高速傳輸中調制格式的研究

張鵬圖，范君菲/Zhang Pengtu，F(xiàn)an Junfei

（北京鐵路局石家莊職工培訓基地 石家莊050061）

1 引言

隨著通信領域的快速發(fā)展，人們對帶寬的要求不斷提高。近幾年，Internet 業(yè)務量呈指數(shù)級增長，容量壓力成為網(wǎng)絡面臨的一個重要挑戰(zhàn)。可視電話、視頻聊天、高清電視等以視頻為主的業(yè)務豐富了人們的生活，將成為未來通信的主流方式。視頻業(yè)務的快速發(fā)展成為網(wǎng)絡帶寬急劇增長的因素之一，使骨干網(wǎng)帶寬增長壓力越來越大。

信息技術的快速發(fā)展證明：高速傳輸?shù)淖詈眠x擇是提高線路的單波道速率，與WDM 系統(tǒng)從2.5 Gbit/s提速到10 Gbit/s 相似。在骨干網(wǎng)，單信道10 Gbit/s 速率級別的路由器以及DWDM 系統(tǒng)已經在全球大量安裝。40 Gbit/s 速率級別的路由器與DWDM 系統(tǒng)已經規(guī)模商用化。40 Gbit/s 傳輸技術已是高速傳輸?shù)闹饕糠郑?0 Gbit/s 信號速率比10 Gbit/s 提高了4 倍，但技術難度的增加遠高于4 倍。

與10 Gbit/s 系統(tǒng)相比，部署40 Gbit/s 系統(tǒng)涉及2 個方面：一方面是光纖自身的限制，包括色散、PMD 和非線性效應；另一方面是DWDM 環(huán)上的窄帶信號甚至網(wǎng)狀網(wǎng)絡，10 Gbit/s網(wǎng)絡全是點到點的，因此，不能應用10 Gbit/s 傳輸技術完成40 Gbit/s 信號的長距離傳輸。40 Gbit/s 是高速傳輸速率的一個起點，與10 Gbit/s 相比，它的傳輸速度提高了很多，但仍不能滿足未來通信的需求。事實上，它只是高速傳輸?shù)囊粋€過渡技術，100 Gbit/s 以太網(wǎng)技術標準和接口技術帶動著100 Gbit/s 高速傳輸技術的發(fā)展，使得它成為高速光傳輸領域研究的熱點。

2 高速傳輸技術中的調制格式

目前，100 Gbit/s 傳輸技術還處于實驗室階段，由于單波100 G 速率非常高，對于各種物理損傷容限，如對光信噪比（OSNR）、偏振膜色散（PMD）等提出了更高要求，需要使用先進的調制格式的改變來降低傳輸光纖線路上的損耗，如現(xiàn)在采用高階的編碼調制技術，包括正交相移鍵控（QPSK）、8 相移相鍵控（8PSK）、正交幅度調制（QAM）、正交頻分復用（OFDM）等，并結合偏振復用、解復用技術來克服高速傳輸中的問題。

2.1 40 Gbit/s 系統(tǒng)的調制碼型

按照調制格式產生的原理，40 Gbit/s WDM 系統(tǒng)的調制格式分為強度調制型和相位調制型2 種。

（1）強度調制碼型

通過調節(jié)光波強度的變化來調節(jié)被調制源信號的變化，原始信號的解調是在接收端直接使用光強檢測。根據(jù)調制進制，強度調制碼型可分為二進制和多進制，根據(jù)占空比，可分為RZ 型和NRZ 型。其中，基于NRZ 和RZ的偽多進制包括光雙二進制、相位整形二進制傳輸（PSBT）、歸零型交替?zhèn)魈柗D（RZ-AMI）等。

（2）相位調制碼型

通過調節(jié)光波相位的變化來控制被調制源信號的變化，原始信號的解調是在接收端通過相位差分檢測或直接相干接收檢測結合數(shù)字信號進行處理。根據(jù)調制進制，相位調制型分為差分相移鍵控（DPSK）和差分四相相移鍵控（DQPSK），根據(jù)占空比可分為NRZ 型和RZ 型。目前，高速傳輸運用的相位調制型傳輸碼型主要為DPSK、RZ-DQPSK、DP-QPSK 等。

2.2 高級調制技術

高級調制方式由簡單的OOK 調制到DPSK，DQPSK 與RZ、NRZ 和抑制載波技術聯(lián)合。如果采用傳統(tǒng)的NRZ 碼型，相對于10 Gbit/s 信號，40 Gbit/s 信號的ONSR 要求高6 dB，同時，受到非線性效應的影響，入纖功率要低約2 dB，40 Gbit/s 信號的OSNR 受限距離大約是10 Gbit/s 信號的1/6；40 Gbit/s 信號的色度色散和PMD 受限距離只有10 Gbit/s 信號的1/16。所以，高速傳輸需要更高級的調制技術來實現(xiàn)無電中繼站的長距離傳輸。

在高速傳輸中，隨著傳輸距離和信道比特率的增加，信道空間減小，要求更高的頻譜利用率和更低的符號速率，更先進的調制形式的出現(xiàn)解決了這些問題。高階調制中，每個符號有更多的比特數(shù)，因而減小了頻譜寬度，使得頻譜利用率更高，增加了單個信道的容量。在相同的碼元傳輸速率下，與二進制的系統(tǒng)相比，多進制的系統(tǒng)信息傳輸速率更高。換言之，在相同的信息速率下，由于多進制碼元的傳輸速率比二進制的要低，增大了碼元的寬度，增加了碼元的能量，能減小由于信道特性引起的碼間干擾的影響。它改進了對CD的容限，增強了對PMD的抵抗，但它對噪聲和非線性效應很敏感。常見的多進制調制有nQAM、n（D）PSK、O-OFDM（光正交頻分復用）等。先進調制方式是高速長距離傳輸使能技術中最重要的部分之一，下面進行重點介紹。

（1）nQAM

根據(jù)星座圖可分為方形QAM 和星形QAM。在星形QAM 星座圖中，每個符號在不同的同心圓上，且相位間隔相同。星形QAM 信號適合用差分檢測方法進行檢測，星形16QAM 已經得到計算機和實驗仿真的論證，QAM 信號的產生如圖1所示。

方形QAM的星座圖排列成方形，使得符號間有更大的歐式間距。方形的QAM 檢測適合用相關檢測，也可以用差分檢測。方形QAM 也得到了實驗的證明，QAM 有較大的色散容限，但對非線性比較敏感，尤其是對SPM 很差，因為在通過光纖時，不同的非線性相位轉移使得QAM 星座圖變形。

（2）n（D）PSK

相位調制的星座圖符號在一個圓環(huán)上，每個符號有相同的幅度和不同的相位，QPSK 是第一個被用于光調制的相位調制，且有很好的傳輸性能。QPSK 已經被商業(yè)部署，隨著數(shù)字信號處理技術的發(fā)展和傳輸容量的增加，高階的相位調制得到了研究，8DPSK、16DPSK 等更高階的調制也得到了相關的研究。MDPSK 信號的產生如圖2所示。目前網(wǎng)絡應用較多的有NRZ-DPSK、RZ-DQPSK、DP-QPSK 等。原始信號的解調是在接收端通過相位差分檢測或者直接相干接收檢測結合數(shù)字信號處理，具有較好的傳輸性能。

（3）O-OFDM

O-OFDM 產生如圖3所示，OFDM 技術是無線通信領域中良好的調制格式，抗干擾能力強，是多載波復用傳輸方式的一種。OFDM的各個子載波間是相互正交的，所以相互重疊各子載波信號頻譜不會產生碼間干擾，從而頻譜利用率得到了極大的提高。同時，OFDM 作為一種多載波復用方式，它是將高速信號解復用到各子載波上，減小了各個子載波上的數(shù)據(jù)傳輸速率，增加了子載波上符號的傳輸周期，減小了碼間干擾產生的影響。在高速傳輸中，隨著傳輸速率的增大，線路的色散效應和偏振模色散控制變得更加復雜，OFDM 能克服此類影響。隨著光OFDM的提出，很多實驗和仿真都證明了其作為一種調制方式具有較好的性能。

圖1 QAM 信號的產生

圖2 MDPSK 信號的產生

圖3 O-OFDM 產生

目前，高速線路傳輸技術有單波傳輸與多波傳輸2種方案。多波傳輸方案中，波長利用率低，波長管理及多個波長間時延差的控制難以解決，因此，不能很好地解決高速線路傳輸。由于波特率的提升，100 Gbit/s 單波傳輸信號收到各種較為嚴重的物理損傷，目前，需要研究新的碼型以降低物理損傷對100 Gbit/s 信號的影響。

3 調制碼型對高速傳輸?shù)挠绊?/h2>

3.1 對PMD的影響

色散等在高速傳輸中的限制因素已經得到解決，影響40 Gbit/s WDM 系統(tǒng)無電中繼傳輸距離的主要限制因素之一是PMD。高級調制格式在一定程度上可提高信號PMD 容限，它是在保證高速傳輸信號比特率不變的情況下，通過復雜的調制格式來降低信號波特率，提高信號自身的PMD 容 限，RZ-DQPSK 和DP-QPSK 是最常見的，可提高PMD 容限功能的調制格式。RZ-DQPSK 是依靠調制格式，DP-QPSK 涉及電域均衡方式。提高傳輸信號PMD 容限最廣泛應用的方式是通過RZ-DQPSK 格式，且效果非常明顯。北電最早推出了商用的解決方案，40 Gbit/s DP-QPSK 信號的平均PMD 容限達到25 ps，超過了10 Gbit/s 信號的水平。直接檢測OOFDM 可以通過自極化分集的方式來處理PMD，在相干檢測OOFDM中可以有限對抗PMD。

3.2 對非線性效應的影響

非線性效應是光粒子或者光波通過光纖傳輸時，它們相互之間的影響很小，在傳輸過程中幾乎沒有什么變化。光波和傳輸介質之間產生交互作用，交互作用對光信號產生影響，這種影響過程稱為非線性效應。

影響高速信號傳輸距離的重要因素之一是光纖的非線性效應。在信號速率較低時，非線性效應表現(xiàn)為自相位調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）和四波混頻（FWM）等。隨著比特速率的提高，非線性變得更為突出，尤其是通道內的非線性效應主要體現(xiàn)為通道內XPM 和通道內FWM 等效應。

調制格式不同，非線性效應的容限也不同。與NRZ的非線性容限相比，RZ-DQPSK、QPSK 和ODB/PSBT的非線性容限變化不大。隨著調制進制8QAM、16QAM、64QAM的增加，他們對非線性變得更加敏感，可以通過自零差相關檢測消除SPM，增加了非線性容限。O-OFDM 可以通過PDM 來減小非線性效應對系統(tǒng)的影響。

3.3 對OSNR的影響

在系統(tǒng)代價一定的前提下，高速傳輸系統(tǒng)的實際傳輸距離在一定程度上是由OSNR 容限決定的。ODB的OSNR 容限比NRZ的端到端容限低，這是由于ODB 產生的原理導致的，壓縮了信號頻域的同時，時域展寬了，從而眼圖張開度降低了。DPSK 采用了均衡技術，OSNR 容限提高了3 dB 左右；RZ-DQPSK 采用了四相調制、平衡接收機制、RZ 脈沖編碼，比DPSK OSNR 容限略有降低。QPSK 采用了相干接收，端到端OSNR 容限比DPSK 格式在一定程度上有所增加。采用高級調制格式，可以改進OSNR 容限。對于NQAM，隨著n 值的增加，要求更高的功率，需要的OSNR 也更高。

4 結束語

在高速傳輸系統(tǒng)中，高級調制碼型發(fā)揮著重要的作用，通過改變調制格式來彌補傳輸過程中的一些不足，偏振模色散對抗，通過一些方式的處理，減小非線性效應對系統(tǒng)的影響，在一定程度上提高了OSNR 容限，增加了傳輸距離。目前高速傳輸系統(tǒng)無電中繼傳輸?shù)木嚯x越來越長，為了達到50 GHz 間隔的傳輸，降低對光纖PMD 性能的要求，提高頻譜利用率，增大PMD的容限，增加了它的適用范圍。隨著網(wǎng)絡帶寬需求的急劇增長和單載波速度的提高，高級調制格式O-OFDM、NQAM 是高速光傳輸發(fā)展的需要。

1 Ronald .Freund 30 Gbit/s RZ-8-PSK Transmission Over 2800 km StandardSingle Mode Fibre Without Inline Dispersion Compensation.OFC/NFOEC，2008

2 Kiyoshi F.Proposal and Feasibility Study of a 6-Level PSK Modulation Format Based System for 100-Gb/s Migration,OFC/NFOEC，2008

3 Torger T.Advanced Modulation Formats for Transmission Systems.OFC/NFOEC，2008

4 Martin S.Cancellation of SPM in Self-Homodyne Coherent Systems ECOC 2009,2009

5 Chongjin Xie.PMD Insensitive Direct-Detection Optical OFDM Systems Using Self-Polarization Diversity.OFC/NFOEC，2008