調(diào)制是什么意思?

如今，大多數(shù)無線服務都在使用復雜的載波調(diào)制方案。調(diào)制技術(shù)和元器件的持續(xù)改進以及糾錯碼的進步，促使信道容量更加接近香農(nóng)定理設定的基礎極限。那么，調(diào)制是什么意思？調(diào)制的分類？

調(diào)制是一種將需要傳送的信號搬移到高頻載波，實現(xiàn)頻譜搬移的過程。把輸入信號變換為通過信道傳輸波形的變換過程稱為調(diào)制。通常把原始信號稱為調(diào)制信號，也稱基帶信號；被調(diào)制的高頻用于運載原始信號，因此稱載波。

調(diào)制實現(xiàn)了信源的頻譜與信道的頻帶匹配。

需要傳送的信號是基帶信號

需要傳送的信號是基帶信號。最開始是語音信號，現(xiàn)在是數(shù)字化的各種數(shù)據(jù)，包括程序，圖片，語音，視頻。

調(diào)制的目的是什么?

通過對載波參數(shù)的改變, 將需要傳輸?shù)?a target="_blank">信息（話音、數(shù)據(jù)等） 通過一定的媒介進行傳輸

信號為什么需要調(diào)制？

對于數(shù)字通信來說，調(diào)制使您能夠使用窄頻率帶寬傳輸更多數(shù)據(jù)。

1.低頻信號不適合在空中傳播，天線尺寸與信號波長成正比，調(diào)制實現(xiàn)頻譜搬移。

2.無線頻譜資源有限，需要在指定的頻率上進行發(fā)射接收，調(diào)制實現(xiàn)頻率復用

3.增加信號在信道中傳輸時的抗干擾性能，提高頻率效率

無線通信的調(diào)制技術(shù)

如今，大多數(shù)無線服務都在使用復雜的載波調(diào)制方案。調(diào)制技術(shù)和元器件的持續(xù)改進以及糾錯碼的進步，促使信道容量更加接近香農(nóng)定理設定的基礎極限。那么，常用的調(diào)制方式有哪些？

常用的調(diào)制方式有哪些？

調(diào)制方式基本可以分為數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制

什么是模擬調(diào)制？

調(diào)制的三種類型：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、相位調(diào)制（PM）

模擬調(diào)制是用連續(xù)變化的信號去調(diào)制一個高頻正弦波。模擬調(diào)制的三種方式：調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、相位調(diào)制（PM）。

調(diào)幅（Amplitude Modulation - AM）

調(diào)幅（AM） 可維持頻率和相位常數(shù)并縮放振幅（與音頻信號成正比）。在最簡單的情況下，音頻信號是正弦波，頻域圖看起來像三個音調(diào) － 載波加上兩個旁波帶，以調(diào)制速率區(qū)隔。低頻調(diào)制顯示旁波帶很靠近載波，而高頻調(diào)制則顯示旁波帶離載波更遠。它的調(diào)制方式改變的是信號的幅度或者強度。幅度調(diào)制是用于廣播聲音的調(diào)制類型。

時域中的調(diào)幅（AM）范例

頻域中的調(diào)幅（AM）范例

調(diào)頻（Frequency modulation - FM）

調(diào)頻可讓振幅維持恒定，并隨時間改變波形頻率（與音頻信號成正比）。如果音頻信號是正弦波，則在頻域中，調(diào)頻看起來像是信號載波加上與調(diào)制相符的旁波帶。您可以使用貝索（Bessel）函數(shù)來確認。記住，在頻域中看起來可能與 AM 完全一樣。

頻率調(diào)制的優(yōu)點是可以限制信號上的幅度噪聲，因為只有頻率變化才能攜帶所需的信息。這可以通過使信號通過一個進入限制的階段來實現(xiàn)，從而消除可能是噪聲和一般信號變化的結(jié)果的幅度變化。如果有足夠的信號使某個階段進入限制狀態(tài)，則任何信號強度變化都不會改變解調(diào)音頻的電平，假設正在傳輸音頻。因此，調(diào)制形式已被用于許多應用，包括高質(zhì)量的模擬聲音廣播。

時域中的調(diào)頻（FM）范例

頻域中的 調(diào)頻（FM） 范例

相位調(diào)制（Phase modulation - PM）

相位調(diào)制PM 同樣也可讓振幅維持恒定，但依照相位改變波形。在時域中，它看起來與 FM 完全一樣。有時 FM 和 PM 又稱為角度調(diào)制，因為在時域中它們看來非常相似。在頻域中，PM 看起來像是信號載波加上與調(diào)制相符的旁波帶。與調(diào)頻一樣，您可以使用貝索函數(shù)來確認這些旁波帶。

相位調(diào)制和頻率調(diào)制有許多相似之處并且是相互聯(lián)系的——一個是另一個的差分。然而，相位調(diào)制適用于數(shù)據(jù)傳輸，因此近年來它的使用迅速增長。

數(shù)字調(diào)制

什么是數(shù)字調(diào)制？

數(shù)字調(diào)制是無線、衛(wèi)星和地面通信行業(yè)中使用的一個術(shù)語，指數(shù)字狀態(tài)由載波相對相位和/ 或幅度表示的一種調(diào)制。雖然我們討論的是數(shù)字調(diào)制，但是應記住這種調(diào)制并不是數(shù)字的，而真正是模擬的。調(diào)制是按照調(diào)制( 基帶) 信號的幅度變化成比例地改變載波的幅度、頻率或相位。參見圖。在數(shù)字調(diào)制中，基帶調(diào)制信號是數(shù)字式的，而調(diào)制過程不是數(shù)字的。

在數(shù)字調(diào)制中，信息包含在載波的相對相位、頻率或幅度中

基帶信號是數(shù)字信號的調(diào)制方式

數(shù)字信號，就是只有有限種信息狀態(tài)的信號。例如現(xiàn)在最基本的010101的信號，只有0和1兩種狀態(tài)的組合。

數(shù)字調(diào)制方式的進化，就是提升數(shù)據(jù)傳輸速率的方法！

讓每一個周期發(fā)送的符號，包含更多信息，換言之要求離散的可選狀態(tài)點增多

調(diào)制信號的描述方式

如前所述，模擬調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號的唯一區(qū)別是載波狀態(tài)的改變是連續(xù)（無窮多）還是離散（有限個）。從傳統(tǒng)時域和頻域的表示上看，兩種調(diào)制是非常相似的。

在模擬調(diào)制中應用的調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)和調(diào)相 (PM)，在數(shù)字調(diào)制中分別稱為幅移鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)。而數(shù)字調(diào)制中常用的正交幅度調(diào)制 (QAM)是典型的矢量調(diào)制，同時改變載波的幅度和相位。任何調(diào)制方案都有它的優(yōu)點和不足，帶寬和成本是主要問題。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制到底有什麼區(qū)別呢？

例如，當我們選擇復雜的調(diào)制制式以得到最好的噪聲抗擾度時，它將占用更多的信道空間，從而限制了信道上的用戶數(shù)。選擇窄帶寬能兼顧信號信息和抗擾度。在一些案例中，為補償噪聲或信道噪聲，我們可能需要發(fā)送更高的功率。如果設計不好，過大的功率會使放大器進入非線性區(qū)，造成輸出信號的失真。或者附加的功率造成對其它信道的干擾。調(diào)制方案越復雜，就越難實現(xiàn)，工程要求會更多，從而也增加了成本。

基本調(diào)制方案包括幅度、頻率和相位調(diào)制。調(diào)制信號可以使用幅度和相位（矢量）的極坐標來表示。I/Q調(diào)制由于頻譜效率較高，因而在數(shù)字通信中得到廣泛采用。

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別

模擬調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號的唯一區(qū)別是載波狀態(tài)的改變是連續(xù)（無窮多）還是離散（有限個）

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制在本質(zhì)上是一樣的，都是將需要傳遞的信息通過變換過程即改變載波的特征參數(shù)而攜帶在載波上。載波有三個特征參數(shù)可以改變，即幅度、相位和頻率。分別針對這三個特征參數(shù)進行改變就稱為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻。數(shù)字調(diào)制稱為矢量調(diào)制，因為同時改變兩個以上的參數(shù)，如幅度和相位。

在信息論中，稱信道無差錯傳輸信息的最大信息速率為信道容量，記為C。從信息論的觀點來看，各種信道可概括為兩大類：離散信道和連續(xù)信道。所謂離散信道就是輸入與輸出信號都是取值離散的時間函數(shù)；而連續(xù)信道是指輸入和輸出信號都是取值連續(xù)的。這里主要討論后者即調(diào)制信道，僅從說明概念的角度考慮，我們只討論連續(xù)信道的信道容量。

1948年，香農(nóng)(Shannon)提出了信息論，導出了香農(nóng)公式。其結(jié)論為：

在給定B、S/N 的情況下，信道的極限傳輸能力為 C，而且此時能夠做到無差錯傳輸（即差錯率為零）。這就是說，如果信道的實際傳輸速率大于 C 值，則無差錯傳輸在理論上就已不可能。因此，實際傳輸速率一般不能大于信道容量，除非允許存在一定的差錯率。2. 提高信噪比 S/N（通過減小 N 或增大 S ），可提高信道容量 C。特別是，若 N→0，則 C →∞，這意味著無干擾信道容量為無窮大；3. 增加信道帶寬，也可增加信道容量，但做不到無限制地增加。

通常，把實現(xiàn)了極限信息速率傳送（即達到信道容量值）且能做到任意小差錯率的通信系統(tǒng)，稱為理想通信系統(tǒng)。香農(nóng)只證明了理想通信系統(tǒng)的“存在性”，卻沒有指出具體的實現(xiàn)方法。先進的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是實現(xiàn)更高系統(tǒng)容量的重要手段。一方面寬帶調(diào)制使B增大，不僅有效增加系統(tǒng)容量，而且提高抗干擾能力；另一方面數(shù)字調(diào)制和編碼結(jié)合提供更大的處理增益，使每個用戶需要的S/N下降，使通信容量增大。通信系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)，其中一個根本原因在于系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞。

模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的區(qū)別

模擬調(diào)制信號要反映的對象是連續(xù)變化的波形。

數(shù)字系統(tǒng)以誤碼率或誤幀率來衡量接收質(zhì)量。由于數(shù)字系統(tǒng)接收機中使用最佳接收機技術(shù)（匹配或相關(guān)接收），采用最大似然判決來得到較好的信噪比。數(shù)字調(diào)制信號要反應的對象是離散的電平狀態(tài)，即使在調(diào)制或傳輸過程中對信號波形造成變化，對傳輸?shù)碾x散狀態(tài)可能不會造成損害。模擬調(diào)制信號的載波特征參數(shù)變化有無窮多的狀態(tài)，任何連續(xù)狀態(tài)變化過程中的誤差都會造成信息的損失，通信質(zhì)量完全取決于S/N。數(shù)字調(diào)制信號的載波變化狀態(tài)是有限的，離散的，非有效狀態(tài)的誤差不會造成信息的損失，因此數(shù)字調(diào)制信號可以承受更大的噪聲。

通信系統(tǒng)從模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字系統(tǒng)，其中一個根本原因在于系統(tǒng)抗噪聲性能的好壞

? 模擬調(diào)制信號基于對連續(xù)波形信號的傳輸，需完成對信號連續(xù)變化過程的精確描述和檢測，其載波特征參數(shù)變化有無窮多的狀態(tài)，任何連續(xù)狀態(tài)變化過程中的誤差都會造成信息的損失，通信質(zhì)量完全取決于S/N。

? 數(shù)字調(diào)制信號基于對離散狀態(tài)的傳輸，只需完成對離散時間點信號狀態(tài)的控制和判決，其載波變化狀態(tài)是有限的和離散的，非有效狀態(tài)的誤差不會造成信息的損失。因此數(shù)字調(diào)制信號可以承受更大的噪聲。

為什么全部商用通信系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字調(diào)制?

隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，全部商用通信系統(tǒng)從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，是德科技總結(jié)了以下幾點原因:

更大的系統(tǒng)容量 長距離通信也能保證通信質(zhì)量 數(shù)據(jù)傳輸能力

但是數(shù)字系統(tǒng)設計與模擬系統(tǒng)一樣，也需要考慮多種因素的折衷。這些折衷因素主要是系統(tǒng)信息帶寬與可得到射頻帶寬限制的折衷。抗噪聲性能好壞以及電池供電時間長短；選用不同調(diào)制格式以使系統(tǒng)性能達到某種意義上的最優(yōu)化。

大多數(shù)通信系統(tǒng)的優(yōu)化著眼于下列三類要素：帶寬效率、功率效率或價格效率。

帶寬效率描述一個調(diào)制體制在有限的帶寬內(nèi)可容納數(shù)據(jù)的能力。功率效率描述這個系統(tǒng)在最低功率電平下可靠的傳送信息的能力。在多數(shù)系統(tǒng)中，帶寬效率具有高的優(yōu)先級。價格在系統(tǒng)優(yōu)先選擇中處于支配地位，通常要求低價格的無線電設備。過去用犧牲功率和帶寬效率的辦法來獲得低價格的無線電設備是可行的，而現(xiàn)在已不可能，因為無線電頻譜變得越來越昂貴。所以在射頻通信設計中必須考慮這些參數(shù)的折衷。

調(diào)制格式

簡單調(diào)制格式

開/關(guān)鍵控(OOK）是最基礎的調(diào)制格式，通過調(diào)節(jié)幅度來實現(xiàn)調(diào)制信號， 在OOK中：當激光源開啟時，表示“1”；當激光源關(guān)閉時，表示“0”。換句話說，當光幅度超過某個水平時，表示“1”；當光幅度低于這個水平時，表示“0”。

OOK的星座圖。在OOK中，相位是隨機的。

復合調(diào)制格式

通過復合調(diào)制可以在一個信號狀態(tài)內(nèi)（表示為‘符號’）對多個比特進行編碼，復合傳輸不是發(fā)送二進制數(shù)據(jù)流，而是將多個比特編碼變成一個新符號，然后發(fā)送這些符號的數(shù)據(jù)流，比如正交相移鍵控(QPSK）使用4個符號對每2個比特進行編碼。如圖1所示，2個比特編碼成1個新符號，通過這種方式，相同的帶寬可以傳輸兩倍的數(shù)據(jù)量。采用更高級的調(diào)制格式，使用單個符號定義更多比特，可以繼續(xù)提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖1. 編碼概念：使用符號表示比特串，這里用一個字母符號表示2個比特

為什么采用復合調(diào)制？

使用OOK 時，信道干擾或衰減會在100 Gbps 及以上速率造成嚴重的干擾，這是因為隨著頻譜擴大的信道開始與臨近信道重疊，OOK信號所占用的帶寬巨大，信號經(jīng)過波長濾波器整形， 結(jié)果會產(chǎn)生串擾和調(diào)制信息質(zhì)量下降。復合調(diào)制方案使用光波的所有參數(shù)（幅度和頻率或相位）進行信息編碼， 可以有效改善頻譜效率，采用復合調(diào)制方案，比如正交相移鍵控（QPSK）可以解決這些問題。

圖 2. ITU 網(wǎng)格中的信號頻譜

調(diào)制方式（PDM、強度、IQ、WDM）

圖3為電磁波（電場）的數(shù)學描述，電磁波中包含兩個偏振分量Ex和Ey。這些正交分量在偏振多路復用(PDM)中用作兩個不同的信道來發(fā)送獨立信號。在波分復用（WDM）中，不同的頻率ω用作不同信道，在這些頻率/波長上進行獨立的數(shù)據(jù)傳送。對于復合調(diào)制方案來說，除了幅度E之外，光波的相位Ф也可以經(jīng)過調(diào)制用于定義上述符號。調(diào)制光波的電場也可以用I/Q圖中的復數(shù)平面來描述。這里，I是同相或?qū)嵅浚琎是正交或虛部，如圖4所示（在去除了波的時間和空間依賴性之后，僅用于一個偏振面）。符號對應于圖（也稱為“星座圖”）上的一個點（也稱為“星座點”），由極坐標中的I和Q值通過幅度E和相位φ定義。星座點對應的是符號時鐘時間，也稱為“檢測決策點”。

圖3. 電磁波的數(shù)學描述

圖4.符號的I/Q表示

圖5顯示了QPSK中的4個符號的星座點。QPSK是一種復合調(diào)制類型，使用4個符號對每2個比特進行編碼。星座點位于半徑為E的圓上。這意味著符號只是相位不同（相鄰兩點的相位差大約為π/2），幅度是相同的。在時域中，4個符號可使用幅度相同、相位不同的兩個波形的組合來表示。

圖5.QPSK的4個符號/星座點，一個符號編碼2比特

圖6.QPSK和OOK星座圖比較

相移鍵控（PSK）

什么是相移鍵控（PSK）？
相移鍵控是一種數(shù)字調(diào)制方法。這種方法用于通過調(diào)制否則會改變被稱為參考信號的載波信號的相位來傳輸數(shù)據(jù)。通過使用有限數(shù)量的單獨信號，可以用任何一種數(shù)字調(diào)制方法來表示數(shù)字數(shù)據(jù)。這種調(diào)制方法使用有限數(shù)量的相位，其中每個相位都可以分配二進制數(shù)字。通常，每個階段都編碼相等數(shù)量的位。每個位模式形成由確切相位表示的符號。

二進制相移鍵控(2PSK)

二進制相移鍵控(2PSK)的原理

相移鍵控是利用載波的相位變化來傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在二進制相移鍵控(2PSK)中，通常用初始相位0和π分別表示二進制相位“0”和“1”。
二進制相移鍵控（BPSK），是最簡單的相移鍵控形式，它具有兩個相隔180°的相位值，例如：0和π。幅度是恒定的。與OOK相比，這兩個符號的間距很大，可免受失真和噪聲的干擾。因此，BPSK適合超長距離應用，例如數(shù)據(jù)速率為40 Gbps的海底光纖網(wǎng)絡。BPSK的不足之處是每個符號僅表示1比特，與OOK相同，因此不適合用于100 Gbps及數(shù)據(jù)速率更高的應用。BPSK相對于OOK的劣勢是它很難確定信號的絕對相位。需要采用更復雜、更昂貴的方法比如相干檢測。對于OOK，光電二極管可以檢測出承載信息的幅度，稱為“直接檢測”。

圖7.OOK和BPSK星座圖對比
什么是差分相移鍵控(DPSK)？

差分相移鍵控常稱為二相相對調(diào)相，記作2DPSK。它不是利用載波相位的絕對數(shù)值傳送數(shù)字信息，而是用前后碼元的相對載波相位值傳送數(shù)字信息。所謂相對載波相位是指本碼元初相與前一碼元初相之差。
差分相移鍵控(DPSK)，為了避免進行相干檢測，需要對BPSK進行修改。對于DPSK信號，π的相位變化表示0，而不是絕對相位π。如果從一個比特到下一個比特的相位沒有發(fā)生改變，可以稱之1。在接收機一側(cè)，數(shù)據(jù)流被分成兩個相同的流，兩個流之間有一個比特周期的時延（差分）。將兩個數(shù)據(jù)流混合在一起，就能生成一個信號，光電探測器可以直接檢測到該信號，這種混合信號的強度更高。與OOK類似，DPSK每個符號中僅有1比特，因而不適合數(shù)據(jù)速率極高的應用。

圖8.DPSK信號直接檢測
正交相移鍵控(QPSK)
QPSK的1個符號表示2個比特。4個星座點的相位相差π/2，而幅度是恒定值。相對于OOK和BPSK，QPSK可在帶寬不變的情況下讓數(shù)據(jù)速率翻倍，這意味著，它也能夠在一半帶寬上提供原有的數(shù)據(jù)速率。QPSK通常用于100 Gbps的數(shù)據(jù)速率。信號相位檢測要求使用相干技術(shù)。
正交相移鍵控編碼規(guī)則
QPSK的每個碼元含有2b的信息，用ab代表兩個比特。發(fā)送碼元序列在編碼時需要先將每兩個比特分成一個雙比特組ab。ab有4中排列方式，即00,01,10,11,代表了4種相位。各種排列的相位之間的關(guān)系按照格雷碼安排。采用格雷碼的好處，在于相鄰相位所代表的兩個比特只有一位不同，降低了因相位誤差造成錯判的概率，從而使總誤比特率降低。
差分正交相移鍵控(DQPSK)。
為避免接收機端上的QPSK出現(xiàn)由光纖引起的相移所造成的相位模糊現(xiàn)象，可采用DQPSK，通過差分已傳輸符號間的相移來表示信息。4個可能的相移值通常為：0、-π/2、π/2或π。DQPSK的誤碼率（BER）低于QPSK，但對離差 (dispersion)的容限程度不高。與OOK類似，DQPSK信號可被直接檢測。

正交幅度調(diào)制

什么是正交幅度調(diào)制？

正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation - QAM）是一種在兩個正交載波上進行幅度調(diào)制的調(diào)制方式。這兩個載波通常是相位差為90度（π/2）的正弦波，因此被稱作正交載波。這種調(diào)制方式因此而得名。在QAM中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。

使用QAM調(diào)制方案可以讓數(shù)據(jù)速率達到400 Gbps或更高。QAM信號的調(diào)制和解調(diào)更加復雜，要比其他制式的成本要高。換句話說，高階QAM的星座點比純粹PSK更加分散。它們不容易受到噪聲和失真的影響，BER也會降低。當進制數(shù)較低時，一般為8進制以下，則選用PSK傳輸技術(shù)更為經(jīng)濟。在2n-QAM方案中，2n星座點表示每個符號有一組n比特，通常分布在正方形點陣（參見圖9）。2-QAM（最低階QAM）每符號僅有1比特。在對應1和0的兩個星座點之間，幅度保持不變，但存在π的相位差。因此，2-QAM實際上與BPSK是同一個方案。同樣，4-QAM與QPSK不同，但兩者的星座圖是一樣的，只有1個幅度值，4個星座點之間的相位差為π/2。8-QAM有2個幅度值和4個相差π/2的相位值，每個點表示3個比特。在其他的2n-QAM方案（n是奇數(shù)）中，很難使星座點呈現(xiàn)正方形點陣分布，會對BER性能帶來負面影響；實際上，8-QAM方案并不實用。相反，16-QAM的頻譜 效率是8-QAM的兩倍，且BER的增幅很小，因而更受歡迎。

圖9.QAM方案的星座點以正方形點陣分布
幅移鍵控和相移鍵控（APSK）。在APSK中,幅度和相位均被調(diào)制。與QAM不同的是,它的星座點分布在I/Q平面中的同心圓上。這個概念被引入到衛(wèi)星系統(tǒng)（射頻功率放大器具有非線性特性）。因此需要一個能夠容忍非線性放大的調(diào)制方案（包含較少的幅度）。圖10對比了16-QAM和16-APSK的星座圖，其中QAM和APSK幅度不同。在光纖中，APSK可應用到非線性噪聲場景中，用于改善對非線性光纖特征的容忍度。當數(shù)據(jù)速率高達400 Gbps及以上時,16-QAM的星座點間距較大，更易實施且光信噪比性能更佳，因而是首選的方案。

圖 10. APSK方案的星座圖和對應的 QAM 制式

圖11.不同調(diào)制方式時域和頻域特性 復合調(diào)制結(jié)合其他傳輸方法
復合調(diào)制方案還能與其他傳輸方法結(jié)合使用。例如，在PDM中，第二個光波信號與第一個光波信號正交偏振，可承載獨立的信息，并通過同一條光纖進行傳輸。使用正交相移鍵控(QPSK)的話，傳輸速率可以增加一倍，通過PDM還可以使傳輸速率再增加一倍，如圖12。

圖12. 使用復合調(diào)制、偏振復用和頻譜整形提高100 Gbps數(shù)據(jù)信號的頻譜效率

信號速度 我們現(xiàn)在實際上使用兩種不同的速度。第一種是以每秒比特數(shù)為單位的比特率ftx，也稱為“傳輸速率”。第二種是符號率S，表示每秒傳輸?shù)姆枖?shù)，單位為波特。它也因此通常被稱為“波特率 ”。Nsymbols是按字母順序的符號數(shù)量，符號率的計算公式如下：

如果信號也被偏振復用，那么這個結(jié)果要除以2。以一個100-Gbps QPSK信號為例，符號率S = (100 Gbps) / log2(4比特/符號)/(2偏振) = 25 Gbaud。最低光占用帶寬是25 GHz。
因此，復合調(diào)制信號所需的帶寬并不取決于數(shù)據(jù)速率，同時與符號數(shù)量有關(guān)。這也意味著，以給定數(shù)據(jù)速率編入單個符號中的比特數(shù)目越多（Nsymobls越高），光占用帶寬就會越小。換句話說，當符號速率不變時，可以通過增加每個符號的比特數(shù)，同時保持占用的光學帶寬來提高數(shù)據(jù)速率，用于提高頻譜效率。

香農(nóng)極限

香農(nóng)極限是什么意思？
上個世紀 40 年代，美國數(shù)學家和電子工程師克勞德?香農(nóng)（信息理論之父）發(fā)現(xiàn)，在任何通信信道內(nèi)，能夠準確無誤地傳輸數(shù)據(jù)的最大速度與噪聲和帶寬有關(guān)。他將這個最大比特率稱為“信道容量”，也就是目前眾所周知的“香農(nóng)極限”。 香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量）指的是在信道上進行無差錯傳輸?shù)睦碚撟畲髠鬏斔俾剩窍戕r(nóng)定理在有限帶寬的信道上的理論。

香農(nóng)－哈特利定理

信道容量 ：

其中 B 表示測得的帶寬 (Hz)，S 表示接收的信號平均功率 (W)，N 表示平均噪聲功率 (W)。
S/N是信噪比，那么信道容量和信號傳輸使用的帶寬有關(guān)，而與載波所在的頻率無關(guān)。
香農(nóng)極限定理是在 Hartley's law 和 Nyquist rate 基礎之上發(fā)展的。
信道容量可以通過增加帶寬或優(yōu)化信噪比 (SNR = S/N) 來增加。
實際上，該定理給出了理論上的最大值，但沒有說明哪種信號概念可以讓我們最接近這一極限。
實際上，SNR 是基本的限制因數(shù)。無論在現(xiàn)在還是未來，它都需要不斷優(yōu)化，因為當數(shù)據(jù)速率超過 100 Gbps 時，遠距離通信需要更好的信噪比性能才能在給定帶寬內(nèi)達到香農(nóng)極限。
香農(nóng)極限（或稱香農(nóng)容量）指的是在信道上進行無差錯傳輸?shù)睦碚撟畲髠鬏斔俾剩窍戕r(nóng)定理在有限帶寬的信道上的理論。

利用電光效應控制光信號相位（MZ相位調(diào)制器）

在傳輸OOK信號時，只需要由電信號直接調(diào)制激光源（DML），得到的光信號具有二進制強度。但如果需要對相位進行調(diào)制，這類簡潔的低成本方法則很難實現(xiàn)。 構(gòu)建相位調(diào)制器時，我們可以借助特定晶體（例如鈮酸鋰）的折射率n受局域電場強度影響的“電光效應”：n=n0+aE+bE2+…，n0為E=0時折射率，一次項為線性電光效應，稱為pokels，二次為kerr效應。因此電壓越高，折射率越大。n與場強有關(guān)系，那么光在晶體內(nèi)的傳播速度（折射率）和波長也與場強有關(guān)系。再由v=C/n，v=fλ，v為傳播速度，C為光速，n為介質(zhì)折射率。折射率越高，速度越慢，波長越短。因此，如果向晶體應用電壓，那么穿過晶體的光波長減小，并且可以通過選擇適當?shù)碾妷簛砜刂瞥錾涔獾南辔唬▍⒁妶D13）。

圖 13. 施加的電壓U越高，光在晶體內(nèi)的傳播速度就越慢，可用于控制輸出光的相位

什么是Mach-Zehnder調(diào)制器？

Mach-Zehnder調(diào)制器就是電光效應的一個應用實例。將一個光束一分為二，其中一束或兩束經(jīng)過類似上述的相移鈮酸鋰元件完成相位調(diào)制。兩個信號之間存在相位差ΔΦ， 該值取決于兩個信號路徑之間的電壓差ΔU。因此，兩個調(diào)制信號重新組合時，ΔU也可以確定信號是相長干涉或者相消干涉。圖14的方框圖顯示了發(fā)射光功率與ΔU之間的周期關(guān)系。半波電壓（Vπ）是功率傳輸相變π需要的電壓，表示調(diào)制器0功率和100%輸入功率傳輸之間的電壓差。

圖14.調(diào)制器發(fā)射功率與電壓的周期關(guān)系，其中Vπ是0與100%功率傳輸之間的電壓差
Mach-Zehnder調(diào)制器的相移效應也可以使用IQ圖來描述。圖15是一個正弦波示例，具有恒定的幅度，相對相位Φ = 0。在信號分離之后，每個分支上只有一半的功率。
① 在紫色示例中，調(diào)制器支路沒有施加任何電壓，因此兩個支路（假設長度相等）的信號相相位保持不變Φ = 0。這樣的重新組合得到的正弦波具有與之前一樣的幅度。 ② 在紅色示例中，信號在下分支上經(jīng)歷了π?2的相移，而在上分支上的經(jīng)歷了3π?2的相移。深灰色示例則與之相反。兩個示例的共同點是：兩個支路信號合成時，光信號相位相差π，產(chǎn)生相消干涉，兩個矢量相加為零。因此，輸出端沒有信號。 ③ 在淺灰色示例中，調(diào)制器的電壓進行了調(diào)整，使得信號在兩個分支上的相位都偏移π。如果疊加這兩個信號，會產(chǎn)生相長干涉。所生成的正弦波信號的原始振幅偏移Φ = π。

圖 15. Mach-Zehnder調(diào)制器的相移、時域及IQ圖示例
QPSK信號傳輸?shù)腗Z調(diào)制器
QPSK調(diào)制在1個符號中編碼2個比特，因此傳輸速率比OOK快一倍。4個符號在IQ圖中表現(xiàn)為處于同一個圓的4個星座點，這意味著我們僅在一個振幅上處理信號。這些點之間的間隔為π?2。在發(fā)射機中，電比特流到解多路復用器分為信號的I和Q部分。這兩個部分都可以直接 通過MZ調(diào)制器對支路激光信號的相位單獨進行調(diào)制。使用MZ調(diào)制器調(diào)制下方支路（Q支路）信號，實現(xiàn)π?2的相移。兩個支路信號重新組合之后，得到圖16下方所示的QPSK信號。

圖16.用于調(diào)制QPSK信號的發(fā)射機設置