張鵬圖，范君菲/Zhang Pengtu，F(xiàn)an Junfei

（北京鐵路局石家莊職工培訓(xùn)基地 石家莊050061）

1 引言

隨著通信領(lǐng)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(wù)量呈指數(shù)級增長，容量壓力成為網(wǎng)絡(luò)面臨的一個重要挑戰(zhàn)?？梢曤娫挕⒁曨l聊天、高清電視等以視頻為主的業(yè)務(wù)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(wù)的快速發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(jīng)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(jīng)規(guī)模商用化。40 Gbit/s 傳輸技術(shù)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(shù)難度的增加遠(yuǎn)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(yīng)；另一方面是DWDM 環(huán)上的窄帶信號甚至網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，10 Gbit/s網(wǎng)絡(luò)全是點到點的，因此，不能應(yīng)用10 Gbit/s 傳輸技術(shù)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(shù)，100 Gbit/s 以太網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口技術(shù)帶動著100 Gbit/s 高速傳輸技術(shù)的發(fā)展，使得它成為高速光傳輸領(lǐng)域研究的熱點。

2 高速傳輸技術(shù)中的調(diào)制格式

目前，100 Gbit/s 傳輸技術(shù)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(jìn)的調(diào)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(diào)制技術(shù)，包括正交相移鍵控（QPSK）、8 相移相鍵控（8PSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）、正交頻分復(fù)用（OFDM）等，并結(jié)合偏振復(fù)用、解復(fù)用技術(shù)來克服高速傳輸中的問題。

2.1 40 Gbit/s 系統(tǒng)的調(diào)制碼型

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

（1）強(qiáng)度調(diào)制碼型

通過調(diào)節(jié)光波強(qiáng)度的變化來調(diào)節(jié)被調(diào)制源信號的變化，原始信號的解調(diào)是在接收端直接使用光強(qiáng)檢測。根據(jù)調(diào)制進(jìn)制，強(qiáng)度調(diào)制碼型可分為二進(jìn)制和多進(jìn)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(jìn)制包括光雙二進(jìn)制、相位整形二進(jìn)制傳輸（PSBT）、歸零型交替?zhèn)魈柗D(zhuǎn)（RZ-AMI）等。

（2）相位調(diào)制碼型

通過調(diào)節(jié)光波相位的變化來控制被調(diào)制源信號的變化，原始信號的解調(diào)是在接收端通過相位差分檢測或直接相干接收檢測結(jié)合數(shù)字信號進(jìn)行處理。根據(jù)調(diào)制進(jìn)制，相位調(diào)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(yùn)用的相位調(diào)制型傳輸碼型主要為DPSK、RZ-DQPSK、DP-QPSK 等。

2.2 高級調(diào)制技術(shù)

高級調(diào)制方式由簡單的OOK 調(diào)制到DPSK，DQPSK 與RZ、NRZ 和抑制載波技術(shù)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(yīng)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(diào)制技術(shù)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(jìn)的調(diào)制形式的出現(xiàn)解決了這些問題。高階調(diào)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(jìn)制的系統(tǒng)相比，多進(jìn)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(jìn)制碼元的傳輸速率比二進(jìn)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(jìn)了對CD的容限，增強(qiáng)了對PMD的抵抗，但它對噪聲和非線性效應(yīng)很敏感。常見的多進(jìn)制調(diào)制有nQAM、n（D）PSK、O-OFDM（光正交頻分復(fù)用）等。先進(jìn)調(diào)制方式是高速長距離傳輸使能技術(shù)中最重要的部分之一，下面進(jìn)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(jìn)行檢測，星形16QAM 已經(jīng)得到計算機(jī)和實驗仿真的論證，QAM 信號的產(chǎn)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(guān)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(zhuǎn)移使得QAM 星座圖變形。

（2）n（D）PSK

相位調(diào)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(diào)制的相位調(diào)制，且有很好的傳輸性能。QPSK 已經(jīng)被商業(yè)部署，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和傳輸容量的增加，高階的相位調(diào)制得到了研究，8DPSK、16DPSK 等更高階的調(diào)制也得到了相關(guān)的研究。MDPSK 信號的產(chǎn)生如圖2所示。目前網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多的有NRZ-DPSK、RZ-DQPSK、DP-QPSK 等。原始信號的解調(diào)是在接收端通過相位差分檢測或者直接相干接收檢測結(jié)合數(shù)字信號處理，具有較好的傳輸性能。

（3）O-OFDM

O-OFDM 產(chǎn)生如圖3所示，OFDM 技術(shù)是無線通信領(lǐng)域中良好的調(diào)制格式，抗干擾能力強(qiáng)，是多載波復(fù)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(chǎn)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(fù)用方式，它是將高速信號解復(fù)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(chǎn)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(yīng)和偏振模色散控制變得更加復(fù)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(diào)制方式具有較好的性能。

圖1 QAM 信號的產(chǎn)生

圖2 MDPSK 信號的產(chǎn)生

圖3 O-OFDM 產(chǎn)生

目前，高速線路傳輸技術(shù)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(yán)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(diào)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(jīng)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(diào)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(fù)雜的調(diào)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(diào)制格式。RZ-DQPSK 是依靠調(diào)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(yīng)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(dá)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(yīng)的影響

非線性效應(yīng)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(zhì)之間產(chǎn)生交互作用，交互作用對光信號產(chǎn)生影響，這種影響過程稱為非線性效應(yīng)。

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(yīng)。在信號速率較低時，非線性效應(yīng)表現(xiàn)為自相位調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)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(nèi)的非線性效應(yīng)主要體現(xiàn)為通道內(nèi)XPM 和通道內(nèi)FWM 等效應(yīng)。

調(diào)制格式不同，非線性效應(yīng)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(diào)制進(jìn)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(guān)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(yīng)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(chǎn)生的原理導(dǎo)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(shù)，OSNR 容限提高了3 dB 左右；RZ-DQPSK 采用了四相調(diào)制、平衡接收機(jī)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(diào)制格式，可以改進(jìn)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(jié)束語

在高速傳輸系統(tǒng)中，高級調(diào)制碼型發(fā)揮著重要的作用，通過改變調(diào)制格式來彌補(bǔ)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(yīng)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(dá)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(luò)帶寬需求的急劇增長和單載波速度的提高，高級調(diào)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

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