[论文解读] Joint Superchannel Digital Signal Processing for Ultimate Bandwidth Utilization

Mikael Mazur, Jochen Schröder+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

Optical Network Technologies参考文献 48被引用 4

一句话总结

本论文提出一种基于光频梳的联合超通道数字信号处理方法，实现零保护带的超奈奎斯特传输，通过利用频梳的稳定性与采样周期内的混叠效应，在每符号两样本的接收机中提升频谱效率。该方法将最优保护带从1 GHz减少至500 MHz，同时将滚降因子从1%提高至10%，在不增加上采样或额外均衡阶段的前提下，实现更高吞吐量与更强鲁棒性。

ABSTRACT

Modern optical communication systems transmit multiple frequency channels, each operating very close to its theoretical limit. The total bandwidth can reach 10THz limited by the optical amplifiers. Maximizing spectral efficiency, the throughput per bandwidth is thus crucial. Replacing independent lasers with an optical frequency comb can enable very dense packing by overcoming relative drifts. However, to date, interference from non-ideal spectral shaping prevents exploiting the full potential of frequency combs. Here, we demonstrate comb-enabled multi-channel digital signal processing, which overcomes these limitations. Each channel is detected using an independent coherent receiver and processed at two samples-per-symbol. By accounting for the unique comb stability and exploiting aliasing in the design of the dynamic equalizer, we show that the optimal spectral shape changes, resulting in a higher signal to noise ratio that pushes the optimal symbol rate towards and even \emph{above} the channel spacing, resulting in the first example of frequency-domain super-Nyquist transmission with multi-channel detection for optical systems. The scheme is verified both in back-to-back configuration and in single span transmission of a 21 channel superchannel originating from a 25GHz-spaced frequency comb. By jointly processing 3 wavelength channels at a time, we achieve spectral efficiency beyond what is possible with independent channels. At the same time, one significantly relaxes the hardware requirements on digital-to-analog resolution and bandwidth, and well as filter tap numbers. Our results show that comb-enabled multi-channel processing can overcome the limitations of classical dense wavelength division multiplexing systems by enabling tighter spacing to reach the ultimate spectral efficiency in optical communications.

研究动机与目标

• 解决密集波分复用系统中因保护带与信道间串扰导致的频谱效率限制问题。
• 通过利用光频梳的频率锁相稳定性，消除超通道中对大保护带的需求。
• 通过联合多通道数字信号处理实现超奈奎斯特传输（符号速率 > 信道间隔）。
• 通过优化频谱成形，避免上采样并最小化滤波器抽头数，降低硬件复杂度。
• 证明联合处理可在不增加系统延迟或计算开销的前提下，提升信噪比与系统容错能力。

提出的方法

• 系统采用25 GHz间隔的光频梳作为稳定、相干的发射源，消除激光频率漂移。
• 21个信道均以每符号两样本的方式进行相干检测，实现基带处理而无需上采样。
• 将动态MIMO均衡器扩展，通过频梳的固有频率锁相特性，联合抑制信道间串串扰。
• 在均衡器设计中主动利用混叠效应，替代信号上变频需求，降低硬件要求。
• 优化频谱形状，将滚降因子从1%提高至10%，减少均衡器记忆长度，提升对收发端非理想特性的容忍度。
• 对每信道应用联合色散补偿，保持平滑的滤波响应，同时维持各信道的独立性。

实验结果

研究问题

• RQ1 联合多通道数字信号处理能否克服传统密集WDM系统中因保护带导致的频谱效率限制？
• RQ2 如何利用光频梳的频率锁相特性，实现自由振荡激光器无法达到的串扰消除效果？
• RQ3 在每符号两样本系统中，混叠效应在多大程度上可替代上采样以实现超奈奎斯特传输？
• RQ4 当通过动态均衡实现信道间串扰联合抑制时，最优频谱滚降因子为何值？
• RQ5 联合处理是否可在降低硬件复杂度（如DAC分辨率、滤波器抽头数）的同时，提升信噪比与系统传输距离？

主要发现

• 在背对背与80 km传输场景下，有效保护带均从1 GHz减少至500 MHz，显著提升频谱效率。
• 最优频谱滚降因子从1%提高至10%，增强对收发端非理想特性的容忍度，同时减少均衡器记忆长度。
• 通过频域串扰消除，在无需上采样的情况下实现超奈奎斯特传输（符号速率 > 信道间隔）。
• 联合处理方案提升了有效信噪比，从而实现更高吞吐量或更长传输距离。
• 该方法通过消除上采样需求并最小化滤波器抽头数，降低硬件复杂度，同时保持高性能。
• 结果证实，基于频梳的超通道结合联合DSP，可通过利用频梳的内在稳定性与均衡器设计中的混叠效应，实现频谱效率的极限提升。