文章目錄

• • • 調制格式概述
    • 光調制器
    • • • 相位調制器（PM）
        • 馬赫-曾德調制器（MZM）
        • 光IQ調制器
        • 電吸收光調制器（EAM）
    • 單載波高階調制
    • • QPSK實現方式
      • 8PSK實現方式
      • 8QAM實現方式
      • 16QAM實現方式
      • 高階QAM調制
      • • 36QAM
        • 64QAM
        • 1024QAM
    • 軟件定義收發機
    • • 軟件定義的多格式收發機（SPOT）
      • 軟件定義的偏振轉換收發機（PS）
      • 自適應復用PON的軟件定義收發機

為了更進一步增加系統容量和降低成本，實現高速大容量光信號長距離的傳輸，先進光調制格式成為國際上光通信技術研究的熱點。這一章首先對單載波光調制格式進行總體介紹，并對實現光調制的光調制器的原理進行詳細闡述，對QPSK、16QAM以及高階QAM等單載波先進調制格式的實現方式、產生原理進行分析介紹；最后講述單載波光通信中的軟件定義收發機（SDT）。

調制格式概述

$$E(t)=\underset{\text{幅度}}{\sqrt{P(t)}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}?\underset{\text{載波頻率}}{{\omega }_0(t)}t?\underset{\text{相位}}{?(t)}?\underset{\text{偏振}}{\hat{x}(t)}$$

• 高數據速率傳輸方案

  • 三種數據調制格式：強度調制（ASK,IM）、頻率調制（FSK、CPFST）、相位調制（PSK、DPSK）、偏振相移鍵控（Pol-SK要求在接受機端有靈活的偏振管理，接收機復雜度增加。應用較少）。

  • 偏振復用：相同波長不同信號可以用兩個正交的偏振態傳輸以提高信號的頻譜效率。

  • 偏振交叉：相鄰的WDM信道間采用交互的偏振態來減少信道間的非線性作用和交叉干擾。

  • 由于相干檢測技術以及數字信號處理技術的應用，將傳輸光纖中波長決定的隨機性偏振變化引入的復雜度轉移到了離線的數字信號處理中，減少了接收機的復雜度。

光調制器

光調制器是一種將承載信息的電信號轉換為光信號的變換器件，將電信號調制到光源產生的光載波上，實現光信號傳輸。基于材料的電光效應，即電光材料的折射率隨施加的外電壓而產生的光波傳播速度和相位的變化從而實現對激光的相位、頻率和幅度的調制。

• 直接調制發射機啁啾效應使光頻譜展寬，對密集波分復用信道的隔離不利，且會加劇由于光纖色散效應引起的信號失真，應用較少。

• 外調制發射機
  可以用來調制不同格式的光調制，在正弦信號的驅動下還可以產生多波長光源，應用廣泛。

相位調制器（PM）

傳輸函數$${?}_{PM}(t)=\frac{2\pi }{\lambda }?k\Delta n_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}L?u(t)$$
半波電壓$$V_{\pi }=\frac{\lambda }{2k{\Delta }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}L}$$
關系$${?}_{PM}(t)=\frac{u(t)}{V_{\pi }}\pi$$

馬赫-曾德調制器（MZM）

由兩個PM平行組合而成，兩個PM進行相位調制后調相波相互干涉轉換為強度調制。

傳輸函數$$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}?\frac{1}{2}?\left(e^{j{?}_1(t)}+e^{j{?}_2(t)}\right)$$
其中，上臂位移${?}_1(t)=\frac{u_1(t)}{V_{\pi 1}}\pi$,下臂位移${?}_2(t)=\frac{u_2(t)}{V_{\pi 2}}\pi$
工作模式

• push-push模式，上下臂位移相同，對信號是相位調制。
• push-pull模式，上下臂位移相反即${?}_1(t)=?{?}_2(t)$，$u_1(t)=?u_2(t)=1/2u(t)$,輸出得到強度調制的光信號。輸入和輸出光信號表示為：$$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}?\frac{1}{2}?\left(e^{j{?}_1(t)}+e^{j{?}_2(t)}\right)=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}?cos\left(\frac{u(t)}{2V_{\pi }}\right)\pi$$

光IQ調制器

由兩個MZM和一個90°相移器（使PM的偏置電壓為$U_{\mathrm{P}\mathrm{M}}=?V_{\pi }/2$）組成

傳輸函數$$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}(t)=\frac{1}{2}{E}_{\mathrm{i}\mathrm{n}}?\left(\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\frac{{?}_{\mathrm{I}}(\mathrm{t})}{2}+\mathrm{j}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{{?}_{\mathrm{Q}}(\mathrm{t})}{2}\right)$$
其中， 同相分路中MZM產生的相差為： ${?}_{\mathrm{I}}(t)=\frac{u_I(t)}{V_{\pi 1}}$， 正交分路產生的相差為：${?}_{\mathrm{Q}}(t)=\frac{u_Q(t)}{V_{\pi 2}}$。

電吸收光調制器（EAM）

通過一個外部電壓，可以對其帶隙進行調制，從而改變設備的吸收特性。驅動電壓低，會產生剩余啁啾效應。

• 光傳輸函數
  $$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}?\sqrt{d(t)}?exp(\frac{j\alpha }{2}\ln [d(t)])$$
  其中，功率傳輸函數$d(t)=(1?m)+mdata(m)$,$m$是調制器的調制系數，$data(m)$是調制電信號。
  $$P_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=|E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}{|}^2=P_{\mathrm{i}\mathrm{n}}?\left((1?m)+m?data(t)\right)$$

單載波高階調制

為了滿足下一代密集波分復用（DWDM）系統不斷增長的帶寬要求，高頻譜效率傳輸十分重要，基于偏振復用和相干檢測的多維多階調制格式，其頻譜效率高且在抗色散和非線性效應等損耗方面表現出明顯優勢，被認為是解決不斷增長的帶寬需求的最佳傳輸技術。要實現多維多階信號的光調制，必須完成原始的光信號到光載波參量的映射，主要基于MZM和PM的串并配置。其中，串聯方案基于級聯思想，對輸入光場的信號一級一級進行調制，最后實現對光信號的調制；并行方案則通過并聯多個MZM調制器來實現多路二進制數字信號到上述光信號的映射；也可以采用串并混合的方式實現電信號到光信號的調制。

QPSK實現方式

• 并聯式（雙平衡MZM調制器）
  如圖所示，QPSK信號由兩路正交的BPSK信號干涉產生。其中$E_1=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{e}^{j\pi c_k}$，$E_2=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{e}^{j\pi (d_k+0.5)}$,輸出為$E_{out}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}(e^{j\pi c_k}+e^{j\pi (d_k+0.5)})$，$c_k$和$d_k$為兩路輸入數據比特序列。
  

• 級聯式
  如圖，QPSK在$0.5\pi$相位調制器的旋轉作用下實現，$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{e}^{j\pi (c_k+0.5d_k)}$
  

由于相位調制器PM會將驅動電流的抖動轉化為光信號的抖動，使在帶寬受限的系統中串聯MZM形式的QPSK調制器性能比較差，故實際應用中多采用并聯式。

8PSK實現方式

• 級聯式
  前3個調制器分別提供$0/\pi$、$0/0.5\pi$、$0/0.25\pi$的相位調制，輸出分別為$$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}1}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{e}^{j\pi c_k}$$
  $$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}2}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{e}^{j\pi (c_k+0.5d_{\mathrm{k}})}$$
  $$E_{\mathrm{o}\mathrm{u}\mathrm{t}3}=E_{\mathrm{i}\mathrm{n}}{e}^{j\pi (c_k+0.5d_{\mathrm{k}}+0.25e_k)}$$
  MZM2負責整形產生占空比為50%的RZ-8PSK信號。然而相移變化會引起非線性影響，引入不必要的信號啁啾。
  

• 并聯式（QPMZM）

  其中每一個MZM的偏置點都是0，光相位偏置分別為$0$、$\pi /2$、$\pi /4$、$?\pi /4$，驅動信號的波動幅度為$2V_{\pi }$，偏置電壓不同。
  

可以減小頻率啁啾引起的非線性效應，符號之間的傳輸是理想的線性軌道，集成度和性能得到了優化，但是對光學器件的成本和工藝提出了更嚴格的要求。但是有器件自身引起的非線性效應，采用預失真或相干接收并匹配相關算法。大多還是采用級聯式。

• 串并混合式

  首先通過并行模式產生QPSK信號，然后在$\pi /4$相位調制器的旋轉作用下產生8PSK信號。性能改善但系統復雜度提高。

8QAM實現方式

光場的相位在調制的同時振幅也被調制。可以使用任意波形發生器（AWG），但在全光條件下難以實現。提出了一種全光條件下基于串行結構的8QAM調制方案。調制器由一個$\pi /4$偏置的雙平衡的MZM調制器和一個（0，$\pi /2$）的相位調制器組成。將下圖中的MZM2波動幅度設為$V_{\pi }$,在其后級聯一個5.7dB的光衰減器，也有相同的調制效果。

16QAM實現方式

• 使用AWG，先產生四階強度信號，對$\mathrm{I}$光和$\mathrm{Q}$進行多階強度調制，這樣$\mathrm{I}$$\mathrm{Q}$光混疊后產生第一象限的星座點，再驅動相位調制器使得光信號相位發生旋轉，從而使得星座點分布4個星座區域，最終生成16QAM光信號。
• 使用QPMZM，通過MZM產生BPSK再合成QPSK，通過衰減使兩路QPSK有不同的幅度，使兩路QPSK信號耦合生成16QAM信號。
  
• 先經過雙平衡MZM結構產生直角4QAM星座點，再通過MZM3產生特殊8QAM星座點，在PM的作用下旋轉作用下產生16QAM星座點¹。

高階QAM調制

36QAM

通過AWG實現。在$\mathrm{I}$路和$\mathrm{Q}$路同時產生6階的強度信號，驅動$\mathrm{I}$$\mathrm{Q}$調制器產生36QAM光信號。36QAM可以獲得比32QAM更高的頻譜效率，但需要采用非常復雜的多維信號編碼/解碼技術，采用預均衡和后均衡技術。

64QAM

• 全光的調制方案
  6個平行的MZM、低損耗耦合器以及PLC集成在一起，通過3路QPSK信號耦合成光64QAM信號。需要具有高速光電響應和復雜光結構的集成光模塊。
• 采用AWG方案
  先產生電的64QAM信號，然后再通過IQ調制器調制到光上，產生光64QAM信號。通過AWG和DAC產生8階強度信號。
• E-O-E方案
  采用電耦合器組合3個不同幅度的電信號獲得8階強度的電信號。采用RoF技術產生高質量的多階光信號²。

1024QAM

采用AWG和DAC*產生基帶的1024QAM信號，然后通過IQ調制器將基帶1024QAM信號調制到光上，實現光1024QAM的調制（高階調制格式的通用穿產生方式）。

軟件定義收發機

提高比特率和頻譜效率是下一代光傳輸系統最基本的要求，未來的光網絡也突出了對靈活度的要求。以軟件定義技術為支撐的通用可配置的發送機和接收機（軟件定義光收發機SDOT）對于光傳輸系統和網絡的優化利用有重要意義，可以實現更好的資源配置。
發展驅動力：①光電信號處理上的最新發展促進了發送技術的進步，使得可用的傳輸光纖帶寬得到了最大化的利用。②實時DSP的快速發展使得其能夠擺脫離線處理的障礙。
這一節主要講述單載波光通信中的軟件定義收發機（SDT）。

軟件定義的多格式收發機（SPOT）

對于SDT，適應多格式調制、極化選擇以及前向糾錯是關鍵技術。SPOT實時生成BPSK、QPSK、4PAM、6PAM、8PSK、16QAM、32QAM和64QAM8種調制格式。

軟件定義的偏振轉換收發機（PS）

相比于偏振分路復用（PDM）-QPSK對于光噪聲有著更好的抵抗性性能，對非線性的容錯率也得到了提升，但頻譜效率低。優點是能夠對應于自適應比特率系統中的傳統調制格式進行補充。
PS-QPSK的信號，并不是所有的4個QPSK字符都能在滿足X獨立四字符的Y的情況下被使用，即兩個偏振方向的QPSK信號不完全獨立。故其偏振解復用及均衡算法不同于PDM-QPSK。提出了改進的常數模算法；或者通過幾個符號來延遲PS-QPSK發射機在X和Y偏振的相關數據電流驅動的IQ調制器，在偏振分支之間引入獨立性，使用常規CMA

自適應復用PON的軟件定義收發機

除了多格式調制和偏振轉換，復用是實施SDOT的另一個潛在的方向。在這樣的PON中的光線路終端（OLTs）和光網絡單元（ONUs）中包含數字信號處理部分。
星座共享使得OLT可以同時給多個ONU發送多個數據，類似于OFDM和單載波的子載波復用（SCM）。ONU的容量被OLT發送來的若干個比特的多電平調制信號所分割，該比特的分配由每一個ONU使用的辨別規則所決定，實現不同模式的比特分配方法。
下面是一個數字軟件PON系統應用星座共享的一個例子。在發送的3bit中，1bit在幅度方向調制，其余2bit是相位方向調制。引入$\mathrm{R}\mathrm{d}\mathrm{s}=\mathrm{D}\mathrm{s}1/\mathrm{D}\mathrm{s}2$，大的$\mathrm{R}\mathrm{d}\mathrm{s}$值改善了幅度方向的接收靈敏度，小的$\mathrm{R}\mathrm{d}\mathrm{s}$值改善相位方向的接收靈敏度。所以通過調整$\mathrm{R}\mathrm{d}\mathrm{s}$的值來找到在幅度方向和相位方向的接收靈敏度之間的權衡問題。

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具體解釋可參看P31~32. ??

具體解釋可參看P33~35. ??

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《基于数字信号处理的相干光通信技术》读书笔记chapter II——单载波先进调制格式的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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