4. 数字信号处理链路

在相干光接收机中，90°光混频器与平衡光电探测器完成光电转换后，I/Q 两路模拟信号经 ADC 采样成为数字序列。此时信号仍同时受到多种损伤：采样时钟相位未对齐、光纤色散（CD）、偏振态随机旋转与偏振模色散（PMD）、本振与信号光之间的载波频偏和相位噪声，以及残余的码间干扰。数字信号处理（DSP）链路的作用，就是按一定顺序逐级消除这些损伤，最终把星座点还原为比特。理解这条链路的顺序、每级处理的输入输出以及各级之间的耦合关系，是联调与故障定位的核心。

一、DSP 链路的整体顺序与理由

典型的相干接收 DSP 链路顺序为：前端校正 → 时钟恢复 → 静态色散补偿 → 偏振解复用与自适应均衡 → 载波频偏估计与补偿 → 载波相位恢复 → 判决与解码。这个顺序不是随意的：色散是准静态、可用长滤波器一次性补偿的确定性损伤，应尽早处理；偏振解复用与自适应均衡需要信号具备一定“眼开度”，因此放在色散补偿之后；载波相位恢复要求已经完成偏振解复用，否则两个偏振态混叠会使相位估计失效。联调时若发现误码率（BER）偏高，应沿这条链路逐级观察星座图与误差矢量幅度（EVM），判断问题出在哪一级。

二、时钟恢复：把采样点对准符号中心

ADC 采样时钟与符号速率之间通常存在频率偏差和相位偏差，若采样点落在符号过渡沿上，眼图闭合、判决错误率上升。时钟恢复的目标是估计定时误差并调整采样相位（或通过插值滤波器重采样）。常用方法有 Gardner 算法和 Mueller-Müller 算法。以 Gardner 为例，它使用相邻两个符号的采样点与其中间点计算定时误差：

e[k] = Re{ (x[k] - x[k-1]) * conj(x[k-1/2]) }

其中 x[k] 为第 k 个符号采样，x[k-1/2] 为半符号间隔处的插值点。误差经环路滤波器后驱动数控振荡器（NCO）调整采样相位。联调时可在时钟恢复后观察眼图张开度，若眼图仍模糊，应检查 ADC 采样率与符号率之比是否为整数倍关系、插值滤波器系数是否正确。

三、色散补偿：频域一次性均衡

色散使不同频率分量以不同速度传播，导致脉冲展宽。对于标准单模光纤，色散系数约 16~17 ps/(nm·km)。80 km 传输累积色散约 1280 ps/nm，在 32 GBaud 系统中已足以造成严重码间干扰。色散补偿通常在频域实现：对信号做 FFT，乘以色散传递函数的共轭，再 IFFT 回时域。色散传递函数为：

H_cd(f) = exp( j * π * D * λ² * f² / c )

其中 D 为色散系数，λ 为波长，f 为基带频率，c 为光速。补偿时乘以 conj(H_cd)。由于色散是准静态的，滤波器系数可预先计算，无需自适应更新。联调时若发现星座图呈“旋转拖尾”状，通常提示色散补偿量与实际链路不匹配，应核对光纤长度、色散系数和波长设置。

四、偏振解复用与自适应均衡

光纤中偏振态随机变化，接收端 X/Y 两个偏振支路是发送端两个偏振信号的线性混合。偏振解复用通过 2×2 MIMO 自适应均衡器完成，每个输出为两路输入的加权和：

x_out = w_xx * x_in + w_xy * y_in
y_out = w_yx * x_in + w_yy * y_in

抽头系数 w 通过恒模算法（CMA）或判决引导（DD）算法更新。CMA 适用于 QPSK 等恒模信号，误差为 e = |y|² - R₂；DD 适用于 16QAM 等高阶调制，误差为 e = y - decision(y)。实际链路常先用 CMA 收敛，再切换到 DD 降低稳态误差。联调时若两个偏振态输出功率严重不平衡，应检查 MIMO 初始化是否退化为单偏振；若收敛后 EVM 仍大，应检查抽头数是否足够覆盖 PMD 时延。

五、载波频偏与相位恢复

本振与信号光之间存在频率差 Δf 和相位噪声。频偏表现为星座图整体旋转，相位噪声表现为星座点沿圆周抖动。频偏估计常用四次方算法：对 QPSK 信号取四次方后，频偏变为 4Δf 的谱线，通过 FFT 峰值位置估计 Δf。相位恢复常用 Viterbi-Viterbi 算法：对 M 次方后的信号在滑动窗口内求平均相位，再除以 M 得到相位估计。对于 16QAM，需先做判决再估计相位。联调时若星座图呈“同心圆环”状，说明相位恢复未收敛，应检查频偏是否超出估计范围、相位窗长是否合适。

六、判决与解码

经过上述处理，信号已收敛为清晰的星座点。判决器根据星座图门限将每个符号映射为比特，硬判直接输出最近星座点对应的比特，软判输出对数似然比（LLR）供 FEC 使用。联调时最终以 BER 和纠前/纠后误码率作为验收指标。若纠前 BER 在 1e-2 附近而纠后仍不达标，应回查 DSP 各级的 EVM 贡献，定位是哪一级引入了额外损伤。