光通信的最強(qiáng)進(jìn)階科普2

█ 光相位調(diào)制

接下來(lái)，我們講講光相位調(diào)制。（敲黑板，這部分可是重點(diǎn)?。?/p>

其實(shí)剛才我們已經(jīng)講到了相位，不過(guò)那個(gè)是借助相位差產(chǎn)生幅度差，依舊屬于幅度調(diào)制。

首先，我們回憶一下高中（初中？）的數(shù)學(xué)知識(shí)——虛數(shù)和三角函數(shù)。

在數(shù)學(xué)中，虛數(shù)就是形如a+b*i的數(shù)。實(shí)部a可對(duì)應(yīng)平面上的橫軸，虛部b與對(duì)應(yīng)平面上的縱軸，這樣虛數(shù)a+b*i可與平面內(nèi)的點(diǎn)(a,b)對(duì)應(yīng)。

大家應(yīng)該還記得，坐標(biāo)軸其實(shí)是可以和波形相對(duì)應(yīng)的，如下：

波形，其實(shí)又可以用三角函數(shù)來(lái)表示，例如：

多么優(yōu)美，多么妖嬈~

X = A * sin（ωt+φ）= A * sinθ

Y = A * cos（ωt+φ）= A * cosθ

ω是角速度，ω=2πf，f是頻率。

φ是初相位，上圖為0°。

還記得不？把A看出幅度，把θ看成相位，就是電磁波的波形。

θ=0°，sinθ=0

θ=90°，sinθ=1

θ=180°，sinθ=0

θ=270°，sinθ=-1

好了，基礎(chǔ)知識(shí)復(fù)習(xí)完畢，現(xiàn)在進(jìn)入正文。

首先，我們介紹一下， 星座圖 。

其實(shí)剛才介紹MZ調(diào)制器相位變化的時(shí)候，已經(jīng)看到了星座圖的影子。下面這幾張圖圖，都屬于星座圖。圖中的黑色小點(diǎn)，就是星座點(diǎn)。

大家會(huì)發(fā)現(xiàn)，星座圖和我們非常熟悉的縱橫坐標(biāo)系很像。是的，星座圖里的星座點(diǎn)，其實(shí)就是振幅E和相位Ф的一對(duì)組合。

就要提出 I/Q調(diào)制 （不是智商調(diào)制啊!）。

I，為in-phase，同相或?qū)嵅俊，為quadrature phase，正交相位或虛部。所謂正交，就是相對(duì)參考信號(hào)相位有-90度差的載波。

我們繼續(xù)來(lái)看。

在星座圖上，如果幅度不變，用兩個(gè)不同的相位0和180°，表示1和0，可以傳遞2種符號(hào)，就是 BPSK （Binary Phase Shift Keying，二進(jìn)制相移鍵控）。

BPSK

BPSK是最簡(jiǎn)單最基礎(chǔ)的PSK，非常穩(wěn)，不容易出錯(cuò)，抗干擾能力強(qiáng)。但是，它一個(gè)符號(hào)只能傳送1個(gè)比特，效率太低。

于是，我們升級(jí)一下，搞個(gè) QPSK （Quadrature PSK，正交相移鍵控）。

QPSK，是具有4個(gè)電平值的四進(jìn)制相移鍵控（PSK）調(diào)制。它的頻帶利用率，是BPSK的2倍。

圖片來(lái)自是德科技

隨著進(jìn)制的增加，雖然頻帶利用率提高，但也帶來(lái)了缺點(diǎn)——各碼元之間的距離減小，不利于信號(hào)的恢復(fù)。特別是受到噪聲和干擾時(shí)，誤碼率會(huì)隨之增大。

為解決這個(gè)問(wèn)題，我們不得不提高信號(hào)功率（即提高信號(hào)的信噪比，來(lái)避免誤碼率的增大），這就使功率利用率降低了。

有沒(méi)有辦法，可以兼顧頻帶利用率和各碼元之間的距離呢？

有的，這就引入了 QAM （Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制）。

QAM的特點(diǎn)，是各碼元之間不僅相位不同，幅度也不同。它屬于相位與幅度相結(jié)合的調(diào)制方式。

大家看下面這張動(dòng)圖，就明白了：

Amp，振幅。Phase，相位。

其實(shí)，QPSK就是電平數(shù)為4的QAM。上圖是16QAM，16個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)4bit（0000，0001，0010等）。

64QAM的話，64個(gè)符號(hào)（2的n次方，n=6），每個(gè)符號(hào)6bit（000000，000001，000010等）。

QPSK這種調(diào)制，到底是怎么搗鼓出來(lái)的呢？

我們可以看一個(gè)通過(guò)MZ調(diào)制器搗鼓QPSK的圖片：

圖片來(lái)自是德科技

在發(fā)射機(jī)中，電比特流被一個(gè)多路復(fù)用器分成信號(hào)的I和Q部分。這兩部分中的每一部分都直接調(diào)制MZ調(diào)制器一只臂上的激光信號(hào)的相位。另一個(gè)MZ調(diào)制器把較低的分支相移π?2。兩個(gè)分支重組后，結(jié)果是一個(gè)QPSK信號(hào)。

高階QAM的調(diào)制難度更大。限于篇幅，下次我再專門(mén)給大家解釋。

此前介紹無(wú)線通信調(diào)制的時(shí)候，說(shuō)過(guò)5G和Wi-Fi 6都在沖1024QAM。那么，光通信是不是可以搞那么高階的QAM呢？

不瞞您說(shuō)，還真有人這么干了。

前幾年，就有公司展示了基于先進(jìn)的星系整形算法和奈奎斯特副載波技術(shù)的1024QAM調(diào)制，基于66Gbaud波特率，實(shí)現(xiàn)了1.32Tbps下的400公里傳輸，頻譜效率達(dá)到9.35bit/s/Hz。

不過(guò)，這種高階調(diào)制仍屬于實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)有商用（也不知道有沒(méi)有可能商用）。目前實(shí)際應(yīng)用的，好像沒(méi)有超過(guò)256QAM。

高階QAM雖然帶來(lái)了傳輸速率的大幅提升，但對(duì)元器件性能要求很高，對(duì)芯片算力的要求也高。而且，如果信道噪聲或干擾太大，還是會(huì)出現(xiàn)剛才所說(shuō)的高誤碼率問(wèn)題。

1024QAM，密集恐懼癥的節(jié)奏

在相同的30G+波特率下，16QAM的光信噪比（OSNR）比QPSK高出約5dB。隨著星座中星座點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，16QAM的OSNR將呈指數(shù)增長(zhǎng)。

因此，16QAM或更高階QAM的傳輸距離將被進(jìn)一步限制。

為了進(jìn)一步榨干光纖通信的帶寬潛力，廠商們祭出了新的大殺器，那就是—— 相干光通信 。下期，小棗君將詳細(xì)給大家介紹。

**█ **PAM4和偏振復(fù)用

文章的最后，再說(shuō)說(shuō)兩個(gè)“翻倍”技術(shù)——PAM4和PDM偏振多路復(fù)用。

先說(shuō)PAM4。

在PAM4之前，我們傳統(tǒng)使用的都是NRZ。

NRZ，就是Non-Return-to-Zero的縮寫(xiě)，字面意思叫做“不歸零”，也就是不歸零編碼。

采用NRZ編碼的信號(hào)，就是使用高、低兩種信號(hào)電平來(lái)表示傳輸信息的數(shù)字邏輯信號(hào)。

NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。

單極性不歸零碼，“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和零電平，或負(fù)電平和零電平。

單極性不歸零碼

雙極性不歸零碼，“1”和“0”分別對(duì)應(yīng)正電平和等效負(fù)電平。

雙極性不歸零碼

所謂“不歸零”，不是說(shuō)沒(méi)有“0”，而是說(shuō)每傳輸完一位數(shù)據(jù)，信號(hào)無(wú)需返回到零電平。（顯然，相比RZ，NRZ節(jié)約了帶寬。）

在光模塊調(diào)制里面，我們是用激光器的功率來(lái)控制0和1的。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是發(fā)光，實(shí)際發(fā)射光功率大于某門(mén)限值，就是1。小于某門(mén)限值，就是0。

傳輸011011就是這樣：

NRZ調(diào)制

后來(lái)，正如前文所說(shuō)，為了增加單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)倪壿嬓畔?，就搞出了PAM4。

PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調(diào)制。它是一種高級(jí)調(diào)制技術(shù)，采用4個(gè)不同的信號(hào)電平來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳輸。

還是傳輸011011，就變成這樣：

PAM4調(diào)制

這樣一來(lái)，單個(gè)符號(hào)周期表示的邏輯信息，從NRZ的1bit，變成了2bit，翻了一倍。

NRZ VS PAM4 （右邊是眼圖）

那么問(wèn)題來(lái)了，如果4電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個(gè)8電平、16電平、32電平？速度隨便翻倍，豈不爽歪歪？

答案是不行。

主要原因，還是在于激光器的技術(shù)工藝。實(shí)現(xiàn)PAM4，需要激光器能夠做到對(duì)功率的精確控制。

如果工藝不OK，搞更高位數(shù)電平，就會(huì)造成很高的誤碼率，無(wú)法正常工作。即便是PAM4，如果信道噪聲太大，也是不能正常工作的。

什么是PDM偏振多路復(fù)用呢？

PDM偏振多路復(fù)用，就是Polarization Division Multiplexing。

不知道大家有沒(méi)有看過(guò)我之前寫(xiě)過(guò)的關(guān)于天線的文章。天線里面，有一個(gè)雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉(zhuǎn)動(dòng)”90度，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立的電磁波傳輸。

天線的雙極化

偏振復(fù)用的道理，其實(shí)也差不多。它利用光的偏振維度，在同一波長(zhǎng)信道中，通過(guò)光的兩個(gè)相互正交偏振態(tài)，同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立數(shù)據(jù)信息，以此達(dá)到提升系統(tǒng)總?cè)萘康哪康摹?/p>

它等于實(shí)現(xiàn)了雙通道傳輸，和PAM4一樣，翻了一倍。

PDM偏振復(fù)用，X偏振和Y偏振，各自獨(dú)立

圖片來(lái)自是德科技

好啦，以上就是今天文章的全部?jī)?nèi)容。感謝大家的耐心觀看，我們下期介紹相干光通信，不見(jiàn)不散喲！