高速光通信中的獨立雙單邊帶技術探析

一、引言

隨著信息化社會的不斷發展，數據傳輸需求激增，高速光通信逐漸成為大數據、云計算等應用的基礎。傳統調制技術如雙邊帶調制（DSB）、正交幅度調制（QAM）和相位鍵控（PSK）在頻譜利用率和信號質量方面存在局限，無法滿足高速通信需求。獨立雙單邊帶技術（dual-SSB）作為新興的調制方式，通過優化頻譜利用、降低干擾和功耗，展現出極大應用潛力，尤其在太赫茲波段的應用中效果顯著。

二、高速光通信分析

（一）光通信的基本原理與特性

光通信通過光纖傳輸光信號，是利用光波作為信息載體來實現數據傳輸的技術，其核心原理基于光的電磁波特性。光源將電信號轉換為光信號，光信號通過光纖傳輸，在接收端被轉換回電信號，從而完成信息的傳輸過程。光通信的高帶寬特性源自于光的頻率高，通常位于 10¹⁴Hz 到 10¹⁵Hz 之間，這使得其能夠同時承載大量數據。此外，光纖材料如石英玻璃具有低損耗的特性，在傳輸過程中能有效減少信號衰減，使光通信具備超遠距離的傳輸能力。常規光纖的傳輸距離可達數十公里至上百公里，經過中繼器和放大器擴展后，傳輸距離甚至可以達到幾千公里。光纖的抗電磁干擾能力也使其在復雜電磁環境下表現優異，適用于高要求的通信環境。單模光纖與多模光纖是兩種常見的光纖類型，前者適用于長距離通信，后者常用于短距離高容量傳輸。

（二）高速光通信中的帶寬需求和現有瓶頸

隨著數字經濟的發展，帶寬需求持續增長，尤其在

5G、大數據和視頻流媒體等應用中不需求顯著。例如，單一光纖通道的帶寬需求已從10 Gbps提升至100 Gbps以上。高速光通信雖然具有極高的帶寬承載能力，但在帶寬利用上仍面臨挑戰，主要是光纖中的非線性效應和色散問題。

光纖的非線性效應（如四波混頻、交叉相位調制等）會導致信號畸變，限制傳輸距離和帶寬容量。通常情況下，信號在不進行中繼放大的情況下，傳輸距離約為80～100公里，而帶寬容量通常為數Tbps。非線性效應增加后，這一容量可能大幅下降。

色散問題在高速光通信中尤為嚴重，因色散效應導致不同頻率分量的光信號傳播速度不同，尤其在長距離傳輸中影響明顯。在10Gbps速率下，色散影響通常能控制在80公里內，而在100Gbps下，色散影響在10公里內就會顯現，嚴重影響信號質量。因此，提升頻譜利用率和控制色散效應成為關鍵挑戰[1]。

（三）高速光通信技術的關鍵挑戰

高速光通信技術面臨的主要挑戰之一是光纖中的非線性效應。這些效應會引發信號失真，影響傳輸距離和速率。以100Gbps速率為例，非線性效應如四波混頻（FWM）在傳輸距離超過100公里時，會導致信號畸變，明顯降低傳輸質量。為了維持信號的完整性，必須引入信號放大和補償技術，但這些技術也會增加功耗和成本。

此外，色散效應對高速光通信的影響也不容忽視。在長距離傳輸中，色散會導致不同頻率光信號的傳播速度不同，尤其在40Gbps及以上速率時，色散影響非常明顯，傳輸距離越遠，信號失真越嚴重。例如，在40Gbps速率下，色散限制通常為80公里，而在100Gbps速率下，這一限制縮短至10公里以內，導致系統需要更頻繁的色散補償措施。

三、獨立雙單邊帶技術

（一）技術原理與頻譜利用優化

獨立雙單邊帶技術（Dual-SSB）通過優化頻譜利用效率來提升光通信系統的性能。傳統的雙邊帶調幅（DSB）技術使用載波和兩個邊帶來傳輸信息，導致帶寬的浪費和頻譜利用率低下。為解決這一問題，單邊帶調制（SSB）技術只傳輸一個邊帶，減少了對頻帶的占用。獨立雙單邊帶技術進一步優化，通過在單個通信系統中傳輸兩路獨立的單邊帶信號，提高頻譜效率。其核心原理是將兩路獨立信號分別調制到不同的邊帶，在接收端使用單個光電探測器同時解調這兩路信號（如圖1所示）。

通過頻譜映射和數字信號處理（DSP）技術，可以有效抑制信號之間的干擾，確保傳輸的準確性。由于該技術減少了對載波功率的需求，整體功率效率也得到了很好的提升。頻譜利用率的提升可以用以下公式表示：

其中， η 表示頻譜效率， B 為單個邊帶的帶寬， Δf 為兩路信號之間的頻率間隔。該公式表明，通過減小頻率間隔或增大帶寬，頻譜利用率可以得到明顯提高。理論上，頻譜效率可以提高至2倍，達到接近 100% 的利用率。

圖1獨立雙單邊帶技術原理圖

在高速光通信中，獨立雙單邊帶技術通過頻譜的重復利用，避免了傳統調制技術中頻率資源的浪費。同時，在傳輸過程中可以利用頻譜上的不同分量進行相位調制，使得多個信號能夠同時傳輸。該技術在頻譜擁擠的環境中具有明顯優勢，特別是在面臨有限光譜資源的高速光通信應用中，通過高效利用頻譜資源有效解決了帶寬瓶頸問題[2]。

（二）與其他調制技術的比較

傳統的雙邊帶調幅（DSB）調制技術雖然普遍應用于通信系統中，但其頻譜利用率較低，因為它同時傳輸載波及其上下兩個邊帶，這樣一來，兩個邊帶攜帶的數據信息是相同的，造成了頻譜資源的浪費。此外，DSB調制系統還需要較大的功率來維持載波的傳輸，導致整個系統的能效比不高。在此基礎上，單邊帶調幅（SSB）調制技術進行了優化，只傳輸一個邊帶信息，減少了頻譜占用，提高了頻譜利用率。但由于需要復雜的濾波器和高精度的調制解調器，增加了系統的復雜性。

相比之下，獨立雙單邊帶（Dual-SSB）技術在保持單邊帶調制的頻譜優勢的基礎上，增加了獨立信號的傳輸能力。與正交幅度調制（QAM）和相移鍵控（PSK）等其他調制方式相比，Dual-SSB技術的優勢體現在提高頻譜利用率的同時，降低了調制復雜度。QAM雖然在帶寬利用率上表現優異，但對信號的相位和幅度要求較高，且對噪聲和失真的敏感度較高，在噪聲較大的環境中表現較差。而dual-SSB技術通過在單個系統中同時傳輸兩路獨立信號，避免了對相位的精確要求，具備更好的抗干擾性能。

與波分復用（WDM）技術相比，Dual-SSB技術的優勢在于對波長選擇性的依賴較少。WDM技術通過將多個信道分配到不同的波長或波段來實現多路傳輸，這需要精確的波長控制和選擇，同時，每個波段必須保持足夠的間隔以避免信號重疊，這對器件要求較高。而Dual-SSB技術在相同的頻帶內同時傳輸兩個獨立的單邊帶信號，頻譜利用率更高，且無需對每個信號分配獨立的波長。這使得Dual-SSB技術在頻譜資源有限的情況下更加靈活且成本較低，尤其適合在高速光通信系統中應用。

（三）獨立雙單邊帶技術在太赫茲波段的應用潛力

太赫茲波段（ 0.1THz～10THz ）頻譜資源豐富，但信號衰減較大。獨立雙單邊帶（Dual-SSB）技術通過優化頻譜利用，在該波段展現出巨大潛力。研究表明，Dual-SSB 技術在 300GHz 頻段下成功實現了 100Gbps 的高速傳輸。相較于傳統調制技術，頻譜利用率提升了約30% 。此外，Dual-SSB技術減少了對載波功率的需求，使得功耗降低了約 20% ，特別是在中短距離傳輸中有效提高了信號抗干擾能力。

在實際應用中，Dual-SSB技術能夠在10米到100米的傳輸距離內保持較低的誤碼率（ 10^-5 以下）和穩定的傳輸速率。這一特性使其在太赫茲波段的未來應用中，特別是6G網絡、高密度數據中心互聯等場景中具備明顯的優勢。

表1不同傳輸距離下Dual-SSB與QAM調制技術的性能對比

四、高速光通信中的獨立雙單邊帶技術應用

（一）應用系統

獨立雙單邊帶技術在高速光通信系統中的應用，有效提升了頻譜利用效率和數據傳輸速率。在傳統光通信系統中，雙邊帶調制方式由于同時傳輸上下邊帶，存在頻譜資源浪費和信號干擾的問題。獨立雙單邊帶技術，能夠有效分離兩個邊帶，并在每個邊帶上承載不同的信息，實現多路獨立信號傳輸。具體來說，這項技術通過在發射端使用兩個不同的調制器，分別調制兩個獨立的數據流，利用單個光載波傳輸，從而提高了光纖的頻譜利用率。此外，在接收端通過先進的數字信號處理技術，將兩個獨立的信號解調出來，實現了多信道高效傳輸。在實際應用中，獨立雙單邊帶技術已經被應用于密集波分復用（DWDM）系統中，有效緩解了由于信道間隔過小引起的相互干擾問題。該技術通過優化調制方式，減少了系統對信號帶寬的需求，使得每個信道能夠承載更多的數據，從而提高了系統的整體容量。

（二）仿真結果

在獨立雙單邊帶（Dual-SSB）技術的仿真中，系統對不同參數進行了建模和評估，包括傳輸距離、誤碼率（BER）、信噪比（SNR）、功耗，以及帶寬利用率等性能指標。通過仿真，展現出該技術在高速光通信應用中的明顯優勢。在仿真中，使用Dual-SSB技術的系統在短距離（50公里）傳輸時，能夠實現較低的誤碼率（BER為 10^-6 ），信噪比保持在25dB以上，帶寬利用率達到85% 。隨著傳輸距離的增加，雖然誤碼率略有上升，但在200公里內仍然保持在可接受范圍（BER為 10^-4 ），信噪比約為18dB，展現了較好的傳輸性能。

與傳統的調制方式，如雙邊帶調幅（DSB）和正交幅度調制（QAM）相比，Dual-SSB技術不僅在頻譜利用率上更為高效，還降低了系統的功耗。例如，在相同傳輸距離下，Dual-SSB的功耗比QAM降低了約 20% 。在短距離傳輸時（50公里），Dual-SSB技術的功耗僅為2.5W，而QAM的功耗則高達 3.2W 。此數據說明，Dual-SSB技術適用于大規模高速光通信網絡，能夠有效降低能耗，特別是在多路信號傳輸的情況下，其功耗優勢更為明顯。

表1所示，為不同傳輸距離下，Dual-SSB與QAM調制技術在功耗、誤碼率和信噪比等方面的對比數據，展示了Dual-SSB技術在高速光通信應用中的優越性。

五、結束語

獨立雙單邊帶技術在高速光通信中的應用展現出顯著的頻譜利用率提升和功耗降低優勢。通過優化帶寬資源分配和減少信道干擾，能夠滿足現代通信網絡對大容量、高速率的需求。結合太赫茲波段的應用，該技術不僅適用于短距離高密度傳輸場景，還具有在長距離通信中擴展的潛力。隨著光子器件和算法的進一步發展，獨立雙單邊帶技術將在未來通信網絡中發揮重要作用，有望助力下一代通信技術的進一步突破與應用。

作者單位：翟讓海祝振東 張文凱 沈瓊霞 烽火通信科技股份有限公司

參考文獻

[1]黃健，朱齊雄，陳登超.高速光通信低復雜度軟信息解調技術[J].光通信研究，2024，（01）：73-80.

[2]周也.高速光通信中獨立雙單邊帶技術研究[D].上海理工大學，2023.