作者：深圳大學(xué) 宋軍博士
    7/26/2010,許多朋友會發(fā)現(xiàn)從去年開始100G（Gbit/s）的概念就變得異�；馃幔瑥母鞣N學(xué)術(shù)會議到各種展會，處處可看到與100G相關(guān)的技術(shù)與產(chǎn)品。我們都知道現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)還處在由10G到40G的過度中，40G的半只腳剛開始邁出，100G就被推到了公眾面前，速度之快，令人有點(diǎn)措手不及。是什么力量在推動100G的發(fā)展呢？主要有三點(diǎn)，一是網(wǎng)絡(luò)容量的高速增長需求，二是路由效率的快速提高，三是標(biāo)準(zhǔn)的快速建立，例如IEEE在制定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候是將40G和100G放在同一日程表之上的。
    但不可否認(rèn)，100G的概念變得這么火熱，不乏炒作因素。但與以往不同的是，熱衷于炒100G概念的既有系統(tǒng)供應(yīng)商，也有電信運(yùn)營商，買賣雙方都有罕見的默契。而炒的最火的地區(qū)還是在北美，如Comcast, AT&T, 和 Verizon這些知名的北美電信巨頭都紛紛向100G拋出橄欖枝。在這樣的背景之下，全球主要的系統(tǒng)供應(yīng)商在去年末到今年初紛紛發(fā)布了自己的100G產(chǎn)品模塊，以期占得市場先機(jī)。買的和賣的少有的這么配合，可謂萬事俱備只欠東風(fēng)。100G真的大規(guī)模推廣，只差成本這一項(xiàng)，當(dāng)然為了解決這一點(diǎn)，要做得努力還需很多，可謂任重道遠(yuǎn)。100G的成本低到多少才能大規(guī)模商用呢？一個(gè)簡單的比方受到普遍的贊同：當(dāng)一個(gè)100G的成本等于10個(gè)10G的成本時(shí)，100G就可以商用了；而當(dāng)一個(gè)100G的成本相當(dāng)于約8個(gè)10G的成本時(shí)，100G的規(guī)�；�商用就正式來臨了。鑒于這一點(diǎn)，人們對從40G到100G的過度仍認(rèn)為應(yīng)該是和緩的升級，即不鋪設(shè)新的光纜，不改變現(xiàn)有傳輸架構(gòu)，僅進(jìn)行以收發(fā)端為主的技術(shù)升級。
     讓我們先簡單看一下面向40G/100G的主要標(biāo)準(zhǔn)之一IEEE 802.3，以對100G的基本雛形有個(gè)快速了解：首先對40G和100G的應(yīng)用場合，該標(biāo)準(zhǔn)是這樣界定的，100G預(yù)計(jì)將在核心網(wǎng)絡(luò)（路由器），而40G預(yù)計(jì)將在應(yīng)用服務(wù)器和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)用）；此外從標(biāo)準(zhǔn)可看到，在物理層，對100G有兩種光接入方式被建議，即基于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖使用4x25G 的粗波分復(fù)用組網(wǎng)，基于多模光纖，則使用10路并行的10G光纖組網(wǎng)。
接著要想了解100G的技術(shù)細(xì)節(jié)，知道包含哪些新技術(shù)，我們可以從OIF PLL WG會議相關(guān)的議題得出答案（OIF PLL項(xiàng)目用于探討指定的100G DWDM傳輸協(xié)議的執(zhí)行情況）。拋開100G的傳輸性能等議題，我們發(fā)現(xiàn)相對40G，要實(shí)現(xiàn)更快速的100G網(wǎng)絡(luò)，需要有更高級的光學(xué)信號調(diào)制格式，超高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換，以及超高速的數(shù)字信號處理技術(shù)。這其中有兩項(xiàng)技術(shù)受到額外關(guān)注，一是基于相干接收的雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）調(diào)制技術(shù)，二是前向糾錯(cuò)（FEC）算法的高效運(yùn)用。
    FEC用于對非線性和色散引起的信號失真做預(yù)補(bǔ)償，并不是什么新的技術(shù)，在100G之前其實(shí)已經(jīng)廣泛運(yùn)用。但這里仍要強(qiáng)調(diào)該技術(shù)，具體原因等下再看。本文重點(diǎn)關(guān)注的是基于相干接收的DP-QPSK調(diào)制技術(shù)。如果您對40G的相關(guān)技術(shù)有個(gè)大致了解，你就會發(fā)現(xiàn)面向40G有許多調(diào)制格式被廣泛實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，如相位整形二進(jìn)制傳輸(PSBT)、載波抑制歸零（CS-RZ）、差分正交相移鍵控（DQPSK）、非歸零差分相位漂移鍵控（NRZ-DPSK），以及DP-QPSK等。這些格式對40G網(wǎng)應(yīng)用來說各有各的優(yōu)勢，沒法說哪個(gè)是最好的。但對100G網(wǎng)絡(luò)，目前只有兩種調(diào)制格式是合適的，一是本文提到的基于相干檢測和接收的DP-QPSK技術(shù)，二是正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。后者在學(xué)術(shù)領(lǐng)域有固定的擁護(hù)人群，基于OFDM的超大容量網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)有報(bào)導(dǎo)。但相比而言，更多的學(xué)者、系統(tǒng)供應(yīng)商還是青睞基于相干檢測和接收的DP-QPSK技術(shù)。換句話說，對100G接入，DP-QPSK是具有絕對優(yōu)勢的信號調(diào)制技術(shù)。
    之所以對100G，DP-QPSK成為調(diào)制格式的首選，根本原因還是我們前面提到的，現(xiàn)有100G推行的主體路線是平穩(wěn)升級，即最大限度的利用已有的10G線路，以及波分復(fù)用架構(gòu)。我們知道速度的提高，關(guān)鍵是如何應(yīng)對隨之而來的色散、非線性、偏振模式色散（PMD）的影響。舉個(gè)例子，基于現(xiàn)有10G網(wǎng)，以及相關(guān)的光纜、波分復(fù)用架構(gòu)，升級到100G，對傳輸帶來的壓力是空前的，為了保證不產(chǎn)生過大的誤碼，我們必須要求將光信噪比（OSNR）靈敏度提高10倍，同時(shí)對PMD公差以及譜效率都要提高10倍，而對色散的公差保守估計(jì)至少要提升100倍。這些是相當(dāng)困難的。之所以DP-QPSK成為主流，就是因?yàn)樗�一方面最大化了光譜效率，另一方面利用了相位調(diào)制技術(shù)對PMD、色散、非線性的高公差特性。但即便如此，單靠相干接收的DP-QPSK仍無法解決這樣大的傳輸改善壓力。因此為了改善性價(jià)比，人們便將目光鎖定在數(shù)字信號處理技術(shù)，如FEC上了，利用電信號相對容易和低價(jià)的再整形和噪聲濾除特性，來降低信號損傷。但是將超高速的光信號轉(zhuǎn)變成電信號進(jìn)行處理，顯然就必須獲得超高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此前面將FEC也列為100G推廣的核心技術(shù)，就在于這里的FEC是以超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換為依托的，不同于以往的，是需要集成電路突破性革新的技術(shù)。
    我們先來簡單的了解一下什么是基于相干接收的DP-QPSK：
    要了解這個(gè)名詞第一步是了解相位調(diào)制技術(shù)。我們都知道對信號調(diào)制分為強(qiáng)調(diào)調(diào)制和相位調(diào)制兩種。以圖1為例，是典型的強(qiáng)度調(diào)制方法。對強(qiáng)度調(diào)制采用光電探測器直接探測強(qiáng)度變化就能解調(diào)。

                 圖1 強(qiáng)度調(diào)制示意圖
強(qiáng)度調(diào)制發(fā)射接收都非常簡單，因此在低速，特別是10Gbit/s以下系統(tǒng)中是最實(shí)用的調(diào)制格式。但對高速系統(tǒng)（40G及以上），色散、非線性、PMD這些信號損傷都會作用于光脈沖，直接改變光脈沖形狀，引起誤碼。所以對高速系統(tǒng)，大都采用如圖2所示的相位調(diào)制。圖2所示的DPSK格式是典型的二進(jìn)制相位調(diào)制，用一個(gè)π的相位變化，來代表數(shù)字邏輯“1”。由于信號被調(diào)制在了相位上，強(qiáng)度上等于是空白的，很自然的免疫了色散、非線性、PMD這些信號損傷的影響。

                 圖2 DPSK相位調(diào)制格式示意圖
    知道了高速網(wǎng)為什么用相位調(diào)制格式，我們再來看對100G，為什么用QPSK格式，如圖3所示的QPSK/DQPSK簡單的說就是多進(jìn)制（目前典型的是四進(jìn)制）的相位調(diào)制格式。之所以用多進(jìn)制原因只有一個(gè)，就是要提高光譜效率。我們已經(jīng)分析了，現(xiàn)有的100G核心思想是要利用現(xiàn)有10G的已有硬件來升級，顯然如何從收發(fā)端上做手腳，提高光譜效率是關(guān)鍵。如圖所示的四進(jìn)制調(diào)制，就是每π/2的相位變化代表一個(gè)信息位。這就相當(dāng)于獲得了每符號2字節(jié)的信息量。

                圖3 多進(jìn)制相位調(diào)制QPSK/DQPSK示意圖
    既然多進(jìn)制可以增加光譜效率，為啥不干脆使用8進(jìn)制、16進(jìn)制，一下獲得更高的效率呢？原因還在于成本。再高進(jìn)制原理上沒任何問題，但附帶的就增加了調(diào)制、探測，以及傳輸?shù)膲毫�。為�?shí)現(xiàn)這些附帶的成本將會幾倍的增加。記住，我們的目標(biāo)是100G成本小于等于8個(gè)10G的成本。因此靠多進(jìn)制來提高光譜效率，到四進(jìn)制就可以打住了，再高就得不償失了。但對100G網(wǎng)，僅僅靠4進(jìn)制翻了一倍的光譜效率還不夠，怎么辦？相比繼續(xù)使用八進(jìn)制，比較后發(fā)現(xiàn)還是使用偏振復(fù)用性價(jià)比更高。這就是為什么在QPSK前加個(gè)DP，變成DP-QPSK的原因。從圖4我們可以看出，通過偏振復(fù)用（即用兩個(gè)正交的偏振態(tài)傳輸兩路不同信息），我們能將信息量進(jìn)一步翻倍，變成每符號4個(gè)字節(jié)。

        圖4 偏振復(fù)用的多進(jìn)制相位調(diào)制DP-QPSK示意圖
    看到這里，相信以前不知道DP-QPSK是什么的朋友，也會對100G網(wǎng)為什么有那么多人青睞DP-QPSK調(diào)制格式有個(gè)大概的理解了。但還需注意這個(gè)詞前面還有個(gè)修飾語，“基于相干檢測的” DP-QPSK。為什么要相干接收呢？一方面因?yàn)橛捎谝獙Χ噙M(jìn)制，且偏振服用了的信號解調(diào)，確實(shí)不是容易的事情，不能用以往的探測器了。另一方面我們提到過，100G網(wǎng)的平穩(wěn)升級需要有10倍改善的OSNR靈敏度，我們知道相干檢測比起非相干一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是高靈敏度，對OSNR的要求大大放寬�，F(xiàn)有的100G說白了就是建立在低硬件基礎(chǔ)上的高檔貨，使用相干接收是必要的，也是不得已而為之的，畢竟相干接收價(jià)格是非常昂貴的。圖5是諾基亞-西門子面向DP-QPSK的相干接收系統(tǒng)示意圖。

              圖5 諾基亞-西門子面向DP-QPSK的相干接收系統(tǒng)示意圖
    我們知道去年末到今年初，包括華為在內(nèi)的各大系統(tǒng)商都先后推出了自己的100G樣機(jī)及技術(shù)方案，為了深化認(rèn)識，我們以O(shè)pnext公司面向100G的光收發(fā)模塊實(shí)際產(chǎn)品為例，以便深入對100G光收發(fā)的核心技術(shù)的理解。圖6為Opnext最新100G光收發(fā)模塊產(chǎn)品核心部件解剖示意圖。從圖中可以看到，模塊主要集成了DP-QPSK信號調(diào)制和發(fā)射、相干光接收、用于數(shù)字信號處理和糾錯(cuò)的ADC/DSP/FEC模塊，以及高速復(fù)用器在內(nèi)的四個(gè)功能模塊。

             圖6 Opnext面向100G光收發(fā)模塊產(chǎn)品解剖示意圖
    如果您看了前文的分析，相信您就不難理解圖示光收發(fā)模塊產(chǎn)品的構(gòu)成和技術(shù)核心了。