调制编码方式的选择与应用

1.非归零（NRZ）码

NRZ是占空比为100%的开关键控码型，NRZ码的产生方法是所有码型中最为直接的。它能够通过对一个半导体激光器的外调制或直接调制产生。它的带宽受到器件特性的限制，包括寄生效应，这使它很难工作在40Gbit/s的环境下；频率啁啾问题使它不能够适应长途传输。但是，这种装置非常经济简单，所需要的驱动电压也比较低，而且预滤波使它能胜任几百千米的传输。对于外调制，连续光（CW）和外调制器是必不可少的，外调制器可以是电吸收调制器（EAM）或马赫曾德调制器（MZM）。与MZM相比，EAM的插入损耗较大但能够更加灵活地调节占空比。非归零码由于其简单经济在现有的光通信系统中被广泛使用。NRZ频谱效率高，比较适合WDM系统。NRZ是当前应用得最多的调制格式，因为它的应用简单、成本低，技术成熟，而且光谱宽度较窄，因而广泛应用于目前的WDM低速传输系统中。

2.归零（RZ）码

RZ是指占空比小于100%的开关键控码型，与NRZ相比，RZ有更大的非线性容忍度，目前主要有两种方法可产生RZ信号。通过对归零脉冲源与信号的同步产生RZ信号，脉冲源可以通过分布反馈式布拉格激光器（DFB-LD）来得到。对于一个N路信号的WDM系统而言，由于需要N个脉冲源和N个调制器来产生N路信号，这增加了系统的代价。另一种方法是先产生N路的NRZ信号，然后再对信号进行切割，这样就能降低成本。这种方法能够产生不同占空比的归零信号，但是必须做到N路非归零信号与用来切割的马赫-曾德尔调制器的同步。对于这种方法，如果要发射N路信号，那么我们需要N个CW源和N+1个马赫-曾德尔调制器。这种方法更加经济，并且被广泛地使用。另外，由于RZ信号占空比小，脉宽窄，在高速时分复用（TDM）系统中有很大优势。与NRZ码相比，RZ码高于40Gbit/s的传输表现出如下优点：①RZ码比NRZ码的峰值功率高，检测RZ码接收机灵敏度将有所改善，因此降低了系统对光信噪的要求并且延伸了光信号的传输距离；②RZ码将脉冲能量集中在码元中心更窄的区域，所以需要比作用在NRZ码上更大的差分群时延才能引起码间干扰现象，因此RZ码在抑制PMD方面具有更优的性能：③在SPM受限的光通信系统中，RZ码传输允许具有更大的入纤功率，或者在相同的入纤功率下，RZ码可以实现更远的光信号传输。除以上分析外，从应用的实际结果来看，40Gbit/s及其以上的光信号传输系统除了必须采用调制码之外，而且沿用多年的NRZ码必须转向性能更好的RZ码，或者转向调制效率更高的其他码型。

3.载波抑制归零（CSRZ）码

占空比为66%的RZ码为CSRZ码，从眼图上看与RZ相似，但CSRZ码在两个相邻的比特位引入了π的相位反转。正因如此，CSRZ较RZ码有更窄的频谱宽度和更好的非线性容忍能力。产生载波抑制归零码的方法是使用一个公共的马赫-曾德尔调制器（MZM）来引入相位的反转。通过把偏置点定在MZM调制器的最低点，能够实现载波抑制归零信号的产生。这种产生方法共用了N+1个调制器和N路光源来产生N路WDM的CSRZ信号。

4.光双二进制（ODB）编码

ODB本质上还是一种二进制编码。在实际中，为了应用方便，使“1”对应“+1”和“-1”，“0”对应“0”。这种技术与一般的幅度调制技术比较，信号谱宽几乎是NRZ信号的一半，这就使得相邻信道的波长间距可以减小，从而可扩大信道容量。ODB比NRZ信号具有更大的色散容差，从而使其在无色散补偿的情况下能传输更长的距离。载频处也没有像NRZ一样的线型谱，此特性放宽了SBS限制的入纤光功率。在接收端，ODB信号可以用一般的强度探测器直接探测，因此，普通的非归零（NRZ）码的光接收机就可以接收ODB信号，而不需要像DPSK那样相干解码，成本较低。

5.传号交替反转码AMI

与Duobinary相似，符号交替翻转码（AMI），除了幅度上携带信息外，在相位上还有相关编码。信号“1”上的相位是不断反转的，每个“1”的相位都与它前面的“1”相差π。AMI格式也属于部分响应调制格式，其产生和DB格式的产生类似，不同点在于预编码部分。AMI的产生中把电的延时相加部分改为延时相减电路（等价于高通滤波器），另外一种方法就是直接在光域对强度或相位调制的信号进行延时相消干涉而得到，因此AMI的表现形式一般为RZ格式，又称为光双二进制载波抑制RZ（DCSRZ）或改进的光双二进制RZ（MDRZ）信号。

6.相位变化的归零（AP-RZ）码(www.xing528.com)

在色散管理40G系统中，RZ脉冲会由于色散而展宽，然后用色散补偿将其恢复。在这个过程中，脉冲会相互发生非线性作用，产生的非线性是一个相位敏感过程，其混合效应非常依赖于光脉冲的相位，所以，改变光脉冲的相位能够影响这两个过程，AP-RZ就是通过改变相邻光脉冲的相位实现的。

7.差分相移键控（DPSK）

相移键控（PSK）码是把二进制信息加载到光波的相位上的一种调制方法，而DPSK则首先要对二进制数据信号进行差分编码，即把绝对码变为相对码，再对光波的相位进行调制。DPSK的主要优点就是高的接收灵敏度。和通断键控（OOK）相比，DPSK信号在得到相同的误码率的时候所需的光信噪比（OSNR）要少3dB。因为高的接收灵敏度意味着高的噪声容限，所以灵敏度的提高可以用来增加传输长度，也可以让系统变得更加稳定。DPSK的另一个优点就是对非线性的容限很高。特别是在通信速率高于20Gbit/s的系统中，DPSK在抑制这些信道内非线性效应的能力比OOK系统要强。DPSK在全光网络里也有优势，全光网的两大主要损伤光滤波效应和相干光串扰，有研究表明DPSK格式对这两种损伤的适应力很强。例如，DPSK比传统的OOK格式在相干光串扰的容限要高出6dB。DPSK与其他编码方式组合，可产生NRZ-DPSK、RZ-DPSK、CSRZ-DPSK等编码方式。

8.差分正交相移键控（DQPSK）

DQPSK又叫四差分相移键控（4DPSK）码。4DPSK格式的每个码元有四个相位状态（DPSK只有两种）。DQPSK的优点在于每个码元可以传输两个比特的信息。与开关键控（OOK）、差分相移键控（DPSK）等二进制调制格式相比，光DQPSK调制具有非常窄的频谱宽度和较高的频谱利用率；作为四相位调制格式，在相同的信息速率下，DQPSK的码元速率仅为二进制信号的1/2，减少了对光电器件速度的要求，即20Gbit/s的码元速率就可实现40Gbit/s的信息传输速率。在40Gbit/s的系统中，4DPSK格式的码元速率只有20Gbit/s。所以降低了信号的光谱宽度，增加了色散（偏振模色散、色度色散）和非线性容限，在WDM系统中可以容许有更小的信道间隔和很高的光谱效率。同时，DQPSK还具有与DPSK调制相同的使用平衡接收，相比OOK调制能提高3dB的接收灵敏度。DQPSK与其他编码方式组合，可产生NRZ-DQPSK、RZ-DQPSK、PM-DQPSK等编码方式。

9.频移键控（FSK）

基带数字信号只控制光载波的频率，称为频移键控（FSK）。FSK相当于两个波长不同、携带信息相反的NRZ的合集。FSK的调制主要有两种方法：一种方法是调制两个不同波长的激光器产生FSK；另一种方法是日本提出的基于集成FSK调制器产生的，只需要一个激光器。FSK的解调也有两种方法：一种方法是利用滤波器滤出某个波长，然后由NRZ接收机接收；另一种方法是利用FSK平衡接收机，平衡接收机的灵敏度与前一种接收机相比可以提高3dB。

速率和调制编码方式不同，对系统性能的影响也不同，表3-2对常用的几种调制编码方式进行比较，并给出了它们的较好应用场合。

表3-2 几种调制码型的基本性能及应用场合