光纖的復(fù)雜調(diào)制方法介紹

　要點(diǎn)

•運(yùn)營(yíng)商要在現(xiàn)有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量，而這些光纖原設(shè)計(jì)用于10 Gbps甚至2.5 Gbps光鏈路。
•DWDM（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)不能使用100 Gbps數(shù)據(jù)流，因?yàn)橛朽彽来當(dāng)_問題。
•QPSK（正交相移鍵控）信號(hào)要比NRZ（不歸零）信號(hào)對(duì)噪聲和非線性相位失真更加敏感。

　　新的調(diào)制方法必須能處理長(zhǎng)距離傳輸。短距離通信即所謂的園區(qū)與本地城域網(wǎng)中的客戶端，它們不需要復(fù)雜的調(diào)制，因?yàn)榫嚯x很短，足以容納較高的速度（圖1）。對(duì)客戶端，當(dāng)距離遠(yuǎn)至40 km時(shí)，100 Gbps鏈路可以使用四個(gè)25 Gbps的通道。IEEE 802.3ba就定義了這些數(shù)據(jù)鏈路（參考文獻(xiàn)2）。由于短距離100 Gbps鏈路要在一根光纖上使用四種波長(zhǎng)，甚至要在最短距離上使用10根10 Gbps的光纖，因此，可能需要更多光纖來(lái)增加現(xiàn)有的10 Gbps速度。在短距離上安裝額外的光纖花費(fèi)并不高，如在一個(gè)園區(qū)網(wǎng)的建筑之間。

　　圖1，運(yùn)營(yíng)商用一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的線路端作城際間的長(zhǎng)距離傳輸。客戶端傳輸則用于連接園區(qū)和本地城市地區(qū)。

　　長(zhǎng)距離傳輸?shù)那闆r就完全不同了，每家服務(wù)供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的“線路端”都需要傳輸數(shù)百公里的距離。為了補(bǔ)償增加的通道而加光纖，成本太高昂了。Tektronix公司產(chǎn)品工程師Pavel Zivny說(shuō)：“運(yùn)營(yíng)商要在現(xiàn)有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量，其中很多原來(lái)設(shè)計(jì)用于10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設(shè)計(jì)的。”

　　要簡(jiǎn)單地將一個(gè)100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現(xiàn)有光纖，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)前的DWDM（密集波分復(fù)用）光纖采用各信道之間50 GHz的間隔。盡管對(duì)采用NRZ調(diào)制的10 Gbps數(shù)據(jù)流，這個(gè)信道間隔足夠用了，但對(duì)100 Gbps NRZ流則太窄。LeCroy公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mike Schnecker認(rèn)為：“你不能直接將100 Gbps流加在載波上。”原因是：對(duì)一個(gè)100 Gbps NRZ信號(hào)，每一比特的寬度只有10 ps。

　　Anritsu公司的光產(chǎn)品專員Hiroshi Goto則稱：“由于鄰道的串?dāng)_問題，DWDM系統(tǒng)中不能使用100 Gbps數(shù)據(jù)流。PMD（極化模式色散）和CD（色散）阻止了這種情況。有太多的失真。脈沖失真與重疊。”

　　為解決這個(gè)問題，OIF（光互連論壇）建議采用復(fù)雜調(diào)制，從而能以現(xiàn)有光纖，在每秒每赫茲內(nèi)裝入更多比特。OIF提議采用QPSK（正交相移鍵控）和雙極化，在一個(gè)單波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)100 Gbps流量。QPSK常見于數(shù)字RF通信，但對(duì)光纖通信是新鮮東西。

　　一個(gè)100 Gbps鏈路包含了兩個(gè)極化——TE（橫電）與TM（橫磁）的兩個(gè)50 Gbps流，它們?cè)趦蓚€(gè)正交的極化平面上傳輸。每個(gè)50 Gbps流都包含25G符號(hào)/秒。QPSK調(diào)制可將2個(gè)比特封裝在一個(gè)符號(hào)內(nèi)。由于QPSK信號(hào)是以兩個(gè)極化面?zhèn)鬏?，因此它可以叫做DP-QPSK（雙極化QPSK），或叫PM-QPSK（極化模式QPSK）；兩個(gè)詞語(yǔ)都經(jīng)常使用，可以互換。本文在指雙極化時(shí)使用DP-QPSK，而單極化時(shí)用QPSK。

　　復(fù)雜調(diào)制

　　圖2表示了調(diào)制過程。單個(gè)100 Gbps碼流被分成TE與TM極化。這一步驟產(chǎn)生出相同頻率的兩個(gè)載波。然后，每個(gè)載波去做I/Q（同相/正交）調(diào)制，得到兩個(gè)25G符號(hào)/秒的流?？傆?jì)為100 Gbps，但實(shí)際的數(shù)據(jù)速率略高些（見附文1《一個(gè)G里有什么》）。圖2中的極性分離器出現(xiàn)在QPSK調(diào)制器以前。有些收發(fā)器設(shè)計(jì)可能會(huì)先放I/Q調(diào)制器，然后再將調(diào)制后的信號(hào)分離為兩個(gè)極性。

　　圖2，一個(gè)100 Gbps的發(fā)送機(jī)將一束激光分離成兩個(gè)極化面，然后將四個(gè)25 Gbps數(shù)據(jù)流調(diào)制在一根單波長(zhǎng)光纖上。

　　QPSK調(diào)制是響應(yīng)進(jìn)入的碼對(duì)（00、01、10、11），對(duì)光載波作移相，在每個(gè)符號(hào)放2 個(gè)比特。每個(gè)符號(hào)代表2比特。接收器將每個(gè)符號(hào)解調(diào)為2個(gè)比特，獲得一個(gè)50 Gbps的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。另外，比特要在調(diào)制前做預(yù)編碼，調(diào)制后作解碼（參考文獻(xiàn)3）。然后，接收器對(duì)進(jìn)入的DP-QPSK信號(hào)作解調(diào)和解碼，產(chǎn)生四個(gè)25 Gbps的電信號(hào)。

　　QPSK信號(hào)中每符號(hào)承載的比特?cái)?shù)是NRZ信號(hào)的兩倍。因此，當(dāng)兩種調(diào)制所產(chǎn)生的信號(hào)通過光纖時(shí)，其降級(jí)程度也有區(qū)別。EXFO Sweden總監(jiān)Peter Andrekson解釋說(shuō)，QPSK信號(hào)較NRZ信號(hào)對(duì)噪聲和非線性相位失真更加敏感。他說(shuō)：“由于對(duì)噪聲的敏感度較高，QPSK調(diào)制信號(hào)需要的功率高于NRZ信號(hào)。”

　　不過，QPSK信號(hào)也有一個(gè)較NRZ信號(hào)的重要優(yōu)勢(shì)。即在相同碼率下，它們對(duì)于來(lái)自色散和群延時(shí)的誤碼不太敏感。這是因?yàn)?00 Gbps數(shù)據(jù)的一個(gè)UI（單位間隔）寬度為10 ps。由于線路傳輸采用的是四個(gè)25 Gbps 通道，因此每個(gè)符號(hào)寬度為40 ps，它有較低的帶寬。

　　一個(gè)25G符號(hào)/秒流的40 ps寬符號(hào)比較短，需要的帶寬高于一個(gè)10 Gbps、100 ps寬的NRZ信號(hào)。因此，25G符號(hào)/秒信號(hào)要比10 Gbps NRZ信號(hào)對(duì)色散的誤差更加敏感，但對(duì)降級(jí)的敏感度小于100 Gbps NRZ信號(hào)。Andrekson解釋說(shuō)：“在一個(gè)確定碼率下，復(fù)雜性和SNR（信噪比）以及色散容限和硬件帶寬之間存在著一個(gè)折中。”

　　DP-QPSK技術(shù)如此之新，現(xiàn)在還沒有用于線路端的收發(fā)器模塊。Finisar公司高級(jí)技術(shù)師Chris Cole解釋說(shuō)，線路端的收發(fā)模塊要大于客戶端的模塊（圖3），現(xiàn)在正在確定一個(gè)多實(shí)體協(xié)議（參考文獻(xiàn)4）。Cole指出，設(shè)計(jì)者甚至可以將線路端的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)為一個(gè)線路卡，而不是模塊。

　　圖3，用于客戶端傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)器是基于針對(duì)一個(gè)線路卡尺寸以及電氣連接的CFP多源協(xié)議（Finisar公司提供）。

　　測(cè)試也要改變

　　從NRZ向DP-QPSK調(diào)制的轉(zhuǎn)移為光纖前端的測(cè)試帶來(lái)了星座圖。盡管星座圖在RF無(wú)線傳輸中很常見，但對(duì)光通信還是新鮮事物。對(duì)一個(gè)QPSK傳輸做的第一個(gè)測(cè)量就是星座圖。星座圖提供了有關(guān)傳輸信號(hào)完整性的信息。色散與非線性都可以造成信號(hào)的降級(jí)，從而產(chǎn)生失真。圖4表示了一個(gè)DP-QPSK信號(hào)中兩極性的星座圖。圖4中，星座的點(diǎn)清晰可見，但經(jīng)過了太多失真后就可能變得模糊不清。

　　圖4中右下角的兩個(gè)波形顯示了經(jīng)QPSK調(diào)制的信號(hào)波幅（上）和相位（下）。注意相位角圖上有明顯的不連續(xù)。它們?cè)从谙嘁?，因?yàn)镼PSK調(diào)制中是成對(duì)比特的編碼。

　　在測(cè)試光DP-QPSK信號(hào)時(shí)，可以使用光調(diào)制，或采用一臺(tái)光信號(hào)分析儀。這些儀器可生成星座圖，將其解碼為電子數(shù)據(jù)流，并將其顯示為眼圖。服務(wù)于這個(gè)市場(chǎng)的公司有安捷倫科技、安立、EXFO以及Optametra公司，而Optametra公司的產(chǎn)品采用的是Tektronix示波器。