《基于数字信号处理的相干光通信技术》读书笔记chapter II—

文章目录

调制格式概述
光调制器
- 相位调制器（PM）
- 马赫-曾德调制器（MZM）
- 光IQ调制器
- 电吸收光调制器（EAM）
单载波高阶调制
- QPSK实现方式
- 8PSK实现方式
- 8QAM实现方式
- 16QAM实现方式
- 高阶QAM调制
- - 36QAM
  - 64QAM
  - 1024QAM
软件定义收发机
- 软件定义的多格式收发机（SPOT）
- 软件定义的偏振转换收发机（PS）
- 自适应复用PON的软件定义收发机

为了更进一步增加系统容量和降低成本，实现高速大容量光信号长距离的传输，先进光调制格式成为国际上光通信技术研究的热点。这一章首先对单载波光调制格式进行总体介绍，并对实现光调制的光调制器的原理进行详细阐述，对QPSK、16QAM以及高阶QAM等单载波先进调制格式的实现方式、产生原理进行分析介绍；最后讲述单载波光通信中的软件定义收发机（SDT）。

调制格式概述

E(t)=P(t)⏟幅度cos[ω0(t)⏟载波频率t−ϕ(t)⏟相位]x^(t)⏟偏振E(t)=\underbrace{\sqrt{P(t)}}_{\text{幅度}} {\rm cos} \left[\underbrace{\omega_0(t)}_\text {载波频率}t-\underbrace{\phi(t)}_\text{相位} \right]\underbrace{\hat{x}(t)}_\text{偏振}E(t)=幅度P(t)cos⎣⎡载波频率ω0(t)t−相位ϕ(t)⎦⎤偏振x^(t)

高数据速率传输方案
- 三种数据调制格式：强度调制（ASK,IM）、频率调制（FSK、CPFST）、相位调制（PSK、DPSK）、偏振相移键控（Pol-SK要求在接受机端有灵活的偏振管理，接收机复杂度增加。应用较少）。
- 偏振复用：相同波长不同信号可以用两个正交的偏振态传输以提高信号的频谱效率。
- 偏振交叉：相邻的WDM信道间采用交互的偏振态来减少信道间的非线性作用和交叉干扰。
- 由于相干检测技术以及数字信号处理技术的应用，将传输光纤中波长决定的随机性偏振变化引入的复杂度转移到了离线的数字信号处理中，减少了接收机的复杂度。

光调制器

光调制器是一种将承载信息的电信号转换为光信号的变换器件，将电信号调制到光源产生的光载波上，实现光信号传输。基于材料的电光效应，即电光材料的折射率随施加的外电压而产生的光波传播速度和相位的变化从而实现对激光的相位、频率和幅度的调制。

直接调制发射机啁啾效应使光频谱展宽，对密集波分复用信道的隔离不利，且会加剧由于光纤色散效应引起的信号失真，应用较少。
外调制发射机
可以用来调制不同格式的光调制，在正弦信号的驱动下还可以产生多波长光源，应用广泛。

相位调制器（PM）

传输函数ϕPM(t)=2πλ⋅kΔneffL⋅u(t)\phi_{PM}(t)=\frac{2\pi}{\lambda}\cdot k \Delta n_{\rm{eff}}L \cdot u(t)ϕPM(t)=λ2π⋅kΔneffL⋅u(t)
半波电压Vπ=λ2kΔeffLV_{\pi}=\frac{\lambda}{2k\Delta_{\rm{eff}}L }Vπ=2kΔeffLλ
关系ϕPM(t)=u(t)Vππ\phi_{PM}(t)=\frac{u(t)}{V_\pi}\piϕPM(t)=Vπu(t)π

马赫-曾德调制器（MZM）

由两个PM平行组合而成，两个PM进行相位调制后调相波相互干涉转换为强度调制。

传输函数Eout=Ein⋅12⋅(ejϕ1(t)+ejϕ2(t))E_{\rm{out}}=E_{\rm{in}}\cdot \frac{1}{2}\cdot \left(e^{j\phi_1(t)}+e^{j\phi_2(t)}\right)Eout=Ein⋅21⋅(ejϕ1(t)+ejϕ2(t))
其中，上臂位移ϕ1(t)=u1(t)Vπ1π\phi_1(t)=\frac{u_1(t)}{V_{\pi1}}\piϕ1(t)=Vπ1u1(t)π,下臂位移ϕ2(t)=u2(t)Vπ2π\phi_2(t)=\frac{u_2(t)}{V_{\pi2}}\piϕ2(t)=Vπ2u2(t)π
工作模式

push-push模式，上下臂位移相同，对信号是相位调制。
push-pull模式，上下臂位移相反即ϕ1(t)=−ϕ2(t)\phi_1(t)=-\phi_2(t)ϕ1(t)=−ϕ2(t)，u1(t)=−u2(t)=1/2u(t)u_1(t)=-u_2(t)=1/2u(t)u1(t)=−u2(t)=1/2u(t),输出得到强度调制的光信号。输入和输出光信号表示为：Eout=Ein⋅12⋅(ejϕ1(t)+ejϕ2(t))=Ein⋅cos(u(t)2Vπ)πE_{\rm{out}}=E_{\rm{in}}\cdot \frac{1}{2}\cdot \left(e^{j\phi_1(t)}+e^{j\phi_2(t)}\right)=E_{\rm{in}}\cdot cos\left(\frac{u(t)}{2V_\pi}\right)\piEout=Ein⋅21⋅(ejϕ1(t)+ejϕ2(t))=Ein⋅cos(2Vπu(t))π

光IQ调制器

由两个MZM和一个90°相移器（使PM的偏置电压为UPM=−Vπ/2U_{\rm{PM}}=-V_\pi/2UPM=−Vπ/2）组成

传输函数Eout(t)=12Ein⋅(cosϕI(t)2+jsinϕQ(t)2)E_{\rm{out}}(t)=\frac{1}{2}E_{\rm{in}}\cdot \left( \rm{cos} \frac{\phi_I(t)}{2}+j \rm{sin} \frac{\phi_Q(t)}{2} \right)Eout(t)=21Ein⋅(cos2ϕI(t)+jsin2ϕQ(t))
其中，同相分路中MZM产生的相差为： ϕI(t)=uI(t)Vπ1\phi_{\rm{I}}(t)=\frac{u_I(t)} {V_{{\pi1}}}ϕI(t)=Vπ1uI(t)，正交分路产生的相差为：ϕQ(t)=uQ(t)Vπ2\phi_{\rm{Q}}(t)=\frac{u_Q(t)} {V_{{\pi2}}}ϕQ(t)=Vπ2uQ(t)。

电吸收光调制器（EAM）

通过一个外部电压，可以对其带隙进行调制，从而改变设备的吸收特性。驱动电压低，会产生剩余啁啾效应。

光传输函数
Eout=Ein⋅d(t)⋅exp(jα2ln⁡[d(t)])E_{\rm{out}}=E_{\rm{in}}\cdot \sqrt{d(t)}\cdot exp(\frac{j\alpha}{2}\ln[d(t)])Eout=Ein⋅d(t)⋅exp(2jαln[d(t)])
其中，功率传输函数d(t)=(1−m)+mdata(m)d(t)=(1-m)+mdata(m)d(t)=(1−m)+mdata(m),mmm是调制器的调制系数，data(m)data(m)data(m)是调制电信号。
Pout=∣Eout∣2=Pin⋅((1−m)+m⋅data(t))P_{\rm{out}}=|E_{\rm{out}}|^2=P_{\rm{in}}\cdot \left((1-m)+m \cdot data(t)\right)Pout=∣Eout∣2=Pin⋅((1−m)+m⋅data(t))

单载波高阶调制

为了满足下一代密集波分复用（DWDM）系统不断增长的带宽要求，高频谱效率传输十分重要，基于偏振复用和相干检测的多维多阶调制格式，其频谱效率高且在抗色散和非线性效应等损耗方面表现出明显优势，被认为是解决不断增长的带宽需求的最佳传输技术。要实现多维多阶信号的光调制，必须完成原始的光信号到光载波参量的映射，主要基于MZM和PM的串并配置。其中，串联方案基于级联思想，对输入光场的信号一级一级进行调制，最后实现对光信号的调制；并行方案则通过并联多个MZM调制器来实现多路二进制数字信号到上述光信号的映射；也可以采用串并混合的方式实现电信号到光信号的调制。

QPSK实现方式

并联式（双平衡MZM调制器）
如图所示，QPSK信号由两路正交的BPSK信号干涉产生。其中E1=EinejπckE_1=E_{\rm{in}}e^{j\pi c_k}E1=Einejπck，E2=Einejπ(dk+0.5)E_2=E_{\rm{in}}e^{j\pi( d_k+0.5)}E2=Einejπ(dk+0.5),输出为Eout=Ein(ejπck+ejπ(dk+0.5))E_{out}=E_{\rm{in}}(e^{j\pi c_k}+ e^{j\pi( d_k+0.5)} )Eout=Ein(ejπck+ejπ(dk+0.5))，ckc_kck和dkd_kdk为两路输入数据比特序列。
级联式
如图，QPSK在0.5π0.5\pi0.5π相位调制器的旋转作用下实现，Eout=Einejπ(ck+0.5dk)E_{\rm{out}}=E_{\rm{in}}e^{j\pi( c_k+0.5d_k)}Eout=Einejπ(ck+0.5dk)

由于相位调制器PM会将驱动电流的抖动转化为光信号的抖动，使在带宽受限的系统中串联MZM形式的QPSK调制器性能比较差，故实际应用中多采用并联式。

8PSK实现方式

级联式
前3个调制器分别提供0/π0/\pi0/π、0/0.5π0/0.5\pi0/0.5π、0/0.25π0/0.25\pi0/0.25π的相位调制，输出分别为Eout1=EinejπckE_{\rm{out1}}=E_{\rm{in}}e^{j\pi c_k}Eout1=Einejπck
Eout2=Einejπ(ck+0.5dk)E_{\rm{out2}}=E_{\rm{in}}e^{j\pi( c_k+0.5d_{\rm{ k}})} Eout2=Einejπ(ck+0.5dk)
Eout3=Einejπ(ck+0.5dk+0.25ek)E_{\rm{out3}}=E_{\rm{in}}e^{j\pi( c_k+0.5d_{\rm{ k}}+0.25e_k)} Eout3=Einejπ(ck+0.5dk+0.25ek)
MZM2负责整形产生占空比为50%的RZ-8PSK信号。然而相移变化会引起非线性影响，引入不必要的信号啁啾。
并联式（QPMZM）

其中每一个MZM的偏置点都是0，光相位偏置分别为000、π/2\pi/2π/2、π/4\pi/4π/4、−π/4-\pi/4−π/4，驱动信号的波动幅度为2Vπ2V_\pi2Vπ，偏置电压不同。

可以减小频率啁啾引起的非线性效应，符号之间的传输是理想的线性轨道，集成度和性能得到了优化，但是对光学器件的成本和工艺提出了更严格的要求。但是有器件自身引起的非线性效应，采用预失真或相干接收并匹配相关算法。大多还是采用级联式。

串并混合式

首先通过并行模式产生QPSK信号，然后在π/4\pi/4π/4相位调制器的旋转作用下产生8PSK信号。性能改善但系统复杂度提高。

8QAM实现方式

光场的相位在调制的同时振幅也被调制。可以使用任意波形发生器（AWG），但在全光条件下难以实现。提出了一种全光条件下基于串行结构的8QAM调制方案。调制器由一个π/4\pi/4π/4偏置的双平衡的MZM调制器和一个（0，π/2\pi/2π/2）的相位调制器组成。将下图中的MZM2波动幅度设为VπV_{\rm{\pi}}Vπ,在其后级联一个5.7dB的光衰减器，也有相同的调制效果。

16QAM实现方式

使用AWG，先产生四阶强度信号，对I\rm{I}I光和Q\rm{Q}Q进行多阶强度调制，这样I\rm{I}IQ\rm{Q}Q光混叠后产生第一象限的星座点，再驱动相位调制器使得光信号相位发生旋转，从而使得星座点分布4个星座区域，最终生成16QAM光信号。
使用QPMZM，通过MZM产生BPSK再合成QPSK，通过衰减使两路QPSK有不同的幅度，使两路QPSK信号耦合生成16QAM信号。
先经过双平衡MZM结构产生直角4QAM星座点，再通过MZM3产生特殊8QAM星座点，在PM的作用下旋转作用下产生16QAM星座点¹。

高阶QAM调制

36QAM

通过AWG实现。在I\rm{I}I路和Q\rm{Q}Q路同时产生6阶的强度信号，驱动I\rm{I}IQ\rm{Q}Q调制器产生36QAM光信号。36QAM可以获得比32QAM更高的频谱效率，但需要采用非常复杂的多维信号编码/解码技术，采用预均衡和后均衡技术。

64QAM

全光的调制方案
6个平行的MZM、低损耗耦合器以及PLC集成在一起，通过3路QPSK信号耦合成光64QAM信号。需要具有高速光电响应和复杂光结构的集成光模块。
采用AWG方案
先产生电的64QAM信号，然后再通过IQ调制器调制到光上，产生光64QAM信号。通过AWG和DAC产生8阶强度信号。
E-O-E方案
采用电耦合器组合3个不同幅度的电信号获得8阶强度的电信号。采用RoF技术产生高质量的多阶光信号²。

1024QAM

采用AWG和DAC*产生基带的1024QAM信号，然后通过IQ调制器将基带1024QAM信号调制到光上，实现光1024QAM的调制（高阶调制格式的通用穿产生方式）。

软件定义收发机

提高比特率和频谱效率是下一代光传输系统最基本的要求，未来的光网络也突出了对灵活度的要求。以软件定义技术为支撑的通用可配置的发送机和接收机（软件定义光收发机SDOT）对于光传输系统和网络的优化利用有重要意义，可以实现更好的资源配置。
发展驱动力：①光电信号处理上的最新发展促进了发送技术的进步，使得可用的传输光纤带宽得到了最大化的利用。②实时DSP的快速发展使得其能够摆脱离线处理的障碍。
这一节主要讲述单载波光通信中的软件定义收发机（SDT）。

软件定义的多格式收发机（SPOT）

对于SDT，适应多格式调制、极化选择以及前向纠错是关键技术。SPOT实时生成BPSK、QPSK、4PAM、6PAM、8PSK、16QAM、32QAM和64QAM8种调制格式。

软件定义的偏振转换收发机（PS）

相比于偏振分路复用（PDM）-QPSK对于光噪声有着更好的抵抗性性能，对非线性的容错率也得到了提升，但频谱效率低。优点是能够对应于自适应比特率系统中的传统调制格式进行补充。
PS-QPSK的信号，并不是所有的4个QPSK字符都能在满足X独立四字符的Y的情况下被使用，即两个偏振方向的QPSK信号不完全独立。故其偏振解复用及均衡算法不同于PDM-QPSK。提出了改进的常数模算法；或者通过几个符号来延迟PS-QPSK发射机在X和Y偏振的相关数据电流驱动的IQ调制器，在偏振分支之间引入独立性，使用常规CMA

自适应复用PON的软件定义收发机

除了多格式调制和偏振转换，复用是实施SDOT的另一个潜在的方向。在这样的PON中的光线路终端（OLTs）和光网络单元（ONUs）中包含数字信号处理部分。
星座共享使得OLT可以同时给多个ONU发送多个数据，类似于OFDM和单载波的子载波复用（SCM）。ONU的容量被OLT发送来的若干个比特的多电平调制信号所分割，该比特的分配由每一个ONU使用的辨别规则所决定，实现不同模式的比特分配方法。
下面是一个数字软件PON系统应用星座共享的一个例子。在发送的3bit中，1bit在幅度方向调制，其余2bit是相位方向调制。引入Rds=Ds1/Ds2\rm{Rds}=Ds1/Ds2Rds=Ds1/Ds2，大的Rds\rm{Rds}Rds值改善了幅度方向的接收灵敏度，小的Rds\rm{Rds}Rds值改善相位方向的接收灵敏度。所以通过调整Rds\rm{Rds}Rds的值来找到在幅度方向和相位方向的接收灵敏度之间的权衡问题。

具体解释可参看P31~32. ↩︎
具体解释可参看P33~35. ↩︎