光信号调制格式：从NRZ到相干调制

好，咱们直接进入正题。光通信里，信号怎么“装”到光上，这是个根本问题。我刚开始接触这行时，觉得不就是把电信号转成光信号嘛，有啥难的？后来被现实狠狠教育了一顿——调制格式选不对，后面全是坑。

NRZ：最朴素的调制方式

NRZ，全称Non-Return-to-Zero，不归零码。说白了，就是用光的有和无代表1和0。有光就是1，没光就是0，简单粗暴。

它的好处是啥？实现简单，成本低。早期的光模块，10Gbps以下，基本全是NRZ的天下。我2010年做第一个10G光模块项目时，用的就是NRZ。那时候觉得，这玩意儿稳得很。

但NRZ有个致命问题——带宽利用率低。你想想看，一个符号只传1比特信息。速率往上提，对器件带宽的要求就直线上升。到了25Gbps以上，NRZ就开始吃力了。信号损耗大，眼图闭合得厉害。

PAM4：一个符号传两比特

PAM4，4级脉冲幅度调制。它用4个不同的光功率等级，每个符号传2比特信息。00、01、10、11，对应四个电平。

好处很明显——同样的带宽，速率翻倍。25Gbaud的PAM4，等效于50Gbps的NRZ。这就是为什么现在400G光模块普遍采用PAM4的原因。

但代价也不小。四个电平，意味着信噪比要求更高。NRZ只需要区分有和无，PAM4要区分四个等级。眼图从原来的“一只眼”变成了“三只眼”。

我曾经在一个项目中，PAM4的发射机线性度不够，导致中间两个电平偏移，误码率直接飙到10^-4。调了好久才发现是驱动器的非线性问题。

相干调制：把信息塞进光的相位和偏振

到了100G以上，NRZ和PAM4都扛不住了。这时候，相干调制登场。

相干调制不光用光的幅度，还用光的相位和偏振态来承载信息。常用的有QPSK（正交相移键控）、16QAM（正交幅度调制）等。

QPSK每个符号传2比特，但它的抗噪声能力比PAM4强得多。16QAM每个符号传4比特，频谱效率更高。

我记得第一次调试相干光模块时，看着星座图上的点，心里那个激动啊。但相干调制的代价是系统复杂度飙升——需要窄线宽激光器、相干接收机、数字信号处理（DSP）芯片。

调制格式	每符号比特数	典型应用	复杂度
NRZ	1	10G/25G	低
PAM4	2	50G/100G/400G	中
QPSK	2	100G相干	高
16QAM	4	200G/400G相干	很高

眼图与误码率：信号质量的照妖镜

眼图，说白了就是把数字信号叠加显示在示波器上。为啥叫眼图？因为看起来像一只睁开的眼睛。

眼图的“眼睛”睁得越大，信号质量越好。眼睛闭合了，说明信号质量差，误码率肯定高。

我习惯在调试时先看眼图。眼图干净，再测误码率。眼图一塌糊涂，测误码率也是浪费时间。

误码率（BER）

误码率就是出错的比特数占总比特数的比例。10^-12意味着每1万亿比特里错1个。听起来很低？对于光通信来说，这是基本要求。

前向纠错（FEC）技术可以容忍更高的误码率。比如，用了FEC后，输入BER可以到10^-3甚至10^-2，输出BER能降到10^-15以下。

光信噪比（OSNR）与链路预算

OSNR，光信噪比，是衡量光信号质量的核心指标。它等于信号功率除以噪声功率，单位是dB。

OSNR越高，信号质量越好。一般来说，10G NRZ需要OSNR在20dB以上，100G QPSK需要15dB以上，400G 16QAM需要20dB以上。

链路预算，就是算算整个链路里，光功率从发射机到接收机，损耗了多少，增益了多少。

公式很简单：

链路预算 = 发射功率 - 接收灵敏度 - 链路损耗 - 设计余量

举个例子：

• 发射功率：2dBm
• 接收灵敏度：-20dBm
• 光纤损耗：0.2dB/km × 80km = 16dB
• 连接器损耗：0.5dB × 4个 = 2dB
• 设计余量：3dB

链路预算 = 2 - (-20) - 16 - 2 - 3 = 1dB。刚好够用。

嗯，这里要注意，OSNR和链路预算是两回事。链路预算保证接收到的光功率足够，OSNR保证信号质量足够。两者缺一不可。

好了，这一章的内容就到这里。下一章我们聊聊光模块的架构设计，从TOSA到ROSA，再到DSP芯片，我会把每个模块的设计要点和踩过的坑都讲清楚。