Page 20 - 网络电信2021年12月刊下

特 约 专 栏
光纤相干通信技术发展第一阶段1980-1990十年; 沉寂了
二十年后，从2010年起又进入了新的发展阶段。
2.PDM-QPSK调制; 相干接收+DSP
发射端 (Transmitter)：
PDM (偏分复用)Polarization Division Multiplexing
QPSK (正交相移键控) Quadrature Phase Shift Keying
接收端(Receiver)：
Coherent Receiving (相干接收)
DSP (数字信号处理) Digital Signal Processing
2.1 偏分复用PDM
将激光光源通过偏振分束器,分成X,Y两个垂直方向的光载
波, 分别由两路信号进行调制。
2.2 四相位调制（Four Phase Modulation）
四相相位调制是利用载波的四种不同相位差来输入的数字
信息，是四进制移相键控，QPSK是指M=4时的调相技术；它规定
了四种载波相位，分别为45°135°225°315°，调制器的输入
是二进制数字序列，为了和四进制载波相位配合起来，则需要
把二进制数据变换为四进制数据，需要把二进制数字序列中每
两个比特分成一组，共有四种组合，即00,01,10,11，其中每一
组称为双比特码元，每一个双比特码元是由两位二进制信息比
特组成，分别代表四进制四个符号中的一个符号，QPSK中每次
调制可得2个信息比特，这些信息比特是通过载波的四种相位来
传递的。解调是根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断
发送端的信息比特。
图8给出了二进制，四进制和16进制的不同调制格式的星
座图。(a)为传统的单比特二进制编码,(b)为四进制QPSK编码,
(c)为16进制16-QAM编码，它可以在一个信号中包括4bit的所有
16种情况，从0000到1111。后两者均需采用相干检测方式来实
施。
图 8 不同的调制格式的星座图
2.3 正交相移键控（QPSK）调制原理
如图9所示：在发射机中，电比特流被一个多路复用器分成
信号的I和Q两部分,四进制数据分为两组；
同相分量(In-phase)I,相位为 0,π两种取值。
正交分量(Quadrature) Q,相位为π/2,3π/2两种取值。
基带数据信号的I，Q两个分量通过Mach-Zehnder调制器分
别调制到X，Y两个偏振方向的光载波cosωt及移相后的光载波
sinωt后相加，得到QPSK的输出信号：
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式中，ω为光载波的角频率。θ的取值为π/4，3π/4，
5π/4，7π/4。
图 9 QPSK 调制
2.4 QPSK信号的相干接收和DSP处理
如图10所示:在接收机中,接收到的X和Y偏振方向的光信号 ：
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分别与本地激光器的X和Y偏振方向的光波cosωt及移相后的
sinωt混频后的信号经ADC(去除干扰,噪声)和DSP积分处理后,得
到发送来的I(t)和Q(t)信号：
(6)
(7)
图 10 QPSK 调制数据的恢复
2.5 PDM和QPSK可以降低波特率
PDM，把1个光信号分离成2个偏振方向，再把信号调制到这
两个偏振方向上。相当于对数据做了“1分为2”的处理，速率
降低一半；
QPSK，一个偏振方向每个波特周期就表示2个数字bit，也
相当于对数据做了“1分为2”的处理，速率降低一半；
因此，100G（112 Gb/s）的信号，实际上，处理时数据波
特率仅为112÷2÷2=28G Baud。
未来怎样光纤通信又将如何继续提升,其中一个想法是，采
用更先进的信号编码技术，如今广泛使用的正交相移技术在单
位信号间隔内可编码2bit，而Wi-Fi和其他无线系统采用了更复
杂的编码方式。比如说，得到广泛使用的16-QAM编码，可以在
一个信号中包括4bit的所有16种情况，从0000到1111。有些有
线电视还采用256-QAM。
这样的先进编码方式的确可以在光纤中使用，但是这是有
代价的。编码的方式越复杂，信息就需要被更紧密的打包在一
起进行传输。一个信号包含的数据越多，它所能承受的外部扰
动就越少，否则其中的一部分数据就会出错。提高信号发射功
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网络电信 二零二一年十二月