摘要：光DQPSK技術(shù)具有很高的頻譜效率，近似恒定包絡(luò)等優(yōu)點，對光纖中的色散和各類非線性效應有很強的容忍能力。本文簡單介紹了光DQPSK調(diào)制格式的基本原理，并指出了其應用前景。

關(guān)鍵詞：DQPSK；發(fā)射機；預編碼；接收機

引言

光DQPSK（differential quadrature phase shift keying，差分正交相移鍵控）調(diào)制格式是近年來光傳輸技術(shù)特別是40Gbps以上光傳輸技術(shù)的一個熱點，其作為一種新型光纖通信系統(tǒng)的調(diào)制格式，最早由R.A Griffin在OFC2002上提出[1]。

光DQPSK在調(diào)制強度上近似恒定的包絡(luò)，對非線性效應有良好的抵御力。與OOK（On-Off keying，開關(guān)鍵控）、DPSK（differential phase shift keying ，差分相移鍵控）等二進制調(diào)制格式相比，光DQPSK調(diào)制具有非常窄的頻譜寬度和較高的頻譜利用率；作為四相位調(diào)制格式，在相同的信息速率下，DQPSK的碼元速率僅為二進制信號的一半，即20Gbps的碼元速率就可以實現(xiàn)40Gbps的信息傳輸速率；DQPSK還具有較大的色散容限、PMD（Polarization Mode Dispersion，偏振模色散）容限和較大的非線性容限。同時，DQPSK還具有與DPSK調(diào)制相同的使用平衡接收機，相比OOK調(diào)制能提高3dB的接收靈敏度[2]。

DQPSK的調(diào)制原理

DQPSK是四相調(diào)制格式，即用四種不同的相位來表征數(shù)字信息，將信息編碼于連續(xù)的光比特差分相位中，每一個差分相位代表一個二進制的碼元信息。在這種情況下，接收機必須探測相位改變的相對值，因此不需要使用同步方式進行接收。假設(shè)輸入光載波信號為，則可以表示為：

 （1）

其中，是電域矢量，是極化單位矢量，A是振幅，是載波頻率，是相位。DQPSK是將信息編碼于連續(xù)光比特的差分相位中，用來表示，可取（0，，，）中的一個值。由于采用了差分編碼方式，能夠有效避免因接收機相位反轉(zhuǎn)導致的解碼失敗。在本文中的定義如下式（2）所示：

 （2）

DQPSK發(fā)射機

一個DQPSK發(fā)射機包括一個DQPSK調(diào)制器，兩個調(diào)制驅(qū)動器和一個預編碼器。輸入光載波信號(u(k)，v(k)）經(jīng)過預編碼器后變成(I(k)，Q(k))，其中I(k)為同相部分，Q(k)為正交部分，如下圖所示：

圖1  DQPSK發(fā)射機

DQPSK發(fā)射機結(jié)構(gòu)如上圖1所示，原始數(shù)據(jù)u(k)和v(k)經(jīng)過預編碼后產(chǎn)生I(k)和Q(k)兩路信號，它們將分別作為兩個MZM的驅(qū)動信號，激光器產(chǎn)生的激光通過3dB光功率分離器后分別進入到兩個MZM調(diào)制器中進行相位調(diào)制，其中一個支路調(diào)制后的光信號要進行的相移，然后通過光功率耦合器與另一支路的光信號耦合，即通過并聯(lián)MZM的方法實現(xiàn)了光DQPSK調(diào)制。

上面講述的是將兩個MZM并聯(lián)起來進行調(diào)制的情況，還有一種是用MZM串聯(lián)進行DQPSK調(diào)制的情況。如下圖2所示，串聯(lián)的調(diào)制方式由一個MZM和一個相位調(diào)制器組成。MZM對光信號進行調(diào)制，MZM的偏置設(shè)在零點，驅(qū)動電壓的幅度為。當I路為0時，輸出光信號為0，當I路為1時，輸出光信號的相位為π。Q信號經(jīng)過電延時補償器后，接入到相位調(diào)制器，當Q為0時相位調(diào)制器輸出的相位為0，當Q為1時，輸出地相位為π/2[3]。

圖2 DQPSK的串聯(lián)MZM發(fā)射端

預編碼

光DQPSK系統(tǒng)中所傳輸?shù)男盘栆冗M行預編碼以確保差分解調(diào)時它能被準確地探測。不同的調(diào)制方式應采取不同的預編碼，并聯(lián)調(diào)制方式中采用的預編碼方式為用兩列同速率的偽隨機序列碼u(k)和v(k)作為輸入信號，按照以下編碼規(guī)則來對其進行預編碼。

  (3)

（3）式中，u(k)和v(k)為最初輸入的兩列偽隨機序列碼，I(k)和Q(k)為編碼后的信號。一般地，I(k)和Q(k)同輸入信號u(k)和v(k)一樣，都是由0和1組成的序列，它們的組合也如同u(k)和v(k)的組合，有4種情況：(00,01,10,11)，它們分別對應相位，屬于[π/4,3π/4,5π/4,7π/4]或[0,π/2,π,3π/2]，并且與原始輸入的兩列偽隨機序列存在對應關(guān)系見式（2）。

DQPSK接收機

DQPSK的接收機較為復雜，采用平衡接收方法。如下圖3所示，DQPSK的解調(diào)需要兩個MZI才能解調(diào)出信號。上路干涉儀沒有延時的支路有的相移，下路的干涉儀沒有延時的支路有的相移。MZI中的延時時間τ均為比特周期的兩倍，對于每一個MZI的輸出再分別進行平衡檢測。而且，發(fā)射機和馬赫-曾德爾干涉儀都對波長有嚴格的要求，因為每一個馬赫-曾德爾干涉儀必須緊密地反饋控制以鎖定發(fā)射機的波長[4]。

圖3 DQPSK的接收端

在接收端，如忽略干涉儀的相位噪聲，并經(jīng)過光帶通濾波器后得到的信號表示為，則可以得到兩個干涉儀的高輸出端口和低輸出端口的幅度值分別為：

 (4)

兩支路平衡光電探測器的差分電流可以表示為：

  (5)

因此，這樣就存在四種狀態(tài)，對應于四種比特組合，見表1，這樣就解調(diào)出了u和v。

表1  解調(diào)關(guān)系表

DQPSK的應用前景

DQPSK具有非常優(yōu)異的性能，尤其具有很高的頻譜效率，同時DQPSK近似恒定包絡(luò)的性質(zhì)，因而對光纖中的色散和各類非線性效應有很強的容忍能力，使其在高速DWDM系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。

能夠?qū)崿F(xiàn)低成本

DQPSK的發(fā)射結(jié)構(gòu)和接收結(jié)構(gòu)相當于一個光域上的復用和解復用過程，因此可以將兩個低速率的信號在光域上合成一個兩倍速率的信號，這樣使電驅(qū)動元件只需要傳輸一半的帶寬即可，這樣能夠有效地提高傳輸效率，并且能通過使用低速電驅(qū)動元件來降低成本。

能夠抑制光纖非線性效應

實驗證明RZ-DQPSK調(diào)制比純RZ調(diào)制對克爾非線性效應的容限要高3dB，對色散和PMD的容限也要高一些[5]。

DQPSK的性能很好，主要是因為在相同速率情況下，DQPSK的脈沖寬度是DPSK的脈沖寬度的一倍，具有非常窄的頻譜寬度。但DQPSK的發(fā)射和接收都非常復雜，不但需要兩個平衡接收機，還需要一個高速的電預編碼，這些都會讓DQPSK的成本居高不下，傳輸性能也會因為復雜的發(fā)射和接收機結(jié)構(gòu)而受到嚴重的影響。

總結(jié)

本文介紹了光DQPSK的原理，詳細介紹了發(fā)射，預編碼和接收原理和方法，并且介紹了其應用前景。DQPSK作為一種在光通信領(lǐng)域的新型調(diào)制格式，具有很高的研究價值，尤其是它所能提供的高頻譜利用率以及高的色散和非線性容限，使其能來未來的高速光通信中發(fā)揮重要的作用。