光通信系统中的数字信号论文

关键词：频分接收端信号处理处理

摘要：目前，高速可见光通信（VLC）系统在器件、算法、组网等方面均存在着一定的技术瓶颈，需要有针对性地突破这些瓶颈，进一步提升其系统速率，使之在未来B5G/6G架构中发挥重要作用。阐述了现阶段高速可见光通信面临的若干挑战，并对其未来前景提出了展望。下面是小编为大家整理的《光通信系统中的数字信号论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

光通信系统中的数字信号论文篇1：

相干光通信实时信号处理

实时单载波相干光通信和实时相干光正交频分复用（OFDM）通信在处理方法和处理顺序上有所不同。实时相干光OFDM通信，接收端的信号处理首先在时域上进行，在时间同步之后便进行频偏估计，随后通过FFT变换之后转换到频域上再进行信道估计、相位噪声估计以及最终的信号检测；实时单载波相干光接收端的信号处理过程在时域上进行，首先进行的是信道估计，随后进行频偏估计。

相干光通信系统；实时数字信号处理技术；单载波技术；频域正交复用技术

The processing method and digital signal processing （DSP） order are different for coherent OFDM modulated systems and coherent-signal carrier systems. In the former， the received signal is first processed in time domain， time is synchronized， and frequency offset compensation is done. Fast Fourier Transform （FFT） changing is then done， and channel estimation， phase noise compensation， and final signal detection are done in the frequency domain. In contrast， DSP for a signal-carrier modulated system is commonly realized in the time domain， and frequency offset compensation follows channel estimation.

coherent optical transmission system； real-time digital signal processing； single carrier； orthogonal frequency division multiplexing

相干光通信系统具有支持高阶数字调制解调，支持偏振复用等特点，并在接收端引入了数字信号处理（DSP）的均衡技术，能够实现高谱效率与长距离传输的光传输系统，因此被公认为是100G及以上级高速光通信系统的解决方案，并已成功应用于100G的商业系统中。目前相干光通信的理论和实验始于20世纪80年代，随着多年的算法研究与现场可编程门阵列（FPGA技术）的发展，相干光通信进入实时系统的研究阶段，利用高速率模数变换器（ADC）配合FPGA搭建实时光相干系统电域处理部分是一种对其最有效率的研究方式。2006年，T. Pfau首次实现了单载波正交相移键控（QPSK）实时光通信的传输，前向纠错编码性能在63 km传输后达到800 Mb/s[1]；同年，A. Leven实现了单载波QPSK 4.4 Gb/s实时光通信的传输实验[2]。2007年，T. Pfau采用偏振复用方式实现单载波QPSK 2.8 Gb/s实时光通信传输[3]；A. Leven等人于同年通过使用常数模算法（CMA）以及偏振复用等方式首次实现10 Gb/s级的单载波实时光通信实验[4]。2008年，Sun等人首次实现了40 Gb/s单载波QPSK的实时光传输实验[5]。相对单载波系统，实时正交频分复用（OFDM）系统的研究相对落后，S. Chen于2009年实现首个OFDM系统实时光通信[6]，采用QPSK调制和16QAM调制的传输速率分别达到1.55 Gb/s和3.1 Gb/s；同时，Q. Yang等人实现了54 Gb/s多频段OFDM相干光通信实验[7]。2009年，F. Buchali提出了12.1 Gb/s实时相干光OFDM发送装置[8]，并成功应用于109 Gb/s 400 km的传输实验中。2011年，X. Xiao等人实现了10.5 Gb/s相干光OFDM实时发送及接收装置[9]，N. Kaneda等人实现了28.6 Gb/s偏振复用相干光OFDM传输的实时接收器[10]；T. Pfau等人实现了40 Gb/s偏振复用16QAM内差相干接收机[11]。图1给出了研究领域相干光实时通信单通道上传输速率的逐年发展情况。

1 实时信号处理面临的挑战

双偏振相干光接收系统如图2所示。典型的双偏振相干光接收电域处理芯片由4块高速ADC及一块数字信号处理单元（DSPU）构成。对于超100G的高速光通信系统，ADC的采样率通常需要达到64 Gs/s以上，而当前数字芯片的处理速度仅仅在数百兆赫兹。因此，DSPU无法以与ADC同样的时钟来进行数字信号处理，为了完成如此高数据流量的数字信号处理工作，ADC之后必须将串行的高速采样数字信号转换为N个并行通道以便DSPU进行后续处理工作。例如对100G信号处理模块来说，ADC的采样速度在64 GHz，而数字芯片处理的速度仅为250 MHz，换言之，DSPU需要同时处理256×4路并行的数字信号。如此多的并行通道会给DSPU的设计带来两个问题：

（1）算法的并行化设计

在DSPU算法设计中，必须考虑算法是否能够支持并行通道的处理模式，因为并非所有的算法都支持并行化处理。最典型的就是数字处理中经常使用到的无限冲击响应（IIR）滤波器，由于IIR滤波器必须使用到前一个时钟的输出作为其一个输入端口，而并行结构打乱了IIR滤波器所需的串行结构，因此在并行结构中IIR滤波器结构是无法实现的。对于带反馈结构的算法，如相干光单载波系统（CO-SC）中解偏振复用广泛采用的基于CMA的自适应滤波器结构，在并行结构中其示波器参数的更新速度会由于并行通道数量的增加而变慢，从而影响到对偏振状态追踪的速度[12]。因此，在高速相干光通信DSPU的设计中，算法并行化设计是一个巨大的挑战。在这里，必须要指出的是：在CO-OFDM系统中，由于其采用的是频域上基于训练序列的迫零均衡（ZF）算法，其本身就是并行性结构算法且不含带反馈的结构，因此，在超高速CO-OFDM系统中，其算法的并行化设计要比相干单载波系统更容易实现[13]。

（2）并行系统的硬件资源使用效率优化

在N路的并行系统中，同样的数字处理模块往往需要在N路并行系统中同时用到，其资源消耗远远大于单路的串行系统。庞大的硬件资源消耗不仅带来了芯片设计布线的难度，也使得其成本与能耗大大增大，因此在并行系统中必须在保证性能的条件下竟可能的优化DSPU的硬件资源。比如在相移键控（PSK）以调整格式的系统中使用坐标旋转数字计算方法（CORDIC）将数字信号转换为角度替代复数，这样虽然增加了一个数字处理模块，然后之后的乘法运算就可以转换为简单的加减法运算而减少资源消耗。

除了上述由并行通道带来的问题外，实时DSPU设计还必须考虑到数字信号处理位宽对系统性能及系统功耗的影响。在相干光系统实时数字信号处理中，均采用整形数制对数字信号进行处理[14]，而整形数制运算的一个重要特点是所需位宽会随着运算过程随之增加。例如对两个5比特的整形数据进行加减法运算，为了避免溢出带来的错误，其结果必须用6比特来表示。相干光系统的数字处理部分是由许多复杂的运算单元组成的，若不在运算过程中进行位宽限制，其位宽的迅速增长会使得硬件资源的消耗迅速增加；同时，过度的限制位宽必然会带来部分运算结果的溢出而导致系统整体性能的下降。因此，实时DSPU必须同时考虑硬件资源消耗与系统性能从而计算出每一部运算过程合适的位宽。

2 实时相干光通信的信号

处理

对于实时单载波相干光通信和实时相干光OFDM通信，在接收端的信号处理过程中都需要进行采样、信道估计、频偏估计、相位噪声估计等操作，但两者在处理方法和处理顺序上却有所不同。相比于单载波的信号处理过程，相干光OFDM的信号处理有额外的处理步骤：时间同步、去掉循环前缀、快速傅里叶变换（FFT）等。对于实时相干光OFDM通信，接收端的信号处理首先在时域上进行，在时间同步之后便进行频偏估计，随后通过FFT变换之后转换到频域上再进行信道估计、相位噪声估计以及最终的信号检测；而实时单载波相干光接收端的信号处理过程则全是在时域上进行的，首先进行的是信道估计，随后才进行频偏估计。可见，两者的信号处理过程及算法均有所区别，下面就两者的信号处理过程分别进行详细介绍。

2.1 实时CO-OFDM信号处理

图3所示为一个双偏振相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统DSPU的结构图，其包括以下数字处理模块：帧同步、频差估计与纠正、FFT、信道估计、相位噪声估计。

（1）帧同步模块

由于CO-OFDM系统是以FFT符号为单位进行数据处理，因此CO-OFDM系统往往会引入帧结构。帧同步有多种方法来实现，比较常见的有Schmidl算法，Minn算法以及Park算法。这3种算法各有其特点，然而究其根本都是使用到了相邻相同符号间自相关运算来确定OFDM帧的起始位置。自相关运算在串行系统中可以简单的使用待反馈结构的递归算法来实现，然而在并行系统中，该递归算法不再适用，而若采用直接算法来实现，随着并行通道数量的增加，其硬件资源消耗将会非常的巨大。在文献[9]中使用了一种特殊结构的帧头来简化并行结构下帧同步复杂度；文献[12]提出了一种适用于并行通道自相关运算的递归算法以减少硬件资源消耗。

（2）频差估计与纠正

在相干光通信中，发送端激光源与接收端激光源会存在频差从而导致接收信号再频域上出现偏移而影响OFDM子载波间的正交性。因此，在接收端DSPU必须对频差进行估计与补偿。一种广泛使用的频差估计方式使用了帧同步中的帧头进行估计，然而该方法仅能纠正1个OFDM子载波频率大小范围内的频差，相对于激光器的频差远远不够。在文献[15]中介绍了一种适用于相干光OFDM通信能够估计更大范围频差的方法。由于估计出的频差必须由复数形式转换为角度形式以便构建下变频所需的正余弦信号，在实时OFDM的DSPU设计中往往使用CORDIC算法来完成该步骤以节约硬件资源。频差估计之后必须进行对信号下变频运算以纠正频差。在并行系统中需要构建与并行通道数量相等的正余弦信号与下变频复数乘法器以实现对信号的处理，该步骤不仅需要数目庞大的硬件资源，且正余弦信号的位宽与下变频后结果的位宽对系统的性能影响极大。因此，很多实时OFDM实验均采用了发送接收同光源的结构来避免频差模块，只有少量的实时OFDM实验加入了频差估计的模块。在文献[16]中一种自相关光OFDM的结构被提出并实现了240 Gb/s的多通道实时OFDM传输实验。

（3）FFT模块

在实时OFDM实验中，有两种方式实现FFT模块，一种是全并行输入输出的FFT模块，另一种是串行入串行出的FFT模块。第一种方法虽然需要大量的乘法器资源然而其与并行结构的契合度较好且不需要更多的控制单元。第二种方法只需要少量的乘法器，然而其需要一个储存器来进行串并转换，所需储存器的大小随着并行通道数量的平方线性增加。因此，在FFT模块结构的选择上必须结合并行通道数量多少以选择更适合的结构。除此之外，FFT内旋转因子与输出结果的位宽也必须仔细考量以满足系统性能要求。

（4）信道估计模块

在CO-OFDM系统中，信道估计往往是基于训练序列在频域上对信道响应进行计算。在双偏振CO-OFDM系统中，需要使用2×2个训练序列同时完成解偏振与信道估计的工作。由于OFDM信号是基于FFT长度的周期性信号，其信道均衡可以很简单的在频域上用ZF算法来实现，并且只需要一个复数乘法器，这种结构使得CO-OFDM系统的信道估计模块能够很好的适应高速系统中的多通道并行结构。必须指出的是：与单载波系统所采用的基于CMA的多拍自适应滤波器结构相比，CO-OFDM在高速并行通道信道估计模块上的结构要简单的多。

（5）相位噪声估计模块

由于激光器的相位噪声以及频偏估计中的残余误差，在信道估计之后，每一个OFDM符号的星座图相对原始的位置会产生一个整体的偏转，在CO-OFDM系统中，一种典型的做法是在每一个OFDM符号内选取一定数量的子载波加载已知的导频信号用于纠正这种相位偏移。同信道估计模块类似，由于相位噪声的纠正也仅需要一个复数乘法器，其DSPU的结构也很容易实现。相位噪声估计后的输出结果可以按照信道编码的需要输出软码或硬码至后续的解码模块进行最后的信息解调工作。

2.2 实时单载波信号处理

单载波PSK/QAM相干接收机的信号处理基本流程如图4所示，经过模数转换后，累计的信道色度色散需要被补偿，接着需要进行偏振跟踪及信道均衡，最后，在判决电路前需要进行载波的相位恢复和频率恢复。

图4的信号处理流程中各部分的功能和算法具体描述如下：

（1）色散补偿模块

对接收信号的均衡分两步进行：首先分别在每个偏振支路上进行静态或者慢速的自适应均衡，然后在两个偏振支路上进行联合的快速自适应均衡。第一个均衡器一般选择具有较长冲激响应，以补偿准静态的色散或者光前端的频率响应。第二个均衡器一般选择较短的冲激响应和较快的自适应速率，用以做偏振跟踪、偏振模色散（PMD）均衡、以及静态均衡器未补偿的剩余色散。

（2）偏振跟踪及信道均衡模块

偏振跟踪用来补偿两个偏振通道之间的串扰。偏振跟踪通常需要使用两进两出的自适应滤波器来实现。一个自适应滤波器可分为3个部分：滤波部分、误差估计部分和滤波系数的更新部分。滤波部分通常有较短的冲击响应，由于它需要跟踪任意的偏振旋转，滤波系数必须能快速更新。第二步，进行误差估计。误差估计的方法有很多，如插入训练序列，决策反馈；或者测量已知信号的属性。前一种方法有良好的跟踪性能，但需要在反馈环路中进行载波同步。后一种方法有更小的环路延迟，可提供更快的跟踪速度，如CMA算法[17]。CMA通过纠正信号的恒定幅值来均衡后信号的振幅的偏差，可以很好的分开两个偏振通道，不仅适用于PSK信号。也可以用于QAM信号，但会带来噪声和收敛速度变慢的代价。第三步，从误差估计的结果更新滤波系数。已知的算法如Wiener-Hopf方法，最陡下降法。从实现的角度来说最实用的方法是LMS算法[18]。LMS算法的基本思想是通过求均方误差同滤波系数的导数来估算误差梯度。滤波系数则通过每次加上一个负误差梯度的比例项来更新。权重因子μ再用于控制滤波器的自适应速度以及滤波系数的剩余误差。

（3）载波同步模块

载波同步即载波的频差校正和相差校正，是任何基于数字信号处理的相干接收机都需要实现的部分。频差校正和相差校正在概念上非常相似，都包含误差估算，对估算结果滤波，数据恢复3部分。频率恢复的具体方法在文献[19]中提出。相位恢复通常包含两步：首选，去除调制信息得到一个瞬时的相位估计；然后对相位估计进行滤波以去除噪声的影响。在大多数通信系统中，调制信息的去除采用直接判决法，信号判决前后之差作为相位误差的瞬时估计值。但直接判决法通常用到反馈结构，这对并行流水线和块处理的实现结构来说是一个挑战，因为反馈时延会并行通道数量增加，过多的并行通道会导致相位噪声容忍度的降低。而前项反馈技术不仅可用来改善其性能[20]，也能够较容易的在块处理结构中实现。

3 结束语

相干光通信系统已成为100G和更高速率的超高速光通信系统的主要解决方案，其最重要的核心技术就是接收机数字信号处理技术。本文首先对实时数字信号处理技术的发展现状进行了介绍；随后就实时数字信号处理技术的难点及挑战进行了分析；并分别对相干光通信系统中的两种主流调制格式（单载波及OFDM）所采用的实时数字信号处理技术进行了描述。

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作者：肖潇杨奇杨铸

光通信系统中的数字信号论文篇2：

高速可见光通信技术的挑战与展望

摘要：目前，高速可见光通信（VLC）系统在器件、算法、组网等方面均存在着一定的技术瓶颈，需要有针对性地突破这些瓶颈，进一步提升其系统速率，使之在未来B5G/6G架构中发挥重要作用。阐述了现阶段高速可见光通信面临的若干挑战，并对其未来前景提出了展望。

关键词：光通信;可见光通信;5G/B5G

Key words： optical communications; visible light communication; 5G/B5G

如今，随着移动互联网的数据大发展以及5G/B5G技术的标准化和产业化，通信技术不断进行着翻新与再创造，随之而来的是虚拟现实、智慧城市、云计算、自动驾驶等。这些大数据业务在飞速发展的同时，也对通信网络的数据承载能力提出了新的挑战。但在无线接入方面，传统的无线通信正陷入现有无线频谱资源逐渐匮乏的困境中。在这种情况下，一种新型的通信方式——可见光通信出现在了人们的视野中[1]。可见光通信是利用波长范围在380 nm～760 nm的可见光作为信息的载体，调制信号进行传输的一种新型通信手段。可见光光谱带宽约为400 THz，远远大于现有的无线通信频谱，如此巨大的带宽资源使得可见光通信能够具有高速通信的潜力。在现有5G/B5G频谱的瓜分下，可见光通信技术的使用，能够大大拓展现有的无线频谱资源，有效缓解资源即将耗尽的燃眉之急。

可见光通信自问世起就得到了世界各国的广泛关注。2003年，日本成立了可见光联盟（VLCC），已经发展成为一个研究可见光产业的国际组织。美国国家自然基金（NSF）成立的工程研究中心（ERC）也在研究可见光通信。与此同时，欧盟的欧盟第七框架协议（FP7）、5G基础设施公私合作伙伴关系（5GPPP）项目中都重点支持了可见光通信。在中国，科技部的重点研发计划都将可见光通信列入其中[2]。世界各国对可见光通信的重视是基于其在各个领域中的应用多样性。例如，在未来B5G/6G的通信方式来临之际，将照明与通信结合应用于路灯、车灯、室内照明等领域，将为全社会构建一个覆盖范围广、成本低廉的泛在光通信网络;在核电站等电磁敏感的区域中，可见光通信是一种不可或缺的无线通信方式;在军用通信中，可见光通信可以抵抗无线电干扰，实现空气、水域的远距离高速通信;可见光通信还可被运用在如医疗、航空、工业制造的众多特定场景中。可见光通信潜在的应用领域多样，用户数量巨大，将会带来非常大的经济效益，而如何实现更高速率的可见光系统也是当前的一个研究热点。

1 可见光通信系统的架构

可见光通信系统的基本架构是点对点系统[3]，近些年随着对通信容量的需求增大，可见光多输入多输出（MIMO）系统[4]也在逐步发展中。目前的点对点可见光系统主要由发射和接收2部分构成[5]，如图1所示。发射部分分为电学部分与光学部分，电学部分主要包括信号处理电路与发射机驱动电路，光学部分则包括发射机光学芯片以及光学天线。2部分之间的光电子器件的就是可见光通信系统的发射机，目前主要是发光二极管（LED）与激光二极管（LD）[6-7]。信号经过信号处理电路完成编码和调制之后，通过驱动LED/LD来实现对LED/LD的强度调制，从而将电信号转换为光信号。接收部分同样包括光学部分和电学部分。光学部分主要包括接收光学天线和探测器芯片，目前主流探测器芯片为光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。接收光学天线把尽可能多的光学信息聚焦到探测器芯片表面上。电学部分主要是信号处理模块，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，对信号进行解调制、解码等信号处理过程之后，恢复出原始的发送信号。

虽然可见光理论上有超大的通信容量，但是其受限于現有发射接收机的材料器件、光学系统、数字信号处理算法等，因此进一步提升可见光通信系统的速率依旧充满挑战。

2 高速可见光通信面临的挑战

2.1 新材料与新器件

可见光通信的发射机和接收机近年来被广泛关注，主要的挑战如图2所示。LED和LD是目前主流的发射机，LED 被用作发射机主要是因为它的易耦合性、安全性以及低成本，但是现有的廉价商用LED的3 dB带宽小于100 MHz，无法满足高速通信的需要。LD 作为发射机主要是因为激光具有相干性，所以天然地拥有大于吉咖（Giga）赫兹的带宽，但是其在使用的时候耦合对准较难且具有散斑效应，同时对于人眼的安全性也存在潜在的威胁。在接收机方面，PIN是目前成本较低的主流探测器，但其灵敏度低，不能进行远距离通信且响应带宽有限。APD是利用雪崩效应以提供较大放大倍数的光电二极管。虽然它的接收灵敏度很高，但是引入的噪声却很大，不适用于对信噪比要求高的应用场景中。在目前商用的接收机中，如果想要增大接收机的调制带宽，其噪声系数必然增大，与此同时光敏面的面积也会相应缩小，这为接收机端的光学天线带来了严峻的考验。因此，需要研制新的适用于未来高速可见光通信的发射机与接收机，以满足大带宽、低成本、易耦合、高灵敏度等需求。

为了实现可见光通信系统器件上的突破，世界各国许多研究学者都做出了相应的研究。南昌大学研制的硅衬底LED[8]能有效提升发射机的调制带宽。硅衬底LED单面发光，具有较好的一致性，垂直結构电极降低了载流子寿命，特殊设计的量子阱结构也提高了载流子的抽取效率。除此之外，基于InGaN的高功率蓝光超发射二极管（SLD）是一种新型研制的光电二极管[9]，该种光电二极管有效结合了LED与LD的优点，不仅可以实现800 MHz左右的调制带宽，还能有效避免LD的散斑效应。但是目前这种器件的工艺还不成熟，只研制成功了蓝光和绿光SLD。台湾大学和阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）采用新工艺和新材料实现了超高带宽的可见LD[10-11]。总的来说，未来的VLC发射机逐渐朝着传统器件更新化、新型器件完善化的方向发展。

在接收机方面，为提升PIN的灵敏度，集成PIN焦平面阵列成为很有潜力的研究方向。2015年，复旦大学首次设计了3×3硅基集成PIN阵列[12]，并实现了1.2 Gbit/s可见光通信。接收机端的光学天线一直是接收机集成化的一大阻碍，为简化光学天线，研究学者开始研究新型材料与结构来替代传统透镜。复旦大学在2017年将柔性纳米材料首次应用为可见光通信系统的光学天线[13]，一定程度上简化了可见光通信的瞄准问题，并将速率提升了60%。

2.2 先进的调制编码和数字信号处理算法

高速可见光通信除了在器件材料方向面临挑战，先进的调制编码和数字信号处理算法同样至关重要。在有限带宽下，不断逼近通信容量极限是高速可见光通信面临的核心科学问题和最大挑战。

多维复用技术是进一步提升可见光通信容量的一种有效手段，如图3所示。具体来说，传统的相移键控（PSK）、频移键控（FSK）等典型的一维调制需要向多维调制方式发展，融合振幅、频率、相位、横向空间分布、偏振等多维度调制信号。同时，在可见光通信系统的不断优化下，系统的信噪比也在进一步提升，运用高阶调制，例如64 QAM、128 QAM等，可以进一步提升频谱效率。波分复用、偏振复用等复用技术更是可以进一步提升系统容量。牛津大学、复旦大学、爱丁堡大学先后利用波分复用技术与先进的调制格式，分别实现了10.4 Gbit/s、10.7 Gbit/s、15.7 Gbit/s的多色LED高速可见光通信系统[8，14，15]。

但是，目前普通的波分复用（WDM）可见光通信系统并没有充分利用频带资源，不同频带之间的带隙浪费了频谱资源。另外，不完美的调制和编码方式，使得目前信道容量远没有到达香农极限。近年来，超奈奎斯特调制、概率几何整形、极化码等新技术不断涌现并成功应用于可见光通信系统中，进一步提升可见光通信系统的频谱利用率。

2.3 可见光异构组网

在未来应用中，可见光通信与其他通信方式的异构融合是必不可少的一步，如图4所示，如何将可见光系统成功接入现有通信网络、发挥其优势并支撑室内多用户大容量通信，是未来可见光发展的又一大挑战。复旦大学于2014年实现了25 km光纤与75 cm可见光组网，通过32 QAM-正交频分复用（OFDM）调制方式实现了8 Gbit/s总吞吐量，可同时支持8个用户的接入[16]。这一实验证明了可见光系统可以兼容目前的骨干网，成为接入网中一种大容量的无线通信方式。

但是在实际运用当中，可见光异构组网依旧存在很多亟待解决的问题。首先是可见光通信的上行链路问题，若以可见光的方式回传，对于移动端的功耗要求太高。此外，上下行光路之间可能会互相干扰，所以如何合理地解决可见光的上行链路问题一直是人们在考虑的问题。在室内布设可见光接入点时，接入点数量要与用户数匹配。在多接入点接入时，会遇到互相干扰、移动性管理等问题。当现有的业务流到灯时，如何利用可见光通信顺畅地与这些业务对接，以及可见光与空间激光通信、太赫兹通信、毫米波通信和微波无线通信等通信技术如何共存和兼容，这些问题值得研究学者在未来进一步探索。

2.4 水下可见光通信

如图5所示，随着未来B5G/6G的发展，水下与陆上的通信网络不再孤立存在，它们将会形成一个智能通信网络，传感器、水下机器人、人类都需要进行水下活动，并进行必要的通信互联，所以水下无线通信的需求日益迫切。微波通信、声波通信是目前比较常用的水下通信手段，但是微波信号（～100 MHz）在海水中里面的衰减极大，趋肤深度只有厘米级别。声波通信在海水中的穿透能力极强，但是通信带宽太低。所以为同时实现远距离、高速率的水下无线通信，水下无线光通信逐渐发展起来[17]。目前水下无线光通信方式主要有两种：LD通信与LED可见光通信。KAUST已经实现了水下1.5 Gbit/s的20 m蓝光激光通信[18]。复旦大学则实现了总速率14.6 Gbit/s的1.2 m水下LED通信[19]。

但是，水下无线光通信的挑战依旧严峻。首先，水下环境恶劣，吸收、散射以及湍流是影响水下光通信的主要环境因素。其次，光通信器件复杂多样，波长跨度从紫外波段、可见光波段到红外波段，这些器件的物理光电特性都有很大区别。最后，水下通信节点经常涉及到运动目标，来自不同方向、不同运动速度、连续非连续干扰等都会对于信息高速传输产生致命影响，水下环境中应考虑相对广覆盖和大视场角接收问题。此外，目前的长距离高速水下无线光通信大部分停留在实验室阶段，所以如何在实际环境中实现更长距离、更高速率的水下无线光通信，是未来水下可见光通信面临的最大挑战。

3 高速可见光通信的展望

可见光通信是未来B5G/6G蓝图的重要组成板块，为进一步拓宽未来可见光通信的应用场景、提升其通信性能、突破应用瓶颈，本节从4个方面给出对未来高速可见光通信前景的展望。

3.1 新机理器件

为解决目前LED带宽限制、探测器灵敏度低与非线性等问题，未来高速可见光通信系统还需要新型的光源、探测器和光电器件。新型可见光光源需要有更宽的调制带宽、更高的光效，一些新型LED已经初有成果，例如微结构LED、表面等离子体LED以及超辐射LED。新型可见光探测器需要提高可见光的选择性吸收、提升内外量子效率和接收光通量，目前最新成果有复旦大学的3×3硅基集成PIN阵列和基于纳米图形荧光材料可见光吸收器。未来可见光通信系统作为一个独立的通信体系，还需要更多的独立光电器件，如外调制器、放大器、复用/解复用器、光开关、集成收发器等。

3.2 可见光信道建模

目前可见光信道建模都只是根据LED或LD器件本身光场分布与空间特性建立的。但是，实际的可见光信道还包括接收机频响特性、光学天线、空间光场分布、大气湍流、背景光噪声、散射衍射反射等。结合这些信息的可见光信道建模将在未来给高速可见光通信提供理论指导，对空间无线可见光通信、水下无线可见光通信都有重大意义。

3.3 可见光协议组网

可见光通信作为一种理想的室内通信方式，能够根据室内空间大小设置合适的无线接入点，同时结合动态配置与固定配置解决室内多用户造成的互干扰、移动问题。为减少用户端的功率损耗，可见光上行链路可用红外或者无线通信进行替代，在室内组成混合网络。为解决业务流到灯的问题，可以尝试电力线、千兆以太网或者是光纤与灯相连，与局域网、广域网相连。

3.4 全频谱智能通信

可见光通信将作为未来B5G/6G中一种可靠的通信方式，联同其他通信方式，组成全频谱网络，在特定场景中提供大容量、高速率、稳定可靠的无线传输。例如，智能可见光定位系统、室内可见光、毫米波无线混合网络等。为适应未来系统复杂的数据处理，机器学习智能算法应当成为重点研究的对象，并被作为一种先进的信号处理算法应用在可见光通信系统中。例如，深度神经网络可进行非线性抑制、信道性能检测与调制格式识别等。因可见光和毫米波太赫兹通信都具有视距特性，未来网络需要对融合接收端进行精准定位和多天线协作通信，集感知、通信、智能、计算一体化。

4 结束语

本文中，我们詳细阐述了高速可见光通信系统在器件、算法、组网等方面均存在着的技术瓶颈，并对其未来发展提出了几点建议：（1）重点关注与发展可见光新机理器件，提升发射、接收机整体性能;（2）完善可见光通信系统理论基础，建立传输信道的数学与物理模型;（3）针对水下无线光通信应用场景，努力突破瓶颈;（4）重点研究可见光异构融合网络，兼容现有通信网络;（5）大力发展智能算法，适应未来全频谱通信网络。

目前，虽然可见光通信的商用尚待时日，但不可否认的是，它仍然具有非常重要的理论和实际应用意义。高速可见光通信技术在未来B5G/6G的应用前景是非常广阔的，只要认清当前技术形式，制定合理稳健的发展计划，可见光通信技术必定能够在人们未来的生产生活中大放光彩。

作者：迟楠胡昉辰周盈君

光通信系统中的数字信号论文篇3：

数字信号处理算法在相干光通信系统中的应用研究

【摘要】随着通信技术在不断的更新，在当前，相干光通信时下一代光通信主干网的关键技术，在应用的过程中该技术能够在相干探测中通过信号光裕本振的拍频获得更多的信号信息并且能够借助于高速数字信号处理技术，保障信号的重建以及失真补偿放在系统接收端进行，因此本文主要研究了数字信号处理算法，通过具体的工作原理，在采用一种新的降低硬件复杂程度的方式中，降低了接收机的复杂程度，并且稳态收敛了误差。

【关键词】数字信号;算法;相干通信系统

信息时代中，为了维持信息的持续流通，光纤通信系统应用了当前比较先进的技术，因此本文通过研究相干接收机的结构，以及将相干接收机算法部分各个子系统的技术以及光纤色散补偿，进一步提高了数字信号处理算法技术的创新。

一、相干通信系统的研究

在相干通信系统的研究中，它主要分为发送端、光纤信道以及接收端几个方面，在使用的过程中相干通信系统不仅可以工作与时分复用和波分复用系统，而且能够工作与偏振复用系统。

其中在发送端部分中：它是在光通信系统中的作用下包含的信源编码、比特到符号映射、光载波调制以及一定的预补偿等，在使用中采用的是高阶调制格式的通信系统，其可以在保持硬件速率与占用宽带不变的状况下，进行成倍的增加通信系统的总容量。在光通信系统中常常采用的是所谓的IQ调制器进行复杂矢量信号的调制;光纤模型，为了提高通信相干系统中数字信号处理的作用，在整个系统中必须要对信号在光纤中传输的这种现象进行具体的研究，其中该种现象时从物理模型以及数学模型中入手的，在研究相应的补偿与均衡技术中更好的发挥数字信号处理技术，当时光信号作为一种电磁波，具体的解是在麦克斯韦方程组导出的波动方程中进行的，表达式是：

其中是信号偏振方向的单位向量，是初始振幅的傅立叶表示，是常数，最终将光信号基态模式分布成F（x，y）看成是近似高斯函数。最后在接收端的研究中，一般是光相干接收机的重要组成部分，它可以直接的测探接收机，增强检测信号的强度信息，并且可以对强度调制的信号进行光电转换之前除了匹配滤波之外的处理。但是在该环节的应用下增加了接收机的复杂程度并且提高了稳定性的要求。

对于相干光通信系统中数字信号处理技术的研究主要表现在：由于信号是通过光纤信道传输时产生的不同失真或者是损伤，在结合中形成了线性失真和非线性失真。其中由于线性失真补偿之间没有因果关系，这就不需要考虑顺序，但是在具体的算法中，需要遵循相应的原则：将需要估计的线性失真分离成单独的变量，优先估计并补偿静态，算法相对简单的变量，然后进行随机变量的补偿，最终将所有的变量补偿完整。其中在算法流程中：将每一个方框代表的是相干接收机的数字信号处理系统的子系统，并且将各个子系统之间可能的反馈线路使用具体的图表进行表示，在预处理算法的研究中，它是指在进行实质的信道均衡、载波恢复之前，对采样后的信号进行一定程度的预先处理，为形成数字信号处理算法做出充分的准备。

二、光纤色散补偿

色散作为光通信系统中最重要的引起信号损伤的因素之一，其中决定光纤色散程度的参数是GVD参数，它分为材料色散和波导色散两部分，在使用中它与硅材料折射率随频率的变化和光纤的波导结构有着绝大的关系，其中光纤色散补偿的算法有两种：基于色散扫描和基于非色散扫描，最终将适应色散补偿算法在寻找到代价函数的最大或者是最小值来确定具体的色散估计值。

三、采样时钟恢复

采样时钟恢复中主要是基于奈奎斯特采样定理，来降低对采样硬件的要求，将实际的相干系统中多采用于两倍符号率的采样速率，其中在数字信号处理中，应对的是相位恢复问题的一般做法，采用的方法是使用数字锁相环，具体的算法是：

频域采样误差检测器，根据该算法的研究，它主要适用于带通信号的采样相位恢复算法，并且适用于相干光通信系统中被下转换到基带的信号，该算法的思想表现在：在假设了接收到的信号模型后，采用数字锁相环来确保相位恢复，然而锁相环分为开环和闭环两种，其应于前馈和反馈两种硬件方式进行，按照适用信号的过采样率不同，基本的算法有：SPS≥2和SPS≤4，另外这些算法主要来源于经典的无线通信领域以及相干光通信系统，但是在SPS=2的算法中，一般得到了TED算法的最优修正权重。如表1所示：

表1 LeeTED的最優修正权重

脉冲形状 NRZ 33%RZ 50%RZ 68%RZ Nyquist

权重系数 1.4 0.46 0.54 0.67 0.8

其中该符号采用的非线性运算，直接在检测运算后信号在其波特率处的频谱分量中，降低信号的损伤。

四、偏振解复用及自适应信道均衡

由于受到外界的影响，光信号的偏振态、偏振度以及偏振模式损耗和传播速度都是随着传输的具体过程变化的，因此就得到光纤的偏振相关特性是随着时间变化或者是随着传输的距离变化的。其算法模式是：偏振复用系统的信道模型可以写为：

在算法的收敛速度以及计算复杂度的折中中，采用的是二阶CMA，其中CMA是对信号的旋转或者是信号的相位噪声来大大降低。

五、总结

通过研究相干光通信系统中应用的数字信号处理算法，能够对数字相干接收机经过光电转换和数字模型进行失真补偿的算法研究，具体的分析了色散补偿、采样时钟恢复、偏振解复用及自适应信道均衡等，降低了信号的复杂程度，提高了数字信号的处理技术。

参考文献

[1]孙云全，孙玉坤，杨泽昭，赵学军.数字信号处理技术在馈线自动终端中的应用[J].中国电子科技，2012（11）.

[2]武强，朱斌，徐华.基于数字信号处理技术的地下水资源管理模型的研究[J].中国电子商务，2013（25）.