光纖的復雜調制方法介紹

　要點

•運營商要在現有的光纖中擠進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。

　　新的調制方法必須能處理長距離傳輸。短距離通信即所謂的園區與本地城域網中的客戶端，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，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，如在一個園區網的建筑之間。

　　圖1，運營商用一個數據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和本地城市地區。

　　長距離傳輸的情況就完全不同了，每家服務供應商網絡的“線路端”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公司產品工程師Pavel Zivny說：“運營商要在現有的光纖中擠進100 Gbps的流量，其中很多原來設計用于10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設計的。”

　　要簡單地將一個100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現有光纖，顯然是不現實的。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，這個信道間隔足夠用了，但對100 Gbps NRZ流則太窄。LeCroy公司業務發展經理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公司的光產品專員Hiroshi Goto則稱：“由于鄰道的串擾問題，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。”

　　為解決這個問題，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，在一個單波長上實現100 Gbps流量。QPSK常見于數字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調制可將2個比特封裝在一個符號內。由于QPSK信號是以兩個極化面傳輸，因此它可以叫做DP-QPSK（雙極化QPSK），或叫PM-QPSK（極化模式QPSK）；兩個詞語都經常使用，可以互換。本文在指雙極化時使用DP-QPSK，而單極化時用QPSK。

　　復雜調制

　　圖2表示了調制過程。單個100 Gbps碼流被分成TE與TM極化。這一步驟產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）調制，得到兩個25G符號/秒的流。總計為100 Gbps，但實際的數據速率略高些（見附文1《一個G里有什么》）。圖2中的極性分離器出現在QPSK調制器以前。有些收發器設計可能會先放I/Q調制器，然后再將調制后的信號分離為兩個極性。

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

　　QPSK調制是響應進入的碼對（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為2個比特，獲得一個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，接收器對進入的DP-QPSK信號作解調和解碼，產生四個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，當兩種調制所產生的信號通過光纖時，其降級程度也有區別。EXFO Sweden總監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數據的一個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技術如此之新，現在還沒有用于線路端的收發器模塊。Finisar公司高級技術師Chris Cole解釋說，線路端的收發模塊要大于客戶端的模塊（圖3），現在正在確定一個多實體協議（參考文獻4）。Cole指出，設計者甚至可以將線路端的收發器實現為一個線路卡，而不是模塊。

　　圖3，用于客戶端傳輸的光收發器是基于針對一個線路卡尺寸以及電氣連接的CFP多源協議（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，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公司的產品采用的是Tektronix示波器。