采用DQPSK調(diào)制與PDM技術(shù)提高光纖鏈路的數(shù)據(jù)傳輸

因應(yīng)大數(shù)據(jù)時代來臨，數(shù)據(jù)中心正積極將基礎(chǔ)設(shè)施升級至100Gbit/s或更高速的光纖網(wǎng)絡(luò)，并舍棄傳統(tǒng)開關(guān)鍵控（On-off-keying， OOK）數(shù)據(jù)編碼機制，改用復(fù)數(shù)調(diào)制技術(shù)，從而降低光波信號占用的帶寬，同時減少延遲發(fā)生，以提高光纖鏈路的數(shù)據(jù)傳輸效率。

一般使用者到現(xiàn)在還是搞不清楚“云端”、“大數(shù)據(jù)（Big Data） ”、“數(shù)據(jù)挖掘”等，到底對自己的生活有何影響，許多專家也努力嘗試定義這些新名詞。值得留意的是，一場悄無聲息的革命已開始在世界各地的數(shù)據(jù)中心蔓延開來。

全球各地正在興建許多新的數(shù)據(jù)中心，而最新一代的中央處理器（CPU）也開始用于新一代高效能運算（HPC）服務(wù)器。隨著CPU性能和RAM等級不斷升高，而且延遲顯著減少，要在眾多服務(wù)器間映像大量的數(shù)據(jù)早已不成問題，幾乎不到一秒就可完成。

過去，只有擁有自己的數(shù)據(jù)中心的大型企業(yè)，才能夠進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)挖掘，以分析極其龐大的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如根據(jù)不同客戶的喜好推廣個人營銷。不過現(xiàn)在有許多專為中小企業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)設(shè)施，可在云端儲存并分析大數(shù)據(jù)，讓這些公司能夠獲得最佳的供應(yīng)鏈、營銷活動效益。透過云端服務(wù)，無力負擔服務(wù)器建置成本的小企業(yè)，現(xiàn)在可用最低的成本，在任何地點進行快速數(shù)據(jù)分析。 不久的將來，即便是家小咖啡館，也可以分析大量的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化天氣數(shù)據(jù)，以便掌握客戶在不同氣候和節(jié)日的消費狀況，進而在多雨的星期天烘焙出數(shù)量恰到好處的蛋糕、松餅和餅干。

采用DQPSK/PDM技術(shù) 光纖數(shù)據(jù)傳輸率激增

如前所述，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)準備好要迎接數(shù)據(jù)革命，但更重要的問題是，外部基礎(chǔ)設(shè)施是否能跟上這個潮流。數(shù)據(jù)量的爆炸性成長，使得骨干網(wǎng)絡(luò)面臨極巨大的挑戰(zhàn)，如果不希望骨干網(wǎng)絡(luò)成為未來的傳輸瓶頸，則須同時提高光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率。不久的將來，光纖基礎(chǔ)設(shè)施必須能支持100Gbit/s或更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)編碼機制將無法因應(yīng)這個變化。

和電子信號傳輸一樣，光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)剛開始也是采用最簡單、成本最低的數(shù)字編碼機制，即回返歸零（RZ）或是非回返歸零（NRZ）開關(guān)鍵控（On-Off-Keying， OOK）。此時信號是理想的1（電源開啟）、0（電源關(guān)閉）矩形序列，但如果傳輸速率高達40Gb/s，這個概念就會面臨限制。

在速率達40Gbit/s以上時出現(xiàn)的另一個限制因素是，由于時鐘速率過高，信號占用帶寬會大于50GHz ITU通道帶寬。如圖1所示，當帶寬通道變大，就會開始與相鄰的通道重迭，而波長濾光器會改變信號的形狀，導(dǎo)致串音干擾和調(diào)制信息惡化。結(jié)果，開發(fā)人員只好放棄OOK并改用差分正交相移鍵控（DQPSK）這類的復(fù)數(shù)調(diào)制（Complex Modulation）技術(shù)。復(fù)數(shù)調(diào)制技術(shù)可減少所須占用的帶寬，實際減少的占用帶寬跟不同的符號時鐘速率也就是和波特率

（Baud Rate）有關(guān)，而且可在50GHz的ITU通道中支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1　使用OOK技術(shù)時，當傳輸速率達100Gb/s或更高，會開始出現(xiàn)信道干擾或調(diào)制數(shù)據(jù)惡化，而復(fù)數(shù)調(diào)制技術(shù)可以解決這個問題。

由于相干檢測技術(shù)可提供完整的光場（OpTIcal Field）信息，這些新概念還允許用戶在處理信號時，執(zhí)行色散（CD）和極化模式色散（PMD）補償。

色散的原理是，不同的光波根據(jù)其頻率和極化特性，以不同的速率進行傳播，因折射角度不同，所以產(chǎn)生了色散;如果不加以補償，會造成信號質(zhì)量降低。傳輸距離越長，色散問題就越嚴重。

利用復(fù)數(shù)光調(diào)制技術(shù)，開發(fā)人員毋須使用PMD補償器或色散補償光纖（DCF）來進行補償，這樣就不會出現(xiàn)這些模塊所導(dǎo)致的延遲。

復(fù)數(shù)調(diào)制機制參考振幅和頻率或相位等光波參數(shù)來進行編碼，以提高帶寬使用效率。多年來無線工程師一直使用這種編碼方法，而光通訊產(chǎn)業(yè)最近也開始采用這種方法。

圖3提出如何結(jié)合運用這些不同技術(shù)來增進光譜效率的構(gòu)想。最下方是簡易的OOK，如果改用正交相移鍵控（QPSK），則可將OOK符碼率的傳輸速率提高一倍，因為QPSK可編碼二位符號。藉由使用極化復(fù)用（PDM）技術(shù)，傳輸速率還可再提高一倍。QPSK加PDM可讓使用者在相同時鐘速率下，獲得2×2=4倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。最后，利用脈沖整形濾波器進一步縮小占用帶寬后，用戶可以100Gb/s的速率，透過50GHz信道傳輸數(shù)據(jù)。

圖3　藉由結(jié)合使用不同的調(diào)制技術(shù)，光譜效率可迅速倍增。

強化帶寬/信噪比效能 光譜傳輸加速升級

上面的方法看起來好像萬無一失，只要不再遇到其他問題就好了。但是，事情當然不會這么簡單。

早在1940年代，美國數(shù)學家和電子工程師，同時也是信息論之父Claude Shannon發(fā)現(xiàn)，傳輸信道最大的無誤差數(shù)據(jù)傳輸速度，取決于噪聲和帶寬。他把此速率稱為“信道容量”，即眾所周知的“Shannon極限值”。

Shannon–Hartley定理：

信道容量：

Shannon–Hartley定理

其中，B是帶寬（Hz）、S是平均接收信號功率（W），而N是平均噪聲功率（W）。藉由增加帶寬，或是將信噪比（SNR=S/N）優(yōu)化，用戶可增加信道容量;事實上，Shannon–Hartley定理僅提供理論上的最大值，卻未指出那一種信號傳輸法可讓用戶最接近此極限值。

實作時，SNR是最根本的限制因素。因此，從現(xiàn)在到未來，業(yè)界都須持斷改進這個問題，以達成Shannon極限值。當數(shù)據(jù)傳輸速率超過100Gb/s，就需更出色的SNR性能，以便在給定帶寬下進行長距離傳輸。

Ellis、Zhao和Cotter利用這些范例參數(shù)，來仿真相關(guān)傳輸和檢測類型的信息光譜密度C/B（圖4）。進行非線性傳輸時，信息光譜密度不會隨著發(fā)射功率光譜密度而無限增加。由于光纖本身具有功率放大器的飽和效應(yīng)和非線性效應(yīng)，因此其信息光譜密度有最高上限。不過如果是進行純線性傳輸，就不會遇到這種問題。

圖4　圖中使用A. Ellis、J. Zhao和D. Cotter論文《接近非線性Shannon極限值》JLT 28（4）， 423-433中提出的每極化預(yù)期信息頻光譜密度限制的范例。

在圖4中，使用者可清楚看出，就信息光譜密度而言，OOK的直接檢測法（僅萃取振幅信息），完全無法與復(fù)數(shù)調(diào)制信號之相干檢測法相抗衡。毫無疑問的，不同類型的復(fù)數(shù)調(diào)制法，對于光傳輸方案開發(fā)人員能夠多接近Shannon光譜效率極限，有關(guān)鍵性影響。

除了復(fù)數(shù)調(diào)制法，另外還有其他方法也可提高光纖鏈路的數(shù)據(jù)傳輸效率，例如極化復(fù)用（PDM）技術(shù)（圖2）可將第二光波信號與第一光波信號進行正交極化處理，以便透過同一光纖傳輸不同的數(shù)據(jù)。如此一來，用戶不須要增加第二條光纖就可以擁有第二個信道，并將傳輸速度加快一倍。

圖2　極化復(fù)用技術(shù)

工程師現(xiàn)在還是持續(xù)使用波分復(fù)用 （WDM）等其他類型的多任務(wù)技術(shù)。這些技術(shù)有個共同點，就是將多個獨立的數(shù)據(jù)串流綁在一起，并經(jīng)由同一條光纜進行傳輸。此外，使用者還可使用脈沖整形濾波器（Pulse Shaping Filter），進一步降低信號占用的帶寬。