高階調制（High Order Modulation）——實現在有限的頻譜帶寬內，傳輸更多信息的數字調制技術。

Q 什么是高階調制？

A

高階調制（High Order Modulation），是一種通過讓一個碼元攜帶更多的比特信息，來實現在有限的頻譜帶寬內，傳輸更多信息的數字調制技術。

Tips ? ?

碼元的傳輸速率，即每秒鐘發送的碼元數量，稱為波特率，單位為波特（Baud)。? ?

波特率可以理解為數據信號對載波的調制速率，與器件的處理速率強相關。

對于調制階數為N的高階調制來說，每個碼元符號可攜帶N比特信息，具有2^N種碼元狀態。當其碼元傳輸速率為M時，其所傳輸的信息速率即為M*N bps（bit per second，比特/秒）。

Example

通過例子，說明高階調制是如何實現信息傳輸速率成倍提高的

假設A和B分別在兩地，A要用帶顏色的牌子，來向遠端的B傳輸“00 01 10 11”這8位數字，我們假設A每秒只能更換一次牌子。

當牌子只有黑白兩種顏色時，A和B可以約定，黑色代表0，白色代表1。那么A傳輸完這8個數字，需要舉8次牌子，共計8秒鐘，傳輸的速率即為1bps。

如果牌子有4種顏色呢？假設是黑白紅綠，那么A和B就可以約定，黑色代表00，白色代表01，紅色代表10，綠色代表11。這次，A只需要舉4次牌子，共計4秒鐘就可以完成8位數字的傳輸，速率就提高到2bps。

同樣地，如果牌子有16種顏色，那就一定有一種顏色能代表0001，另一種顏色能代表1011，那么A只要舉兩次牌子，2秒鐘就可以完成，相應速率就提升為4bps。

對比一下，我們可以看出，高階調制，就相當于增加牌子的顏色：

每個牌子所代表的數字位數，就是調制階數N

牌子的顏色有2^N種

波特率，是A舉牌子的頻率?

在A舉牌子的頻率（波特率）不變的情況下，增加牌子的顏色（通過提高調制階數N來實現），就可以提高信息的傳輸速率。

在光通信領域里，一般采用高階調制+偏振復用（PM）技術來進一步提高信息傳輸速率。

偏振復用，是指利用光的兩個正交偏振態來同時傳輸兩路信號的技術，可以使總的信號傳輸速率提升一倍。加上了偏振復用之后，總的信息傳輸速率就變為M*N*2 bps。

例如：PM-QPSK調制格式，其每個碼元攜帶2比特信息，有2^2=4種碼元狀態（00，01，10，11），其在64GBd時，對應的最大信息傳輸速率為64x2x2=256Gbps。

而PM-8QAM調制格式，其每個碼元攜帶3比特信息，有2^3=8種碼元狀態（000，001，010，100，011，101，110，111），其在64GBd時，對應的最大信息傳輸速率為64x3x2=384Gbps。

各種調制格式在不同器件波特率下，能夠實現的最大信息傳輸速率如下表所示。

Q 為什么需要高階調制？ A

在光通信領域，高階調制主要用于線路側傳輸速率的提升。

從上面的公式可知，要想提高總的信息傳輸量，需要從兩個方面入手：

提高信號的碼元速率，即波特率M。

采用高階調制技術，即提高調制階數N。

比如，早期的器件波特率僅為34GBd左右，而當時又有100Gbps的傳輸速率需求，顯然一直等待器件波特率的提高是不現實的。

通過引入高階調制技術，就可以在當前器件波特率不變的基礎上，成倍地提升信息傳輸速率。

同樣是34GBd的器件，采用PM-QPSK時，就可以支持100Gbps的傳輸速率，而采用PM-16QAM的方式，則可以支持到200Gbps。

Q 高階調制 ?vs ?低階調制？

A

和低階調制相比，高階調制可以在相同的器件波特率下實現更高的傳輸速率。

Tips ? ?

低階調制：即每個符號只有“0”或“1”兩種狀態的調制方式，如二進制幅移鍵控2ASK，二進制頻移鍵控2PSK等。

但調制階數也并不是越高越好。

調制階數越高，碼元符號的種類就越多，也就越難把它們“分辨出來”，傳輸能力也就越差，因此高階調制往往需要更復雜的補償技術。

在器件波特率不變的情況下，采用相對低階的調制方式可以獲得更好的傳輸性能，但信息的傳輸速率會低一些。

Q 高階調制技術業界應用進展？ A

高階調制本身是一種比較“老”的技術，在無線通信等領域早有應用。

在光通信領域，高階調制是用來實現100G/超100G的一種關鍵技術，由于要兼顧高速率與長距離兩個需求，在光通信領域中，調制階數一般都不會很高。

不同的調制方式，分別適用于不同的場景，主要取決于傳輸性能以及容量需求，不可一概而論。

一般來說，常見高階調制的應用場景如下：

長距/超長距場景（>1500km）：QPSK

準長距場景（600~1500km）：QPSK/8QAM

城域場景（600km）：16QAM

DCI場景（100km）：64QAM等

? 審核編輯：黃飛