光纖的調(diào)制方法

要點(diǎn)：

•運(yùn)營商要在現(xiàn)有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量，而這些光纖原設(shè)計(jì)用于10 Gbps甚至2.5 Gbps光鏈路。
•DWDM（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)不能使用100 Gbps數(shù)據(jù)流，因?yàn)橛朽彽来當(dāng)_問題。
•QPSK（正交相移鍵控）信號(hào)要比NRZ（不歸零）信號(hào)對(duì)噪聲和非線性相位失真更加敏感。

新的調(diào)制方法必須能處理長距離傳輸。短距離通信即所謂的園區(qū)與本地城域網(wǎng)中的客戶端，它們不需要復(fù)雜的調(diào)制，因?yàn)榫嚯x很短，足以容納較高的速度（圖1）。對(duì)客戶端，當(dāng)距離遠(yuǎn)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(shù)據(jù)鏈路（參考文獻(xiàn)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(xiàn)有的10 Gbps速度。在短距離上安裝額外的光纖花費(fèi)并不高，如在一個(gè)園區(qū)網(wǎng)的建筑之間。

圖1，運(yùn)營商用一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的線路端作城際間的長距離傳輸?？蛻舳藗鬏攧t用于連接園區(qū)和本地城市地區(qū)。

長距離傳輸?shù)那闆r就完全不同了，每家服務(wù)供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的 “線路端”都需要傳輸數(shù)百公里的距離。為了補(bǔ)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：“運(yùn)營商要在現(xiàn)有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量，其中很多原來設(shè)計(jì)用于10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設(shè)計(jì)的。”

要簡單地將一個(gè)100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現(xiàn)有光纖，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)前的DWDM（密集波分復(fù)用）光纖采用各信道之間50 GHz的間隔。盡管對(duì)采用NRZ調(diào)制的10 Gbps數(shù)據(jù)流，這個(gè)信道間隔足夠用了，但對(duì)100 Gbps NRZ流則太窄。LeCroy公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mike Schnecker認(rèn)為：“你不能直接將100 Gbps流加在載波上。”原因是：對(duì)一個(gè)100 Gbps NRZ信號(hào)，每一比特的寬度只有10 ps。

Anritsu公司的光產(chǎn)品專員Hiroshi Goto則稱：“由于鄰道的串?dāng)_問題，DWDM系統(tǒng)中不能使用100 Gbps數(shù)據(jù)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)問題，OIF（光互連論壇）建議采用復(fù)雜調(diào)制，從而能以現(xiàn)有光纖，在每秒每赫茲內(nèi)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)單波長上實(shí)現(xiàn)100 Gbps流量。QPSK常見于數(shù)字RF通信，但對(duì)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?cè)趦蓚€(gè)正交的極化平面上傳輸。每個(gè)50 Gbps流都包含25G符號(hào)/秒。QPSK調(diào)制可將2個(gè)比特封裝在一個(gè)符號(hào)內(nèi)。由于QPSK信號(hào)是以兩個(gè)極化面?zhèn)鬏?，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(fù)雜調(diào)制

圖2表示了調(diào)制過程。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(diào)制，得到兩個(gè)25G符號(hào)/秒的流?？傆?jì)為100 Gbps，但實(shí)際的數(shù)據(jù)速率略高些（見附文1《一個(gè)G里有什么》）。圖2中的極性分離器出現(xiàn)在QPSK調(diào)制器以前。有些收發(fā)器設(shè)計(jì)可能會(huì)先放I/Q調(diào)制器，然后再將調(diào)制后的信號(hào)分離為兩個(gè)極性。

圖2，一個(gè)100 Gbps的發(fā)送機(jī)將一束激光分離成兩個(gè)極化面，然后將四個(gè)25 Gbps數(shù)據(jù)流調(diào)制在一根單波長光纖上。

QPSK調(diào)制是響應(yīng)進(jìn)入的碼對(duì)（00、01、10、11），對(duì)光載波作移相，在每個(gè)符號(hào)放2 個(gè)比特。每個(gè)符號(hào)代表2比特。接收器將每個(gè)符號(hào)解調(diào)為2個(gè)比特，獲得一個(gè)50 Gbps的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。另外，比特要在調(diào)制前做預(yù)編碼，調(diào)制后作解碼（參考文獻(xiàn)3）。然后，接收器對(duì)進(jìn)入的DP-QPSK信號(hào)作解調(diào)和解碼，產(chǎn)生四個(gè)25 Gbps的電信號(hào)。

QPSK信號(hào)中每符號(hào)承載的比特?cái)?shù)是NRZ信號(hào)的兩倍。因此，當(dāng)兩種調(diào)制所產(chǎn)生的信號(hào)通過光纖時(shí)，其降級(jí)程度也有區(qū)別。EXFO Sweden總監(jiān)Peter Andrekson解釋說，QPSK信號(hào)較NRZ信號(hào)對(duì)噪聲和非線性相位失真更加敏感。他說：“由于對(duì)噪聲的敏感度較高，QPSK調(diào)制信號(hào)需要的功率高于 NRZ信號(hào)。”

不過，QPSK信號(hào)也有一個(gè)較NRZ信號(hào)的重要優(yōu)勢(shì)。即在相同碼率下，它們對(duì)于來自色散和群延時(shí)的誤碼不太敏感。這是因?yàn)?00 Gbps數(shù)據(jù)的一個(gè)UI（單位間隔）寬度為10 ps。由于線路傳輸采用的是四個(gè)25 Gbps 通道，因此每個(gè)符號(hào)寬度為40 ps，它有較低的帶寬。

一個(gè)25G符號(hào)/秒流的40 ps寬符號(hào)比較短，需要的帶寬高于一個(gè)10 Gbps、100 ps寬的NRZ信號(hào)。因此，25G符號(hào)/秒信號(hào)要比10 Gbps NRZ信號(hào)對(duì)色散的誤差更加敏感，但對(duì)降級(jí)的敏感度小于100 Gbps NRZ信號(hào)。Andrekson解釋說：“在一個(gè)確定碼率下，復(fù)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(gè)折中。”

DP-QPSK技術(shù)如此之新，現(xiàn)在還沒有用于線路端的收發(fā)器模塊。Finisar公司高級(jí)技術(shù)師Chris Cole解釋說，線路端的收發(fā)模塊要大于客戶端的模塊（圖3），現(xiàn)在正在確定一個(gè)多實(shí)體協(xié)議（參考文獻(xiàn)4）。Cole指出，設(shè)計(jì)者甚至可以將線路端的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)為一個(gè)線路卡，而不是模塊。

圖3，用于客戶端傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)器是基于針對(duì)一個(gè)線路卡尺寸以及電氣連接的CFP多源協(xié)議（Finisar公司提供）。

測(cè)試也要改變

從NRZ向DP-QPSK調(diào)制的轉(zhuǎn)移為光纖前端的測(cè)試帶來了星座圖。盡管星座圖在RF無線傳輸中很常見，但對(duì)光通信還是新鮮事物。對(duì)一個(gè)QPSK傳輸做的第一個(gè)測(cè)量就是星座圖。星座圖提供了有關(guān)傳輸信號(hào)完整性的信息。色散與非線性都可以造成信號(hào)的降級(jí)，從而產(chǎn)生失真。圖 4表示了一個(gè)DP-QPSK信號(hào)中兩極性的星座圖。圖4中，星座的點(diǎn)清晰可見，但經(jīng)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(gè)波形顯示了經(jīng)QPSK調(diào)制的信號(hào)波幅（上）和相位（下）。注意相位角圖上有明顯的不連續(xù)。它們?cè)从谙嘁?，因?yàn)镼PSK調(diào)制中是成對(duì)比特的編碼。

在測(cè)試光DP-QPSK信號(hào)時(shí)，可以使用光調(diào)制，或采用一臺(tái)光信號(hào)分析儀。這些儀器可生成星座圖，將其解碼為電子數(shù)據(jù)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。

Finisar公司的Cole稱：“對(duì)100 Gbps長程光波還不存在測(cè)試規(guī)范，因此測(cè)試設(shè)備制造商必須與光模塊制造商交流，看他們需要測(cè)量些什么。每家公司都有不同的需求。”Cole還指出，測(cè)試設(shè)備必須能支持28G和32G符號(hào)/秒的信號(hào)。“現(xiàn)在有可以運(yùn)行在22G符號(hào)/秒的DP-QPSK測(cè)試系統(tǒng)，用于40Gbps鏈路，但新設(shè)備要能運(yùn)行在 28G和32G符號(hào)/秒，才能支持100 Gbps
鏈路。”

對(duì)光收發(fā)器接收端的測(cè)試更是懸而未決，因?yàn)樯胁淮嬖趯?duì)壓力接收機(jī)（stressed-receiver）的測(cè)試規(guī)范。Cole稱測(cè)試設(shè)備必須能夠生成DP-QPSK信號(hào)，但這種要求可能產(chǎn)生一些控制缺陷，如色散和極化模式色散。這些缺陷會(huì)使TE和TM載波通過光纖時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過解調(diào)和解碼后，這些缺陷一定會(huì)產(chǎn)生出壓力眼圖，因此一旦成為電子形式，工程師就可以對(duì)其作測(cè)量。

圖4亦顯示了兩個(gè)眼圖（右上角），表示一個(gè)極化的兩個(gè)25Gbps 通道。Cole說：“你還必須看眼圖遮罩的余量、抖動(dòng)，以及消光比；這與10 Gbps鏈路是一樣的。”

圖4，星座圖將成為分析DP-QPSK調(diào)制信號(hào)的一個(gè)主流工具（EXFO提供）。

現(xiàn)在，工程師們可以用示波器和BER（誤碼率）測(cè)試儀來分析眼圖了。有些工程師會(huì)使用高帶寬的示波器去捕捉DP-QPSK信號(hào)。LeCroy公司的 Schnecker說：“由于作了調(diào)制，接收器處的信號(hào)看上去像噪聲。信號(hào)不再是重復(fù)的，因此你需要一臺(tái)實(shí)時(shí)示波器。”Tektronix公司的 Zivny曾與一些工程師在DP-QPSK信號(hào)上用過實(shí)時(shí)示波器。一臺(tái)四通道示波器就可以看到全部四個(gè)有高時(shí)基相關(guān)性的經(jīng)解碼解調(diào)的數(shù)據(jù)流。

開發(fā)DP-QPSK收發(fā)器的工程師們還用BER測(cè)試儀為一個(gè)QPSK信號(hào)的每個(gè)I和Q相生成25 Gbps的數(shù)據(jù)流。他們還使用BER測(cè)試儀測(cè)量在已調(diào)制和編碼信號(hào)上的BER。安捷倫技術(shù)公司與SyntheSys Research公司的BER測(cè)試儀最高可以測(cè)到
28 Gbps的數(shù)據(jù)速率。

今后幾年，業(yè)界將繼續(xù)發(fā)展

100 Gbps的線路端傳輸。測(cè)試規(guī)范也將出現(xiàn)，光模塊制造商會(huì)與測(cè)試設(shè)備制造商及標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體合作，確定測(cè)試方面的問題，開發(fā)出測(cè)試?yán)膛c設(shè)備-- 2010/6/30 23:30:55-->

附文1：一個(gè)G里有什么？

“100G”、“40G”和“25G”這些術(shù)語均指一個(gè)光鏈路中的數(shù)據(jù)流量。由于格式化和FEC（前向糾錯(cuò)）原因，實(shí)際的數(shù)據(jù)流要高于數(shù)字所表示的值。

例如，一個(gè)100 GbE（千兆以太網(wǎng)）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率實(shí)際上是103.125 Gbps，但數(shù)據(jù)流量是25 Gbps。因此，每個(gè)25 Gbps的通道上實(shí)際為客戶端承載了25.78125 Gbps（26 Gbps）。因此，如果一個(gè)測(cè)試設(shè)備制造商聲稱自己的產(chǎn)品有26 Gbps速度，就意味著該產(chǎn)品覆蓋了25.78125 Gbps數(shù)據(jù)速率。另外對(duì)于以太網(wǎng)客戶端網(wǎng)絡(luò)，也在考慮一個(gè)27.739 Gbps（28 Gbps）的數(shù)據(jù)速率。

對(duì)于線路端網(wǎng)絡(luò)，長距離傳輸鏈路需要額外的FEC。有7% FEC的100 Gbps鏈路線路速率大約為112 Gbps，轉(zhuǎn)換到每個(gè)通道上就是約28 Gbps。根據(jù)光互連論壇的“100G超長距離DWDM框架文件”，準(zhǔn)確的速率尚未確定（參考文獻(xiàn)A）。這些傳輸也可以采用較高的20% FEC開銷，這樣碼率會(huì)增加到大約32 Gbps。