高速光通信低复杂度软信息解调技术

【目的】常用的max-log-map与log-map算法相比降低了软信息计算复杂度,但对高阶正交幅度调制(QAM)资源消耗仍较大,如8QAM、16QAM概率整形(PS)和64QAM PS。【方法】8QAM采用星座区域划分的方式,文章中,软信息采用接收符号到最近比特0与比特1中垂线的距离信息表示,利用角度旋转和区域对称性简化计算距离信息;非麦克斯韦玻尔兹曼(MB)分布的16QAM PS和64QAM PS,比特1所在区域两侧边缘之间的中心界线与区域两侧比特0之间的中心界线不再重合,对区域进行合并近似,处理两界线间区域归属,展开max-log-map算法因式简化距离差计算软信息;基于MB分布的16QAM PS和64QAM PS的软信息可由非MB分布的软信息表达式化简得到。【结果】经上述简化后,与max-log-map算法相比,8QAM软信息计算乘法次数48次和加减法次数75次分别缩减为12和16次,解调性能仅退化约0.05 dB;MB分布的16QAM PS乘法次数192次和加减法次数260次分别缩减为2和4次,解调性能仅退化约0.05 dB;更高阶的64QAM PS资源消耗缩减程度更大,乘法次数1152次和加减法次数1542次分别缩减为3和6次。【结论】文章提出了适用于8QAM、MB分布的16QAM PS、MB分布的64QAM PS、非MB分布的16QAM PS和非MB分布的64QAM PS软信息计算方法。当概率满足MB分布时,非MB分布的软信息计算方法可转化为MB分布计算方法;当PS因子为0时,基于MB分布的表达式可转化为均匀分布软信息计算式,非MB分布、MB分布和均匀分布的软信息计算可使用同一电路统一设计,提高电路复用率,降低硬件资源消耗。

“三超”光纤通信系统技术发展与趋势展望

主要回顾了光纤通信系统的发展历程,并通过回顾过去20年的发展历程以及当前"超高速、超大容量、超长距离"光纤通信系统的研究状况,对未来20年光纤通信技术的需求和可能的解决路径进行了介绍。

Ge/SiGe非对称耦合量子阱强度调制特性仿真

硅基光子学已被广泛认为是能实现片上光电子集成的有效平台,然而迄今为止,对硅基光源、探测器以及调制器等硅基有源器件的研究仍然具有一定的挑战性。为此,提出并仿真分析了一种可以用于实现硅基强度调制的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构。首先,利用8带k·p理论模型对耦合量子阱的能带结构和电子波函数进行了仿真计算;然后,详细分析了外加电场强度在0 kV/cm至60 kV/cm范围内,非对称耦合量子阱对TE和TM偏振模式的传输光的光吸收谱随外加电场强度的变化。仿真结果表明,对于TE偏振模式的传输光,在无外加电场强度条件下,非对称耦合量子阱的第一个吸收带边约在1449 nm处;而在30 kV/cm外加电场下,该量子阱的吸收带边相比于无外加电场情况向长波方向移动约22 nm,比相同外加电压下的普通量子阱显著。本工作所提出的Ge/SiGe非对称耦合量子阱结构是一种有望实现更低工作电压、更高速和更低损耗硅基强度调制器的结构。

基于55 nm CMOS工艺的2.5 Gbit/s高灵敏度跨阻放大器

基于55nm CMOS工艺,设计了一种工作速率为2.5Gbit/s的高灵敏度跨阻放大器(TIA)。TIA输入级电路采用三级反相器级联结构。为了提高动态范围,采用了双自动控制增益(AGC)电路来调节反馈电阻阻值。输入级电路后级的三级差分放大器进一步放大电压信号,并运用有源电感峰化技术来提高带宽,最后进行缓冲器输出。为了降低跨阻放大器的噪声,设计了基准带隙电路和电压偏置电路,采用温度补偿技术来保证芯片的温度稳定性。电路仿真结果表明,在误码率BER=1×10-12情况下,TIA的后仿真灵敏度为-30.2dBm,跨阻增益为87.5dBΩ,带宽为1.8GHz。在3.3V电压的条件下,功耗为119.4mW。

色度色散补偿的低功耗方法研究

色度色散是光通信系统中一种常见的损伤,为抑制色度色散对系统性能的影响,采用重叠保留的频域色散补偿算法,按照频率抽选基-2FFT算法进行工程实现,在实现过程中结合低功耗设计方案。通过matlab软件对算法进行了性能仿真,结果表明通过该方法可以大大降低设计复杂度,提升了信号传输质量。对预综合后的网表进行了功耗评估,结果显示系统功耗得到了有效控制,低功耗设计有效提升了系统的可靠性。

基于频偏估计算法研究

载波频率偏移是光通信系统中一种常见的损伤,常用数据辅助估计算法和非数据辅助估计算法进行频偏估计并补偿。两类算法可以均在时域或者频域进行估计。基于M次幂周期图盲估计是一种较为成熟的应用算法,经过改进可以应用在高阶调制格式。为降低频偏估计的计算量可以使用多级频偏估计算法,可以在不损失估计精度的前提下大大降低频偏估计的实现复杂度。通过仿真与实验,验证了多种频偏估计算法的正确性和有效性以及多级频偏估计的实用性。

一种载波相位恢复算法的研究

相干光通信系统中载波相位噪声的存在,导致接收信号受额外的相位调制。为了抑制载波相位噪声,依据经典维特比算法,提出一种基于导频辅助的载波相位恢复算法。针对QPSK调制格式中的相位噪声,通过MATLAB软件对算法进行了性能仿真,使用Verilog HDL语言实现了载波相位恢复模块的电路设计,使用questasim软件对设计进行了仿真验证。结果表明基于导频辅助的载波相位恢复算法能有效校正光通信系统中载波相位的噪声,算法复杂度较低,系统性能较高,有效降低了系统传输的误码率。

概率整形对数似然比计算方法

概率整形技术可改变星座点概率分布从而提升传输性能,其传输重要环节之一的对数似然比计算采用log-map算法复杂度太高,难以进行硬件实现。针对上述问题,提出了一种简化的概率整形对数似然比计算方法。首先对16QAM同相或正交分量任一方向进行log-map算法简化处理,主要依据为指数累和运算的对数计算表达式,起主导作用的是求和项中的最大值。其次,依据映射符号和对应的比特顺序使用前述化简式逐个比特进行分解,概率使用玻尔兹曼分布代入计算。然后,依据浮点数值超出-1~1范围表示对数似然比软判决为比特0或1的概率足够大的规则再次进行简化。最后,将同相分量与正交分量方向的对数似然比合并构成16QAM对数似然比简化计算方法。简化算法在降低实现复杂度的基础上保持了较高的解调性能,相比log-map算法性能只退化0.1 dB,相同BER条件下比均匀分布SNR低约3.1 dB。

一种概率整形接收系统的研究

随着数据量的快速增长,光纤通信中的数字处理能力从100G发展到400G、800G,在引入高阶调制以及高波特率的同时,各种光纤损伤使得对光发送与接收系统的要求更高,概率整形作为一种改善性能的有效方法得到了广泛的研究。从原理层面介绍了概率整形对星座点分布概率的影响,然后介绍了光通信接收系统中概率整形对均衡、频偏估计、软信息计算模块的影响。通过仿真与实验,验证了概率整形技术在高斯信道以及光通信系统中对性能均有积极的改善效果。

一种2.5Gb/s CMOS宽动态范围光接收机模拟前端电路

基于55nm CMOS工艺,设计了一种具有宽动态范围的2.5Gb/s光接收机模拟前端电路。作为光接收机的输入级电路,为了获得低噪声和高灵敏度性能,跨阻放大器(TIA)基于三级反相器级联结构,同时采用双自动增益控制(DAGC)电路来扩大输入信号的动态范围。为了提高增益,引入后置放大器,包括电平转换电路和三级差分放大电路,同时利用电容简并的方法来进一步拓展带宽,最后进行缓冲器输出。测试结果表明,在误码率为10-12的情况下,光接收机的输入灵敏度为-26dBm,过载光功率为3dBm,动态范围达到29dBm。光接收机在3.3V供电电压下,电流功耗为36mA,整体芯片面积为1 176μm×985μm。

一种10 Gbit/s光接收机前置放大器

基于0.18μm BiCMOS工艺,设计了一种适用于光纤通信的10 Gbit/s光接收机前置放大器。电路由跨阻放大器、两级可变增益放大器、缓冲器、直流偏移消除电路、峰值探测器和自动增益控制环路组成。跨阻放大器采用并联-并联负反馈结构,在满足增益、带宽要求前提下实现低噪声特性。后级放大器引入了增益可变控制,获得宽输入动态范围,同时采用电容简并技术提升带宽。版图后仿真结果表明,在小信号光电流输入下,放大器的差分跨阻增益为10.7 kΩ,-3 dB带宽为7.4 GHz,平均等效输入噪声电流密度为■。可调增益范围在25.2~80.6 dBΩ内,输入动态范围超过40 dB。在3.3 V电压下,静态功耗为166 mW,版图尺寸为764μm×540μm。

基于导频信号的SNR估计方法

设计了一种基于导频信号Pilot的SNR估计方法,根据待估计正交幅度调制信号中的Pilot已知信号能量及计算获得的噪声能量,从而计算出满足系统性能要求的SNR估计值。仿真结果表明本设计方法可以实现大范围、快速、准确、高精度的SNR估计。

基于时/频域综合特征提取的分布式光纤入侵监测系统事件识别方法

针对分布式光纤入侵监测系统在室外复杂环境下误报率过高的问题,提出了一种基于时/频域综合特征提取的入侵事件识别方法。使用自适应幅值门限信号切分算法找出有效振动信号片段,在此基础上提取平均片段间隔特征。选取最大能量片段作为主要研究对象,提取片段长度和峰均比特征,并对其进行小波包分解,生成频域能量分布特征,组成时/频域复合特征向量,使用高性能的支持向量机多分类算法进行模式识别。实验结果表明:该方法对行人脚踩、自行车轧过、拍击围栏和剪切光缆这4种典型入侵事件的平均识别正确率达到了98.33%,相比于仅提取时域或频域特征方法的识别正确率均有显著提高。该方法对光路光功率变化不敏感,能有效提升系统的实用性。

应用于锗硅材料的高效耦合光栅研究

为实现单模光纤与锗硅材料器件的垂直耦合并提高耦合效率,设计了一种锗硅光栅耦合器。通过在硅衬底上增加金属反射层来提高光栅的耦合效率,并利用时域有限差分法仿真软件对锗硅光栅的刻蚀深度、刻蚀槽宽和光栅周期等结构进行了优化。然后,分析了有无金属反射层时的功率和电场分布情况,计算了光栅耦合效率。仿真结果表明,在最佳工作波长1466 nm处,有金属反射层均匀光栅得到的光栅最大耦合效率为−1.34 dB,相比无金属反射层光栅,最大耦合效率提高了9.4 dB,并且光在波导中的定向性得到了明显的改善。另外,为进一步提高耦合效率,在均匀光栅的基础上仿真设计了两步变迹光栅,相比均匀光栅最大耦合效率提高了0.55 dB。同时,对耦合光栅中的金属层厚度、锗硅材料折射率和光栅尺寸三个方面行了工艺容差分析,结果表明,所设计的耦合光栅对工艺偏差具有较高的容忍度。最后,制作了锗硅耦合光栅器件,测试结果表明,在工作波长1465 nm处,获得了−2.7 dB的最大耦合效率。

Ge/SiGe多量子阱调制器的研究进展

硅基光子集成技术在众多领域已经取得了重大突破,但目前唯一能实现全部硅基集成有源器件且与互补金属氧化物半导体工艺兼容的材料是锗硅材料体系。Ge/SiGe多量子阱作为硅基光调制器在硅芯片上能实现短距离光互连,基于量子限制斯塔克效应的Ge/SiGe多量子阱调制器具有低功耗、低偏压、高速率的优点。总结了基于Ge/SiGe多量子阱调制器的研究现状和进展,讨论对比了Ge/SiGe多量子阱调制器的消光比、光损耗、偏置电压、电场、光调制器的调制带宽、暗电流等性能参数,展望了Ge/SiGe多量子阱调制器在集成光子学中的发展方向和面临的挑战。

基于紫外光刻的双轴张应变Ge/SiGe多量子阱电吸收调制器

采用紫外光刻工艺(ultraviolet lithography technique,UVL),在互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)兼容的硅基平台上制作了基于悬空微桥结构在Ge/SiGe多量子阱材料中引入双轴张应变的低偏振相关电吸收调制器。利用拉曼光谱测试了器件引入双轴张应变的大小,并对器件在横电(transverse electric,TE)偏振和横磁(transverse magnetic,TM)偏振下的光电流响应、调制消光比和高频响应等性能进行了测试。器件的低偏振相关消光比在0 V/4 V工作电压下可达5.8 dB,3 dB调制带宽在4 V反向偏置电压时为8.3 GHz。与电子束光刻工艺(electron beam lithography technique,EBL)相比,采用UVL制作的器件在调制消光比、高频响应带宽等性能上略差一点,但具有曝光时间短、成本低和可大批量生产等优势,应用前景广阔。