光纤的调制方法

要点：

•运营商要在现有的光纤中挤进100 Gbps的流量，而这些光纤原设计用于10 Gbps甚至2.5 Gbps光链路。
•DWDM（密集波分复用）系统不能使用100 Gbps数据流，因为有邻道串扰问题。
•QPSK（正交相移键控）信号要比NRZ（不归零）信号对噪声和非线性相位失真更加敏感。

新的调制方法必须能处理长距离传输。短距离通信即所谓的园区与本地城域网中的客户端，它们不需要复杂的调制，因为距离很短，足以容纳较高的速度（图1）。对客户端，当距离远至40 km时，100 Gbps链路可以使用四个25 Gbps的通道。IEEE 802.3ba就定义了这些数据链路（参考文献2）。由于短距离100 Gbps链路要在一根光纤上使用四种波长，甚至要在最短距离上使用10根10 Gbps的光纤，因此，可能需要更多光纤来增加现有的10 Gbps速度。在短距离上安装额外的光纤花费并不高，如在一个园区网的建筑之间。

图1，运营商用一个数据链路的线路端作城际间的长距离传输。客户端传输则用于连接园区和本地城市地区。

长距离传输的情况就完全不同了，每家服务供应商网络的 "线路端"都需要传输数百公里的距离。为了补偿增加的通道而加光纤，成本太高昂了。Tektronix公司产品工程师Pavel Zivny说："运营商要在现有的光纤中挤进100 Gbps的流量，其中很多原来设计用于10 Gbps，有些甚至是为2.5 Gbps光纤链路而设计的。"

要简单地将一个100 Gbps NRZ（不归零）流硬塞入现有光纤，显然是不现实的。当前的DWDM（密集波分复用）光纤采用各信道之间50 GHz的间隔。尽管对采用NRZ调制的10 Gbps数据流，这个信道间隔足够用了，但对100 Gbps NRZ流则太窄。LeCroy公司业务发展经理Mike Schnecker认为："你不能直接将100 Gbps流加在载波上。"原因是：对一个100 Gbps NRZ信号，每一比特的宽度只有10 ps。

Anritsu公司的光产品专员Hiroshi Goto则称："由于邻道的串扰问题，DWDM系统中不能使用100 Gbps数据流。PMD（极化模式色散）和CD（色散）阻止了这种情况。有太多的失真。脉冲失真与重叠。"

为解决这个问题，OIF（光互连论坛）建议采用复杂调制，从而能以现有光纤，在每秒每赫兹内装入更多比特。OIF提议采用QPSK（正交相移键控）和双极化，在一个单波长上实现100 Gbps流量。QPSK常见于数字RF通信，但对光纤通信是新鲜东西。

一个100 Gbps链路包含了两个极化--TE（横电）与TM（横磁）的两个50 Gbps流，它们在两个正交的极化平面上传输。每个50 Gbps流都包含25G符号/秒。QPSK调制可将2个比特封装在一个符号内。由于QPSK信号是以两个极化面传输，因此它可以叫做DP-QPSK（双极化QPSK），或叫PM-QPSK（极化模式QPSK）；两个词语都经常使用，可以互换。本文在指双极化时使用DP-QPSK，而单极化时用QPSK。

复杂调制

图2表示了调制过程。单个100 Gbps码流被分成TE与TM极化。这一步骤产生出相同频率的两个载波。然后，每个载波去做I/Q（同相/正交）调制，得到两个25G符号/秒的流。总计为100 Gbps，但实际的数据速率略高些（见附文1《一个G里有什么》）。图2中的极性分离器出现在QPSK调制器以前。有些收发器设计可能会先放I/Q调制器，然后再将调制后的信号分离为两个极性。

图2，一个100 Gbps的发送机将一束激光分离成两个极化面，然后将四个25 Gbps数据流调制在一根单波长光纤上。

QPSK调制是响应进入的码对（00、01、10、11），对光载波作移相，在每个符号放2 个比特。每个符号代表2比特。接收器将每个符号解调为2个比特，获得一个50 Gbps的数字数据流。另外，比特要在调制前做预编码，调制后作解码（参考文献3）。然后，接收器对进入的DP-QPSK信号作解调和解码，产生四个25 Gbps的电信号。

QPSK信号中每符号承载的比特数是NRZ信号的两倍。因此，当两种调制所产生的信号通过光纤时，其降级程度也有区别。EXFO Sweden总监Peter Andrekson解释说，QPSK信号较NRZ信号对噪声和非线性相位失真更加敏感。他说："由于对噪声的敏感度较高，QPSK调制信号需要的功率高于 NRZ信号。"

不过，QPSK信号也有一个较NRZ信号的重要优势。即在相同码率下，它们对于来自色散和群延时的误码不太敏感。这是因为100 Gbps数据的一个UI（单位间隔）宽度为10 ps。由于线路传输采用的是四个25 Gbps 通道，因此每个符号宽度为40 ps，它有较低的带宽。

一个25G符号/秒流的40 ps宽符号比较短，需要的带宽高于一个10 Gbps、100 ps宽的NRZ信号。因此，25G符号/秒信号要比10 Gbps NRZ信号对色散的误差更加敏感，但对降级的敏感度小于100 Gbps NRZ信号。Andrekson解释说："