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光调制( 光调制原理及方法)

       学习这件事不在乎有没有人教你,最重要的是在于自己有没有觉悟和恒心。     —法拉第(M.Faraday)

一、光调制——让光携带声音和数字信号

       在无线电广播和通信系统中,调制是用数字或模拟信号改变电载波的幅度、频率或相位的过程。改变载波的幅度调制叫非相干调制,而改变载波的频率或相位调制叫相干调制。调幅收音机是非相干调制,而调频收音机是相干调制。
       与无线电通信类似,在光通信系统中,也有非相干调制和相干调制。非相干调制有直接调制和外调制两种,前者是信息信号直接调制光源的输出光强,后者是信息信号通过外调制器对连续输出光的幅度或相位或偏振进行调制,如图6.4.1所示。
直接强度光调制(IM/DD)和外调制的比较
图6.4.1 直接强度光调制(IM/DD)和外调制的比较
a)直接调制b)副载波调制(SCM)c)外调制
       激光器发出的光波是一种平面电磁波,式(2.1.2)描述沿z方向传输的电场,也可以写成
 光调制(图2)
        如图6.4.2b所示,这里E0(t)是以光频f(t)振荡的光波电场振幅包络,φ(t)是它的相位。从原理上讲,不论改变这3个参数中的哪一个,都可以实现调制。改变E0(t)的调制是幅度调制,如图6.4.2c所示;改变f(t)的调制是频率调制,如图6.4.2f所示;改变φ(t)的调制是相位调制,如图6.4.2 g所示。另外还有一种调制,那就是改变光的偏振方向,如图6.4.2e所示。图6.4.2a表示用快速上下移动快门,使光波间断通过遮光板的孔洞,从而实现光的脉冲调制,其调制图形如图6.4.2d所示。
        早期,所有实用化的光纤通信系统都是采用非相干的强度调制——直接检测(IM/DD)方式,这类系统成熟、简单、成本低、性能优良,已经在电信网中获得广泛的应用。然而,这种IM/DD方式没有利用光载波的相位和频率信息,从而限制了其性能的进一步改进和提高。近来,调制信号相位的正交相移键控(QPSK),以及在QPSK的基础上,又进行偏振复用的差分正交相移键控(PM-QPSK),技术已经成熟,在高速光纤通信系统中得到了广泛应用。
 光调制(图3)
图6.4.2光的各种调制方式
a)脉冲调制b)光波的振荡波形c)幅度调制d)脉冲调制
e)偏振调制f)频率调制g)相位调制

二、 先进光调制技术——QPSK调制和QAM调制

1. 正交技术产生通用光发送机
        第1代和第2代光纤通信系统,采用直接调制LD,即电信号直接用开关键控(OOK)方式调制激光器的强度。但在非相干接收的波分复用系统和高速相干检测系统中,直接调制激光器可能出现的线性调频,使输出线宽增大,色散引入脉冲展宽,使信道能量损失,并产生对邻近信道的串扰,从而成为系统设计的主要限制。所以必须采用把激光产生和调制过程分开的外调制,以避免这些有害影响。外调制是电信号通过由电光晶体制成的MZ调制器对LD发射的连续光进行调制,如图6.4.1c所示。
任何带通信号均可以表示为
 光调制(图4)
式中,ωc=2πfc,是载波角频率。Re表示函数的实部,g(t)是υ(t)的复包络。
        将复包络表示成直角坐标系中的两个实数,得到
 光调制(图5)
式中,x(t)=Re{g(t)},称为υ(t)的同向(I)分量;y(t)=Im[g(t)],称为υ(t)的正交(Q)分量。
       在现代通信系统中,带通信号通常被分开送入两个信道。一个传送x(t)信号,称为同向(I)信道;一个传送y(t)信号,称为正交(Q)信道。如果采用复包络g(t)代替带通信号υ(t),则采样率最小,因为g(t)是带通信号的等效基带信号。
        在通信发送机中,输入信号s(t)调制载波频率为fc的载波信号,产生式(6.4.2)表示的已调信号υ(t)。由此可以得到一个通用发送机模型,如图6.4.3a所示。
        信息率用比特速率(bit/s)表示,即每秒传输的比特数,用于二进制信号;符号率用波特(baud)表示,它表示每秒传输的符号数(Symbol/s),用于多进制信号。但有时还会采用术语波特率来代替波特。对于二进制信号,每秒传输的比特数等于符号数,但是对于多进制信号,则是不等的。
        图6.4.3b表示以QPSK调制为例的星座图。星座图是指用数字信号矢量绘成的数字信号n维图。具有4个电平值的四进制相移键控(PSK)调制,称为正交相移键控(QPSK)调制,它是电平数为4的正交幅度调制(QAM),其复包络g(t)=Aeejθ(t)是4个电平值的4个g值(一般是复数),对应于θ的4个可能相位。假如数模转换器(DAC)允许的多电平值是-3、-1、+1和+3,分别对应的载波相位就是45°、135°、225°和315°,图6.4.3b表示出相对应的4个点(符号),即π/4、3π/4、-3π/4和-π/4,分别传输互不相同的2个比特信息,即00、01、11和10信息。
2. I/Q调制器
       正交技术产生的通用光发送机中,载波信号发生器使用一个激光器,相乘器采用4.1.2节介绍过的马赫-曾德尔调制器(MZM),分别接收I信道信号和Q信道信号的调制,从而实现I/Q光调制,如图6.4.4所示。LD激光器发出的cos(ωct)光信号在到达MZM2前移相π/2,变为与I信道正交的sin(ωct)光信号,接收Q信道的调制。在I/Q光调制器内,I/Q光信号经过2×1光电耦合器,相当于通用发射机中的相加器(∑),合成一路输出光信号,携带着电数据υ(t)=x(t)cos(ωct)-y(t)sin(ωct)信号。
 光调制(图6)
图6.4.3正交技术产生的通用QPSK光发送机
a)通用发送机b)以QPSK调制为例表示的信号星座图
 光调制(图7)
图6.4.4用马赫-曾德尔调制器构成的通用正交调制光发送机
3.16QAM调制
       在高速光发送机中,通常在高速DAC前增加一个数字信号处理器(DSP),对输入电数据信号进行调制格式映射,比如2mQAM调制器,当m=4时,该调制器就是16QAM调制器,此时的DSP要对输入数据进行16QAM比特/符号映射、奈奎斯特脉冲整形、傅里叶变换,在频域进行预均衡等。DAC输出一个n波特(baud)数字信号,在I/Q马赫-曾德尔光调制器被调制,输出一个m×nGbit/s的数字信号,如图6.4.5a所示。对于16QAM调制,每个符号(电平)携带4个互不相同的比特信号,如图6.4.5b所示。如果DAC取样率为80GSa/s,输出65Gbaud的信号,则I/Q调制器的输出为m×n=(4bit/s)/Symbol×65Gbaud=260Gbit/s的数字信号。对于偏振复用/相干检测系统,则经偏振复用后,就变成520Gbit/s信号,其净荷就是400Gbit/s信号。
用数模转换器(DAC)实现16QAM信号
图6.4.5 用数模转换器(DAC)实现16QAM信号
a)实现原理图b)星座图
       这种结构实现各种QAM调制简单而灵活,所以,这种方式在400G光传输系统中常被采用。