非線性效應(yīng)對(duì)OOFDM系統(tǒng)的影響研究

權(quán)天

【摘 要】為了適應(yīng)當(dāng)前對(duì)信息量的巨大需求，本文利用一種新的光調(diào)制技術(shù)和正交頻分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)造出高速率、大容量、低成本的光傳輸系統(tǒng)。該方法與傳統(tǒng)的光通信技術(shù)相比，具有更強(qiáng)的抗色散能力和更高的頻譜利用率。但是，光纖中的非線性效應(yīng)已成為限制通信系統(tǒng)性能的主要因素。本文首先論述了OOFDM系統(tǒng)和非線性效應(yīng)，再利用 OptiSystem軟件完成了光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)的搭建，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出非線性效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的性能，破壞OOFDM系統(tǒng)的正交性。

【關(guān)鍵詞】光正交頻分復(fù)用；四波混頻；誤碼率；星座圖；非線性效應(yīng)

【Abstract】In order to adjust to the tremendous demand of information， this article uses a new optical modulation technology and Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM） technology to establish an optical transmission system which has a ability of high rate， large capacity and low cost. Compared with the traditional optical communication technology， this method has a good ability in anti- dispersion and has a better utilization rate of spectrum. But the influence of nonlinear effects has become the main factor which limits the capability of communication system. This article uses the software to establish an OOFDM system. The simulation results show that nonlinear effect can severely degrade the performance of the system and destroy the orthogonality of the OOFDM system.

【Key words】OOFDM； FWM； BER； Constellation； Nonlinear effect

0 引言

本文研究的光正交頻分復(fù)用（OOFDM）技術(shù)是從OFDM技術(shù)發(fā)展而來(lái)，繼承了其載波頻譜利用率高，抗衰落性和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。因此該技術(shù)可以構(gòu)造出高速率、大容量、低成本、易于擴(kuò)展信道容量的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，但光纖中的非線性效應(yīng)已成為限制通信系統(tǒng)性能的主要因素，主要表現(xiàn)在峰值平均功率比（PAPR）較大和對(duì)相位噪聲極為敏感[2]。在高速OOFDM傳輸系統(tǒng)中，色散和非線性是限制其性能的主要因素[3]。因此研究光纖的非線性效應(yīng)對(duì)OOFDM系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響對(duì)光傳輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要意義。

1 OOFDM系統(tǒng)和非線性效應(yīng)

OOFDM的思想最早是在OFC（Optical Fiber Communication Conference）會(huì)議上被提出的。當(dāng)時(shí)提出的是直接調(diào)制分布反饋激光器的多模光纖OFDM傳輸系統(tǒng)，它可以把10Gb/s的信號(hào)沿多模光纖傳輸1000米，這相對(duì)以前的多模光纖通信來(lái)說(shuō)已經(jīng)是一個(gè)很大的進(jìn)步。OOFDM技術(shù)結(jié)合光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和OFDM信號(hào)調(diào)制的特點(diǎn)，可以構(gòu)造出高速率、大容量及低成本的光傳輸網(wǎng)絡(luò)，可快速完成大量并行數(shù)據(jù)的傳輸，并且具有良好的信道容量可拓展性，能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上可以很好地升級(jí)和過(guò)渡?？梢?jiàn)，光纖通信系統(tǒng)和正交頻分復(fù)用技術(shù)的結(jié)合是通信技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

在高強(qiáng)度電磁場(chǎng)中，任何電介質(zhì)對(duì)光的響應(yīng)都會(huì)變成非線性的，光纖也不例外。簡(jiǎn)單言之，介質(zhì)非線性效應(yīng)的起因與其束縛電子的非諧振運(yùn)動(dòng)有關(guān)，電偶極子感應(yīng)的總極化強(qiáng)度P對(duì)于電場(chǎng)E是非線性的[4]。通常情況下，玻璃材料中的非線性效應(yīng)非常微弱，但是當(dāng)光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖的芯徑非常小，致使光纖中光信號(hào)的功率密度很高，加之傳輸距離長(zhǎng)，光纖的非線性影響會(huì)更顯著。

2 OOFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本文根據(jù)OOFDM的基本原理，搭建出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)可以分為五部分：OFDM基帶信號(hào)發(fā)射機(jī)、電/光變換、光纖鏈路、光/電檢測(cè)和OFDM基帶信號(hào)接收機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 OOFDM系統(tǒng)仿真

圖1中的發(fā)送部分使用偽隨機(jī)0、1二進(jìn)制序列數(shù)據(jù)流，比特速率為1GBit/s，經(jīng)不歸零脈沖產(chǎn)生器整流之后送入Matlab模塊，串并變換后，對(duì)每路數(shù)據(jù)進(jìn)行4進(jìn)制的QAM調(diào)制，再映射為對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)，再對(duì)其進(jìn)行2048點(diǎn)的IFFT變換，其中，子載波數(shù)設(shè)為128，調(diào)制速率為20GHz；載波進(jìn)行并串變換后，在每個(gè)信號(hào)前加入循環(huán)前綴，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)镺FDM基帶模擬信號(hào)，再將基帶信號(hào)通過(guò)馬赫曾德?tīng)栒{(diào)制器調(diào)制到光載波上，進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸，光纖鏈路部分采用長(zhǎng)度為50km的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，衰減常數(shù)α=0.2dB/km，光源由連續(xù)激光器產(chǎn)生，光功率為0dBm，波長(zhǎng)為1550nm，線寬為1MHz。光電檢測(cè)器（PIN）的靈敏度設(shè)定為1A/W，暗電流為10nA，接收端信號(hào)處理是發(fā)送端的逆過(guò)程。為了減少噪聲的干擾，濾波器是必需的，為了獲得一定幅度的輸出信號(hào)，放大器也是必需的，通過(guò)PIN檢測(cè)器和I/O解調(diào)后的光信號(hào)再通過(guò)增益為40dB的放大器，解調(diào)出OFDM基帶模擬信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、去除循環(huán)前綴和串并變換，再靜同樣點(diǎn)數(shù)的快速傅立葉變換，在輸出端將每路復(fù)數(shù)信號(hào)映射解調(diào)為4進(jìn)制QAM星座點(diǎn)，經(jīng)并串變換后，最終輸出二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)。OOFDM的仿真架構(gòu)如圖2所示。

4 非線性效應(yīng)對(duì)OOFDM系統(tǒng)的影響研究

根據(jù)以上的仿真系統(tǒng)，設(shè)置光纖長(zhǎng)度為50km，光纖損耗為0.2dB/km，子載波數(shù)為128，有效纖芯面積=100μm2，非線性折射率n2=3.4×10-20m2/W，光功率為-10dBm，工作波長(zhǎng)為1550nm。

理論研究表明，有效纖芯面積（Aeff）的增加可以更有效地克服非線性效應(yīng)的影響。根據(jù)仿真結(jié)果圖3和圖4可以觀察到，在其他參數(shù)不變的情況下，有效纖芯面積減小，非線性效應(yīng)更加明顯，使OOFDM系統(tǒng)的輸出星座圖分散，信號(hào)判決困難，信號(hào)相位失真，幅度衰減，輸出波形失真等影響。對(duì)于光纖通信系統(tǒng)，可以選用有效纖芯面積大的光纖來(lái)減小非線性效應(yīng)。另外非線性效應(yīng)還會(huì)造成一些額外損耗和干擾，當(dāng)傳輸距離增大時(shí)，這種影響還會(huì)加重。

光纖中的最低階非線性效應(yīng)起源于三階極化率，它是引起諸如三次諧波、四波混頻及非線性折射等現(xiàn)象的原因[5]。然而，除非采取特別的措施實(shí)現(xiàn)相位匹配，涉及新頻率產(chǎn)生的非線性過(guò)程在光纖中是不易發(fā)生的。因此，光纖中的大部分非線性效應(yīng)起源于非線性折射，而影響非線性折射的重要系數(shù)就是非線性折射率系數(shù)n2，兩者之間的關(guān)系為n2=3/8nRe（χ（3）），其中χ（3）為三階極化率，非線性折射率系數(shù)n2越小，非線性效應(yīng)越強(qiáng)。本文改變仿真系統(tǒng)中n2的值，仿真結(jié)果與圖3和圖4類似，也證明了非線性效應(yīng)的增強(qiáng)會(huì)加重對(duì)系統(tǒng)正交性的破環(huán)。

由于非線性效應(yīng)會(huì)使傳輸信號(hào)的相位和幅度改變，星座圖原本為四個(gè)點(diǎn)，相位偏移造成四個(gè)點(diǎn)分散并旋轉(zhuǎn)，信號(hào)幅度改變?cè)斐伤膫€(gè)點(diǎn)向外擴(kuò)散，仿真結(jié)果表明，非線性效應(yīng)會(huì)破環(huán)OOFDM系統(tǒng)的正交性，使星座圖分散、偏移，信號(hào)相位和幅度失真，導(dǎo)致信號(hào)判決出錯(cuò)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的傳輸性能。

5 結(jié)論

本文結(jié)合仿真模型，通過(guò)改變影響非線性效應(yīng)的參數(shù)，分析星座圖，得到了非線性效應(yīng)對(duì)OOFDM系統(tǒng)性能的影響：非線性效應(yīng)會(huì)破壞OOFDM系統(tǒng)的正交性，最終導(dǎo)致信號(hào)星座圖分散、模糊，信號(hào)判決困難，誤碼率增加，輸出波形失真，非線性效應(yīng)強(qiáng)度與破壞性成正比，即非線性效應(yīng)越強(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的影響越大。

【參考文獻(xiàn)】

[1]梁猛，等.基于OptiSystem的相干光OFDM系統(tǒng)的仿真研究[J].光通信技術(shù)，2011.

[2]王振寶，等.光纖通信系統(tǒng)中的非線性效應(yīng)研究[J].光通信研究，2011.

[3]張洪波.正交頻分復(fù)用新技術(shù)在光纖傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].電子科技大學(xué)，2014.

[4]王封.OFDM技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)中的研究[D].長(zhǎng)春理工大學(xué)，2014.

[5]張磊.光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)接收技術(shù)的研究[D].北京郵電大學(xué)，2011.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]