摘要：光DQPSK技術(shù)具有很高的頻譜效率，近似恒定包絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光纖中的色散和各類非線性效應(yīng)有很強(qiáng)的容忍能力。本文簡(jiǎn)單介紹了光DQPSK調(diào)制格式的基本原理，并指出了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：DQPSK；發(fā)射機(jī)；預(yù)編碼；接收機(jī)

引言

光DQPSK（differential quadrature phase shift keying，差分正交相移鍵控）調(diào)制格式是近年來(lái)光傳輸技術(shù)特別是40Gbps以上光傳輸技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，其作為一種新型光纖通信系統(tǒng)的調(diào)制格式，最早由R.A Griffin在OFC2002上提出[1]。

光DQPSK在調(diào)制強(qiáng)度上近似恒定的包絡(luò)，對(duì)非線性效應(yīng)有良好的抵御力。與OOK（On-Off keying，開關(guān)鍵控）、DPSK（differential phase shift keying ，差分相移鍵控）等二進(jìn)制調(diào)制格式相比，光DQPSK調(diào)制具有非常窄的頻譜寬度和較高的頻譜利用率；作為四相位調(diào)制格式，在相同的信息速率下，DQPSK的碼元速率僅為二進(jìn)制信號(hào)的一半，即20Gbps的碼元速率就可以實(shí)現(xiàn)40Gbps的信息傳輸速率；DQPSK還具有較大的色散容限、PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）容限和較大的非線性容限。同時(shí)，DQPSK還具有與DPSK調(diào)制相同的使用平衡接收機(jī)，相比OOK調(diào)制能提高3dB的接收靈敏度[2]。

DQPSK的調(diào)制原理

DQPSK是四相調(diào)制格式，即用四種不同的相位來(lái)表征數(shù)字信息，將信息編碼于連續(xù)的光比特差分相位中，每一個(gè)差分相位代表一個(gè)二進(jìn)制的碼元信息。在這種情況下，接收機(jī)必須探測(cè)相位改變的相對(duì)值，因此不需要使用同步方式進(jìn)行接收。假設(shè)輸入光載波信號(hào)為，則可以表示為：

 （1）

其中，是電域矢量，是極化單位矢量，A是振幅，是載波頻率，是相位。DQPSK是將信息編碼于連續(xù)光比特的差分相位中，用來(lái)表示，可取（0，，，）中的一個(gè)值。由于采用了差分編碼方式，能夠有效避免因接收機(jī)相位反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的解碼失敗。在本文中的定義如下式（2）所示：

 （2）

DQPSK發(fā)射機(jī)

一個(gè)DQPSK發(fā)射機(jī)包括一個(gè)DQPSK調(diào)制器，兩個(gè)調(diào)制驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)預(yù)編碼器。輸入光載波信號(hào)(u(k)，v(k)）經(jīng)過(guò)預(yù)編碼器后變成(I(k)，Q(k))，其中I(k)為同相部分，Q(k)為正交部分，如下圖所示：

圖1  DQPSK發(fā)射機(jī)

DQPSK發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)如上圖1所示，原始數(shù)據(jù)u(k)和v(k)經(jīng)過(guò)預(yù)編碼后產(chǎn)生I(k)和Q(k)兩路信號(hào)，它們將分別作為兩個(gè)MZM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)3dB光功率分離器后分別進(jìn)入到兩個(gè)MZM調(diào)制器中進(jìn)行相位調(diào)制，其中一個(gè)支路調(diào)制后的光信號(hào)要進(jìn)行的相移，然后通過(guò)光功率耦合器與另一支路的光信號(hào)耦合，即通過(guò)并聯(lián)MZM的方法實(shí)現(xiàn)了光DQPSK調(diào)制。

上面講述的是將兩個(gè)MZM并聯(lián)起來(lái)進(jìn)行調(diào)制的情況，還有一種是用MZM串聯(lián)進(jìn)行DQPSK調(diào)制的情況。如下圖2所示，串聯(lián)的調(diào)制方式由一個(gè)MZM和一個(gè)相位調(diào)制器組成。MZM對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，MZM的偏置設(shè)在零點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電壓的幅度為。當(dāng)I路為0時(shí)，輸出光信號(hào)為0，當(dāng)I路為1時(shí)，輸出光信號(hào)的相位為π。Q信號(hào)經(jīng)過(guò)電延時(shí)補(bǔ)償器后，接入到相位調(diào)制器，當(dāng)Q為0時(shí)相位調(diào)制器輸出的相位為0，當(dāng)Q為1時(shí)，輸出地相位為π/2[3]。

圖2 DQPSK的串聯(lián)MZM發(fā)射端

預(yù)編碼

光DQPSK系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘?hào)要先進(jìn)行預(yù)編碼以確保差分解調(diào)時(shí)它能被準(zhǔn)確地探測(cè)。不同的調(diào)制方式應(yīng)采取不同的預(yù)編碼，并聯(lián)調(diào)制方式中采用的預(yù)編碼方式為用兩列同速率的偽隨機(jī)序列碼u(k)和v(k)作為輸入信號(hào)，按照以下編碼規(guī)則來(lái)對(duì)其進(jìn)行預(yù)編碼。

  (3)

（3）式中，u(k)和v(k)為最初輸入的兩列偽隨機(jī)序列碼，I(k)和Q(k)為編碼后的信號(hào)。一般地，I(k)和Q(k)同輸入信號(hào)u(k)和v(k)一樣，都是由0和1組成的序列，它們的組合也如同u(k)和v(k)的組合，有4種情況：(00,01,10,11)，它們分別對(duì)應(yīng)相位，屬于[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]或[0,π/2,π,3π/2]，并且與原始輸入的兩列偽隨機(jī)序列存在對(duì)應(yīng)關(guān)系見式（2）。

DQPSK接收機(jī)

DQPSK的接收機(jī)較為復(fù)雜，采用平衡接收方法。如下圖3所示，DQPSK的解調(diào)需要兩個(gè)MZI才能解調(diào)出信號(hào)。上路干涉儀沒(méi)有延時(shí)的支路有的相移，下路的干涉儀沒(méi)有延時(shí)的支路有的相移。MZI中的延時(shí)時(shí)間τ均為比特周期的兩倍，對(duì)于每一個(gè)MZI的輸出再分別進(jìn)行平衡檢測(cè)。而且，發(fā)射機(jī)和馬赫-曾德爾干涉儀都對(duì)波長(zhǎng)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)槊恳粋€(gè)馬赫-曾德爾干涉儀必須緊密地反饋控制以鎖定發(fā)射機(jī)的波長(zhǎng)[4]。

圖3 DQPSK的接收端

在接收端，如忽略干涉儀的相位噪聲，并經(jīng)過(guò)光帶通濾波器后得到的信號(hào)表示為，則可以得到兩個(gè)干涉儀的高輸出端口和低輸出端口的幅度值分別為：

 (4)

兩支路平衡光電探測(cè)器的差分電流可以表示為：

  (5)

因此，這樣就存在四種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于四種比特組合，見表1，這樣就解調(diào)出了u和v。

表1  解調(diào)關(guān)系表

DQPSK的應(yīng)用前景

DQPSK具有非常優(yōu)異的性能，尤其具有很高的頻譜效率，同時(shí)DQPSK近似恒定包絡(luò)的性質(zhì)，因而對(duì)光纖中的色散和各類非線性效應(yīng)有很強(qiáng)的容忍能力，使其在高速DWDM系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

能夠?qū)崿F(xiàn)低成本

DQPSK的發(fā)射結(jié)構(gòu)和接收結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)光域上的復(fù)用和解復(fù)用過(guò)程，因此可以將兩個(gè)低速率的信號(hào)在光域上合成一個(gè)兩倍速率的信號(hào)，這樣使電驅(qū)動(dòng)元件只需要傳輸一半的帶寬即可，這樣能夠有效地提高傳輸效率，并且能通過(guò)使用低速電驅(qū)動(dòng)元件來(lái)降低成本。

能夠抑制光纖非線性效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)證明RZ-DQPSK調(diào)制比純RZ調(diào)制對(duì)克爾非線性效應(yīng)的容限要高3dB，對(duì)色散和PMD的容限也要高一些[5]。

DQPSK的性能很好，主要是因?yàn)樵谙嗤俾是闆r下，DQPSK的脈沖寬度是DPSK的脈沖寬度的一倍，具有非常窄的頻譜寬度。但DQPSK的發(fā)射和接收都非常復(fù)雜，不但需要兩個(gè)平衡接收機(jī)，還需要一個(gè)高速的電預(yù)編碼，這些都會(huì)讓DQPSK的成本居高不下，傳輸性能也會(huì)因?yàn)閺?fù)雜的發(fā)射和接收機(jī)結(jié)構(gòu)而受到嚴(yán)重的影響。

總結(jié)

本文介紹了光DQPSK的原理，詳細(xì)介紹了發(fā)射，預(yù)編碼和接收原理和方法，并且介紹了其應(yīng)用前景。DQPSK作為一種在光通信領(lǐng)域的新型調(diào)制格式，具有很高的研究?jī)r(jià)值，尤其是它所能提供的高頻譜利用率以及高的色散和非線性容限，使其能來(lái)未來(lái)的高速光通信中發(fā)揮重要的作用。