光纖的復(fù)雜調(diào)制方法介紹
要點
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/155167.htm•運營商要在現(xiàn)有的光纖中擠進100 Gbps的流量,而這些光纖原設(shè)計用于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,因為有鄰道串擾問題。
•QPSK(正交相移鍵控)信號要比NRZ(不歸零)信號對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,因為距離很短,足以容納較高的速度(圖1)。對客戶端,當距離遠至40 km時,100 Gbps鏈路可以使用四個25 Gbps的通道。IEEE 802.3ba就定義了這些數(shù)據(jù)鏈路(參考文獻2)。由于短距離100 Gbps鏈路要在一根光纖上使用四種波長,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增加現(xiàn)有的10 Gbps速度。在短距離上安裝額外的光纖花費并不高,如在一個園區(qū)網(wǎng)的建筑之間。
圖1,運營商用一個數(shù)據(jù)鏈路的線路端作城際間的長距離傳輸。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:“運營商要在現(xiàn)有的光纖中擠進100 Gbps的流量,其中很多原來設(shè)計用于10 Gbps,有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設(shè)計的。”
要簡單地將一個100 Gbps NRZ(不歸零)流硬塞入現(xiàn)有光纖,顯然是不現(xiàn)實的。當前的DWDM(密集波分復(fù)用)光纖采用各信道之間50 GHz的間隔。盡管對采用NRZ調(diào)制的10 Gbps數(shù)據(jù)流,這個信道間隔足夠用了,但對100 Gbps NRZ流則太窄。LeCroy公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mike Schnecker認為:“你不能直接將100 Gbps流加在載波上。”原因是:對一個100 Gbps NRZ信號,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:“由于鄰道的串擾問題,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,在一個單波長上實現(xiàn)100 Gbps流量。QPSK常見于數(shù)字RF通信,但對光纖通信是新鮮東西。
一個100 Gbps鏈路包含了兩個極化——TE(橫電)與TM(橫磁)的兩個50 Gbps流,它們在兩個正交的極化平面上傳輸。每個50 Gbps流都包含25G符號/秒。QPSK調(diào)制可將2個比特封裝在一個符號內(nèi)。由于QPSK信號是以兩個極化面?zhèn)鬏?,因此它可以叫做DP-QPSK(雙極化QPSK),或叫PM-QPSK(極化模式QPSK);兩個詞語都經(jīng)常使用,可以互換。本文在指雙極化時使用DP-QPSK,而單極化時用QPSK。
復(fù)雜調(diào)制
圖2表示了調(diào)制過程。單個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載波。然后,每個載波去做I/Q(同相/正交)調(diào)制,得到兩個25G符號/秒的流??傆嫗?00 Gbps,但實際的數(shù)據(jù)速率略高些(見附文1《一個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)計可能會先放I/Q調(diào)制器,然后再將調(diào)制后的信號分離為兩個極性。
圖2,一個100 Gbps的發(fā)送機將一束激光分離成兩個極化面,然后將四個25 Gbps數(shù)據(jù)流調(diào)制在一根單波長光纖上。
QPSK調(diào)制是響應(yīng)進入的碼對(00、01、10、11),對光載波作移相,在每個符號放2 個比特。每個符號代表2比特。接收器將每個符號解調(diào)為2個比特,獲得一個50 Gbps的數(shù)字數(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3)。然后,接收器對進入的DP-QPSK信號作解調(diào)和解碼,產(chǎn)生四個25 Gbps的電信號。
QPSK信號中每符號承載的比特數(shù)是NRZ信號的兩倍。因此,當兩種調(diào)制所產(chǎn)生的信號通過光纖時,其降級程度也有區(qū)別。EXFO Sweden總監(jiān)Peter Andrekson解釋說,QPSK信號較NRZ信號對噪聲和非線性相位失真更加敏感。他說:“由于對噪聲的敏感度較高,QPSK調(diào)制信號需要的功率高于NRZ信號。”
不過,QPSK信號也有一個較NRZ信號的重要優(yōu)勢。即在相同碼率下,它們對于來自色散和群延時的誤碼不太敏感。這是因為100 Gbps數(shù)據(jù)的一個UI(單位間隔)寬度為10 ps。由于線路傳輸采用的是四個25 Gbps 通道,因此每個符號寬度為40 ps,它有較低的帶寬。
一個25G符號/秒流的40 ps寬符號比較短,需要的帶寬高于一個10 Gbps、100 ps寬的NRZ信號。因此,25G符號/秒信號要比10 Gbps NRZ信號對色散的誤差更加敏感,但對降級的敏感度小于100 Gbps NRZ信號。Andrekson解釋說:“在一個確定碼率下,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公司高級技術(shù)師Chris Cole解釋說,線路端的收發(fā)模塊要大于客戶端的模塊(圖3),現(xiàn)在正在確定一個多實體協(xié)議(參考文獻4)。Cole指出,設(shè)計者甚至可以將線路端的收發(fā)器實現(xiàn)為一個線路卡,而不是模塊。
圖3,用于客戶端傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)器是基于針對一個線路卡尺寸以及電氣連接的CFP多源協(xié)議(Finisar公司提供)。
測試也要改變
從NRZ向DP-QPSK調(diào)制的轉(zhuǎn)移為光纖前端的測試帶來了星座圖。盡管星座圖在RF無線傳輸中很常見,但對光通信還是新鮮事物。對一個QPSK傳輸做的第一個測量就是星座圖。星座圖提供了有關(guān)傳輸信號完整性的信息。色散與非線性都可以造成信號的降級,從而產(chǎn)生失真。圖4表示了一個DP-QPSK信號中兩極性的星座圖。圖4中,星座的點清晰可見,但經(jīng)過了太多失真后就可能變得模糊不清。
圖4中右下角的兩個波形顯示了經(jīng)QPSK調(diào)制的信號波幅(上)和相位(下)。注意相位角圖上有明顯的不連續(xù)。它們源于相移,因為QPSK調(diào)制中是成對比特的編碼。
在測試光DP-QPSK信號時,可以使用光調(diào)制,或采用一臺光信號分析儀。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)于這個市場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。
評論