█ 光相位調制

接下來，我們講講光相位調制。（敲黑板，這部分可是重點！）

其實剛才我們已經講到了相位，不過那個是借助相位差產生幅度差，依舊屬于幅度調制。

首先，我們回憶一下高中（初中？）的數學知識——虛數和三角函數。

在數學中，虛數就是形如a+b*i的數。實部a可對應平面上的橫軸，虛部b與對應平面上的縱軸，這樣虛數a+b*i可與平面內的點(a,b)對應。

大家應該還記得，坐標軸其實是可以和波形相對應的，如下：

波形，其實又可以用三角函數來表示，例如：

多么優美，多么妖嬈~

X = A * sin（ωt+φ）= A * sinθ

Y = A * cos（ωt+φ）= A * cosθ

ω是角速度，ω=2πf，f是頻率。

φ是初相位，上圖為0°。

還記得不？把A看出幅度，把θ看成相位，就是電磁波的波形。

θ=0°，sinθ=0

θ=90°，sinθ=1

θ=180°，sinθ=0

θ=270°，sinθ=-1

好了，基礎知識復習完畢，現在進入正文。

首先，我們介紹一下， 星座圖 。

其實剛才介紹MZ調制器相位變化的時候，已經看到了星座圖的影子。下面這幾張圖圖，都屬于星座圖。圖中的黑色小點，就是星座點。

大家會發現，星座圖和我們非常熟悉的縱橫坐標系很像。是的，星座圖里的星座點，其實就是振幅E和相位Ф的一對組合。

就要提出 I/Q調制 （不是智商調制啊!）。

I，為in-phase，同相或實部。Q，為quadrature phase，正交相位或虛部。所謂正交，就是相對參考信號相位有-90度差的載波。

我們繼續來看。

在星座圖上，如果幅度不變，用兩個不同的相位0和180°，表示1和0，可以傳遞2種符號，就是 BPSK （Binary Phase Shift Keying，二進制相移鍵控）。

BPSK

BPSK是最簡單最基礎的PSK，非常穩，不容易出錯，抗干擾能力強。但是，它一個符號只能傳送1個比特，效率太低。

于是，我們升級一下，搞個 QPSK （Quadrature PSK，正交相移鍵控）。

QPSK，是具有4個電平值的四進制相移鍵控（PSK）調制。它的頻帶利用率，是BPSK的2倍。

圖片來自是德科技

隨著進制的增加，雖然頻帶利用率提高，但也帶來了缺點——各碼元之間的距離減小，不利于信號的恢復。特別是受到噪聲和干擾時，誤碼率會隨之增大。

為解決這個問題，我們不得不提高信號功率（即提高信號的信噪比，來避免誤碼率的增大），這就使功率利用率降低了。

有沒有辦法，可以兼顧頻帶利用率和各碼元之間的距離呢？

有的，這就引入了 QAM （Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調制）。

QAM的特點，是各碼元之間不僅相位不同，幅度也不同。它屬于相位與幅度相結合的調制方式。

大家看下面這張動圖，就明白了：

Amp，振幅。Phase，相位。

其實，QPSK就是電平數為4的QAM。上圖是16QAM，16個符號，每個符號4bit（0000，0001，0010等）。

64QAM的話，64個符號（2的n次方，n=6），每個符號6bit（000000，000001，000010等）。

QPSK這種調制，到底是怎么搗鼓出來的呢？

我們可以看一個通過MZ調制器搗鼓QPSK的圖片：

圖片來自是德科技

在發射機中，電比特流被一個多路復用器分成信號的I和Q部分。這兩部分中的每一部分都直接調制MZ調制器一只臂上的激光信號的相位。另一個MZ調制器把較低的分支相移π?2。兩個分支重組后，結果是一個QPSK信號。

高階QAM的調制難度更大。限于篇幅，下次我再專門給大家解釋。

此前介紹無線通信調制的時候，說過5G和Wi-Fi 6都在沖1024QAM。那么，光通信是不是可以搞那么高階的QAM呢？

不瞞您說，還真有人這么干了。

前幾年，就有公司展示了基于先進的星系整形算法和奈奎斯特副載波技術的1024QAM調制，基于66Gbaud波特率，實現了1.32Tbps下的400公里傳輸，頻譜效率達到9.35bit/s/Hz。

不過，這種高階調制仍屬于實驗室階段，沒有商用（也不知道有沒有可能商用）。目前實際應用的，好像沒有超過256QAM。

高階QAM雖然帶來了傳輸速率的大幅提升，但對元器件性能要求很高，對芯片算力的要求也高。而且，如果信道噪聲或干擾太大，還是會出現剛才所說的高誤碼率問題。

1024QAM，密集恐懼癥的節奏

在相同的30G+波特率下，16QAM的光信噪比（OSNR）比QPSK高出約5dB。隨著星座中星座點個數的增加，16QAM的OSNR將呈指數增長。

因此，16QAM或更高階QAM的傳輸距離將被進一步限制。

為了進一步榨干光纖通信的帶寬潛力，廠商們祭出了新的大殺器，那就是—— 相干光通信 。下期，小棗君將詳細給大家介紹。

**█ **PAM4和偏振復用

文章的最后，再說說兩個“翻倍”技術——PAM4和PDM偏振多路復用。

先說PAM4。

在PAM4之前，我們傳統使用的都是NRZ。

NRZ，就是Non-Return-to-Zero的縮寫，字面意思叫做“不歸零”，也就是不歸零編碼。

采用NRZ編碼的信號，就是使用高、低兩種信號電平來表示傳輸信息的數字邏輯信號。

NRZ有單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。

單極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和零電平，或負電平和零電平。

單極性不歸零碼

雙極性不歸零碼，“1”和“0”分別對應正電平和等效負電平。

雙極性不歸零碼

所謂“不歸零”，不是說沒有“0”，而是說每傳輸完一位數據，信號無需返回到零電平。（顯然，相比RZ，NRZ節約了帶寬。）

在光模塊調制里面，我們是用激光器的功率來控制0和1的。

簡單來說，就是發光，實際發射光功率大于某門限值，就是1。小于某門限值，就是0。

傳輸011011就是這樣：

NRZ調制

后來，正如前文所說，為了增加單位時間內傳輸的邏輯信息，就搞出了PAM4。

PAM4，就是4-Level Pulse Amplitude Modulation，中文名叫做四電平脈沖幅度調制。它是一種高級調制技術，采用4個不同的信號電平來進行信號傳輸。

還是傳輸011011，就變成這樣：

PAM4調制

這樣一來，單個符號周期表示的邏輯信息，從NRZ的1bit，變成了2bit，翻了一倍。

NRZ VS PAM4 （右邊是眼圖）

那么問題來了，如果4電平能夠翻一倍，為啥我們不搞個8電平、16電平、32電平？速度隨便翻倍，豈不爽歪歪？

答案是不行。

主要原因，還是在于激光器的技術工藝。實現PAM4，需要激光器能夠做到對功率的精確控制。

如果工藝不OK，搞更高位數電平，就會造成很高的誤碼率，無法正常工作。即便是PAM4，如果信道噪聲太大，也是不能正常工作的。

什么是PDM偏振多路復用呢？

PDM偏振多路復用，就是Polarization Division Multiplexing。

不知道大家有沒有看過我之前寫過的關于天線的文章。天線里面，有一個雙極化的概念，在空間上，把電磁波“轉動”90度，就可以實現兩個獨立的電磁波傳輸。

天線的雙極化

偏振復用的道理，其實也差不多。它利用光的偏振維度，在同一波長信道中，通過光的兩個相互正交偏振態，同時傳輸兩路獨立數據信息，以此達到提升系統總容量的目的。

它等于實現了雙通道傳輸，和PAM4一樣，翻了一倍。

PDM偏振復用，X偏振和Y偏振，各自獨立

圖片來自是德科技

好啦，以上就是今天文章的全部內容。感謝大家的耐心觀看，我們下期介紹相干光通信，不見不散喲！