的情况下，对于正交相移键控（QPSK）、16进制正交幅度调制（16QAM）和64QAM，在误比特率（BER）为1×10^-2时，接收端的偏斜容忍度分别为26%、11%和4.2%符号周期[9]。随着符号率和调制阶数的不断增加，由于星座图更密集和符号周期更短，相干系统对时间失配的容忍度大幅降低。因此，精确的IQ偏斜估计不仅是一个可选的监控功能，而且是减轻性能下降和确保后续补偿算法有效性的基本前提。

通常，IQ偏斜可以分为发射端偏斜（Tx-skew）和接收端偏斜（Rx-skew）。可以通过用4×4实值MIMO均衡器替换传统的2×2复值MIMO均衡器来解决Rx-skew问题，或者在获得Rx-skew值后进行校准[10]、[11]、[12]。考虑到Tx-skew补偿，当前的补偿方案也可以分为两类：接收端的自适应MIMO均衡和发射端的预校准。对于自适应方法，使用两个自适应2×2实值均衡器在载波相位恢复（CPR）后监测和补偿Tx-skew[14]。基于最小均方误差（MMSE）或决策导向最小均方（DD-LMS），提出了多种实值MIMO结构来补偿Tx-skew[15]、[16]。然而，在存在Tx-skew的情况下，自适应均衡和载波相位恢复算法的性能会下降。为了减轻这种影响，提出了联合补偿方案，例如结合两个基于DD-LMS的自适应2×2实值MIMO和盲相位搜索算法[17]，或者嵌入一个预CPR的4×2宽线性（WL）MIMO均衡器，利用MIMO均衡器的输出通过反向传播方式联合计算滤波器系数和载波相位[18]。所有这些方案都需要在均衡过程之前知道载波相位信息。虽然最近的研究探索了人工智能（AI）和机器学习（ML）模型在处理复杂相位噪声方面的潜力[19]、[20]，但这些方法的高计算复杂性对硬件受限的实现场景构成了实际挑战。基于DD-LMS算法，提出了一种无需先验知识的Tx-skew均衡方案，即一个4×4实值MIMO均衡器，带有CPR[21]。该补偿方案的有效性不受载波相位噪声和频率偏移的影响。上述自适应均衡方法可以有效减轻Tx-skew的影响，并显著提升性能。然而，这种MIMO操作引入的计算复杂性对于接收端数字信号处理（Rx-DSP）来说是不可接受的。

为了避免耗电较大的MIMO均衡，基于精确Tx-skew估计算法的Tx-skew校准是一个更具竞争力的解决方案。已经提出了几种Tx-skew估计方法。通过发送单边带信号并分析图像谱的形状，可以实现约0.3 ps的Tx-skew估计误差[22]。然而，这种频域方法需要高光谱分辨率，并且对残余频率偏移非常敏感。另一种使用具有不等频率间隔的多音调信号的精确且低成本的校准方法可以实现0.2 ps的Tx-skew校准精度[23]。另一种方法是通过干扰两个采用相同二进制相移键控（BPSK）调制的分支通道来获取动态范围内的周期性功率传输函数[24]。但这两种方法都需要专门的探针信号，并会中断数据传输，因此不太适合现场监测。因此，非常需要一种现场偏斜校准方法。

为了在现场无需额外设备的情况下实现Tx-skew的估计，本文提出了一种低复杂度和精确的时域现场Tx-skew估计方法，适用于双极化相干系统。该方法基于穆勒-穆勒算法，在每个符号一个样本的时间域（T-spaced）内操作。通过利用脉冲响应的对称性，它从嵌入的QPSK训练序列中提取偏斜信息，计算开销最小。在基于双极化50 Baud 16QAM相干系统的仿真和实验中评估了所提出方法的估计精度和鲁棒性。结果表明，尽管存在残余频率偏移、色散（CD）、相位噪声以及分别为200 MHz、166 ps/nm、200 kHz和3 ps的Rx-skew，Tx-skew估计误差仍小于±0.2 ps。除了考虑在发射端使用估计的偏斜值进行Tx-skew校准外，本文还研究了基于估计的偏斜值的接收端低复杂度Tx-skew补偿，这消除了对反馈链路的需求，并提高了系统对动态环境变化的适应性。当Tx-skew为3 ps时，实验验证了在发射端使用Tx-skew估计可以实现7 dB的光信噪比（OSNR）增益，而接收端Tx-skew补偿使系统的OSNR增益提高了1.5 ps。尽管发射端校准提供了更好的性能，但接收端方法由于消除了对反馈链路的需求，因此在现场部署时具有更大的操作灵活性。

穆勒-穆勒算法基于的Tx-skew校准原理

在相干光传输系统中，Tx-skew通常由数字-模拟转换器（DAC）到调制器的路径长度不匹配引起，这会在频域中对对称频率分量引入共轭干扰。为了更直观地展示Tx skew对系统性能的影响，在3.8×10^-3的硬决策前向纠错（HD-FEC）阈值下，不同调制格式的信号的OSNR损失进行了比较

仿真设置

首先通过数值仿真验证了所提出方法的有效性。仿真在VPI TransmissionMaker和MATLAB中实现。图4展示了仿真设置和相应的DSP流程图。光传输系统在VPI软件中构建。所提出的方法在80 km单模光纤（SMF）传输中进行了评估。在发射端，由外部腔激光器（ECL）生成的光载波具有

实验设置

所提出方法的有效性在80 km SMF传输中使用50 GBaud双极化16QAM信号进行了实验评估。

图9展示了实验设置。在发射端，ECL生成一个光载波来承载50 GBaud DP-16QAM信号，输出功率和线宽分别为16 dBm和小于100 k Hz。通过一个4通道差分输出任意波形发生器生成一个具有0.125滚降的50 GBaud 16QAM信号

结论

本文提出了一种用于单载波双极化相干光系统的低复杂度Tx-skew估计和补偿方案，并在仿真和实验中进行了评估。结果表明，所提出的方法可以实现±0.2 ps的估计精度和±5 ps的动态范围。此外，它对残余频率偏移、色散、相位噪声和Rx-skew具有鲁棒性。当Tx-skew预设为3 ps时，实验确认了估计的

CRediT作者贡献声明

秦思淼：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、调查。王伟：撰写——审阅与编辑、软件、形式分析、数据管理。邹东东：验证、监督、概念化。李帆：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取。

资助

本工作部分得到了广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515020003）和中国先进光通信系统与网络国家重点实验室（2024GZKF19）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。