为什么选择复合调制光信号?

为什么选择复合调制光信号?

目前，各地纷纷开建新数据中心，新一代 CPU 的问世开启了高性能计算服务器的新时代。CPU 的性能和 RAM 容量提升了一个数量级，同时时延明显减小，使得在零点几秒钟内映射分布在多个服务器上的海量数据变得轻而易举。

目前，大规模数据采掘似乎是大企业所独享的，这些企业拥有自己的数据中心，可对各种结构化和非结构化数据进行分析，例如针对单独客户关注的重点进行市场营销。但是基础设施现在已经做好准备，能够支持中小企业在云中储存和分析大数据，从

而优化供应链和营销活动等。微小企业无法承担自己建设和运营服务器的成本，但现在它们也可以受益于云服务，以zui小的成本随时随地进行超快速数据分析。

光纤网络必须要做什么?虽然数据中心可能已经做好充分准备来迎接此次数据革命，但是更关键的问题是外部的基础设施能否跟进。数据量的飞速增长已经对骨干网络提出了极大挑战。为使光纤网络不会成为未来发展的瓶颈，它们的比特率效率需要进

一步提高。光纤基础设施和信号概念很快就必须支持 100Gbps 及更高的数据速率，而传统的数据编码方案对此可能无能为力。

复合调制的优势

光数据传输zui初就像电子数据传输一样，采用了zui简单、因此也zui便

作者：安捷伦科技公司Stephanie Michel

使用 OOK，在 100Gbps 及其以上会出现信道干扰或信号质量下降 ;复合调制方案可以解决这一问题图1

宜的数字编码方案 ：归零（RZ）或非归零（NRZ）开关键控（OOK）。信号是理想的 1（开）和 0（关）矩形序列。

但是当传输速率达到 40Gbps 时，这一概念就会遇到限制。

由于 40 和 100Gbps 的高时钟速率，OOK 信号所占用的带宽变得比ITU 标 准 50GHz 信 道 的 带 宽 还 大。

如图 1 所示，频谱扩大的信道开始与临近信道重叠，信号经过波长滤波器整形，结果会产生串扰和调制信息质量下降。因此，我们必须抛弃 OOK，转而采用更复合调制方案进行高速传输，例如差分正交相移键控（DQPSK）。 复合调制提高了符

号时钟（波特）速率，可减少需要的带宽，支持在 50GHz 信 道中实现更高的数据传输速率。

这些新概念还支持通过与相干检测配合进行信号处理，对色散（CD）和偏振模弥散（PMD）进行补偿。色散由于光波以不同速度传输（取决于光波频率和偏振状态）而产生的一种效应，容易使脉冲展宽，如果不进行补偿可能会降低信号质量。在长

光纤中，色散是特别严重的问题。

使用相干检测，意味着复合光调制使我们不再需要 PMD 补偿器或色散补偿滤波器，也不会遇到这些元件极化多路复用可以将某个波长的信号容量增加一倍

频率

Y偏振X偏振 →PDM使频谱效率变成原来的2倍

图2高 速调制 High-speed Modulation

10 Oct/Nov 2013 Lightwave China 光波通信 www.lwc.com.cn所带来的时延增加。

复合调制方案可以显著提高频谱利用率，这种方案使用光波的所有参数进行信息编码：幅度和频率或相位。

无线工程师多年来一直得益于这种方法，现在光通信工程师也能使用这种方法。除了相干检测之外，复合调制方案还能与其他传输方法相结合，通过光纤链路更地传送数据信号。例如，在偏振多路复用（PDM）中，第二个光波信号（与*个光波信号正交偏振）可承载独立的信息，并通过相同的光纤传输（见图 2）。这就像增加了另一个信道一样，无需使用第二条光纤便可将传输速度增加一倍。

其 他 类 型 的 多 路 复 用（ 例 如WDM）技术仍在继续使用。脉冲整形滤波器（可减少信号占用的带宽）的使用，使我们的手段得到了进一步的完善。

图 3 显 示 了这些不同技术的组合是如何提高频谱效率的。底部是zui简单的方案 OOK。 使 用正 交 相 移 键 控（QPSK），在符号速率与 OOK 相同的条件下，传输速率可以增加一倍，这是因为在QPSK 中，一个符号 可 以 对 2 个 比特进行编码。通过 PDM 还可以使传输速率再增加一倍。QPSK 加上 PDM，可在相同时间内（即在相同时钟速率下）传送2×2=4 倍数量的比特。zui后，使用脉冲整形滤波器可以进一步缩小所占用的频谱，在 50GHz 信道中可达到100Gbps 的传输速率。频谱效率没有极限吗?

到目前为止，在不断提高数据吞吐量的尝试中，如果我们没有遇到其他问题就太好了。但是很可惜，我们还会碰到各种障碍。

上个世纪 40 年代，美国数学家和电子工程师克劳德 • 香农（ClaudeShannon，“信息理论之父”）发现，在任何通信信道内，能够准确无误地传输数据的zui大速度与噪声和带宽有关。他将这个zui大比特率称为“信道容量”，也就是目前*的“香

农极限”。

香农 - 哈特利定理如下 ：信道容量 ：C = B log （1+ ---SN）其中 B 表示带宽（Hz），S 表示接收信号平均功率（W），N 表示平均噪声功率（W）。信道容量可以通过增加带宽或优化信噪比（SNR=S/N）来增加。实际上，该理论给出了理论上的zui大值，但没

有说明哪种信号概念可以让我们zui接近这一极限。实际上，SNR 是基本的限制因素。无论现在和未来，它都是需要不断优化的目标，因为当数据速率超过100Gbps 时，远距离通信要想在给定带宽内达到香农极限，需要更好的信噪比性能。

Andrew Ellis、Jian Zhao 和David Cotter 采用了实例参数来仿真与传输和检测类型有关的信息频谱密度 C/B（见图 4）。对于非线性传输，信息频谱密度不会随着发射功率频谱密度无限增长。由于功率放大器的饱和效应以及光纤本身的非线性效应，信息频谱密度有一个zui大值。

这与传输介质是*线性时的情况不同。在此图中，我们可以清楚地看到，直接检测像在 OOK 中使用一样只能从幅度上提取信息在信息频谱密度上无法与复合调制信号的相干检测相提并论。此外，毫无疑问，不同类型的复合调制对我们接近频谱效率香农极限的程度有着根本性的影响。我们暂且先退一步，首先去另一篇文章《采用复合编码提高光比特传输效率》（见本期杂志）中了解一下将要讨论的编码和调制方案的基础知识。