2.2.5 先进调制格式

（1）频谱比较

在过去二十多年的光纤通信系统中，NRZ-OOK调制格式因为信号产生简单，一直是非常重要的选择。NRZ-OOK是一种二进制调制格式，其中，每个符号以最小或最大幅度状态进行传输。NRZ 直接使用二进制数据流进行传输而无须编码，并且在接收机处，一个简单的比较器足以检测振幅状态并解码信息位。在NRZ中，器件的线性度不是问题，因为器件仅使用两个幅度电平，并且可以使用具有非线性传递函数的RF放大器或调制器。但是，NRZ的主要缺点是频谱效率低，这是因为每个符号都携带单个信息位。为了能满足50Gbit/s的传输要求，NRZ需要50GHz带宽的光电器件，即使考虑Nyquist NRZ信号，也至少需要25GHz带宽的光电器件。PAM4和EDB是最简单的多级幅度调制格式，与 NRZ-OOK 比较，带宽效率有成倍的提升。EDB 是一种部分响应信号传输技术，通过使一个符号扩展到相邻符号中，在信号中引入受控的 ISI。通过允许可控的 ISI，符号持续时间更长，因此频谱变得更窄。降低的频谱可以提高频谱效率、提高对信道失真的容忍度。双二进制（Duobinary,DB）编码通过将信号与该信号的时延相加完成，可以使用时延加法器实现，NRZ-EDB信号经过时延相加后则具有3个幅度电平。PAM4调制格式具有4个不同的幅度电平，每个PAM4符号可以携带2bit信息，频谱效率可以提升两倍。如果再考虑Nyquist PAM4（Ny-PAM4）信号，带宽可以进一步降低。

与多幅度的 PAM 调制相比较，QAM 信号因为有幅度和相位二维信息可以调制，频谱效率得到极大程度的提高。但是QAM信号是复数信号，不能直接应用在基于强度调制器的光纤传输系统中。DMT调制格式可以认为是OFDM的特殊变体，是利用Hermitian对称性和快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform,IFFT）的特性创建的实值信号，信号频谱被划分为正交子载波。DMT是OFDM的一种有效的实现方式，可以用于IMDD场景以及响应变化缓慢的信道。DMT具有系统简单和成本低的优点，已被用作在双绞线上运行的x数字用户线（xDSL）系统的标准。DMT对于IMDD光纤传输系统是一种有吸引力的解决方案，因为它具有OFDM的许多优点，同时又不需要相干检测，具有很高的频谱效率，可以在光接入网中实现高速率传输。Tao等[17]通过基于10Gbit/s DML和10Gbit/s APD在O波段实现了50Gbit/(s·λ) TDM-PON，传输20km光纤可以获得26dB的链路功率预算。CAP调制格式是QAM的一个变形，与副载波调制（Sub-Carrier Modulation,SCM）和OFDM相比，CAP不需要电的复数实数转换器件、不需要复杂的混频器，也不需要射频源或IQ调制器，具有低功耗和低成本的优点，在数字用户线中有着广泛的使用。与多电平的PAM信号相比，CAP可以通过正交的整形滤波器实现信号的多维调制。CAP在大容量和高频谱效率的短距离光接入网络中已被广泛地研究。Wei等[18-19]使用10Gbit/s级别的收发机实现了40Gbit/s多带CAP长距离PON，成功传输80km SSMF，链路功率预算可以达到33dB。在实现50Gbit/s PON的传输系统中，DMT和CAP均采用了16QAM。

采用不同调制格式实现50Gbit/s速率的频谱对比如图2-10所示，PAM4和双二进制信号只需要NRZ（没有使用Nyquist处理）一半的带宽。PAM4的25GBaud是NRZ达到相同速率所需带宽的一半，这意味着所需的电子器件速率降低一半，从而容易实现，并降低了功耗。对于Ny-PAM4信号，通过改变滚降因子，所需的带宽可以进一步降低，当滚降因子为0时，只需要12.5GHz带宽，当然ISI也会非常严重。在滚降因子为0.3时，Ny-PAM4信号需要的带宽为25× (1+0.3)/2=16.25GHz。对于多维调制格式，DMT-16QAM 传输50Gbit/s 需要12.5GHz 带宽；CAP-16QAM考虑载波中频在12.5×0.55 =6.875GHz，所需带宽为13.75GHz。对于实现基于带宽受限器件的50Gbit/s传输系统，DMT和CAP调制格式需要的带宽最小。此外，还需要综合考虑器件成本、DSP复杂度、色散容限和功率损耗等，将在后续章节展开讨论。

图2-10 采用不同调制格式实现50Gbit/s速率的频谱对比

（2）PAPR比较

在基于带宽受限器件的短距离传输系统中，由于发射机和接收机带宽有限，高速率信号的带宽超过器件带宽会带来高频信号损伤，导致的滤波效应会引起严重的ISI。在IMDD方案中，信号的幅度容易超过器件的线性工作区域，从而带来信号的非线性损伤。采用不同调制格式实现50Gbit/s 速率的 PAPR 对比如图2-11所示，通过互补累积分布函数（Complement Cumulative Distribution Function,CCDF）与PAPR的关系可以看出，对于单载波调制信号，双二进制、PAM4和Ny-PAM4有着比较低的PAPR。需要注意的是，在比较中没有使用数字预均衡技术，如果使用数字预均衡技术，单载波调制格式的PAPR也会增加。对于多载波调制信号，DMT-16QAM有着最高的PAPR，与OFDM调制信号相似，当信号的瞬时功率过大时，光调制器和电放大器会工作在非线性区域，引起信号的非线性失真。当然，如果考虑DFT-S DMT,PAPR会降低，但是复杂度会增加。最后，CAP-16QAM 信号的 PAPR 介于单载波和多载波之间，是非常具有潜力的调制方式。

图2-11 采用不同调制格式实现50Gbit/s速率的PAPR对比