高速OOFDM傳輸系統(tǒng)研究

劉 皎 陳靜穎 黨 楠

（商洛學院電子信息與電氣工程學院 商洛 726000）

1 引言

光通信技術(shù)由于具有帶寬資源大和制造成本低等優(yōu)點而使光纖傳送網(wǎng)成為寬帶通信網(wǎng)的基礎。隨著全光通信網(wǎng)絡的發(fā)展，對光通信系統(tǒng)的要求也就越來越高。將OFDM技術(shù)應用到光纖通信領(lǐng)域，即光正交頻分復用（OOFDM）技術(shù)，已經(jīng)成為解決更高速率、更長距離、更大容量通信的一項關(guān)鍵技術(shù)［1～4］。OOFMD技術(shù)作為一種新型光頻域制技術(shù)，充分結(jié)合了OFDM技術(shù)與光纖通信技術(shù)的優(yōu)勢，OFMD的子載波數(shù)目靈活可調(diào)且調(diào)制格式透明［5～7］，再結(jié)合光載波的偏振復用［8］，使得光纖通信的傳輸容量增加的同時，系統(tǒng)復雜度更低，是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ母咚匍L距離光纖通信技術(shù)。

2 高速OOFDM信號產(chǎn)生

高速OOFDM信號的產(chǎn)生主要采用偏振復用、多級副載波復用以及多級調(diào)制技術(shù)，具體信號產(chǎn)生過程如圖1所示。

1）基帶光OFDM信號產(chǎn)生過程

將待傳偽隨機二進制數(shù)據(jù)序列（PRBS）通過串并變換（S/P）進行M-QAM調(diào)制，再做IFFT變換之后通過并串變換（P/S）為串行的OFDM符號，加入循環(huán)前綴（CP）后生成基帶OFDM信號［9-10］，將其通過光調(diào)制器直接加載到光載波上，完成基帶光OFDM信號的產(chǎn)生。

2）偏振復用提高OOFDM信號速率

用偏振分束器（PBS）將光載波分成偏振方向相互垂直的兩束偏振光，即x偏振和y偏振光，接著再分別使用馬赫增德爾（M-Z）調(diào)制器將基帶OFDM信號調(diào)制到不同偏振態(tài)的光載波之上［11］，然后再使用偏振合束器（PBC）將偏振方向相互垂直的不同偏振光信號耦合在一起送入傳輸信道中。由于光的兩個偏振態(tài)上同時加載有OFDM信號，因此該過程最終得到的OOFDM信號速率將比1）中提升一倍。

3）副載波復用進一步提升OOFDM信號速率

采用不同副載波RF信號將基帶OFDM信號進行頻譜搬移、并復用的方式來進一步提升信號速率［12］。副載波復用之前后的OFDM信號頻域和時域?qū)Ρ热鐖D2所示。具體復用方法如下：將兩路相同速率的基帶OFDM信號分別與副載波RF1和副載波RF2進行混頻后驅(qū)動M-Z調(diào)制器，調(diào)整調(diào)制器的驅(qū)動電壓、偏置電壓使調(diào)制器工作在載波抑制狀態(tài)，從而可以產(chǎn)生兩個上下邊帶，總共四個邊帶，然后再在這四個邊帶上同時加載上基帶的OFDM信號產(chǎn)生光OFDM信號。最后再結(jié)合偏振復用和副載波復用技術(shù)，獲得更高速率的OOFDM信號。過程如下：將2）中的每路偏振光通過副載波調(diào)制得到兩路偏振正交的副載波復用調(diào)制信號，然后將兩路偏振正交的副載波復用信號通過PBC耦合在一起，再通過濾波器濾除其中的上邊帶或下邊帶，兩個上（或下）邊帶同時送入光纖中進行傳輸。采用這種方法能夠使得OOFDM信號的承載速率得到極大的提升。

圖1 高速OOFDM信號的產(chǎn)生過程

圖2 副載波復用前后的OFDM信號頻域和時域?qū)Ρ葓D

3 高速OOFDM信號接收

采用相干探測技術(shù)進行高速OOFDM信號的接收，其過程如圖3所示。由本地振蕩器控制偏振混頻器模塊，使接收到的光信號與本振光進行混頻。偏振混頻器模塊由兩個偏振分束器和兩個90o混頻器組成的，將兩個偏振分束器輸出的x偏振態(tài)接收光信號和本振光信號的x偏振態(tài)輸入到上支路的混頻器中進行混頻，再對混頻輸出的兩路光信號分別進行相干光電探測后轉(zhuǎn)換為兩路電信號，對該兩路電信號做模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入x支路的OFDM解調(diào)模塊中依次進行FFT變換、色散補償、信道補償、M-QAM解調(diào)、并串變換后輸出x支路解調(diào)后的二進制數(shù)據(jù)。對于副載波復用方式的解調(diào)，只需對接收到的頻帶信號進行不同頻率的下變頻即可完成。對y偏振態(tài)的兩路光也做類似的一系列解調(diào)處理之后得到y(tǒng)支路的解調(diào)二進制數(shù)據(jù)。將x、y兩路輸出合路之后即為接收信號。

4 系統(tǒng)仿真及分析

依據(jù)上述仿真高速OOFDM系統(tǒng)傳輸方案，搭建了仿真系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)完成了4QAM-OFDM背靠背傳輸及百公里傳輸系統(tǒng)仿真，其接收信號星座圖如圖4、圖5所示。

圖3 高速OOFDM信號的接收方法

圖4 背靠背系統(tǒng)解調(diào)信號星座圖

在長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中，色散對信號接收星座圖的影響較為嚴重，如圖5所示，分別為4QAM-OFDM在不同光纖色散值情況下傳輸百公里的接收信號星座圖樣，從圖中可以看出色散值越大星座圖越發(fā)散。因此，在高速OOFDM系統(tǒng)中，信道補償就顯得尤為重要。為了更好地進行信道補償，首先就要做好信道估計。在該OOFDM系統(tǒng)中，我們通過發(fā)送訓練字符來對信道進行估計，然后再整體對信道進行均衡補償，以提升OOFDM系統(tǒng)的自適應能力，使其更加適應了光纖通信的大容量、長距離傳輸要求。

信道估計（CE）是基于相干探測、解調(diào)的基礎上進行的。通過信道估計獲得了所有子載波上的參考相位和幅值后，就可以準確地恢復出原始數(shù)據(jù)符號。對于相干解調(diào)系統(tǒng)，信道估計的準確性直接影響到整個傳輸系統(tǒng)的性能。OOFDM系統(tǒng)的優(yōu)點在于不需要進行復雜的色散補償，只需要通過插入導頻或訓練序列即可對信道進行估計，然后再整體的對信道進行均衡補償。本文采用符號頻域平均值（ISFA）來進行信道估計。ISFA的結(jié)果是同一訓練序列（TS）的多個相鄰頻率信道估計矩陣的均值。假設在發(fā)送端插入到OFDM符號中的訓練序列為

圖5 不同色散情況下百公里傳輸接收信號星座圖

訓練序列的插入是為了獲得信道的動態(tài)信息，假設這兩列訓練序列經(jīng)歷了相同的信道效應后接收到的訓練符號為

則該傳輸系統(tǒng)的信道矩陣為

對OFDM中的每個調(diào)制子載波采用ISFA方法后，使得該子載波的信道矩陣為自己與相鄰子載波的信道估計矩陣的平均值，這樣得到的信道估計矩陣則會更加的精確。例如，對于子載波k，它的信道估計為載波自身與其左右相鄰的m個子載波的信道矩陣的均值，即為（2m+1）個子載波的信道估計矩陣均值。子載波k′的信道矩陣經(jīng)過ISFA改進處理后表示為

其中kmax和kmin分別是調(diào)制子載波編號的最大和最小值。一旦得到了原始子載波向量就可以實現(xiàn)信道均衡。利用搭建的仿真系統(tǒng)，將OOFDM信號傳輸百公里之后，在接收端解調(diào)后對數(shù)據(jù)進行ISFA處理，從式（4）中可以看出，相鄰子載波個數(shù)m的選取對于信道估計是有影響的，圖6給出不同相鄰子載波數(shù)目下對OOFDM信號做信道估后所得到的系統(tǒng)BER性能與入射光功率（OSNR）之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看到，采用ISFA可以極大地改善信道估計的性能。在ISFA處理過程中，m值過小則信道估計性能較差，當m值大到一定程度后則系統(tǒng)性能將接近理想信道估計性能，若再繼續(xù)增大m值，則對BER性能的改善性能并不會有太大的提高，反而增大了運算的復雜程度。因此m值的選取在ISFA處理中也是尤為重要的。圖7給出了采用該方法進行信道補償前后4QAM-OFDM信號星座對比圖，可以看出該方法對于星座圖樣的矯正是十分有效的。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于多級調(diào)制，并采用逐級偏振復用、多級副載波復用技術(shù)最終產(chǎn)生高速率的OOFDM信號的方案及其探測方案。并搭建仿真系統(tǒng)進行了4QAM-OFDM的背靠背及百公里傳輸，分析了色散對于傳輸系統(tǒng)的影響，最后采用ISFA方法對系統(tǒng)進行信道估計，提高了系統(tǒng)傳輸可靠性的同時，增強了系統(tǒng)的自適應能力。

圖6 ISFA對信號性能的改善

圖7 信道補償前后的星座對比圖