光纖的復雜調制方法介紹

　要點(diǎn)

•運營(yíng)商要在現有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量，而這些光纖原設計用于10 Gbps甚至2.5 Gbps光鏈路。
•DWDM（密集波分復用）系統不能使用100 Gbps數據流，因為有鄰道串擾問(wèn)題。
•QPSK（正交相移鍵控）信號要比NRZ（不歸零）信號對噪聲和非線(xiàn)性相位失真更加敏感。

　　新的調制方法必須能處理長(cháng)距離傳輸。短距離通信即所謂的園區與本地城域網(wǎng)中的客戶(hù)端，它們不需要復雜的調制，因為距離很短，足以容納較高的速度（圖1）。對客戶(hù)端，當距離遠至40 km時(shí)，100 Gbps鏈路可以使用四個(gè)25 Gbps的通道。IEEE 802.3ba就定義了這些數據鏈路（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(cháng)，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(gè)園區網(wǎng)的建筑之間。

　　圖1，運營(yíng)商用一個(gè)數據鏈路的線(xiàn)路端作城際間的長(cháng)距離傳輸?？蛻?hù)端傳輸則用于連接園區和本地城市地區。

　　長(cháng)距離傳輸的情況就完全不同了，每家服務(wù)供應商網(wǎng)絡(luò )的“線(xiàn)路端”都需要傳輸數百公里的距離。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(shuō)：“運營(yíng)商要在現有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量，其中很多原來(lái)設計用于10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設計的。”

　　要簡(jiǎn)單地將一個(gè)100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現有光纖，顯然是不現實(shí)的。當前的DWDM（密集波分復用）光纖采用各信道之間50 GHz的間隔。盡管對采用NRZ調制的10 Gbps數據流，這個(gè)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(gè)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(zhuān)員Hiroshi Goto則稱(chēng)：“由于鄰道的串擾問(wèn)題，DWDM系統中不能使用100 Gbps數據流。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(wèn)題，OIF（光互連論壇）建議采用復雜調制，從而能以現有光纖，在每秒每赫茲內裝入更多比特。OIF提議采用QPSK（正交相移鍵控）和雙極化，在一個(gè)單波長(cháng)上實(shí)現100 Gbps流量。QPSK常見(jiàn)于數字RF通信，但對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，它們在兩個(gè)正交的極化平面上傳輸。每個(gè)50 Gbps流都包含25G符號/秒。QPSK調制可將2個(gè)比特封裝在一個(gè)符號內。由于QPSK信號是以?xún)蓚€(gè)極化面傳輸，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。

　　復雜調制

　　圖2表示了調制過(guò)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）調制，得到兩個(gè)25G符號/秒的流?？傆嫗?00 Gbps，但實(shí)際的數據速率略高些（見(jiàn)附文1《一個(gè)G里有什么》）。圖2中的極性分離器出現在QPSK調制器以前。有些收發(fā)器設計可能會(huì )先放I/Q調制器，然后再將調制后的信號分離為兩個(gè)極性。

　　圖2，一個(gè)100 Gbps的發(fā)送機將一束激光分離成兩個(gè)極化面，然后將四個(gè)25 Gbps數據流調制在一根單波長(cháng)光纖上。

　　QPSK調制是響應進(jìn)入的碼對（00、01、10、11），對光載波作移相，在每個(gè)符號放2 個(gè)比特。每個(gè)符號代表2比特。接收器將每個(gè)符號解調為2個(gè)比特，獲得一個(gè)50 Gbps的數字數據流。另外，比特要在調制前做預編碼，調制后作解碼（參考文獻3）。然后，接收器對進(jìn)入的DP-QPSK信號作解調和解碼，產(chǎn)生四個(gè)25 Gbps的電信號。

　　QPSK信號中每符號承載的比特數是NRZ信號的兩倍。因此，當兩種調制所產(chǎn)生的信號通過(guò)光纖時(shí)，其降級程度也有區別。EXFO Sweden總監Peter Andrekson解釋說(shuō)，QPSK信號較NRZ信號對噪聲和非線(xiàn)性相位失真更加敏感。他說(shuō)：“由于對噪聲的敏感度較高，QPSK調制信號需要的功率高于NRZ信號。”

　　不過(guò)，QPSK信號也有一個(gè)較NRZ信號的重要優(yōu)勢。即在相同碼率下，它們對于來(lái)自色散和群延時(shí)的誤碼不太敏感。這是因為100 Gbps數據的一個(gè)UI（單位間隔）寬度為10 ps。由于線(xiàn)路傳輸采用的是四個(gè)25 Gbps 通道，因此每個(gè)符號寬度為40 ps，它有較低的帶寬。

　　一個(gè)25G符號/秒流的40 ps寬符號比較短，需要的帶寬高于一個(gè)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(shuō)：“在一個(gè)確定碼率下，復雜性和SNR（信噪比）以及色散容限和硬件帶寬之間存在著(zhù)一個(gè)折中。”

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

　　圖3，用于客戶(hù)端傳輸的光收發(fā)器是基于針對一個(gè)線(xiàn)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調制的轉移為光纖前端的測試帶來(lái)了星座圖。盡管星座圖在RF無(wú)線(xiàn)傳輸中很常見(jiàn)，但對光通信還是新鮮事物。對一個(gè)QPSK傳輸做的第一個(gè)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(xiàn)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(gè)DP-QPSK信號中兩極性的星座圖。圖4中，星座的點(diǎn)清晰可見(jiàn)，但經(jīng)過(guò)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。它們源于相移，因為QPSK調制中是成對比特的編碼。

　　在測試光DP-QPSK信號時(shí)，可以使用光調制，或采用一臺光信號分析儀。這些儀器可生成星座圖，將其解碼為電子數據流，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。