光学信号编码和解码过程界定了光纤传输系统的操作极限。 由于网络流量尺度向每秒容量的倾斜,将电位转换成光和回转的效率决定了全球基础设施的经济和技术可行性。 对工程师和网络建筑师来说,理解这些原则对于设计能达到最大范围、容量和可靠性的系统至关重要。

编码: 将比特映射到光子状态

编码是将数字电位流转换成调制光学波形的过程,所选编码方案直接决定了带宽单位的信息密度,称为光谱效率(用b/s/Hz测量). 光谱效率,功耗,噪音豁免之间的权衡,指导特定应用的调制格式的选择.

强度调制:On-Off 键和NRZ

最简单的编码格式是On-Off Keying(OOK),其中二进制1对应于高光学功率水平,二进制0对应于低光学功率水平。在实践中,采用不返回零(NRZ)线码执行,激光在整个位期内一直保持。OOK/NRZ的优点是收发机简单,只需要直接调制激光或外部调制器和简单的光二极管接收器。主要限制是光谱效率差,通常在分散处罚无法管理之前将单波长数据率限制在10Gbps或25Gbps。

多层次编码:脉冲振幅模(PAM4)

为了在不按比例增加带宽的情况下提高比特率,PAM4用四个不同的振幅级别将两个比特映射到每个传输符号中,例如,比特"00"可能映射到最低的功率水平,而"11"映射到最高. PAM4是IEEE 802.3bs 400 GbE标准的基础,用于短距离链接(2-10公里). PAM4通过将比特数翻倍,利用为25 GHz或50 GHz信号设计的电子,每个车道达到50 Gbps或100 Gbps. 然而,四个级别之间的过渡更加接近,使得信号对噪音更加敏感,需要更高的光学信号对噪声比(OSNR)比比二进化NRZ.

相和四方调制( 编码协调)

对于长航线和地铁网络,编码必须利用光学载体的相位来达到光谱效率最大化. Quadrative Phase Shift键(QPSK) 编码每个符号的两个位,方法是在四个状态(0°,90°,180°,270°)之间转换光学相位,移动到16QAM(Quadrature Amplude Modulement) 通过将振幅和相位变化结合起来,每个符号编码四个位,这些格式是使用嵌入式I/Q调制结构的Mach-Zehnder调制器(MZM)执行的. 调制格式的选择遵循了基本的权衡:更高顺序格式(64QAM,256QAM) 组合了更多的位,但需要指数更高的OSNR,限制了传输距离.

双聚变(DP)编码

能力缩放的一种必不可少的技术是双极化编码,它利用单模纤维中两个正极化的光态. 通过独立编码X和Y两极化的数据,光谱效率可以加倍,而不需要额外的光学带宽. 标准一致的收发机使用DP-QPSK(4位/同位素)或DP-16QAM(8位/同位素),接收器必须精确跟踪和补偿纤维中随机的极化旋转,这是高级数字信号处理(DSP)算法处理的任务.

对于关于一致性调制格式的详细技术初级读物,Cisco/Acacia 一致性光学白皮书对I/Q调制和双极化架构提供了深入的解释.

解码: 接收器处理链

解码是编码的反向,但由于传输过程中引入的物理障碍,解码要明显复杂得多. 接收器在转换回电位之前必须恢复输入信号的准确相,频率,极化,以及时间.

直接检测与协同检测

直接检测,与OOK和PAM4一起使用,用光二极管测量进射光的瞬间功率。这种方法简单、低功率、低价,但会丢弃所有相位信息。相位调制信号所需的一致检测,将进射信号与局部振荡激光混合在90度光学混合中。这种混合过程恢复了信号的全电场,为在两极管上同时进入相位(I)和相位(Q)两个元件提供了通道。回收的模拟信号代表完整的光学场,从而能够对线性损伤进行数字补偿。

模拟到数字转换和DSP

由80GSa/s至200GSa/s的超高速ADC将来自统一接收器的模拟信号数字化。

  • 色散补偿(CDC): 散频域滤波器反射纤维的累积色散,可涂抹脉冲在数千个位段.
  • 聚变分解: 适应性时域均匀器(使用诸如常数Modulus算法或决定-Directed LMS等算法)将X和Y两极分流支流分离,并补偿极化模式分散(PMD).
  • Carrier Recovery:[相和频估计环消除了发射机和LO激光器的频率偏移和相位噪声. Viterbi-Viterbi相位估计器等算法是QPSK信号的标准.
  • 符号符号的符号符号的符号解码:处理后,符号被映射回位元,并且应用了前向错误校正(FEC)解码.

转发错误校正( FEC) 解码

FEC是编码/解码过程的一个组成部分. 在传输器中,结构冗余被添加到数据流中. 在接收器中,FEC解码器使用这种冗余来识别和纠正由噪音和扭曲引入的位错误. 现代光学网络使用强大的软解析FEC(SD-FEC)代码. SD-FEC使用来自ADC的多位可靠性度量衡(log-likelihd 比率),与较旧的硬解码相比,提供了显著的编码收益(通常为10-12 dB). OIF400ZR标准定义了基于阶梯码的特定开放FEC(oFEC),使得不同供应商的收发报器之间能够互通的错误校正.

系统设计、链接预算和标准

编码方案的选择会直接影响系统链接预算。工程师们必须用目标前FEC比特错误率(BER)计算给定调制格式可用的OSNR相对于所需的OSNR。

OSNR和到达计算

更高顺序的调制格式(如DP-64QAM)需要更高的OSNR来实现一个比较低的调制格式(如DP-QPSK)更高的BER. 光学放大器(EDFAs)添加噪音(ASE),在距离上降解OSNR,因此光谱效率和传输范围之间有直接的权衡.

  • DP-QPSK:~12 dB OSNR 需要,在潜艇系统中,到达一般是几千公里.
  • DP-16QAM:~18 dB OSNR 需要,距离一般是地铁和长途数百公里.
  • PAM4(直接探测): 低OSNR耐受度,与远距离一致格式相比,但由于功率和耐受度较低,对短距离( < 10公里)而言效率很高。

互操作性标准

互操作性由定义特定编码,解码,以及FEC参数的标准机构强制实施.

  • IEEE 802.3bs(400GbE):定义PAM4编码,用于短程(SR8,DR4,FR8)和长程(LR8)光学接口.
  • OIF 400ZR:定义了DCI(80-120 km)的一致DP-QPSK/DP-16QAM执行,它规定了调制格式,DSP功能,以及OFEC,以确保多版本互操作性.
  • ITU-T G.709:定义光学运输网络(OTN)绘图和FEC标准(如G.975.1)用于长途传输.

对于目前可插合的整齐光学规格,OIF 400ZR执行协议[是明确的参考.

光学融合和未来方向

这些高级编码和解码过程的应用依赖于光子集成技术. 硅光子(SiPh)和Indium Phosphide(InP)平台允许将调制器,光二极管,波长多极管集成到紧凑,功率高效的模块中. 下一代光学接口正向每波长800Gbps和1.6Tbps推进.

800G和1.6T 进化

为了达到这些比率,该行业正在采取几个平行的轨道:

  • 高保德率: 将符号率从~60-90GBaud提高到200+GBaud需要更高速度的电子和光子.
  • 高级调制:[] 时域混合QAM和概率星座形状(PCS)将编码格式适应了准确的信道条件,在逐条链接的基础上实现最大吞吐量.
  • 共包光学(CPO): 光学发动机直接与开关ASIC结合,以减少极高接口速度(1.6T+)的功耗和电损.
  • Machine Learning for DSP: 神经网络正在探索非线性补偿和优化解码,有可能解锁比传统DSP算法更高的性能.

结论

光学信号编码和解码技术正在迅速发展,以满足对带宽的不耐烦需求. 从OOK的简单到形状的DP-256QAM与SD-FEC的复杂性,编码方案的选择定义了光纤系统的基本性能包. 工程师必须掌握调制格式,DSP复杂度,系统覆盖度之间的权衡,设计高效,高容量的网络. 光学编码和解码原理仍然是光学网络未来的核心智力基础.