给光纤里的“数据快车”配上智能导航

互联网时代的光纤通信就像是一条极其宽阔的信息高速公路，支撑着全球庞大的数据传输。为了在这条高速公路上运送更多的数据，不能仅仅依赖铺设更多的光缆，而是需要提高“频谱效率”：让每一束光携带更多的信息。为了实现这一目标，科学家们引入了高阶信号调制技术，如多进制相移键控（M-ary PSK）和正交幅度调制（QAM）。

伴随高容量而来的是高敏感度。光信号在传输和接收时，激光器往往会产生一种被称为“相位噪声”（或者说激光器线宽）的干扰，好比司机在高速行驶时方向盘发生了轻微抖动。这种抖动会导致系统误码率（BER）上升，严重影响通信质量。

为了克服激光器带来的相位噪声，现代数字相干光接收机不再使用复杂昂贵的光学锁相环硬件，而是采用数字信号处理（DSP）算法来估计和补偿相位偏差。在这项研究中，研究团队重点考察了一种相位估计的算法。研究的核心逻辑思路如下：

（1）建立数学模型：研究人员首先通过严密的数学推导，计算出了 16PSK 和 16QAM 这两种复杂信号在存在相位误差时的精确误码率（BER）公式。

（2）统计求均值：由于相位误差是随机波动的，团队通过对误差分布进行统计平均，得出了相位误差方差与系统性能下降之间的量化关系。

（3）蒙特卡洛仿真验证：为了确保理论推导的准确性，研究人员使用了“蒙特卡洛仿真”的计算机模拟实验方法（通过大量随机抽样来模拟真实通信环境）。结果显示，理论计算与计算机模拟的结果高度吻合，证明了推导公式的可靠性。

为了了解不同调制技术的区别，我们需要看看它们是如何在空间中“排布”数据的。研究重点对比了两种都能在单个符号中携带4比特数据的技术：16PSK 和 16QAM。

图1（16PSK 星座图）：论文的图1展示了 16PSK 的信号排布方式。可以将其想象为一个圆环，16个数据点均匀地分布在这唯一的一个圆周上。由于点与点之间挨得非常近，只要有一点点相位抖动（角度偏差），接收端就很容易把一个点错认成旁边的点。

图2（16QAM 星座图）：对比之下，论文的图2展示了 16QAM 的排布。它的16个数据点并没有挤在一个圆上，而是呈现为4x4 的网格状分布。这种分布方式利用了亮度和相位的双重变化，使得点与点之间的距离相对拉开，从直观上降低了误判的风险。

通过分析，研究团队得出了不同调制格式对相位误差的容忍极限。并设定了一个公认的及格线：即在系统误码率达到 BER=10^-4的情况下，导致信噪比代价增加 1-dB 所能容许的最大相位误差方差。 通过数据可以发现显著的规律：

（1）随着信号携带信息的密度变大，系统对误差的容忍度急剧下降。

（2）最基础的二进制系统（BPSK）容忍度高达 8.7×10^-2 rad² 。

（3）随着阶数增加，QPSK 降至  1.2×10^-2 rad²，8PSK 降至 2.4×10^-3 rad²。

（4）采用单环排布的 16PSK 表现出的容忍度仅为 6.0×10^-4 rad² 。

图3证明了理论推导的误码率曲线与仿真实验点完美契合；而图4直观地画出了惩罚代价随误差变化的曲线，曲线越靠左、越陡峭，说明该技术对误差越敏感。

重点在于 16QAM 的表现。它的容忍度达到了 2.3×10^-3 rad² 。意味着虽然 16QAM 和 16PSK 的频谱效率完全相同（都能传4比特），但 16QAM 对激光器噪声的抵抗能力远高于 16PSK，甚至几乎与容量更低、只有3比特的 8PSK 系统相当。

学者介绍：余长源，香港理工大学电子及资讯工程学系光子信息系统讲座教授、博士生导师，香港理工大学晋江技术创新研究院院长，Optica/OSA Fellow，IEEE Senior Member。主要研究方向包括光子器件、光子子系统、光纤通信与传感系统及生物医学仪器，聚焦光通信信号处理、光纤感测与光电系统应用等问题。

ORCID：0000-0002-3185-0441

DOI：10.1364/OE.18.012088

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