低复杂度自适应MIMO均衡器结合混合精度抽头位宽优化，以实现硬件高效的200G相干PON

被动光网络中电子自适应MIMO均衡器复杂度优化研究。提出混合精度定点量化策略降低总比特宽，结合遗传算法优化比特宽配置，移除小幅度系数的高阶冗余位，简化架构适配FPGA。实验表明200G C波段PON系统中，该方案实现57.20%资源利用率提升，X/Y偏振功率预算损耗分别为0.60dB和0.62dB，总功耗38.2W。

　　

摘要：

在相干接收器中部署的自适应多输入多输出（MIMO）均衡器可以补偿无源光网络（PON）中的信道损伤。极化旋转、色散和设备带宽限制等问题得到了有效缓解。然而，由于信号速率的提高导致复杂性显著增加，因此在特定应用的集成电路（ASIC）中实现电子自适应MIMO均衡器变得越来越具有挑战性。为了解决这个问题，我们提出了一种混合精度定点量化策略，该策略减少了总抽头位宽，从而降低了硬件计算复杂性。遗传算法（GA）被用来确定最优的位宽配置。此外，对于幅度较小的抽头，通过左移操作去除冗余的高阶位以进一步减小位宽。这种简化的架构适用于现场可编程门阵列（FPGA）的部署。在FPGA实现中，使用共享反馈模块进行多通道抽头系数更新可以消除结构冗余。最后，该方案在C波段带宽限制的200 Gbps相干PON系统中进行了实验验证。当去除冗余位后，信号噪声比（SNR）优化阈值设为0.4 dB时，资源利用率平均降低了57.20%，X和Y极化的功率预算分别减少了0.60 dB和0.62 dB。优化的均衡器在50通道部署中实现了100 Gb/s的实时传输速率。X和Y极化的功率预算分别为33.73 dB和33.63 dB，功耗为38.2 W。

引言

近年来，全球数据流量的指数级增长主要由5G技术的部署、物联网（IoT）的普及、云计算服务以及大规模人工智能（AI）模型的发展所驱动。与此同时，无源光网络（PON）的传输速率也显著增长[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。50G PON标准已经制定完成，为大规模商业应用奠定了基础。ITU-T目前正在开发下一代200G PON的标准。与强度调制和直接检测（IMDD）技术相比，相干检测技术由于同时利用了相位和极化信息，因此没有速率风险，成为200G PON的最强大解决方案之一[7]、[8]、[9]。然而，相干系统中的信道损伤（包括极化旋转、色散（CD）、频率偏移（FO）和相位噪声）需要更复杂的数字信号处理（DSP）算法来进行补偿，以提高信号质量。这显著增加了ASIC芯片的功耗和面积，从而导致更高的工作温度和集成难度。因此，有必要降低自适应多输入多输出（MIMO）均衡器的复杂性，因为它们是功耗最大的组件之一。