基于深度學(xué)習(xí)的光纖通信非線性補(bǔ)償技術(shù)

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
% P$ ]$ T% `! h光纖通信系統(tǒng)因光纖非線性效應(yīng)而面臨顯著挑戰(zhàn)，這限制了傳輸距離和系統(tǒng)性能。隨著數(shù)據(jù)速率提高和采用先進(jìn)調(diào)制格式以滿足不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，非線性效應(yīng)變得更加明顯。本文概述了基于深度學(xué)習(xí)的非線性補(bǔ)償技術(shù)，特別關(guān)注子載波復(fù)用(SCM)系統(tǒng)[1]。
- P! P0 j0 k3 M8 g. [" O

7 X, s4 d6 r) Q% ?" v系統(tǒng)架構(gòu)與基本原理
7 ?! _0 B/ f/ t/ a( Q9 tSCM通過符號(hào)速率優(yōu)化來減輕非線性失真，已成為有效的解決方案。在SCM系統(tǒng)中，總帶寬被分成多個(gè)子載波，每個(gè)子載波承載部分?jǐn)?shù)據(jù)。這種方法與單載波系統(tǒng)相比，提供了更好的靈活性和非線性容限。
4 i* @, p* Q# X3 t7 c
8 C$ J$ B$ e- s/ l' j$ F圖1：SCM系統(tǒng)框圖，展示了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)架構(gòu)，包括子載波生成、復(fù)用和各種補(bǔ)償技術(shù)。

該系統(tǒng)對(duì)每個(gè)子載波采用雙偏振(DP)信號(hào)，使用升余弦脈沖整形數(shù)學(xué)表達(dá)傳輸信號(hào)。子載波間的間距經(jīng)過精心優(yōu)化，以防止干擾同時(shí)最大化頻譜效率。
4 s( u8 z6 d. |% r; M; h
非線性補(bǔ)償方法
5 V# j# L2 h, L6 L傳統(tǒng)數(shù)字反向傳播(DBP)已被廣泛用于非線性補(bǔ)償，但面臨計(jì)算復(fù)雜度的挑戰(zhàn)。在SCM系統(tǒng)中，需要處理兩種主要的非線性效應(yīng)：自身子載波非線性(SSN)和交叉子載波非線性(CSN)。
- r, o4 W) V3 U
5 q; g- Z" C2 F% F圖2：展示(a)SCM-DBP過程中的SSN和CSN補(bǔ)償階段，以及(b)提出的SCM-LDBP結(jié)構(gòu)，演示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
$ x, d  ~3 K# m: q. Q' h; @
深度學(xué)習(xí)增強(qiáng)解決方案
SCM學(xué)習(xí)型DBP(SCM-LDBP)方法將傳統(tǒng)DBP原理與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了性能提升和復(fù)雜度降低。主要?jiǎng)?chuàng)新包括并行處理多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)處理不同子載波，通過時(shí)域?yàn)V波用優(yōu)化的FIR濾波器替代頻域運(yùn)算，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償學(xué)習(xí)最優(yōu)濾波器系數(shù)。
% N/ K' W7 d8 v- G5 T
# R# f7 H- S5 `, Q2 P性能分析
大量仿真證明了SCM-LDBP相比傳統(tǒng)方法的有效性。

2 t8 F0 e. Q/ A7 j. \圖3：不同干擾子載波數(shù)量下SCM-DBP的性能比較，在(a)1跨度/步長(zhǎng)和(b)20跨度/步長(zhǎng)條件下，顯示了隨干擾子載波增加的Q因子改善。
" t4 Z: a7 K' N: L: O

8 @+ P: C3 p$ j: G3 k" U1 R圖4：SCM-DBP與SCM-LDBP在不同干擾子載波數(shù)量下的性能比較，展示了所提方法的優(yōu)越性能。

# X* }8 R$ T/ K! y% E結(jié)果表明SCM-LDBP在32波特系統(tǒng)中相比SCM-DBP提高0.3 dB的Q因子，與傳統(tǒng)方法相比降低31.7%的復(fù)雜度，并且隨數(shù)據(jù)速率提高保持良好的性能擴(kuò)展性。

, k# {, Y! d& j) F復(fù)雜度考慮
4 u# c( e- _2 o& d2 s- Q) hSCM-LDBP的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是降低了計(jì)算需求。復(fù)雜度降低通過消除FFT/IFFT運(yùn)算、優(yōu)化時(shí)域?yàn)V波和并行處理架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。
# [) t" q& b8 x. m
圖5：32波特系統(tǒng)中SCM-DBP和SCM-LDBP在不同干擾子載波數(shù)量下的復(fù)雜度比較，顯示計(jì)算需求顯著降低。
: J$ A4 I6 j# v1 k- R! e; C1 X
) Z6 b1 m8 o/ k
圖6：120波特系統(tǒng)的復(fù)雜度比較，展示在更高數(shù)據(jù)速率下保持效率優(yōu)勢(shì)。

) v- N5 l7 s$ X, S& f" ]5 ?高速應(yīng)用
SCM-LDBP的優(yōu)勢(shì)延伸到120波特的高速傳輸系統(tǒng)。
5 l  S1 D  X1 S4 N
% Y/ _# n, r- i9 H, @, \* H6 j圖7：120波特SCM系統(tǒng)的性能結(jié)果，顯示(a)不同干擾子載波的SCM-DBP結(jié)果和(b)SCM-DBP與SCM-LDBP方法的比較。
8 A6 L' E% O. R* F+ u" ]5 s
性能-復(fù)雜度權(quán)衡
3 z. w: s9 `9 B% Z( E& x3 m5 H9 j2 d理解性能提升和計(jì)算需求之間的平衡對(duì)實(shí)際實(shí)施很重要。

  G8 u- q# V1 J  _+ N圖8：32波特系統(tǒng)在不同跨度每步長(zhǎng)下的性能與復(fù)雜度分析，說明最優(yōu)工作點(diǎn)。


圖9：120波特系統(tǒng)的性能-復(fù)雜度權(quán)衡分析，顯示在更高數(shù)據(jù)速率下保持優(yōu)勢(shì)。
& X" r7 P) h6 R) F$ M
  [; l# z/ t- E4 \: y實(shí)施考慮因素
成功部署SCM-LDBP需要注意訓(xùn)練要求，包括128幀每幀4098個(gè)符號(hào)，優(yōu)化批次大小為32，使用學(xué)習(xí)率0.001的Adam優(yōu)化器。在濾波器設(shè)計(jì)方面，需要優(yōu)化CDC FIR濾波器長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)7抽頭CSN-LPF，并平衡復(fù)雜度與性能。系統(tǒng)參數(shù)方面需要謹(jǐn)慎選擇子載波數(shù)量，優(yōu)化發(fā)射功率，同時(shí)考慮傳輸距離。該技術(shù)在城域網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)距離傳輸系統(tǒng)和高容量數(shù)據(jù)中心顯示出特別好的效果。
6 j0 f0 H- s, G
3 s, o8 [  }+ S" p! o未來發(fā)展方向
/ z  @4 `0 Q7 `8 I. y9 M% l4 z. X研究方向涵蓋與現(xiàn)有SCM部署的集成、擴(kuò)展到更高階調(diào)制格式、在波分復(fù)用系統(tǒng)中的應(yīng)用、硬件高效實(shí)現(xiàn)和實(shí)時(shí)處理能力等領(lǐng)域。
- r/ P2 Z, P/ l6 c6 H- w
本文展示了SCM-LDBP為光纖通信中的非線性補(bǔ)償提供了有效解決方案。該方法成功將深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，在降低復(fù)雜度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更好的性能。隨著數(shù)據(jù)速率持續(xù)提高和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展，這種高效的補(bǔ)償技術(shù)將對(duì)下一代光通信系統(tǒng)變得更加重要。

參考文獻(xiàn)
[1] W. S. Saif, S. K. O. Soman and O. A. Dobre, "Deep Learning-Assisted Nonlinearity Compensation in Subcarrier-Multiplexing Coherent Optical Systems," Journal of Lightwave Technology, vol. 42, no. 23, pp. 8162-8172, Dec. 1, 2024, doi: 10.1109/JLT.2024.3427121.
0 m" r* y' _! Z( I; G
5 @4 [+ K9 F* M# [: [2 |/ |7 M* mEND
: L+ l9 a7 o& j) k9 P$ K6 j0 G
* E& F) Y- M' w1 `) U  ]% A
2 L* w" w( k" ?軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
+ f. U, G" I& t! z1 O
- p$ F% x+ }$ O6 k; H6 y4 R9 a歡迎轉(zhuǎn)載

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

" Q0 `$ p0 m! x; [

, x8 K+ Y( g/ E8 t$ G

關(guān)注我們

6 k; d( I9 D0 X$ b+ {6 ?% p, L

( m+ X9 [+ ]5 ?% W4 l ) W+ B6 N2 p1 H7 w+ J* _# t) o

, `: j- W0 T$ x) X1 i4 V ' b9 O9 k# v  M, @& o

+ n& o' z0 Z( ]) O : X( Z0 b  g1 V" y

                     
7 [) L9 y8 l& x2 e9 O2 ]# D
2 `+ X5 l* m. g: h1 s# M
8 D: \( q( e( b# o  v5 S
; R7 G& D/ h3 w# Z5 v! P關(guān)于我們：
$ [7 m( K) G' {/ |深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
* M8 V* v  v9 @9 u- o! n4 q& V, h
http://www.latitudeda.com/
, j# H2 N  E7 y9 b" N% f7 J（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）