要點(diǎn)

•運(yùn)營(yíng)商要在現(xiàn)有的光纖" title="光纖">光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量,，而這些光纖原設(shè)計(jì)用于10 Gbps甚至2.5 Gbps光鏈路,。
•DWDM（密集波分復(fù)用）系統(tǒng)不能使用100 Gbps數(shù)據(jù)流,，因?yàn)橛朽彽来當(dāng)_問(wèn)題。
•QPSK" title="QPSK">QPSK（正交相移鍵控）信號(hào)要比NRZ（不歸零）信號(hào)對(duì)噪聲和非線性相位失真更加敏感,。

　　對(duì)更龐大數(shù)據(jù)流量的需求似乎永無(wú)止境,，并且其加速度遠(yuǎn)超出很多人的預(yù)期，因而造成了光纖網(wǎng)絡(luò)上的瓶頸,。各家公司正在推介的100 Gbps的數(shù)字傳輸應(yīng)能緩解一下這類(lèi)瓶頸,。一年前，圍繞100 Gbps鏈路的大多數(shù)工作開(kāi)始在短距離上采用10個(gè)10 Gbps的通道（lane）,。自那以后,，Verizon公司部署了第一個(gè)長(zhǎng)距離100 Gbps鏈路,，它采用了四個(gè)25 Gbps 通道（參考文獻(xiàn)1）,。伴隨它而來(lái)的是光通信中以前從未使用過(guò)的復(fù)雜調(diào)制。

　　新的調(diào)制方法必須能處理長(zhǎng)距離傳輸,。短距離通信即所謂的園區(qū)與本地城域網(wǎng)中的客戶(hù)端,，它們不需要復(fù)雜的調(diào)制，因?yàn)榫嚯x很短,，足以容納較高的速度（圖1）,。對(duì)客戶(hù)端，當(dāng)距離遠(yuǎn)至40 km時(shí),，100 Gbps鏈路可以使用四個(gè)25 Gbps的通道,。IEEE 802.3ba就定義了這些數(shù)據(jù)鏈路（參考文獻(xiàn)2）。由于短距離100 Gbps鏈路要在一根光纖上使用四種波長(zhǎng),，甚至要在最短距離上使用10根10 Gbps的光纖,，因此，可能需要更多光纖來(lái)增加現(xiàn)有的10 Gbps速度,。在短距離上安裝額外的光纖花費(fèi)并不高,，如在一個(gè)園區(qū)網(wǎng)的建筑之間。

　　圖1，運(yùn)營(yíng)商用一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路的線路端作城際間的長(zhǎng)距離傳輸,?？蛻?hù)端傳輸則用于連接園區(qū)和本地城市地區(qū)。

　　長(zhǎng)距離傳輸?shù)那闆r就完全不同了,，每家服務(wù)供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的“線路端”都需要傳輸數(shù)百公里的距離,。為了補(bǔ)償增加的通道而加光纖，成本太高昂了,。Tektronix公司產(chǎn)品工程師Pavel Zivny說(shuō)：“運(yùn)營(yíng)商要在現(xiàn)有的光纖中擠進(jìn)100 Gbps的流量,，其中很多原來(lái)設(shè)計(jì)用于10 Gbps，有些甚至是為2.5 Gbps光纖鏈路而設(shè)計(jì)的,。”

　　要簡(jiǎn)單地將一個(gè)100 Gbps NRZ（不歸零）流硬塞入現(xiàn)有光纖,，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)前的DWDM（密集波分復(fù)用）光纖采用各信道之間50 GHz的間隔,。盡管對(duì)采用NRZ調(diào)制的10 Gbps數(shù)據(jù)流,，這個(gè)信道間隔足夠用了，但對(duì)100 Gbps NRZ流則太窄,。LeCroy公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Mike Schnecker認(rèn)為：“你不能直接將100 Gbps流加在載波上,。”原因是：對(duì)一個(gè)100 Gbps NRZ信號(hào)，每一比特的寬度只有10 ps,。

　　Anritsu公司的光產(chǎn)品專(zhuān)員Hiroshi Goto則稱(chēng)：“由于鄰道的串?dāng)_問(wèn)題,，DWDM系統(tǒng)中不能使用100 Gbps數(shù)據(jù)流。PMD（極化模式色散）和CD（色散）阻止了這種情況,。有太多的失真,。脈沖失真與重疊。”

　　為解決這個(gè)問(wèn)題,，OIF（光互連論壇）建議采用復(fù)雜調(diào)制,，從而能以現(xiàn)有光纖，在每秒每赫茲內(nèi)裝入更多比特,。OIF提議采用QPSK（正交相移鍵控）和雙極化,，在一個(gè)單波長(zhǎng)上實(shí)現(xiàn)100 Gbps流量。QPSK常見(jiàn)于數(shù)字RF通信,，但對(duì)光纖通信是新鮮東西,。

　　一個(gè)100 Gbps鏈路包含了兩個(gè)極化——TE（橫電）與TM（橫磁）的兩個(gè)50 Gbps流，它們?cè)趦蓚€(gè)正交的極化平面上傳輸,。每個(gè)50 Gbps流都包含25G符號(hào)/秒,。QPSK調(diào)制可將2個(gè)比特封裝在一個(gè)符號(hào)內(nèi)。由于QPSK信號(hào)是以?xún)蓚€(gè)極化面?zhèn)鬏?，因此它可以叫做DP-QPSK（雙極化QPSK）,，或叫PM-QPSK（極化模式QPSK）,；兩個(gè)詞語(yǔ)都經(jīng)常使用，可以互換,。本文在指雙極化時(shí)使用DP-QPSK,，而單極化時(shí)用QPSK。

　　復(fù)雜調(diào)制

　　圖2表示了調(diào)制過(guò)程,。單個(gè)100 Gbps碼流被分成TE與TM極化,。這一步驟產(chǎn)生出相同頻率的兩個(gè)載波。然后,，每個(gè)載波去做I/Q（同相/正交）調(diào)制,，得到兩個(gè)25G符號(hào)/秒的流?？傆?jì)為100 Gbps,，但實(shí)際的數(shù)據(jù)速率略高些（見(jiàn)附文1《一個(gè)G里有什么》）。圖2中的極性分離器出現(xiàn)在QPSK調(diào)制器以前,。有些收發(fā)器設(shè)計(jì)可能會(huì)先放I/Q調(diào)制器,，然后再將調(diào)制后的信號(hào)分離為兩個(gè)極性。

　　圖2，一個(gè)100 Gbps的發(fā)送機(jī)將一束激光分離成兩個(gè)極化面,，然后將四個(gè)25 Gbps數(shù)據(jù)流調(diào)制在一根單波長(zhǎng)光纖上,。

　　QPSK調(diào)制是響應(yīng)進(jìn)入的碼對(duì)（00、01,、10,、11），對(duì)光載波作移相,，在每個(gè)符號(hào)放2 個(gè)比特,。每個(gè)符號(hào)代表2比特。接收器將每個(gè)符號(hào)解調(diào)為2個(gè)比特,，獲得一個(gè)50 Gbps的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。另外,，比特要在調(diào)制前做預(yù)編碼,，調(diào)制后作解碼（參考文獻(xiàn)3）。然后,，接收器對(duì)進(jìn)入的DP-QPSK信號(hào)作解調(diào)和解碼,，產(chǎn)生四個(gè)25 Gbps的電信號(hào)。

　　QPSK信號(hào)中每符號(hào)承載的比特?cái)?shù)是NRZ信號(hào)的兩倍,。因此,，當(dāng)兩種調(diào) 制所產(chǎn)生的信號(hào)通過(guò)光纖時(shí),，其降級(jí)程度也有區(qū)別。EXFO Sweden總監(jiān)Peter Andrekson解釋說(shuō),，QPSK信號(hào)較NRZ信號(hào)對(duì)噪聲和非線性相位失真更加敏感,。他說(shuō)：“由于對(duì)噪聲的敏感度較高，QPSK調(diào)制信號(hào)需要的功率高于NRZ信號(hào),。”

 　　不過(guò),，QPSK信號(hào)也有一個(gè)較NRZ信號(hào)的重要優(yōu)勢(shì)。即在相同碼率下,，它們對(duì)于來(lái)自色散和群延時(shí)的誤碼不太敏感,。這是因?yàn)?00 Gbps數(shù)據(jù)的一個(gè)UI（單位間隔）寬度為10 ps。由于線路傳輸采用的是四個(gè)25 Gbps 通道,，因此每個(gè)符號(hào)寬度為40 ps,，它有較低的帶寬。

　　一個(gè)25G符號(hào)/秒流的40 ps寬符號(hào)比較短,，需要的帶寬高于一個(gè)10 Gbps,、100 ps寬的NRZ信號(hào)。因此,，25G符號(hào)/秒信號(hào)要比10 Gbps NRZ信號(hào)對(duì)色散的誤差更加敏感,，但對(duì)降級(jí)的敏感度小于100 Gbps NRZ信號(hào)。Andrekson解釋說(shuō)：“在一個(gè)確定碼率下,，復(fù)雜性和SNR（信噪比）以及色散容限和硬件帶寬之間存在著一個(gè)折中,。”

　　DP-QPSK技術(shù)如此之新，現(xiàn)在還沒(méi)有用于線路端的收發(fā)器模塊,。Finisar公司高級(jí)技術(shù)師Chris Cole解釋說(shuō),，線路端的收發(fā)模塊要大于客戶(hù)端的模塊（圖3），現(xiàn)在正在確定一個(gè)多實(shí)體協(xié)議（參考文獻(xiàn)4）,。Cole指出,，設(shè)計(jì)者甚至可以將線路端的收發(fā)器實(shí)現(xiàn)為一個(gè)線路卡，而不是模塊,。

光收發(fā)器" title="光收發(fā)器">光收發(fā)器是基于針對(duì)一個(gè)線路卡尺寸以及電氣連接的CFP多源協(xié)議" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/1e59864a-fd46-4e1f-9418-ce47d627dd71.jpg" />

　　圖3,，用于客戶(hù)端傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)器是基于針對(duì)一個(gè)線路卡尺寸以及電氣連接的CFP多源協(xié)議（Finisar公司提供）。

　　測(cè)試也要改變

　　從NRZ向DP-QPSK調(diào)制的轉(zhuǎn)移為光纖前端的測(cè)試帶來(lái)了星座圖,。盡管星座圖在RF無(wú)線傳輸中很常見(jiàn),，但對(duì)光通信還是新鮮事物。對(duì)一個(gè)QPSK傳輸做的第一個(gè)測(cè)量就是星座圖,。星座圖提供了有關(guān)傳輸信號(hào)完整性的信息,。色散與非線性都可以造成信號(hào)的降級(jí)，從而產(chǎn)生失真,。圖4表示了一個(gè)DP-QPSK信號(hào)中兩極性的星座圖,。圖4中,，星座的點(diǎn)清晰可見(jiàn)，但經(jīng)過(guò)了太多失真后就可能變得模糊不清,。

　　圖4中右下角的兩個(gè)波形顯示了經(jīng)QPSK調(diào)制的信號(hào)波幅（上）和相位（下）,。注意相位角圖上有明顯的不連續(xù)。它們?cè)从谙嘁?，因?yàn)镼PSK調(diào)制中是成對(duì)比特的編碼,。

　　在測(cè)試光DP-QPSK信號(hào)時(shí)，可以使用光調(diào)制,，或采用一臺(tái)光信號(hào)分析儀,。這些儀器可生成星座圖，將其解碼為電子數(shù)據(jù)流,，并將其顯示為眼圖,。服務(wù)于這個(gè)市場(chǎng)的公司有安捷倫科技、安立,、EXFO以及Optametra公司,，而Optametra公司的產(chǎn)品采用的是Tektronix示波器。

　　Finisar公司的Cole稱(chēng)：“對(duì)100 Gbps長(zhǎng)程光波還不存在測(cè)試規(guī)范,，因此測(cè)試設(shè)備制造商必須與光模塊制造商交流,，看他們需要測(cè)量些什么。每家公司都有不同的需求,。”Cole還指出,，測(cè)試設(shè)備必須能支持28G和32G符號(hào)/秒的信號(hào)。“現(xiàn)在有可以運(yùn)行在22G符號(hào)/秒的DP-QPSK測(cè)試系統(tǒng),，用于40Gbps鏈路,，但新設(shè)備要能運(yùn)行在28G和32G符號(hào)/秒，才能支持100 Gbps
鏈路,。”

　　對(duì)光收發(fā)器接收端的測(cè)試更是懸而未決,，因?yàn)樯胁淮嬖趯?duì)壓力接收機(jī)（stressed-receiver）的測(cè)試規(guī)范。Cole稱(chēng)測(cè)試設(shè)備必須能夠生成DP-QPSK信號(hào),，但這種要求可能產(chǎn)生一些控制缺陷,，如色散和極化模式色散。這些缺陷會(huì)使TE和TM載波通過(guò)光纖時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),。經(jīng)過(guò)解調(diào)和解碼后,，這些缺陷一定會(huì)產(chǎn)生出壓力眼圖，因此一旦成為電子形式,，工程師就可以對(duì)其作測(cè)量。

　　圖4亦顯示了兩個(gè)眼圖（右上角）,，表示一個(gè)極化的兩個(gè)25Gbps 通道,。Cole說(shuō)：“你還必須看眼圖遮罩的余量,、抖動(dòng)，以及消光比,；這與10 Gbps鏈路是一樣的,。”

　　圖4，星座圖將成為分析DP-QPSK調(diào)制信號(hào)的一個(gè)主流工具（EXFO提供）,。

　　現(xiàn)在,，工程師們可以用示波器和BER（誤碼率）測(cè)試儀來(lái)分析眼圖了。有些工程師會(huì)使用高帶寬的示波器去捕捉DP-QPSK信號(hào),。LeCroy公司的Schnecker說(shuō)：“由于作了調(diào)制,，接收器處的信號(hào)看上去像噪聲。信號(hào)不再是重復(fù)的,，因此你需要一臺(tái)實(shí)時(shí)示波器,。”Tektronix公司的Zivny曾與一些工程師在DP-QPSK信號(hào)上用過(guò)實(shí)時(shí)示波器。一臺(tái)四通道示波器就可以看到全部四個(gè)有高時(shí)基相關(guān)性的經(jīng)解碼解調(diào)的數(shù)據(jù)流,。

　　開(kāi)發(fā)DP-QPSK收發(fā)器的工程師們還用BER測(cè)試儀為一個(gè)QPSK信號(hào)的每個(gè)I和Q相生成25 Gbps的數(shù)據(jù)流,。他們還使用BER測(cè)試儀測(cè)量在已調(diào)制和編碼信號(hào)上的BER。安捷倫技術(shù)公司與SyntheSys Research公司的BER測(cè)試儀最高可以測(cè)到
28 Gbps的數(shù)據(jù)速率,。

　　今后幾年,，業(yè)界將繼續(xù)發(fā)展

　　100 Gbps的線路端傳輸。測(cè)試規(guī)范也將出現(xiàn),，光模塊制造商會(huì)與測(cè)試設(shè)備制造商及標(biāo)準(zhǔn)化團(tuán)體合作,，確定測(cè)試方面的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出測(cè)試?yán)膛c設(shè)備 ,。

 　　附文1：一個(gè)G里有什么,？

　　“100G”、“40G”和“25G”這些術(shù)語(yǔ)均指一個(gè)光鏈路中的數(shù)據(jù)流量,。由于格式化和FEC（前向糾錯(cuò)）原因,，實(shí)際的數(shù)據(jù)流要高于數(shù)字所表示的值。

　　例如,，一個(gè)100 GbE（千兆以太網(wǎng)）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率實(shí)際上是103.125 Gbps,，但數(shù)據(jù)流量是25 Gbps。因此,，每個(gè)25 Gbps的通道上實(shí)際為客戶(hù)端承載了25.78125 Gbps（26 Gbps）,。因此，如果一個(gè)測(cè)試設(shè)備制造商聲稱(chēng)自己的產(chǎn)品有26 Gbps速度,，就意味著該產(chǎn)品覆蓋了25.78125 Gbps數(shù)據(jù)速率,。另外對(duì)于以太網(wǎng)客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò)，也在考慮一個(gè)27.739 Gbps（28 Gbps）的數(shù)據(jù)速率,。

　　對(duì)于線路端網(wǎng)絡(luò),，長(zhǎng)距離傳輸鏈路需要額外的FEC,。有7% FEC的100 Gbps鏈路線路速率大約為112 Gbps，轉(zhuǎn)換到每個(gè)通道上就是約28 Gbps,。根據(jù)光互連論壇的“100G超長(zhǎng)距離DWDM框架文件”,，準(zhǔn)確的速率尚未確定（參考文獻(xiàn)A）。這些傳輸也可以采用較高的20% FEC開(kāi)銷(xiāo),，這樣碼率會(huì)增加到大約32 Gbps,。

　　參考文獻(xiàn)

　　A. “100G Ultra Long Haul DWDM Framework Document,” Optical Internetworking Forum, www.oiforum.com/public/documents/OIF-FD-100G-DWDM-01.0.pdf.

　　參考文獻(xiàn)

1.“Verizon Deploys Commercial 100G Ultra-Long-Haul Optical System on Portion of Its Core European Network,” Verizon, Dec 14, 2009.
2. Di Minico, Chris, “802.3ba Cu specifications,” Jan 2008, IEEE.
3.“Trends and Issues in Ultra-High-Speed Transmission Technologies: For the implementa-tion of 100 GbE/40 GbE and long haul transmission by optical modulation,” Technical Note, Anritsu, 2009.
4.“CFP Multi-Source Agree-ment Draft 1.0,” March 23, 2009.