奈奎斯特技术实现超高速传输技术

奈奎斯特（Nyquist）脉冲整形，就是把时域脉冲形状整形为辛格函数[sinc（x）]形状。奈奎斯特脉冲整形使信号频谱局限在一个最小可能的频谱带宽内，从而避免信道间的干扰，减轻使用专门信号处理的需要，允许信道间距接近符号率，它是光纤通信系统提高频谱效率的有效工具，用于构成最密集的WDM系统。有人用它已实现单个激光器编码速率达到32Tbit/s。奈奎斯特相对于OFDM信号的多载波调制来说，通常的单载波调制信号想要实现密集频谱的超级信道，需要在每个光子载波产生后，利用一个奈奎斯特滤波器来对频谱进行整形。整形后的子波带频谱接近一个矩形，能够极大地减小带外的能量泄漏，从而减小子波带间的串扰，其频谱带宽等于光子载波信号传输波特率。信道间隔最小化是提高谱效率的另一种途径，但这样会引起ICI（信道间串扰）。若对信道光谱进行整形，就能避免信道重叠以及因重叠导致的ICI。如果采用升余弦滤波器使信道谱宽最小化，在极限上，当升余弦滤波器的滚降系数为0时，信道中信号光谱会变成理想的矩形谱。这样就可以使信道间隔与信道的码元速率相等，这种信号被称为Nyquist-WDM信号，其时域脉冲形状具有sinc函数状，如图3-28b所示。这时该系统达到无ISI传输的Nyquist极限，谱效率可达每偏振1symbol/s/Hz。若每信道采用PM-QPSK调制格式，则系统可实现的谱效率为4bit/s/Hz。采用Nyquist-WDM技术的信号光谱与时域波形如图3-28所示。Nyquist-WDM基于Nyquist第一准则，满足时域正交性，在时域是sinc型，频域是矩形，与OFDM正好相反。

图3-28 Nyquist-WDM光谱与时域波形

Nyquist-WDM的关键是子信道复用前的脉冲/谱成形，有光域（光滤波）和电域（DSP+DAC）两种方法，如图3-29所示。光域方法易实现，子信道带宽约为1.1（其中为符号率），易于实现高速率。光域滤波器可使用基于MEMS（微电子机械系统）技术的WaveShaper（波形整形器）或使用两个间插复用器级联口的方式实现。虽然目前光域滤波无法实现理想的矩形谱滤波，但已可准确地形成有陡峭截止的光谱塑形，其边缘处产生的形变群时延可通过接收机中的DSP来解决。在可预见的未来，随着MEMS技术的改进或其他更好技术的产生，具有矩形谱的光滤波器件将会逐渐成熟，成本将会降低，以光滤波方式实现Nyquist-WDM系统亦具有一定的实用性。电域滤波器除了在发送端将基带数据经DSP内的升余弦函数滤波器进行电域光谱整形外，还可使用如RRC-FIR（根升余弦有限脉冲响应）滤波器或FIR与预均衡器结合等方式实现；电域方法子信道带宽可以更接近，但受制于电器件性能而难实现高速率。在高速光传输领域，基于光域成形法的Nyquist-WDM更被看好，它无须正交光子载波发生器，易于实现，只是频谱效率稍低于OFDM。与此同时，Nyquist-WDM技术适用于时域信号，与均衡技术无关。因此在接收端可以采用传统的时域均衡方法，也可以采用频域均衡的方法来实现超级通道传输。

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图3-29 Nyquist-WDM的谱成形方法

Nyquist-WDM充分利用了奈奎斯特准则的特点，对信道光谱进行整形，避免了信道重叠以及因重叠导致的信道间串扰（ICI），同时使得信道间隔最小化，提高了谱效率。与光OFDM技术相比，Nyquist-WDM方式在对抗码间干扰（ISI）具有优势，对接收端器件的要求更低，但是传输距离方面不如光OFDM技术。Nyquist-WDM自身的主要难度在于光滤波器无法实现理想的矩形谱滤波，成本较大，其他器件要求与同等速率（指子信道速率）单载波技术一致，峰均比低。

基于PDM-QPSK（偏分复用正交相移键控）的Nyquist-WDM已成功进行跨太平洋传输实验。更高阶的调制格式也适合Nyquist-WDM，在OFC 2012上已有采用PDM-64QAM（偏分复用64正交幅度调制）的报道。

另一种基于乃奎斯特的技术是Super-Nyquist，Super-Nyquist的发送端实现与Nyquist-WDM类似，但接收机难度大大增加。接收机越复杂，性能越好。虽然在信道内复用技术中Super-Nyquist的频谱效率最高，且无须正交光子载波发生器，发端易实现，但其接收技术过于复杂，在高速率场景下很难实现，因此短期内没有应用的可能。