摘要：光DQPSK技術具有很高的頻譜效率，近似恒定包絡等優點，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調制格式的基本原理，并指出了其應用前景。

關鍵詞：DQPSK；發射機；預編碼；接收機

引言

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

光DQPSK在調制強度上近似恒定的包絡，對非線性效應有良好的抵御力。與OOK（On-Off keying，開關鍵控）、DPSK（differential phase shift keying ，差分相移鍵控）等二進制調制格式相比，光DQPSK調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調制相同的使用平衡接收機，相比OOK調制能提高3dB的接收靈敏度[2]。

DQPSK的調制原理

DQPSK是四相調制格式，即用四種不同的相位來表征數字信息，將信息編碼于連續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導致的解碼失敗。在本文中的定義如下式（2）所示：

 （2）

DQPSK發射機

一個DQPSK發射機包括一個DQPSK調制器，兩個調制驅動器和一個預編碼器。輸入光載波信號(u(k)，v(k)）經過預編碼器后變成(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發射機

DQPSK發射機結構如上圖1所示，原始數據u(k)和v(k)經過預編碼后產生I(k)和Q(k)兩路信號，它們將分別作為兩個MZM的驅動信號，激光器產生的激光通過3dB光功率分離器后分別進入到兩個MZM調制器中進行相位調制，其中一個支路調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MZM的方法實現了光DQPSK調制。

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

圖2 DQPSK的串聯MZM發射端

預編碼

光DQPSK系統中所傳輸的信號要先進行預編碼以確保差分解調時它能被準確地探測。不同的調制方式應采取不同的預編碼，并聯調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的解調需要兩個MZI才能解調出信號。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，對應于四種比特組合，見表1，這樣就解調出了u和v。

表1  解調關系表

DQPSK的應用前景

DQPSK具有非常優異的性能，尤其具有很高的頻譜效率，同時DQPSK近似恒定包絡的性質，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系統中有著廣泛的應用前景。

能夠實現低成本

DQPSK的發射結構和接收結構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調制比純RZ調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射和接收機結構而受到嚴重的影響。

總結

本文介紹了光DQPSK的原理，詳細介紹了發射，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域的新型調制格式，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揮重要的作用。