一种用于光互连的平均消除多径干扰估计方案

《Optics & Laser Technology》：A mean-removal multipath interference estimation scheme for optical interconnection

　　多径干扰补偿方案在PAM4光互连中的应用研究。提出基于滑动窗口平均与DD-LMS均衡器的MRME方案，有效抑制强度波动并提升信号抗干扰能力。实验表明在120Gbps PAM4系统下，较传统B-DDLMS方案SIPR提升4.1dB。

　　
该研究针对光互连系统中PAM4信号传输的稳定性问题，提出了一种名为MRME（Mean-Removal Multipath Interference Estimation）的创新补偿方案。该方案通过动态提取和消除信号幅度漂移来实现多径干扰抑制，在120Gbps高速传输场景下，较传统自适应均衡方法实现了4.1dB的信号干扰比提升。

在技术背景方面，研究指出PAM4技术虽能有效提升频谱效率，但其传输性能受多重因素制约：首先，色散效应引起的功率衰减需要额外的中继补偿；其次，信道带宽限制导致符号间干扰（ISI）；第三，光信号在传输介质中多次反射产生的多径干扰（MPI）成为主要噪声源。特别需要关注的是，激光器本身存在频谱宽度差异，当 linewidth超过1MHz时，MPI噪声功率显著增加，这直接影响了系统在长距离传输中的可靠性。

现有解决方案存在明显局限性：基于频域处理的方法（如带通滤波）虽能有效抑制低频MPI成分，但会引入波形失真；时域方法中的双平均技术（A1/A2）在窗口长度受限或多径时延差异较大时效果显著下降。而自适应决策导引最小均方（DD-LMS）算法因依赖瞬时符号判决，在存在幅度漂移的 MPI环境中收敛速度慢，补偿效率低下。

MRME方案的核心创新在于构建了双重补偿机制：首先采用滑动窗口均值算法，通过分析连续符号序列的幅度漂移规律，建立动态参考基准值。该窗口长度可根据信号传输速率自适应调整，既能捕捉快速变化的MPI噪声，又避免因窗口过大导致的时延抖动。其次，在传统DD-LMS均衡器前叠加均值移除模块，通过计算当前窗口内信号的幅度均值，消除由多径反射引起的周期性幅度波动。这种双阶段处理机制既保证了信号时序的完整性，又有效抑制了非稳态噪声。

实验验证部分采用标准化单模光纤（SSMF）作为传输介质，在2km距离下实现了120Gbps PAM4信号传输。对比实验显示，当误码率（BER）达到3.8×10^-3时，MRME方案较基准的DD-LMS算法在信号干扰比（SIPR）上提升4.1dB。特别值得注意的是，在激光器线宽为10MHz的高噪声环境中，传统B-DD-LMS算法的SIPR增益仅为1.2dB，而MRME方案通过动态均值补偿机制，实现了更优的噪声抑制效果。实验数据表明，该方案在多径时延差异超过5ns的情况下仍能保持稳定均衡性能。

技术实现层面，系统采用级联架构：前级均值补偿模块处理幅度漂移，后级DD-LMS均衡器消除残留干扰。滑动窗口机制设计为可变长度（256-512符号），通过自适应阈值控制自动切换窗口模式。在高速采样（120GSa/s）下，系统硬件实现仅需增加约15%的时序处理单元，未对现有信号处理架构造成显著负担。值得关注的是，该方案在抑制MPI的同时，成功保持了PAM4信号原有的四电平特征，未出现电平压缩或畸变现象。

实际应用场景测试表明，当系统遭受突发性多径干扰（如传输介质出现局部弯曲导致反射增强），MRME方案能快速（<100ns）调整补偿参数，而传统算法需要至少2个符号周期（约16.7ns）的延迟响应。这种快速响应特性对于实时性要求较高的数据中心互连网络至关重要。在信道容量测试中，MRME方案使系统有效吞吐量提升23%，特别是在多径时延差超过0.5ns的复杂环境下，性能优势更为显著。

研究团队通过建立多维度评估体系，从三个关键指标验证方案有效性：信号干扰比（SIPR）提升度、均衡器收敛速度、系统误码率稳定性。实验数据表明，在激光器线宽10MHz的极限条件下，系统误码率仍能稳定在3.5×10^-3以下，较基线方案改善约60%。该成果已获得中国国家自然科学基金（62331004、62222501）和国家重点研发计划（2023YFB2805303）的联合资助。

未来研究方向主要集中在动态窗口优化算法和抗脉冲噪声增强两个方面。研究团队计划将现有方案与深度学习框架结合，开发基于自适应神经网络的窗口长度优化器，同时探索引入脉冲成形技术以进一步提升高阶符号的干扰抑制能力。这些改进有望将系统性能提升至5dB以上的SIPR水平，为100Gbps以上高速光互连系统奠定技术基础。