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采用复数光调制技术提高光纤数据传输速率

Stephanie Michel?? 是德科技 新电子?? 2015年05月20日 ?? 收藏0
因应大数据时代来临,数据中心正积极将基础设施升级至100Gbit/s或更高速的光纤网络,并舍弃传统开关键控(On-off-keying, OOK)数据编码机制,改用复数调制技术,从而降低光波信号占用的带宽,同时减少延迟发生,以提高光纤链路的数据传输效率。

一般使用者到现在还是搞不清楚“云端”、“大数据(Big Data) ”、“数据挖掘”等,到底对自己的生活有何影响,许多专家也努力尝试定义这些新名词。值得留意的是,一场悄无声息的革命已开始在世界各地的数据中心蔓延开来。

全球各地正在兴建许多新的数据中心,而最新一代的中央处理器(CPU)也开始用于新一代高效能运算(HPC)服务器。随着CPU性能和RAM等级不断升高,而且延迟显著减少,要在众多服务器间映像大量的数据早已不成问题,几乎不到一秒就可完成。

过去,只有拥有自己的数据中心的大型企业,才能够进行大规模的数据挖掘,以分析极其庞大的结构化和非结构化数据,例如根据不同客户的喜好推广个人营销。不过现在有许多专为中小企业设计的基础设施,可在云端储存并分析大数据,让这些公司能够获得最佳的供应链、营销活动效益。透过云端服务,无力负担服务器建置成本的小企业,现在可用最低的成本,在任何地点进行快速数据分析。 不久的将来,即便是家小咖啡馆,也可以分析大量的结构化和非结构化天气数据,以便掌握客户在不同气候和节日的消费状况,进而在多雨的星期天烘焙出数量恰到好处的蛋糕、松饼和饼干。

采用DQPSK/PDM技术 光纤数据传输率激增

如前所述,数据中心已经准备好要迎接数据革命,但更重要的问题是,外部基础设施是否能跟上这个潮流。数据量的爆炸性成长,使得骨干网络面临极巨大的挑战,如果不希望骨干网络成为未来的传输瓶颈,则须同时提高光纤网络的数据传输效率。不久的将来,光纤基础设施必须能支持100Gbit/s或更高的数据传输速率,而传统数据编码机制将无法因应这个变化。

和电子信号传输一样,光数据传输技术刚开始也是采用最简单、成本最低的数字编码机制,即回返归零(RZ)或是非回返归零(NRZ)开关键控(On-Off-Keying, OOK)。此时信号是理想的1(电源开启)、0(电源关闭)矩形序列,但如果传输速率高达40Gb/s,这个概念就会面临限制。

在速率达40Gbit/s以上时出现的另一个限制因素是,由于时钟速率过高,信号占用带宽会大于50GHz ITU通道带宽。如图1所示,当带宽通道变大,就会开始与相邻的通道重迭,而波长滤光器会改变信号的形状,导致串音干扰和调制信息恶化。结果,开发人员只好放弃OOK并改用差分正交相移键控(DQPSK)这类的复数调制(Complex Modulation)技术。复数调制技术可减少所须占用的带宽,实际减少的占用带宽跟不同的符号时钟速率也就是和波特率

(Baud Rate)有关,而且可在50GHz的ITU通道中支持更高的数据传输速率。

图1 使用OOK技术时,当传输速率达100Gb/s或更高,会开始出现信道干扰或调制数据恶化,而复数调制技术可以解决这个问题。
图1 使用OOK技术时,当传输速率达100Gb/s或更高,会开始出现信道干扰或调制数据恶化,而复数调制技术可以解决这个问题。

由于相干检测技术可提供完整的光场(Optical Field)信息,这些新概念还允许用户在处理信号时,执行色散(CD)和极化模式色散(PMD)补偿。

色散的原理是,不同的光波根据其频率和极化特性,以不同的速率进行传播,因折射角度不同,所以产生了色散;如果不加以补偿,会造成信号质量降低。传输距离越长,色散问题就越严重。

利用复数光调制技术,开发人员毋须使用PMD补偿器或色散补偿光纤(DCF)来进行补偿,这样就不会出现这些模块所导致的延迟。

复数调制机制参考振幅和频率或相位等光波参数来进行编码,以提高带宽使用效率。多年来无线工程师一直使用这种编码方法,而光通讯产业最近也开始采用这种方法。

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