关于复杂光 / 相干光调制，您需要知道的一切

复杂光调制

目录

• 复合调制的优势 - 5
• 对频谱效率没有更多限制吗？ -  7
• Shannon–Hartley 理论  -  7
• 提高光比特传输效率的复合编码概念  - 9
• 在实际中这是如何实现的？ - 9
• 哪种调制方案最适合我的应用？ - 13
• 新的信号速度 - 13
• 相移键控方案 - 15
• 幅移键控和相移键控方案 - 18
• 正交幅度调制 (QAM) - 19
• 用于提高频谱效率的时域脉冲整形 - 22
• 奈奎斯特 ISI 准则 - 22
• 使用有限脉冲响应滤波器的奈奎斯特脉冲整形 - 23
• 升余弦滤波器的概念 - 25
• 实际应用中的升余弦滤波器  - 27
• 我们能够获得怎样的频谱效率？ - 28
• 满足各种需求的光发射机 - 31
• 利用电光效应控制光信号相位 - 31
• 用于 QPSK 信号传输的 Mach-Zehnder 调制器 - 34
• 更复杂调制方案的发射机设置 -  35
• 如何探测复合调制的光信号 - 37
• 如何检测光信号的相位？ - 37
• 可以使用本地振荡器 - 38
• 使用平衡接收机抑制与相位无关的项 - 39
• 将这个概念带入 IQ 平面——IQ 解调器 - 40
• 将这一概念扩展到双偏振 - 40
• 使用信号的时延副本作为参考——时延线干涉仪 - 42
• 频域探测 - 44
• 如何选择？ - 46
• 相干光接收机——全面解答 -  47
• 大幅降低减损 - 48
• 载波相位恢复 - 48
• 找到 Jones 矩阵以恢复原始偏振态 - 50
• 在 Stokes 空间中更容易估算 - 53
• 符号的确定 - 55
• 相干测量的质量评定  - 56
• 传统质量参数  - 56
• 误差矢量幅度 (EVM) - 58
• 信噪比 (SNR) - 59
• BER 估算 - 59
• 借助误差矢量幅度获得深入见解 - 60
• 增益失衡 - 60
• IQ 偏移 - 61
• 正交误差 - 62
• 频率误差 - 63
• IQ 幅度误差 - 63
• IQ 相位误差和激光源线宽 - 64
• IQ 偏差 - 65
• X-Y 偏振偏斜和失衡 - 66
• 相干数据传输的未来 - 67

复合调制的优势

光数据传输最初就像电子数据传输一样，采用了最简单、因此成本也最低的数字编码方案：归零 (RZ) 或非归零 (NRZ) 开关键控 (OOK)。信号是理想的 1（通电）和 0（断电）矩形序列。但是当传输速率达到 40 Gbps 时，这一概念就会遇到限制。由于 40 和 100 Gbps 的高时钟速率，OOK 信号所占用的带宽变得比 50 GHz ITU 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。

出于这个原因，高速传输需要从 OOK 转向更复杂的调制方案，例如差分正交相移键控(DQPSK)。取决于符号时钟速率，复合调制可以减少需要的带宽，支持在 50 GHz ITU信道规划中实现更高的数据传输速率。这些新概念还支持通过数字信号处理配合相干检测，对色散 (CD) 和偏振模色散 (PMD)进行补偿。色散是由于光波以不同速度进行传输（取决于光波频率和偏振状态）而产生的一种效应，它将会导致脉冲变宽，如果不进行补偿可能会降低信号质量。在长光纤中色散问题尤为严重。复合调制方案使用光波的所有参数（幅度和频率或相位）进行信息编码，可以有效改善频谱效率。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。使用相干检测意味着，复合光调制不需要采用 PMD 补偿器或色散补偿光纤，也不会遇到这些元件所增加的损耗和时延。 

除了相干检测之外，复合调制方案还能与其他传输方法结合使用，通过光纤链路更高效地传送数据信号。例如，在偏振多路复用 (PDM) 中，第二个光波信号与第一个光波信号正交偏振，可承载独立的信息，并通过同一条光纤进行传输（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。图 3 显示了这些不同技术的组合是如何改善频谱效率的。底部是最简单的方案：OOK。使用正交相移键控 (QPSK) 的话，符号速率与 OOK 相同，而传输速率可以增加一倍，这是因为在 QPSK 中，一个符号可以编码 2 个比特。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。最后，使用脉冲成形滤波器可以进一步缩小所占用的频谱，在 50 GHz 信道中可达到100 Gbps 的传输速率。

其他类型的多路复用（例如波分多路复用 (WDM)）技术仍在继续使用。脉冲成形滤波器（可减少信号占用的带宽）的使用，使工具箱得到了进一步的完善。

对频谱效率没有更多限制吗？

上个世纪 40 年代，美国数学家和电子工程师克劳德‧香农（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最大速度与噪声和带宽有关。他将这个最大比特率称为“信道容量”，也就是目前众所周知的“香农极限”。

香农－哈特利定理信道容量 ：

其中 B 表示测得的带宽 (Hz)，S 表示接收的信号平均功率 (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，该定理给出了理论上的最大值，但没有说明哪种信号概念可以让我们最接近这一极限。实际上，SNR 是基本的限制因数。无论在现在还是未来，它都需要不断优化，因为当数据速率超过 100 Gbps 时，远距离通信需要更好的信噪比性能才能在给定带宽内达到香农极限。

Ellis、Zhao 和 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（图 4）。对于非线性传输，信息频谱密度不会随着发射功率谱密度无限增长。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最大值。这与传输介质是完全线性时的情况不同。

此图清晰地说明，OOK 采用的直接检测只能从幅度提取信息，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。毫无疑问，不同类型的复合调制对您接近频谱效率香农极限的程度有着根本性的影响。在下一章中，我们首先来了解编码和调制方案的基础知识。

提高光比特传输效率的复合编码概念

为了应对云革命和汹涌而来的数据浪潮，业界必须采用比开/关键控 (OOK) 更高效的技术来通过现有光纤基础设施传输比特。例如，业界已经采用 WDM 成功提高了单根光纤传输的比特数，同时也将把它用于复合调制信号传输。现在，偏振多路复用 (PDM) 可以让容量翻倍。除了 WDM 和 PDM 之外，通过复合调制还可以在一个信号状态（表示“符号”）内对多个比特进行编码。复合传输在这一领域展现出巨大的潜力。复合传输不是发送二进制数据流，而是将多个比特编码成一个新符号，然后发送这些符号的数据流。图 5 显示了 2 个比特编码成 1 个新符号的示例。通过这种方式，相同的带宽可以传输两倍的数据量。

请下载此文档以了解更多信息。