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采用DQPSK调制与PDM技术提高光纤链路的数据传输

因应大年夜数据期间光降,数据中间正积极将根基举措措施进级至100Gbit/s或更高速的光纤收集,并舍弃传统开关键控(On-off-keying, OOK)数据编码机制,改用复数调制技巧,从而低落光波旌旗灯号占用的带宽,同时削减延迟发生,以前进光纤链路的数据传输效率。

一样平常应用者到现在照样搞不清楚“云端”、“大年夜数据(Big Data) ”、“数据掘客”等,到底对自己的生活有何影响,许多专家也努力考试测验定义这些新名词。值得把稳的是,一场悄无声息的革命已开始在世界各地的数据中间伸展开来。

举世各地正在兴建许多新的数据中间,而最新一代的中央处置惩罚器(CPU)也开始用于新一代高效能运算(HPC)办事器。跟着CPU机能和RAM等级赓续升高,而且延迟显明削减,要在浩繁办事器间映像大年夜量的数据早已不成问题,险些不到一秒就可完成。

以前,只有拥有自己的数据中间的大年夜型企业,才能够进行大年夜规模的数据掘客,以阐发极其宏大年夜的布局化和非布局化数据,例如根据不合客户的喜爱推广小我营销。不过现在有许多专为中小企业设计的根基举措措施,可在云端储存并阐发大年夜数据,让这些公司能够得到最佳的供应链、营销活动效益。透过云端办事,无力包袱办事器建置资源的小企业,现在可用最低的资源,在任何地点进行快速数据阐发。 不久的将来,即就是家小咖啡馆,也可以阐发大年夜量的布局化和非布局化气象数据,以便掌握客户在不合气候和节日的破费状况,进而在多雨的礼拜天烘焙出数量适可而止的蛋糕、松饼和饼干。

采纳DQPSK/PDM技巧 光纤数据传输率激增

如前所述,数据中间已经筹备好要欢迎数据革命,但更紧张的问题是,外部根基举措措施是否能跟上这个潮流。数据量的爆炸性生长,使得骨干收集面临极伟大年夜的寻衅,假如不盼望骨干收集成为未来的传输瓶颈,则须同时前进光纤收集的数据传输效率。不久的将来,光纤根基举措措施必须能支持100Gbit/s或更高的数据传输速度,而传统数据编码机制将无法因应这个变更。

和电子旌旗灯号传输一样,光数据传输技巧刚开始也是采纳最简单、资源最低的数字编码机制,即回返归零(RZ)或长短回返归零(NRZ)开关键控(On-Off-Keying, OOK)。此时旌旗灯号是抱负的1(电源开启)、0(电源关闭)矩形序列,但假如传输速度高达40Gb/s,这个观点就会面临限定。

在速度达40Gbit/s以上时呈现的另一个限定身分是,因为时钟速度过高,旌旗灯号占用带宽会大年夜于50GHz ITU通道带宽。如图1所示,当带宽通道变大年夜,就会开始与相邻的通道重迭,而波长滤光器会改变旌旗灯号的外形,导致串音滋扰和调制信息恶化。结果,开拓职员只好放弃OOK并改用差分正交相移键控(DQPSK)这类的复数调制(Complex Modulation)技巧。复数调制技巧可削减所须占用的带宽,实际削减的占用带宽跟不合的符号时钟速度也便是和波特率

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

图1 应用OOK技巧时,当传输速度达100Gb/s或更高,会开始呈现信道滋扰或调制数据恶化,而复数调制技巧可以办理这个问题。

因为关连检测技巧可供给完备的光场(OpTIcal Field)信息,这些新观点还容许用户在处置惩罚旌旗灯号时,履行色散(CD)和极化模式色散(PMD)补偿。

色散的道理是,不合的光波根据其频率和极化特点,以不合的速度进行传播,因折射角度不合,以是孕育发生了色散;假如不加以补偿,会造成旌旗灯号质量低落。传输间隔越长,色散问题就越严重。

使用复数光调制技巧,开拓职员毋须应用PMD补偿器或色散补偿光纤(DCF)来进行补偿,这样就不会呈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,以前进带宽应用效率。多年来无线工程师不停应用这种编码措施,而光通讯财产近来也开始采纳这种措施。

图3提出若何结合运用这些不合技巧来增进光谱效率的构想。最下方是简略单纯的OOK,假如改用正交相移键控(QPSK),则可将OOK符码率的传输速度前进一倍,由于QPSK可编码二位符号。藉由应用极化复用(PDM)技巧,传输速度还可再前进一倍。QPSK加PDM可让应用者在相同时钟速度下,得到2×2=4倍的数据传输速度。着末,使用脉冲整形滤波器进一步缩小占用带宽后,用户可以100Gb/s的速度,透过50GHz信道传输数据。

图3 藉由结合应用不合的调制技巧,光谱效率可迅速倍增。

强化带宽/信噪比效能 光谱传输加速进级

上面的措施看起来似乎万无一掉,只要不再碰到其他问题就好了。然则,工作当然不会这么简单。

早在1940年代,美国数学家和电子工程师,同时也是信息论之父Claude Shannon发明,传输信道最大年夜的无偏差数据传输速率,取决于噪声和带宽。他把此速度称为“信道容量”,即众所周知的“Shannon极限值”。

Shannon–Hartley定理:

信道容量:

Shannon–Hartley定理

此中,B是带宽(Hz)、S是匀称接管旌旗灯号功率(W),而N是匀称噪声功率(W)。藉由增添带宽,或是将信噪比(SNR=S/N)优化,用户可增添信道容量;事实上,Shannon–Hartley定理仅供给理论上的最大年夜值,却未指出那一种旌旗灯号传输法可让用户最靠近此极限值。

实作时,SNR是最根本的限定身分。是以,从现在到未来,业界都须持断改进这个问题,以杀青Shannon极限值。当数据传输速度跨越100Gb/s,就需更出色的SNR机能,以便在给定带宽下进行长间隔传输。

Ellis、Zhao和Cotter使用这些典型参数,来仿本相关传输和检测类型的信息光谱密度C/B(图4)。进行非线性传输时,信息光谱密度不会跟着发射功率光谱密度而无限增添。因为光纤本身具有功率放大年夜器的饱和效应和非线性效应,是以其信息光谱密度有最高上限。不过假如是进行纯线性传输,就不会碰到这种问题。

图4 图中应用A. Ellis、J. Zhao和D. Cotter论文《靠近非线性Shannon极限值》JLT 28(4), 423-433中提出的每极化预期信息频光谱密度限定的典型。

在图4中,应用者可清楚看出,就信息光谱密度而言,OOK的直接检测法(仅萃取振幅信息),完全无法与复数调制旌旗灯号之关连检测法相对抗。毫无疑问的,不合类型的复数调制法,对付光传输规划开拓职员能够多靠近Shannon光谱效率极限,有关键性影响。

除了复数调制法,别的还有其他措施也可前进光纤链路的数据传输效率,例如极化复用(PDM)技巧(图2)可将第二光波旌旗灯号与第一光波旌旗灯号进行正交极化处置惩罚,以便透过同一光纤传输不合的数据。如斯一来,用户不须要增添第二条光纤就可以拥有第二个信道,并将传输速率加快一倍。

图2 极化复用技巧

工程师现在照样持续应用波分复用 (WDM)等其他类型的多义务技巧。这些技巧有个合营点,便是将多个自力的数据串流绑在一路,并经过同一条光缆进行传输。此外,应用者还可应用脉冲整形滤波器(Pulse Shaping Filter),进一步低落旌旗灯号占用的带宽。

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