光纤的复杂调制方法

　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：“在一个确定码率下，复杂性和SNR（信噪比）以及色散容限和硬件带宽之间存在着一个折中。”

　　DP-QPSK技术如此之新，现在还没有用于线路端的收发器模块。Finisar公司高级技术师Chris Cole解释说，线路端的收发模块要大于客户端的模块（图3），现在正在确定一个多实体协议（参考文献4）。Cole指出，设计者甚至可以将线路端的收发器实现为一个线路卡，而不是模块。

　　图3，用于客户端传输的光收发器是基于针对一个线路卡尺寸以及电气连接的CFP多源协议（Finisar公司提供）。

　　测试也要改变

　　从NRZ向DP-QPSK调制的转移为光纤前端的测试带来了星座图。尽管星座图在RF无线传输中很常见，但对光通信还是新鲜事物。对一个QPSK传输做的第一个测量就是星座图。星座图提供了有关传输信号完整性的信息。色散与非线性都可以造成信号的降级，从而产生失真。图4表示了一个DP-QPSK信号中两极性的星座图。图4中，星座的点清晰可见，但经过了太多失真后就可能变得模糊不清。

　　图4中右下角的两个波形显示了经QPSK调制的信号波幅（上）和相位（下）。注意相位角图上有明显的不连续。它们源于相移，因为QPSK调制中是成对比特的编码。

　　在测试光DP-QPSK信号时，可以使用光调制，或采用一台光信号分析仪。这些仪器可生成星座图，将其解码为电子数据流，并将其显示为眼图。服务于这个市场的公司有安捷伦科技、安立、EXFO以及Optametra公司，而Optametra公司的产品采用的是Tektronix示波器。

　　Finisar公司的Cole称：“对100 Gbps长程光波还不存在测试规范，因此测试设备制造商必须与光模块制造商交流，看他们需要测量些什么。每家公司都有不同的需求。”Cole还指出，测试设备必须能支持28G和32G符号/秒的信号。“现在有可以运行在22G符号/秒的DP-QPSK测试系统，用于40Gbps链路，但新设备要能运行在28G和32G符号/秒，才能支持100 Gbps
链路。”

　　对光收发器接收端的测试更是悬而未决，因为尚不存在对压力接收机（stressed-receiver）的测试规范。Cole称测试设备必须能够生成DP-QPSK信号，但这种要求可能产生一些控制缺陷，如色散和极化模式色散。这些缺陷会使TE和TM载波通过光纤时产生旋转。经过解调和解码后，这些缺陷一定会产生出压力眼图，因此一旦成为电子形式，工程师就可以对其作测量。

　　图4亦显示了两个眼图（右上角），表示一个极化的两个25Gbps 通道。Cole说：“你还必须看眼图遮罩的余量、抖动，以及消光比；这与10 Gbps链路是一样的。”

　　图4，星座图将成为分析DP-QPSK调制信号的一个主流工具（EXFO提供）。

　　现在，工程师们可以用示波器和BER（误码率）测试仪来分析眼图了。有些工程师会使用高带宽的示波器去捕捉DP-QPSK信号。LeCroy公司的Schnecker说：“由于作了调制，接收器处的信号看上去像噪声。信号不再是重复的，因此你需要一台实时示波器。”Tektronix公司的Zivny曾与一些工程师在DP-QPSK信号上用过实时示波器。一台四通道示波器就可以看到全部四个有高时基相关性的经解码解调的数据流。

　　开发DP-QPSK收发器的工程师们还用BER测试仪为一个QPSK信号的每个I和Q相生成25 Gbps的数据流。他们还使用BER测试仪测量在已调制和编码信号上的BER。安捷伦技术公司与SyntheSys Research公司的BER测试仪最高可以测到
28 Gbps的数据速率。

　　今后几年，业界将继续发展

　　100 Gbps的线路端传输。测试规范也将出现，光模块制造商会与测试设备制造商及标准化团体合作，确定测试方面的问题，开发出测试例程与设备

附文1：一个G里有什么？

　　“100G”、“40G”和“25G”这些术语均指一个光链路中的数据流量。由于格式化和FEC（前向纠错）原因，实际的数据流要高于数字所表示的值。

　　例如，一个100 GbE（千兆以太网）传输的数据速率实际上是103.125 Gbps，但数据流量是25 Gbps。因此，每个25 Gbps的通道上实际为客户端承载了25.78125 Gbps（26 Gbps）。因此，如果一个测试设备制造商声称自己的产品有26 Gbps速度，就意味着该产品覆盖了25.78125 Gbps数据速率。另外对于以太网客户端网络，也在考虑一个27.739 Gbps（28 Gbps）的数据速率。

　　对于线路端网络，长距离传输链路需要额外的FEC。有7% FEC的100 Gbps链路线路速率大约为112 Gbps，转换到每个通道上就是约28 Gbps。根据光互连论坛的“100G超长距离DWDM框架文件”，准确的速率尚未确定（参考文献A）。这些传输也可以采用较高的20% FEC开销，这样码率会增加到大约32 Gbps。