正交頻分復(fù)用光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 彪， 高 爽， 顧 典

(浙江大學(xué) 光電工程學(xué)系, 浙江 杭州 310058)

0 引 言

正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術(shù)憑借高傳輸速率、抗色散能力、高頻譜利用率等優(yōu)勢，在有線和無線通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-10]。OFDM 光通信系統(tǒng)可以在電域進(jìn)行有效的光纖色散補(bǔ)償，有效解決了傳統(tǒng)光纖色散分段補(bǔ)償昂貴耗時(shí)問題[8-10]；同時(shí)，數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)技術(shù)在處理速率和帶寬方面已有很大發(fā)展，使得OFDM調(diào)制能夠與光通信結(jié)合在一起。OFDM已經(jīng)成為下一代光網(wǎng)絡(luò)最有前景的調(diào)制方式之一，能夠?qū)崿F(xiàn)高速信息傳輸。

本文設(shè)計(jì)一種光直接檢測型即DD-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11-15]，這種結(jié)構(gòu)是基本的，但能夠反映OFDM光通信系統(tǒng)的主要特征，且離實(shí)用距離較近。討論了基于DD-OFDM建立OFDM光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 DD-OFDM光通信系統(tǒng)

如圖1所示，DD-OFDM光通信系統(tǒng)包括OFDM信號的構(gòu)造、OFDM信號的析構(gòu)以及光纖傳輸鏈路。OFDM信號的構(gòu)造過程如下：輸入的串行數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)據(jù)先經(jīng)過正交調(diào)幅(QAM)映射，再經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換，由離散傅里葉反變換(IDFT)加載到正交子載波上，組成OFDM符號。通過IDFT得到的數(shù)字時(shí)域信號，隨后插入保護(hù)間隔并通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)波形。OFDM信號的析構(gòu)過程如下：利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行抽樣，然后通過離散傅里葉變換(DFT)進(jìn)行解調(diào)和QAM反映射，恢復(fù)出數(shù)據(jù)。光纖傳輸鏈路通過光強(qiáng)調(diào)整把OFDM電信號轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)送到光纖中傳輸，接收端通過光強(qiáng)解調(diào)把OFDM光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

1.2 厄米對稱序列

通常情況下，IFFT變換獲得的序列是復(fù)數(shù)，需要2個(gè)傳輸通道。本實(shí)驗(yàn)中采用單通道光纖傳輸鏈路，因此將QAM調(diào)制后的序列構(gòu)造成厄米對稱序列，使IFFT變換后獲取的序列為實(shí)數(shù)，能夠采用單通道傳輸。QAM調(diào)制后的序列設(shè)為X=X0,X1,…,XN/2-1，IFFT輸入端設(shè)為I=I0,…,IN-1，則[16]

(1)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

如圖2所示，OFDM符號由任意信號發(fā)送器AWG(Arbitrary Wave Generator)產(chǎn)生，AWG完成D/A轉(zhuǎn)換；DFB激光器與光隔離器相連，避免反射光對激光器的影響；用IM(Intensity Modulator)實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，由于IM對于偏振敏感，因此前面接入偏振控制器PC(Polarization Controller)；光探測器PD帶有放大電路，完成信號的光電轉(zhuǎn)換；由數(shù)字系列分析儀DSA(Digital Serial Analyzer)接收電信號，完成A/D轉(zhuǎn)換。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)10 Gbit/s的信號傳輸，采用64路子載波傳輸，16QAM調(diào)制，即，AWG采樣率設(shè)定為10 GS/s，DSA的采樣率設(shè)定為100 GS/s。 DD-OFDM系統(tǒng)一般采用分布反饋式激光器(DFB-LD)直接調(diào)制或者采用馬赫-曾德光調(diào)制器(MZM)進(jìn)行外調(diào)制。在實(shí)際應(yīng)用中，高速傳輸或者長距離鏈路，直接調(diào)制不能展現(xiàn)良好的性能，往往采用外調(diào)制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)置DFB-LD輸出功率為8 dBm，AWG采樣率為10 GS/s，Upp為0.6 V，MZM的偏置電壓定為-1.6 V，GAIN為2，光纖長度為25 km，光探測器接收的最大功率為-9.58 dBm，DSA的采樣率為100 GS/s。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用儀器及主要器件型號及說明見表1。

表1 系統(tǒng)所用儀器及主要器件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中，二進(jìn)制序列長度為25 600，經(jīng)過16QAM，數(shù)據(jù)長度減為1/4。采用64路載波，其中16路載波傳輸數(shù)據(jù)，16路是數(shù)據(jù)的共軛，其余32路傳輸0，IFFT輸入端為厄米對稱序列，是4倍過采樣率。由于4倍過采樣，數(shù)據(jù)長度仍為25 600。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入AWG中，AWG與DSA直接相連。由于25 600數(shù)據(jù)量較低，實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，獲得有效誤碼率。本次采用四組數(shù)據(jù)，測得誤碼率均為0。

按圖2建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在接收光功率不同的情況下進(jìn)行誤碼率的測試，序列長度為25 600，測試4組不同的序列，獲得數(shù)據(jù)見表2。圖3是光探測器的星座圖。其電信號幅度隨著光功率的減小而明顯降低，星座圖也更加分散。誤碼率與光接收功率的關(guān)系曲線如圖4，可以看出，光接收功率越低，誤碼率越高。

(a)接收功率-9．58dBm(b)接收功率-13．76dBm

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果星座圖

圖4 誤碼率與光接收功率的關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

基于DD-OFDM設(shè)計(jì)了正交頻分復(fù)用光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)10 Gbit/s二進(jìn)制序列經(jīng)16QAM映射、64載波傳輸、在25 km單模光纖中的可靠傳輸，并且討論了在不同接收光功率條件下系統(tǒng)的傳輸性能。為正交頻分復(fù)用高速光通信系統(tǒng)的教學(xué)與科研提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)樣板。

[1] Weinstein S, Ebert P. Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform[J]. IEEE Transactions on Communication Technology, 1971,19(5): 628-634.

[2] Bingham J A C. Multicarrier Modulation for Data Transmission: An idea whose time has come[J]. IEEE Communications Magazine, 1990, 28(5):5-14.

[3] Li X, Hong S, Therrien F,etal. Intercarrier interference immune single carrier OFDM via magnitude-keyed modulation for high speed aerial vehicle communication[J]. IEEE Trans on Communications, 2013, 61(2): 658-668.

[4] 伍偉池,張多英. 光正交頻分復(fù)用的關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 光通信技術(shù), 2013, 37(11): 5-8.

WU Wei-chi,ZHANG Duo-ying. Research on the key technologies of optical orthogonal frequency division multiplexing[J]. Optical Communication Technology, 2013, 37(11): 5-8.

[5] Cvijetic N, Cvijetic M, Huang M F,etal. Terabit optical access networks based on WDM-OFDMA-PON[J]. Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(4): 493-503.

[6] Cvijetic N, Qian D, Hu J. 100 Gb/s optical access based on optical orthogonal frequency-division multiplexing[J]. IEEE Commun Mag, 2010,48(7): 70-77.

[7] Zhang C F, Chen C, Feng Y,etal. Experimental demonstration of novel source-free ONUs in bidirectional RF up-converted optical OFDM-PON utilizing polarization multiplexing[J]. Optics Express, 2012, 20(6): 6230-6235.

[8] 胡登科.光正交頻分復(fù)用傳輸技術(shù)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2010.

[9] 明 艷,李 強(qiáng),胡 慶.基于Simulink的正交頻分復(fù)用系統(tǒng)仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(10): 63-67.

MING Yan,LI Qiang,HU Qing. OFDM System Simulation Based on Simulink[J].Research and Exploration in Laboratory,2011,30(10): 63-67.

[10] Sun Y. Bandwidth-efficient wireless OFDM[J]. IEEE Selected Areas Comm, 2001,19(11):2267 - 2278.

[11] Armstrong J. OFDM for optical communications[J]. Journal of lightwave Technology, 2009, 27(3): 189-204.

[12] Schmidt B C, Lowery A, andArmstrong J. Experimental Demonstrations of Electronic Dispersion Compensation for Long-Haul Transmission Using Direct-Detection Optical OFDM[J]. J Lightwave Technol, 2008, 26(1):196-203.

[13] 陳 乾,曹 曄,童崢嶸.基于Optisystem的DD-OFDM傳輸性能仿真研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 26(4): 48-57.

CHEN Qian, CAO Ye, TONG Zheng-rong. Performance of direct detection OFDM in optical transmission based on Optisystem[J]. Journal of Tianjin University of Technology, 2010, 26(4): 48-57.

[14] 吳 巍,肖江南,陳 明,等.基于級聯(lián)變系數(shù)訓(xùn)練序列和預(yù)增強(qiáng)技術(shù)的直接檢測光[J].OFDM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究通信學(xué)報(bào), 2013, 34(12): 149-157.

WU Wei, XIAO Jiang-nan, CHEN Ming,etal. Experimental research on a direct-detection optical OFDM system based on cascaded variable coefficient training sequences and pre-emphasis technique[J]. Journal on Communications, 2013, 34(12): 149-157.

[15] 陳 林,曹子崢,董 澤,等. 直接檢測的光正交頻分復(fù)用信號光纖傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國激光,2009, 36(3): 554-557.

CHEN Lin，CAO Zi-zheng，DONG Ze，etal．Experimental investigation of direct detection optical orthogonal frequency-division multiplexing transmission system[J]．Chinese Journal of Lasers，2009，36(3): 554-557.

[16] Blanco C S. Cost-effective optical transmission systems based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing[D]. Barcelona: University Politecnica De Catalunya, 2011.