载波和副载波的定义是什么(副载波频分复用是什么意思)

大家好，今天的文章将重点介绍光通信的一些基础知识。

众所周知，我们现在整个通信网络对光通信技术有很大的依赖。我们的骨干网，光纤宽带，5G，都离不开光通信技术的支撑。

所谓光通信，就是利用光信号在光纤中承载信息、传输数据的技术。

光波是电磁波的一种，所以光信号也符合电磁波的物理特性。

基本上有三种方法可以改善光通信的信息传输:

第一个想法:提高信号的波特率。

波特率(波特率)，准确的说叫波特率，只是一种口语习惯。它的定义是:单位时间内传输的符号数。

波特率很好理解。我每秒传输的符号越多，当然信息量就越大。

目前，随着芯片加工工艺从16nm提高到7nm和5nm，光学器件和光电转换器件的波特率也从30+Gbaud提高到64+Gbaud、90+Gbaud甚至120+Gbaud。

然而，波特率不是无限的。越往高处走，技术越难实现。高波特率设备会带来一系列系统性能损害问题，需要更先进的算法和硬件来补偿。

需要注意的是，波特率不是比特率(传输速率)。

对于二进制信号，0和1，1符号为1位。那么每秒的符号数(波特率)就等于每秒的比特数(比特率，bit/s)。对于四进制信号，一个符号可以表示2个比特，每秒符号数× 2 =每秒比特数。

四进制，相同波特率，双倍比特率(双倍信息)

因此，为了增加每秒的比特数(信息传输速率)，我们需要一个能表示尽可能多比特的符号。怎么做？我们以后再谈。

第二个思路:多使用光纤或者通道。

光纤多了，这种想法容易粗暴。光纤数量越多，相当于一个车道变两个车道，四个车道，八个车道。当然，传输的信息量会翻倍。

然而，这种方法涉及投资成本。而且光纤太多的话，安装会很麻烦。

在一根光纤中设置多个通道是一种较好的方法。

通道数量可以是空通道或频率通道。

空之间的信道包括模式(单模/多模)、芯(多芯光纤)和偏振(后面讨论)。

频道，这就要提到WDM(波分复用技术)。它将不同的业务数据放在不同波长的光载波信号中，在一根光纤中传输。

WDM波分复用

波长×频率=光速(恒定值)，所以波分复用其实就是频分复用。

WDM的波数也不是无限的。每个波长必须在规定的波长范围内，之间要有保护间隔，否则很容易“死机”。

目前业界正在努力将光通信的频段扩展到“C+L”频段，可以实现192个波长，单波400G的话频谱带宽接近9.6THz，也就是192× 400 g = 76.8 tbps的传输速率。

第三个想法是高阶调制，我们今天将重点讨论这一点。

也就是采用更先进的调制技术，增加单个符号代表的比特(对应第一种思路)，然后提高比特率。

对于调制，大家都会比较熟悉。我们经常听说的PAM4、BPSK、QPSK、16QAM、64QAM都是调制技术。

之前给大家讲电信和移动通信的时候，我提到过，如果想让电磁波符号表达不同的信息，无非就是调整电磁波的几个物理维度。

常见的物理量纲是振幅、频率和相位。

光波也是电磁波，所以调制光波的思路基本是一样的。

光纤通信系统主要有六个物理维度进行复用，分别是:频率(波长)、幅度、相位、时间(OTDM)、空 (空复用)和偏振(PDM)。

█调幅

频率复用实际上是刚刚介绍的WDM波分复用。接下来，我们来看看调幅。

在早期的光通信系统中，我们使用的是直接调制激光器(DML)。属于强度(振幅)调制。

在直接调制中，电信号通过开关键控(OOK)直接调制激光的强度(振幅)。

这有点像我们的导航信号。亮的时候是1，暗的时候是0，一个符号一位。简单明了。

直接调制的优点是使用单一器件，成本低，附件损耗小。然而，它有许多缺点。其调制频率有限(与激光弛豫振荡有关)，会产生很强的频率啁啾，限制传输距离。直接调制激光器可能的啁啾会增加输出线宽，使色散引起的脉冲变宽，造成信道能量损失，造成对相邻信道的串扰(看不懂就跳过)。

因此，后来出现了外调制激光器(EML)。

在外部调制中，调制器作用于激光器外部的调制器。通过电光、热光或声光等物理效应，改变激光器发出的激光束的光学参数，从而实现调制。

如下图所示:

有两种常见的外部调制方式。

一种是EA电吸收调制。调制器与激光器集成在一起，将光强恒定的激光器的光送入EA调制器，相当于一个门，门的开启由电压控制。通过改变电场的大小，可以调节光信号的吸收率，进而实现调制。

还有一种，就是MZ调制器，即马赫-曾德尔马赫-曾德尔调制器。

在MZ调制器中，输入激光分为两路。通过改变施加于MZ调制器的偏置电压，两路光之间的相位差发生变化，然后它们在调制器的输出端叠加在一起。

电压如何产生相位差？

基于电光效应——某些晶体(如铌酸锂)的折射率n会随局部电场强度而变化。

如下图所示，两臂是双通路，一个是调制通路，一个是未调制通路。

当作用在调制路径上的电压改变时，该臂上的折射率n改变。光在介质中的传播速率v=c/n(光在true 空中的速率除以折射率)，所以光的传播速率V发生变化。

两条路径的长度相同。有的人先到，有的人后到，所以相位有区别。

如果两路光的相位差为0度，那么相加后振幅为1+1=2。

如果两路光的相位差是90度，那么相加后振幅就是2的平方根。

如果两路光的相位差为180度，那么相加后振幅为1-1=0。

你也应该想到，其实MZ调制器是基于双缝干涉实验的，和水波干涉的原理是一样的。

峰值叠加、峰谷抵消

█光学相位调制

接下来，我们讨论光学相位调制。(敲黑板，这部分是重点！)

其实刚才我们已经讲了相位，但那是相位差产生的幅度差，还是属于幅度调制。

先来回忆一下高中(初中？)数学知识——虚数和三角函数。

在数学中，虚数是a+b*i形式的数，实部A可以对应平面上的横轴，虚部B可以对应平面上的纵轴，这样虚部A+B * I就可以对应平面上的点(A，B)。

您应该记住，坐标轴实际上可以对应于波形，如下所示:

波形实际上可以用三角函数来表示，例如:

多美多妖娆~

X = A * sin(ωt+φ)= A * sinθ

Y = A * cos(ωt+φ)= A * cosθ

ω是角速度，ω=2πf，f是频率。

φ为初始相位，上图为0。

记得吗？A的振幅和θ的相位是电磁波的波形。

θ=0，sinθ=0

θ= 90°，sinθ= 1°

θ= 180°，sinθ= 0°

θ=270，sinθ=-1

好了，复习完基础知识，现在来看正文。

首先我们来介绍一下星座。

其实，刚才我们介绍MZ调制器的相位变化时，已经看到星座的影子了。下列图图属于哪个星座。图中黑点为星座点。

你会发现星座和我们非常熟悉的纵横坐标系非常相似。没错，星座中的星座点其实就是振幅E和相位ф的一对组合。

应该提出I/Q调制(不是IQ调制)。

I是同相，同相还是实部。q是正交相位、正交相位或虚部。所谓正交，就是相对于参考信号有-90度相位差的载波。

我们继续找。

在星座图上，如果幅度不变，用0°和180°两个不同的相位来表示1和0，可以传输两种符号，即BPSK(二进制相移键控)。

BPSK

BPSK是最简单最基础的PSK，非常稳定，容易出错，抗干扰能力强。但是每个符号只能传输一个比特，效率太低。

所以，让我们升级，得到一个QPSK(正交PSK频移键控)。

QPSK是具有四个电平值的四相相移键控(PSK)调制。它的带宽利用率是BPSK的两倍。

图片来自实德科技

十进制的增加，虽然提高了频带利用率，但也带来了弊端——符号间距离减小，不利于信号恢复。尤其是受到噪声和干扰时，误码率会增加。

为了解决这个问题，我们不得不提高信号功率(即提高信号的信噪比，以避免误码率的增加)，这就降低了功率利用率。

有没有办法兼顾带宽利用率和符号间的距离？

是的，这引入了QAM(正交幅度调制)。

QAM的特征在于符号之间不同的相位和幅度。属于相位和幅度相结合的调制方式。

看看下面这张图，你就明白了:

安培，振幅。相，相。

实际上，QPSK是有4级的QAM。上图显示了16QAM，16个符号，每个符号4比特(0000，0001，0010等等。).

64QAM，64个符号(2的n次方，n=6)，每个符号6比特(000000，00001，000010等等。).

QPSK调制是如何产生的？

我们可以通过MZ调制器看一张QPSK的照片:

图片来自实德科技

在发射机中，多路复用器将电比特流分成信号的I和Q部分。这两个部分中的每一个都直接调制MZ调制器的一个臂上的激光信号的相位。另一个MZ调制器将下支路的相位偏移π 2。两个分支重新组合后，结果是一个QPSK信号。

高阶QAM的调制更加困难。限于篇幅，下次再给大家解释。

之前推出无线通信调制的时候，都说5G和Wi-Fi 6都在冲1024QAM。那么光通信能搞这么高阶的QAM吗？

说实话，是有人干的。

几年前，一些公司展示了基于先进的星系成形算法和奈奎斯特副载波技术的1024QAM调制。基于66Gbaud波特率，实现了1.32Tbps的400 km传输，频谱效率达到9.35bit/s/Hz。

不过这种高阶调制还在实验室阶段，还没有商用(也不知道有没有可能做到)。目前实际应用似乎没有超过256QAM。

高阶QAM虽然带来了传输速率的大幅提升，但对元器件的性能要求很高，对芯片的计算能力要求也很高。而且如果信道噪声或干扰过大，仍然会出现误码率高的问题。

1024QAM，密集恐惧症的节奏

在同样的30G+波特率下，16QAM的光信噪比(OSNR)比QPSK高5dB左右。随着星座中星座点数的增加，16QAM的OSNR会呈指数级增加。

因此，16QAM或更高阶QAM的传输距离将进一步受到限制。

为了进一步挤出光纤通信的带宽潜力，厂商们祭出了新的杀手锏，那就是相干光通信。感兴趣的读者可以详细了解一下。

█ PAM4和偏振复用

在文章的最后，我们来说两个“倍增”技术——PAM 4和PDM偏振复用。

先说PAM4。

在PAM4之前，我们传统上使用NRZ。

NRZ，非归零的缩写，字面意思叫“非归零”，即不归零编码。

NRZ编码信号是使用高和低信号电平来表示传输信息的数字逻辑信号。

NRZ有单极性不归零码和双极性不归零码。

单极性不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和零电平，或负电平和零电平。

单极不归零码

双极不归零码，“1”和“0”分别对应正电平和等效负电平。

双极不归零码

所谓“不归零”不是指没有“0”，而是指信号不需要在每传输一位数据时归零电平。(显然，与RZ相比，NRZ节省了带宽。)

在光模块调制中，我们用激光的功率来控制0和1。

简单来说就是发光。实际发射的光功率大于某个阈值，即1。如果小于某个阈值，则为0。

传输011011是这样的:

NRZ调制

后来如前所述，为了增加单位时间传输的逻辑信息，开发了PAM4。

PAM4是4级脉冲调幅，中文名字叫四级脉冲调幅。它是一种先进的调制技术，使用四种不同的信号电平进行信号传输。

或者传输011011，变成这样:

PAM4调制

这样，由单个符号周期表示的逻辑信息从12比特的NRZ加倍到2比特。

NRZ VS PAM4(右图)

那么问题来了，如果4级可以翻倍，为什么我们没有8级，16级，32级呢？随便提速一倍不就好了吗？

答案是否定的。

主要原因在于激光技术。为了实现PAM4，激光器必须能够精确地控制功率。

如果过程不OK，更高的比特级别会导致很高的误码率，不能正常工作。通道噪音太大，连PAM4都无法正常工作。

什么是PDM偏振复用？

PDM偏振复用是指偏振分复用

不知道大家有没有看过我之前关于天线的文章。在天线内部，有一个双极化的概念。在空空间中，将电磁波“旋转”90度，可以传输两个独立的电磁波。

天线的双极化

偏振复用的原理其实也差不多。它利用光的偏振维度，通过同一波长信道中光的两个相互正交的偏振态，同时传输两个独立的数据报文，从而达到提高系统总容量的目的。

等于实现了双通道传输，和PAM4一样，翻倍。

PDM偏振复用，x偏振和y偏振相互独立。

图片来自实德科技

好了，今天的文章就到这里。谢谢你的耐心。我们将在下一期介绍相干光通信。不见不散！

——全文完毕——

参考资料:

1.知道不知道，知道不知道，什么是相干光通信，而且是德国的技术。

2.大卫将向你介绍光通信。

3.大容量光纤通信，光纤，智虎

4.《理解光通信》，荣源，机械工业出版社。

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来源:鲜枣课堂

编辑:云开叶落。