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1、在以太网标准中，MAC层与PHY层之间的10Gbps/40Gbps/100Gbps速率等级所对应的接口分别为XGMII/XLGMII/CGMII，由于XGMII/XLGMII是并行总线，而且采用的是单端信号，HSTL电平，最大传输距离只有7cm。所以在实际应用中，XGMII/XLGMII基本上被XAUI/XLAUI替代。XAUI/XLAUI是四通道串行总线，采用的差分信号，CML逻辑传输，并且进行了扰码，大大增强了信号的抗扰性能，使得信号的有效传输距离增加到50cm。XAUI/XLAUI总线的的物理结构如下图所示。 XAUI/XLAUI在物理结构上是一样的，收发通道独立，各四对差分信号线。对于
2、XAUI总线，每对差分线上的数据速率为3.125Gbps，总数据带宽为12.5Gbps，有效带宽为12.5Gbps*0.8=10Gbps（因为XAUI总线数据在传输前进行了8B/10B变换，编码效率为80%）。对于XLAUI总线，每对差分线上的数据速率为10.3125Gbps，总数据带宽为41.25Gbps，有效带宽为41.25Gbps*(64/66)=40Gbps（因为XLAUI总线数据在传输前进行了64B/66B变换，编码效率为96.97%）。超高速光通信的新技术及应用(上)吕建新2012-4-11 9:08:37来源：现代电信科技 2011年第10期摘要：文章介绍了40 Gbit/s、1
3、00Gbit/s及以上速率超高速光通信中将会用到的新技术，包括相位调制、正交幅度调制、多电平调制等新型调制技术；偏振复用和正交频分复用这两种新型复用技术；相干接收技术原理、优点和应用必要性；光子集成技术的应用和技术发展。最后介绍了这些新技术在400 Gbit/和1Tbit/s等超高速光通信上的应用。关键词：相位调制，正交幅度调制，多电平调制，偏振复用，正交频分复用，相干接收，光子集成无线3G、高清视频、高速宽带上网和云计算等业务的需求推动了网络IP流量的快速增长，人们对通信带宽的需求也在不断增长，提高传输速率是提高传输带宽的一项重要技术。目前通信网大规模应用的最高单通道商用传输速率是40 Gb
4、it/s，100 Gbit/s光传输也即将投入商用，400 Gbit/s和1 Tbit/s超高速光传输也正在如火如荼地进行中，国际上不断有新的传输记录产生，目前的传输试验已经达到了单光源32 Tbit/s光传输的传输记录。本文对40 Gbit/s，100 Gbit/s及以上速率的超高速光传输将会应用的新技术进行介绍，同时介绍烽火通信在超高速光通信方面的一些研究进展，最后对新技术的应用、发展作一个展望。1 40GE/100GE以太网技术40GE/100GE以太网是当前最大带宽、最高速率的以太网接口，2010年6月国际标准化组织IEEE正式发布了40GE/100GE以太网标准IEEE 802.3b
5、a。该标准已经明确了40G/100G以太网仍然使用802.3媒体访问控制(MAC)标准的以太网帧格式，保留了802.3标准的最小和最大帧长度，只支持全双工工作。在物理层(PHY)实现方面，由于40GE/100GE速率高，40GE/100GE的物理媒质附属(PMA)子层和物理媒质依赖(PMD)子层与10GE相比有较大变化，其复杂度和规模要大得多。与10GE相比，40GE/100GE的MAC与物理层的接口由原来的XGMII接口演变成XLGMI接口(40GE)和CGMII(100GE)，XLGMII/CGMII接口容量由10 Gbit/s提高到40 Gbit/s和100 Gbit/s，数据通道位宽由
6、32 bit增加到64 bit，同时PHY的层次结构上多了前向纠错(FEC)功能子层。40GE/100GE的PMA层采用并行多通道处理方式，采用多通道分配(MLD)的架构。该架构在对MAC数据流进行物理编码子层(PCS)64B/66B编码后，按照66B块进行分发。40GE分发到4路VL上，100GE分发到20路VL上。针对不同的物理通道数量，再对VL进行比特复用。例如，20路VL通过21比特复用器复用成10路物理通道，通过51比特复用器复用成4路物理通道，如图1所示。多通道并行处理方式在降低了高速数据处理难度的同时，也带来了多通道数据的对齐问题。对100GE来说，20路VL并行数据在经过不同的
7、波长和线路的传输后的延时不尽相同，在接收端必须进行延时校正，数据对齐才能实现信号的重新装配和还原。IEEE 802.3ba规范中定义了一套多路延时校正机制：发送侧在经过加扰后的数据分配到20个VL的时候，为每路PCS VL每隔16 383个66比特块周期(即216s发送一次同步对齐字节，约占0.006%带宽)，加上一个具有标示该路ID号和对齐功能的对齐控制块。接收侧移去该对齐控制块，并根据该对齐控制块识别每路VL，实现20个VL的对齐，恢复数据的原来顺序。对齐码块不占用额外的带宽空间，采用删除IPG空间的方法获得。在子层接口方面，40GE/100GE PMA与PMD子层之间接口为XLAUI/C
8、AUI，即与40GE/100GE MAC/PCS层与光模块之间互连接口为XLAUI/CAUI，该接口为410 Gbit/s(对40GE)和1010 Gbit/s(对100GE)，可允许约25 cm的PCB连接距离(包含一个接头)。40GE/100GE PMD采用并行接口，40GE主要有410 Gbit/s，100GE主要有1010 Gbit/s和425 Gbit/s两种并行接口，传输媒质有铜线、多模光纤、单模光线等。IEEE 802.3ba规范的40GE和100GE接口主要有表1所示的几种。从表1可以看出，40GE主要定位于10 km以下的短距离互连，100GE定位于更长距离的应用。100G以
9、太网的实现，受到电路规模大和标准发布时间不长等因素影响，目前还未有商用芯片推出，不过已经有些厂家的交换芯片和包处理(PP)芯片规划了40GE/100GE接口，相信在不久的将来将会规模商用。图1 40GE/100GE MLD架构烽火通信科技股份有限公司在国家863课题100GE光以太网关键技术研究与系统传输试验平台研制的支持下，对100G以太网关键技术及实现进行了深入研究，取得了较大进展，圆满完成了课题任务目标，即自主设计开发出了100G以太网成帧处理芯片，研制成功100GE光以太网设备样机，实现了符合IEEE 802.3ba标准的100GE以太网接口和功能，并与基于分组的包传送(PTN)设备一
10、起进行了100GE业务组网试验。2 新型调制技术高速率光传输受到了光纤色度色散、偏振模色散(PMD)以及非线性效应的影响，传输距离受到严重限制。理论上，色散容限随着传输速率的平方而减少，40 Gbit/s系统色散容限只有10 Gbit/s系统的1/16，100 Gbit/s系统色散容限只有10 Gbit/s系统的1/100。因此，为了实现40G/100G超高速光传输，必须降低系统对光信噪比(OSNR)以及色散容限的要求，克服非线性效应的影响。从100G的应用来看，要使100 Gbit/s波分复用(WDM)光传输能够得到规模商用，必须满足以下条件：达到10G/40G光传输已有的传输距离和频谱效率
11、，支持50G/100G波长间隔，至少达到1 500 km传输距离。兼容现有光网络中已有的10G/40G波长业务，支持40G到100G的平滑升级，以及10G/40G/100G多种速率的混传。与网络中已有的设备能够混合组网穿通光分插复用(OADM)、可重构的光分插复用(ROADM)滤波器而不用减少其个数。为了达到商用要求，必须克服光传输线路损伤的影响。目前有多种手段可用，如超强FEC技术、RAMAN放大技术、色散管理技术、新型调制编码技术等，其中采用新型调制码型是100 Gbit/s及以上速率超高速光传输最关键的技术手段。调制编码技术有很多种，有基于强度调制的NRZ、DRZ、ODB和PSBT，基于
12、相位调制的DPSK和DQPSK，以及结合偏振复用的调制技术DP-QPSK等。表2是各种编码技术的主要性能比较。在这些性能指标中，OSNR是光信噪比，越大表示性能越好；能否支持50 GHz表示系统能传送的最大波数量，在不使用扩展C波段的前提下，支持50GHz表示系统最大可支持80波传送；CD容限是色散容限，PMD容限是偏振膜色散容限，容限越大，表示不需要补偿的传送距离越远。由表2的分析可见，没有一种技术能做到各方面都好，每种技术都有自己最合适的应用场景。根据不同的场景选用合适的技术是当前阶段的最优选择。在低速光传输系统中，光信号通常采用的是幅度调制，调制码型一般是非归零码(NRZ)和归零码(RZ
13、)，该技术实现方式较为简单，成本低。40G及以上速率的光传输中，必须采用新型调制技术，如相位调制和正交幅度调制(QAM)以及基于以上两种调制的多电平调制技术等。(1)相位调制相位调制是以相位变化来差表征被调制数值信号“0”和“1”的差异，又称移相键控(PSK)。主要有二相位相移键控(BPSK)、四相位相移键控(QPSK)和16相位相移键控(16PSK)等，相位调制在保持常数强度包络的同时，能够有效抑制非线性损伤对信号的影响。根据参考相位的不同，光相位调制可分为两类。第一类调制技术参考之前的信号相位，一般是前一个符号。此类调制方法的名称前通常带有一个“D”，表示“差分”，例如差分移相键控(DPS
14、K)和差分四相移相键控(DQPSK)。第二类调制技术在接收端使用精确调谐到源激光器频率的本地激光器作为参考源。此类技术一般称为“相干”调制，因为它和早期的相干检测系统非常相似。(2)正交幅度调制正交幅度调制(QAM)是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。常见的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。与其他调制技术相比，QAM编码具有能充分利用带宽、抗噪声能力强等优点。当对数据传输速率的要求高过8-PSK能提供的上限时，一般采用QAM的调制方式。因为QAM的星座点比PSK的星座点更分散，星座点之间的距离因此更大，所以能提供更好的传输性能。但是QAM星座点的幅度不是完全相
15、同的，所以它的解调器需要能同时正确检测相位和幅度，不像PSK解调只需要检测相位，这增加了QAM解调器的复杂性。(3)多电平调制技术为了更有效地提升光信号的频谱效率，必须利用每个符号的更多特征来传递信息，这就是多电平调制技术。多电平的正交幅度调制(N-QAM)和多相位的移相键控(PSK)调制(如QPSK、16PSK等)都属于多电平调制技术。(D)PSK调制码型虽然能够在抗非线性和色散容限方面较传统的幅度调制有较大的改善，但是该调制技术只使用两个相位，每个符号携带1比特信息，信号比特率和传输速率是相等的，并不能提高光信号的频谱效率。(D)QPSK调制信号有4个相位，每符号承载2比特信息，能够在仅增加少量带宽代价的情况下将比特率翻倍。多进制调制比二进制调制具有更窄的信号频谱，而信号的色散损伤与谱宽的平方成正比，因此多进制调制的DQPSK能大幅度提高DPSK对色散、偏振模色散(PMD)以及非线性的公差。3 新型的复用技术在超高速系统中，还可以采用以下几种复用技术来提高光信号的频谱效率，提升线路的传输容量。(1)偏振复用偏振复用技术是利用相互正交的两个偏振态来传递不同的信息，提高系统频谱使用率，降低单信道的
