技术透视：100G的敲砖石DP-QPSK
发布时间：2010-07-26 12:37:58 热度：17854
作者：深圳大学 宋军博士
7/26/2010,许多朋友会发现从去年开始100G（Gbit/s）的概念就变得异常火热，从各种学术会议到各种展会，处处可看到与100G相关的技术与产品。我们都知道现有的网络还处在由10G到40G的过度中，40G的半只脚刚开始迈出，100G就被推到了公众面前，速度之快，令人有点措手不及。是什么力量在推动100G的发展呢？主要有三点，一是网络容量的高速增长需求，二是路由效率的快速提高，三是标准的快速建立，例如IEEE在制定标准的时候是将40G和100G放在同一日程表之上的。
但不可否认，100G的概念变得这么火热，不乏炒作因素。但与以往不同的是，热衷于炒100G概念的既有系统供应商，也有电信运营商，买卖双方都有罕见的默契。而炒的最火的地区还是在北美，如Comcast, AT&T, 和 Verizon这些知名的北美电信巨头都纷纷向100G抛出橄榄枝。在这样的背景之下，全球主要的系统供应商在去年末到今年初纷纷发布了自己的100G产品模块，以期占得市场先机。买的和卖的少有的这么配合，可谓万事俱备只欠东风。100G真的大规模推广，只差成本这一项，当然为了解决这一点，要做得努力还需很多，可谓任重道远。100G的成本低到多少才能大规模商用呢？一个简单的比方受到普遍的赞同：当一个100G的成本等于10个10G的成本时，100G就可以商用了；而当一个100G的成本相当于约8个10G的成本时，100G的规模化商用就正式来临了。鉴于这一点，人们对从40G到100G的过度仍认为应该是和缓的升级，即不铺设新的光缆，不改变现有传输架构，仅进行以收发端为主的技术升级。
让我们先简单看一下面向40G/100G的主要标准之一IEEE 802.3，以对100G的基本雏形有个快速了解：首先对40G和100G的应用场合，该标准是这样界定的，100G预计将在核心网络（路由器），而40G预计将在应用服务器和计算机网络（局域网交换机应用）；此外从标准可看到，在物理层，对100G有两种光接入方式被建议，即基于标准单模光纤使用4x25G 的粗波分复用组网，基于多模光纤，则使用10路并行的10G光纤组网。
接着要想了解100G的技术细节，知道包含哪些新技术，我们可以从OIF PLL WG会议相关的议题得出答案（OIF PLL项目用于探讨指定的100G DWDM传输协议的执行情况）。抛开100G的传输性能等议题，我们发现相对40G，要实现更快速的100G网络，需要有更高级的光学信号调制格式，超高速的模数转换，以及超高速的数字信号处理技术。这其中有两项技术受到额外关注，一是基于相干接收的双偏振正交相移键控（DP-QPSK）调制技术，二是前向纠错（FEC）算法的高效运用。
FEC用于对非线性和色散引起的信号失真做预补偿，并不是什么新的技术，在100G之前其实已经广泛运用。但这里仍要强调该技术，具体原因等下再看。本文重点关注的是基于相干接收的DP-QPSK调制技术。如果您对40G的相关技术有个大致了解，你就会发现面向40G有许多调制格式被广泛实验和应用，如相位整形二进制传输(PSBT)、载波抑制归零（CS-RZ）、差分正交相移键控（DQPSK）、非归零差分相位漂移键控（NRZ-DPSK），以及DP-QPSK等。这些格式对40G网应用来说各有各的优势，没法说哪个是最好的。但对100G网络，目前只有两种调制格式是合适的，一是本文提到的基于相干检测和接收的DP-QPSK技术，二是正交频分复用（OFDM）技术。后者在学术领域有固定的拥护人群，基于OFDM的超大容量网络实验系统时有报导。但相比而言，更多的学者、系统供应商还是青睐基于相干检测和接收的DP-QPSK技术。换句话说，对100G接入，DP-QPSK是具有绝对优势的信号调制技术。
之所以对100G，DP-QPSK成为调制格式的首选，根本原因还是我们前面提到的，现有100G推行的主体路线是平稳升级，即最大限度的利用已有的10G线路，以及波分复用架构。我们知道速度的提高，关键是如何应对随之而来的色散、非线性、偏振模式色散（PMD）的影响。举个例子，基于现有10G网，以及相关的光缆、波分复用架构，升级到100G，对传输带来的压力是空前的，为了保证不产生过大的误码，我们必须要求将光信噪比（OSNR）灵敏度提高10倍，同时对PMD公差以及谱效率都要提高10倍，而对色散的公差保守估计至少要提升100倍。这些是相当困难的。之所以DP-QPSK成为主流，就是因为它一方面最大化了光谱效率，另一方面利用了相位调制技术对PMD、色散、非线性的高公差特性。但即便如此，单靠相干接收的DP-QPSK仍无法解决这样大的传输改善压力。因此为了改善性价比，人们便将目光锁定在数字信号处理技术，如FEC上了，利用电信号相对容易和低价的再整形和噪声滤除特性，来降低信号损伤。但是将超高速的光信号转变成电信号进行处理，显然就必须获得超高速的模数转换器。因此前面将FEC也列为100G推广的核心技术，就在于这里的FEC是以超高速模数转换为依托的，不同于以往的，是需要集成电路突破性革新的技术。
我们先来简单的了解一下什么是基于相干接收的DP-QPSK：
要了解这个名词第一步是了解相位调制技术。我们都知道对信号调制分为强调调制和相位调制两种。以图1为例，是典型的强度调制方法。对强度调制采用光电探测器直接探测强度变化就能解调。
图1 强度调制示意图
强度调制发射接收都非常简单，因此在低速，特别是10Gbit/s以下系统中是最实用的调制格式。但对高速系统（40G及以上），色散、非线性、PMD这些信号损伤都会作用于光脉冲，直接改变光脉冲形状，引起误码。所以对高速系统，大都采用如图2所示的相位调制。图2所示的DPSK格式是典型的二进制相位调制，用一个π的相位变化，来代表数字逻辑“1”。由于信号被调制在了相位上，强度上等于是空白的，很自然的免疫了色散、非线性、PMD这些信号损伤的影响。
图2 DPSK相位调制格式示意图
知道了高速网为什么用相位调制格式，我们再来看对100G，为什么用QPSK格式，如图3所示的QPSK/DQPSK简单的说就是多进制（目前典型的是四进制）的相位调制格式。之所以用多进制原因只有一个，就是要提高光谱效率。我们已经分析了，现有的100G核心思想是要利用现有10G的已有硬件来升级，显然如何从收发端上做手脚，提高光谱效率是关键。如图所示的四进制调制，就是每π/2的相位变化代表一个信息位。这就相当于获得了每符号2字节的信息量。
图3 多进制相位调制QPSK/DQPSK示意图
既然多进制可以增加光谱效率，为啥不干脆使用8进制、16进制，一下获得更高的效率呢？原因还在于成本。再高进制原理上没任何问题，但附带的就增加了调制、探测，以及传输的压力。为实现这些附带的成本将会几倍的增加。记住，我们的目标是100G成本小于等于8个10G的成本。因此靠多进制来提高光谱效率，到四进制就可以打住了，再高就得不偿失了。但对100G网，仅仅靠4进制翻了一倍的光谱效率还不够，怎么办？相比继续使用八进制，比较后发现还是使用偏振复用性价比更高。这就是为什么在QPSK前加个DP，变成DP-QPSK的原因。从图4我们可以看出，通过偏振复用（即用两个正交的偏振态传输两路不同信息），我们能将信息量进一步翻倍，变成每符号4个字节。
图4 偏振复用的多进制相位调制DP-QPSK示意图
看到这里，相信以前不知道DP-QPSK是什么的朋友，也会对100G网为什么有那么多人青睐DP-QPSK调制格式有个大概的理解了。但还需注意这个词前面还有个修饰语，“基于相干检测的” DP-QPSK。为什么要相干接收呢？一方面因为由于要对多进制，且偏振服用了的信号解调，确实不是容易的事情，不能用以往的探测器了。另一方面我们提到过，100G网的平稳升级需要有10倍改善的OSNR灵敏度，我们知道相干检测比起非相干一个显著的优点就是高灵敏度，对OSNR的要求大大放宽。现有的100G说白了就是建立在低硬件基础上的高档货，使用相干接收是必要的，也是不得已而为之的，毕竟相干接收价格是非常昂贵的。图5是诺基亚-西门子面向DP-QPSK的相干接收系统示意图。
图5 诺基亚-西门子面向DP-QPSK的相干接收系统示意图
我们知道去年末到今年初，包括华为在内的各大系统商都先后推出了自己的100G样机及技术方案，为了深化认识，我们以Opnext公司面向100G的光收发模块实际产品为例，以便深入对100G光收发的核心技术的理解。图6为Opnext最新100G光收发模块产品核心部件解剖示意图。从图中可以看到，模块主要集成了DP-QPSK信号调制和发射、相干光接收、用于数字信号处理和纠错的ADC/DSP/FEC模块，以及高速复用器在内的四个功能模块。
图6 Opnext面向100G光收发模块产品解剖示意图
如果您看了前文的分析，相信您就不难理解图示光收发模块产品的构成和技术核心了。
7/26/2010,许多朋友会发现从去年开始100G（Gbit/s）的概念就变得异常火热，从各种学术会议到各种展会，处处可看到与100G相关的技术与产品。我们都知道现有的网络还处在由10G到40G的过度中，40G的半只脚刚开始迈出，100G就被推到了公众面前，速度之快，令人有点措手不及。是什么力量在推动100G的发展呢？主要有三点，一是网络容量的高速增长需求，二是路由效率的快速提高，三是标准的快速建立，例如IEEE在制定标准的时候是将40G和100G放在同一日程表之上的。
但不可否认，100G的概念变得这么火热，不乏炒作因素。但与以往不同的是，热衷于炒100G概念的既有系统供应商，也有电信运营商，买卖双方都有罕见的默契。而炒的最火的地区还是在北美，如Comcast, AT&T, 和 Verizon这些知名的北美电信巨头都纷纷向100G抛出橄榄枝。在这样的背景之下，全球主要的系统供应商在去年末到今年初纷纷发布了自己的100G产品模块，以期占得市场先机。买的和卖的少有的这么配合，可谓万事俱备只欠东风。100G真的大规模推广，只差成本这一项，当然为了解决这一点，要做得努力还需很多，可谓任重道远。100G的成本低到多少才能大规模商用呢？一个简单的比方受到普遍的赞同：当一个100G的成本等于10个10G的成本时，100G就可以商用了；而当一个100G的成本相当于约8个10G的成本时，100G的规模化商用就正式来临了。鉴于这一点，人们对从40G到100G的过度仍认为应该是和缓的升级，即不铺设新的光缆，不改变现有传输架构，仅进行以收发端为主的技术升级。
让我们先简单看一下面向40G/100G的主要标准之一IEEE 802.3，以对100G的基本雏形有个快速了解：首先对40G和100G的应用场合，该标准是这样界定的，100G预计将在核心网络（路由器），而40G预计将在应用服务器和计算机网络（局域网交换机应用）；此外从标准可看到，在物理层，对100G有两种光接入方式被建议，即基于标准单模光纤使用4x25G 的粗波分复用组网，基于多模光纤，则使用10路并行的10G光纤组网。
接着要想了解100G的技术细节，知道包含哪些新技术，我们可以从OIF PLL WG会议相关的议题得出答案（OIF PLL项目用于探讨指定的100G DWDM传输协议的执行情况）。抛开100G的传输性能等议题，我们发现相对40G，要实现更快速的100G网络，需要有更高级的光学信号调制格式，超高速的模数转换，以及超高速的数字信号处理技术。这其中有两项技术受到额外关注，一是基于相干接收的双偏振正交相移键控（DP-QPSK）调制技术，二是前向纠错（FEC）算法的高效运用。
FEC用于对非线性和色散引起的信号失真做预补偿，并不是什么新的技术，在100G之前其实已经广泛运用。但这里仍要强调该技术，具体原因等下再看。本文重点关注的是基于相干接收的DP-QPSK调制技术。如果您对40G的相关技术有个大致了解，你就会发现面向40G有许多调制格式被广泛实验和应用，如相位整形二进制传输(PSBT)、载波抑制归零（CS-RZ）、差分正交相移键控（DQPSK）、非归零差分相位漂移键控（NRZ-DPSK），以及DP-QPSK等。这些格式对40G网应用来说各有各的优势，没法说哪个是最好的。但对100G网络，目前只有两种调制格式是合适的，一是本文提到的基于相干检测和接收的DP-QPSK技术，二是正交频分复用（OFDM）技术。后者在学术领域有固定的拥护人群，基于OFDM的超大容量网络实验系统时有报导。但相比而言，更多的学者、系统供应商还是青睐基于相干检测和接收的DP-QPSK技术。换句话说，对100G接入，DP-QPSK是具有绝对优势的信号调制技术。
之所以对100G，DP-QPSK成为调制格式的首选，根本原因还是我们前面提到的，现有100G推行的主体路线是平稳升级，即最大限度的利用已有的10G线路，以及波分复用架构。我们知道速度的提高，关键是如何应对随之而来的色散、非线性、偏振模式色散（PMD）的影响。举个例子，基于现有10G网，以及相关的光缆、波分复用架构，升级到100G，对传输带来的压力是空前的，为了保证不产生过大的误码，我们必须要求将光信噪比（OSNR）灵敏度提高10倍，同时对PMD公差以及谱效率都要提高10倍，而对色散的公差保守估计至少要提升100倍。这些是相当困难的。之所以DP-QPSK成为主流，就是因为它一方面最大化了光谱效率，另一方面利用了相位调制技术对PMD、色散、非线性的高公差特性。但即便如此，单靠相干接收的DP-QPSK仍无法解决这样大的传输改善压力。因此为了改善性价比，人们便将目光锁定在数字信号处理技术，如FEC上了，利用电信号相对容易和低价的再整形和噪声滤除特性，来降低信号损伤。但是将超高速的光信号转变成电信号进行处理，显然就必须获得超高速的模数转换器。因此前面将FEC也列为100G推广的核心技术，就在于这里的FEC是以超高速模数转换为依托的，不同于以往的，是需要集成电路突破性革新的技术。
我们先来简单的了解一下什么是基于相干接收的DP-QPSK：
要了解这个名词第一步是了解相位调制技术。我们都知道对信号调制分为强调调制和相位调制两种。以图1为例，是典型的强度调制方法。对强度调制采用光电探测器直接探测强度变化就能解调。
图1 强度调制示意图
强度调制发射接收都非常简单，因此在低速，特别是10Gbit/s以下系统中是最实用的调制格式。但对高速系统（40G及以上），色散、非线性、PMD这些信号损伤都会作用于光脉冲，直接改变光脉冲形状，引起误码。所以对高速系统，大都采用如图2所示的相位调制。图2所示的DPSK格式是典型的二进制相位调制，用一个π的相位变化，来代表数字逻辑“1”。由于信号被调制在了相位上，强度上等于是空白的，很自然的免疫了色散、非线性、PMD这些信号损伤的影响。
图2 DPSK相位调制格式示意图
知道了高速网为什么用相位调制格式，我们再来看对100G，为什么用QPSK格式，如图3所示的QPSK/DQPSK简单的说就是多进制（目前典型的是四进制）的相位调制格式。之所以用多进制原因只有一个，就是要提高光谱效率。我们已经分析了，现有的100G核心思想是要利用现有10G的已有硬件来升级，显然如何从收发端上做手脚，提高光谱效率是关键。如图所示的四进制调制，就是每π/2的相位变化代表一个信息位。这就相当于获得了每符号2字节的信息量。
图3 多进制相位调制QPSK/DQPSK示意图
既然多进制可以增加光谱效率，为啥不干脆使用8进制、16进制，一下获得更高的效率呢？原因还在于成本。再高进制原理上没任何问题，但附带的就增加了调制、探测，以及传输的压力。为实现这些附带的成本将会几倍的增加。记住，我们的目标是100G成本小于等于8个10G的成本。因此靠多进制来提高光谱效率，到四进制就可以打住了，再高就得不偿失了。但对100G网，仅仅靠4进制翻了一倍的光谱效率还不够，怎么办？相比继续使用八进制，比较后发现还是使用偏振复用性价比更高。这就是为什么在QPSK前加个DP，变成DP-QPSK的原因。从图4我们可以看出，通过偏振复用（即用两个正交的偏振态传输两路不同信息），我们能将信息量进一步翻倍，变成每符号4个字节。
图4 偏振复用的多进制相位调制DP-QPSK示意图
看到这里，相信以前不知道DP-QPSK是什么的朋友，也会对100G网为什么有那么多人青睐DP-QPSK调制格式有个大概的理解了。但还需注意这个词前面还有个修饰语，“基于相干检测的” DP-QPSK。为什么要相干接收呢？一方面因为由于要对多进制，且偏振服用了的信号解调，确实不是容易的事情，不能用以往的探测器了。另一方面我们提到过，100G网的平稳升级需要有10倍改善的OSNR灵敏度，我们知道相干检测比起非相干一个显著的优点就是高灵敏度，对OSNR的要求大大放宽。现有的100G说白了就是建立在低硬件基础上的高档货，使用相干接收是必要的，也是不得已而为之的，毕竟相干接收价格是非常昂贵的。图5是诺基亚-西门子面向DP-QPSK的相干接收系统示意图。
图5 诺基亚-西门子面向DP-QPSK的相干接收系统示意图
我们知道去年末到今年初，包括华为在内的各大系统商都先后推出了自己的100G样机及技术方案，为了深化认识，我们以Opnext公司面向100G的光收发模块实际产品为例，以便深入对100G光收发的核心技术的理解。图6为Opnext最新100G光收发模块产品核心部件解剖示意图。从图中可以看到，模块主要集成了DP-QPSK信号调制和发射、相干光接收、用于数字信号处理和纠错的ADC/DSP/FEC模块，以及高速复用器在内的四个功能模块。
图6 Opnext面向100G光收发模块产品解剖示意图
如果您看了前文的分析，相信您就不难理解图示光收发模块产品的构成和技术核心了。
