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(shí)代來(lái)臨，數(shù)據(jù)中心正積極將基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)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(jī)制，改用復(fù)數(shù)調(diào)制技術(shù)，從而降低光波信號(hào)占用的帶寬，同時(shí)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(duì)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(chǎng)悄無(wú)聲息的革命已開始在世界各地的數(shù)據(jù)中心蔓延開來(lái)。

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(yùn)算（HPC）服務(wù)器。隨著CPU性能和RAM等級(jí)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(wèn)題，幾乎不到一秒就可完成。

過(guò)去，只有擁有自己的數(shù)據(jù)中心的大型企業(yè)，才能夠進(jìn)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(gè)人營(yíng)銷。不過(guò)現(xiàn)在有許多專為中小企業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，可在云端儲(chǔ)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(yíng)銷活動(dòng)效益。透過(guò)云端服務(wù)，無(wú)力負(fù)擔(dān)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(diǎn)進(jìn)行快速數(shù)據(jù)分析。 不久的將來(lái)，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(fèi)狀況，進(jìn)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(zhǔn)備好要迎接數(shù)據(jù)革命，但更重要的問(wèn)題是，外部基礎(chǔ)設(shè)施是否能跟上這個(gè)潮流。數(shù)據(jù)量的爆炸性成長(zhǎng)，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(lái)的傳輸瓶頸，則須同時(shí)提高光纖網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸效率。不久的將來(lái)，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(jī)制將無(wú)法因應(yīng)這個(gè)變化。

和電子信號(hào)傳輸一樣，光數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)剛開始也是采用最簡(jiǎn)單、成本最低的數(shù)字編碼機(jī)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(shí)信號(hào)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(dá)40Gb/s，這個(gè)概念就會(huì)面臨限制。

在速率達(dá)40Gbit/s以上時(shí)出現(xiàn)的另一個(gè)限制因素是，由于時(shí)鐘速率過(guò)高，信號(hào)占用帶寬會(huì)大于50GHz ITU通道帶寬。如圖1所示，當(dāng)帶寬通道變大，就會(huì)開始與相鄰的通道重迭，而波長(zhǎng)濾光器會(huì)改變信號(hào)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(shí)際減少的占用帶寬跟不同的符號(hào)時(shí)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(shí)，當(dāng)傳輸速率達(dá)100Gb/s或更高，會(huì)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(gè)問(wèn)題。

由于相干檢測(cè)技術(shù)可提供完整的光場(chǎng)（OpTIcal Field）信息，這些新概念還允許用戶在處理信號(hào)時(shí)，執(zhí)行色散（CD）和極化模式色散（PMD）補(bǔ)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(jìn)行傳播，因折射角度不同，所以產(chǎn)生了色散;如果不加以補(bǔ)償，會(huì)造成信號(hào)質(zhì)量降低。傳輸距離越長(zhǎng)，色散問(wèn)題就越嚴(yán)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(bǔ)償器或色散補(bǔ)償光纖（DCF）來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就不會(huì)出現(xiàn)這些模塊所導(dǎo)致的延遲。

復(fù)數(shù)調(diào)制機(jī)制參考振幅和頻率或相位等光波參數(shù)來(lái)進(jìn)行編碼，以提高帶寬使用效率。多年來(lái)無(wú)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(yùn)用這些不同技術(shù)來(lái)增進(jìn)光譜效率的構(gòu)想。最下方是簡(jiǎn)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?yàn)镼PSK可編碼二位符號(hào)。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(shí)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(jìn)一步縮小占用帶寬后，用戶可以100Gb/s的速率，透過(guò)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(qiáng)化帶寬/信噪比效能 光譜傳輸加速升級(jí)

上面的方法看起來(lái)好像萬(wàn)無(wú)一失，只要不再遇到其他問(wèn)題就好了。但是，事情當(dāng)然不會(huì)這么簡(jiǎn)單。

早在1940年代，美國(guó)數(shù)學(xué)家和電子工程師，同時(shí)也是信息論之父Claude Shannon發(fā)現(xiàn)，傳輸信道最大的無(wú)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(hào)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(shí)上，Shannon–Hartley定理僅提供理論上的最大值，卻未指出那一種信號(hào)傳輸法可讓用戶最接近此極限值。

實(shí)作時(shí)，SNR是最根本的限制因素。因此，從現(xiàn)在到未來(lái)，業(yè)界都須持?jǐn)喔倪M(jìn)這個(gè)問(wèn)題，以達(dá)成Shannon極限值。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)100Gb/s，就需更出色的SNR性能，以便在給定帶寬下進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。

Ellis、Zhao和Cotter利用這些范例參數(shù)，來(lái)仿真相關(guān)傳輸和檢測(cè)類型的信息光譜密度C/B（圖4）。進(jìn)行非線性傳輸時(shí)，信息光譜密度不會(huì)隨著發(fā)射功率光譜密度而無(wú)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(guò)如果是進(jìn)行純線性傳輸，就不會(huì)遇到這種問(wèn)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(cè)法（僅萃取振幅信息），完全無(wú)法與復(fù)數(shù)調(diào)制信號(hào)之相干檢測(cè)法相抗衡。毫無(wú)疑問(wèn)的，不同類型的復(fù)數(shù)調(diào)制法，對(duì)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(hào)與第一光波信號(hào)進(jìn)行正交極化處理，以便透過(guò)同一光纖傳輸不同的數(shù)據(jù)。如此一來(lái)，用戶不須要增加第二條光纖就可以擁有第二個(gè)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(gè)共同點(diǎn)，就是將多個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)串流綁在一起，并經(jīng)由同一條光纜進(jìn)行傳輸。此外，使用者還可使用脈沖整形濾波器（Pulse Shaping Filter），進(jìn)一步降低信號(hào)占用的帶寬。