前言:一张写满求救信息的纸,需要让马路对面的人看到。我们可以让纸飘过去,但这通常很难奏效;也可以折成纸飞机,让它飞过去,但很难保证距离和落地点。当然,更好的办法是将纸与合适的小石头包裹在一起,瞄准对边扔过去,这种方式应该是最有效的。
在通信系统中也一样。原始信息通常是频率很低的频谱分量,一般来说不适合直播接在信道上进行传输。如果没有经过处理,是很能有效的传输的并保证传的足够远。那么我们如何解决这个问题呢?
人们发现,只需要将原始信号变换成适合信道传道传输的频率信号,通常是一个高频信号。这个高频就是信号的载体。调制是干啥呢,通俗来讲就是进行频谱搬移,使得一种波形的某些特性按另一种波形或信号而变化,比如说基带信号(原始信息)控制载波信号中的某个参数或多个参数的变化的过程,这些参数随着基带信号的规律而交化。
比如说我们有一个简单的二进制信号,它只包含两种状态:高电平和低电平。在光纤通信中,我们可以将高电平对应于光波的峰值,低电平对应于光波的谷值。这样,我们就可以将这个二进制信号编码到光波上,并通过光纤进行传输。
在无线通信领域,我们依赖于电磁波来实现信息的传递。通过调制的手段,我们可以对原始信号的频谱进行搬移,也就是改变其频率。经过调制后得到的信号被称为已调信号,这个信号不仅携带着信息,而且更适合在通信信道中进行传输。无线通信中的调制多是模拟调制。
在光纤通信中,我们使用调制技术将数字信号的频谱搬移到光纤的低损耗波长区域。在这个区域的窗口内,光信号的传输损耗较低,能够实现长距离传输。光纤通信中的调制基本上是数字调制。
那么调制的载体是什么?相当于在文章开头,纸张通过小石头这个载体扔出去。在通信系统中,能用哪些参数的变化代表0和1的变化。我们使用光载波的电场公式来解释:
E = A * sin(2πft + φ)
其中,E 表示电场强度,A 表示电场振幅,f 表示频率,t 表示时间,φ 表示初相角。这个公式描述了光载波的电场强度随时间的变化,其中频率 f 和初相角 φ 可以用来描述光的周期性振荡,而电场振幅 A 则反映了光的强度。
基于上以公式的不同参量,我们可以有不同的调制方式,主要可以分为:ASK, FSK, 和PSK等。这些调制最开始主要在无线通信系统中,后面应用到光纤通信系统中。
基于上以基础调制,还衍生出很多复合调制,如PM-QPSK在偏振态、相位和波形多个维度进行调制以及正交幅度调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)等复合调制方式也已经在广泛应用,并成为光纤通信调制方式中的主流,如16QAM,64QAM等在200G以及400G等速率的波分系统中广泛使用。
在调制里面我们有两个绕不开的概念:波特率,并与之相关的比特率。
可以看出,比特率和波特率既有联系,又有区别。下面是一个彩球信息传递的举例。
当然,比特率和波特率是可以通过如下公式进行量化换算的:
R=1/T*1og2M
其中R为比特率,T为码元周期,B为波特率,M表示进制。
举两个栗子说明,对于开关键控OOK,用幅度的有无来表示1和0,一个码元所携带的离散数 M=2。给出调制器的电信号的波特率为10G速率等级,即B=10。调制后输出的信号比特率是:
R=B*log2M=10*10g22=10*1=10Gbps
对于16阶正交幅度调制QAM,如下图所示,表示符号数M=16。同时给出调制器的电信号波特率为32G速率等级,那么B=32,调制后输出的信号比特率是:
R=B*1og2M=32*10log216=32*4=112Gbps
一般情况下比特率是高于波特率的,以让信息传递尽可能的多。在高阶调制中,如上面的16QAM,一个信号符号4比特或更多。此时每个信号符号编码多于1比特的数据,比特率大于波特率。
另外与调制强相关的一个参数是频谱效率(bit/s/Hz)。定义为单位带宽传输频道上每秒可传输的比特率。一般来说高阶调制可以带来更高的频谱效率,但是频谱效率/调制的提高,又会限制传输距离。
频谱效率这个话题后面再细说。码了一下午的字,若有不妥之处望见谅