光通信裏的I/Q調製與星座圖

學通信的都知道,光波不僅僅由振幅來定義,還可以通過下面具有Ex和Ey兩個偏振分量的電磁波電場的經典數學公式描述。

另外,我們可以知道有很多光波特徵參數都可以用來對信息進行編碼呢,比如:

在偏振複用中,這些正交分量可以作爲兩個不同的通道傳遞獨立信號;

在波分複用中應用不同的頻率ω可以在不同渠道獨立數據傳輸這些頻率/波長;

這樣是不是感覺調製方案有了很多種可能性?事實上,這也的確是高階複雜調製的理論根據。

I/Q調製

信號的調製方案是通過振幅E, 相位Ф等參數共同調製--這就是基本的I/Q調製

I/Q調製可以用下圖的極座標描述,這裏,I爲in-phase同相或實部,Q爲quadrature正交相位或虛部,如圖中所示藍色矢量端點的位置對應一個點 (也稱爲“星座點”)在這個圖中(這被稱爲“星座圖”),這個點其實就是振幅E和相位Ф的一對組合。

 I/Q調製聽起來是一個蠻高大上的名字,那它是不是就比前面講過的OOK調製Niubility呢?先讓下面哥仨挨個來個自我介紹:

由此可知,調製幅度和/或相位並不意味着相對OOK調製具有更高的傳輸效率。

而相干傳輸技術於傳統上用的NRZ,RZ和OOK信號相比,要提高傳輸效率,就要使用多個符號表示多個位數,那麼用一個MZM調製器只能實現BPSK調製,那麼要實現QPSK,則要有兩個正交的MZM調製器。

這意味着在Q路有 90° 的相移, 表現在時域上的波形爲如下圖所示,一共有4個符號,每一個時鐘週期傳輸2比特:

* A 代表 00--- → a sin(ωt+45)

* B 代表 01---- →  a sin(ωt+225)

* C 代表 11---- → asin(ωt+315)

* D 代表 10---- → a sin(ωt+135)


還要說明的是在複雜編碼情況下,現在實際上有兩種不同的速度需要被澄清:

首先 是以每秒比特數測量的比特率,也稱爲“傳輸速率”。

其次,符號率S量化以波特爲單位測量的每秒傳輸的符號數。因此,它通常被稱爲“波特率”。利用比特/符號的編碼效率e, 符號率計算如下:


下圖是以QPSK爲例進一步解釋這個公式。對於100-Gbps QPSK信號,這意味着它的傳輸速率是100Gbps,而它的符號率S =(100Gbps)/(2比特/符號)= 50Gbaud,此信號佔用的光通信帶寬約爲25GHz。

什麼是星座圖?

要說星座圖,就必須先聊一聊QAM。

QAM是Quadrature AmplitudeModulation的縮寫,也叫“正交振幅調製”,其幅度和相位同時變化。它的優點是每個符號包含的比特個數更多,從而可獲得更高的系統效率。對於給定的系統,所需要的符號數爲2n,這裏n就是每個符號的比特數。

 對於16QAMn=4因此有16個符號,每個符號4bit:0000,0001,0010等

  對於64QAMn=6因此有64個符號,每個符號6bit:000000,000001,000010等

而由這些符號組成的在極座標中的位置集合就是星座圖。

對於相位調製,可以通過星座圖來直觀的感受信號質量的好壞:

下圖顯示了QPSK中四個符號的星座點,可以把它看作是4QAM,其中四個符號中每個符號由兩比特編碼而成。星座點都位於一個半徑爲E的圓上,這意味着這四個符號只有不同的相位 (即總是相鄰點之間的π/ 2).

傳統的OOK也可以用星座圖表示,由於信息僅在振幅中,所以位值1可以在半徑爲(=振幅)E的圓上的任何位置。

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