正交頻分復(fù)用技術(shù)在光通信中的應(yīng)用

劉繼業(yè)，胡茂凱，陳西宏

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院，陜西 三原 713800)

光纖通信具有損耗低、傳輸頻帶寬容量大、體積小、重量輕、抗電磁干擾和不易串音等優(yōu)點(diǎn)而備受業(yè)內(nèi)人士青睞［1］。由于當(dāng)前軍事領(lǐng)域目標(biāo)探測(cè)跟蹤、數(shù)據(jù)傳輸和處理、武器制導(dǎo)等需要快速、大量、準(zhǔn)確、保密的數(shù)據(jù)傳輸，光纖技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域。

光纖通信表現(xiàn)出兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)［2］:(1)單信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率大大增加，趨近于100 Gbit·s－1。(2)網(wǎng)絡(luò)必須具備很快的動(dòng)態(tài)調(diào)整能力。但當(dāng)數(shù)據(jù)速率達(dá)到100 Gbit·s－1時(shí)，傳統(tǒng)的光纖分段補(bǔ)償變得昂貴而耗時(shí)，對(duì)系統(tǒng)色散的補(bǔ)償很難準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。而正交頻分復(fù)用(OFDM)具備較高的頻譜利用率、較好的抗頻率選擇性衰落能力和良好的計(jì)算特性，可以方便準(zhǔn)確地對(duì)光纖色散進(jìn)行補(bǔ)償，因此人們考慮將OFDM技術(shù)用于光纖通信，即光正交頻分復(fù)用技術(shù)(OOFDM)。O－OFDM的各類實(shí)驗(yàn)和仿真也證明了其具有較好的性能，并成為100 Gbit·s－1系統(tǒng)中最具競(jìng)爭(zhēng)力的調(diào)制方案。

1 OFDM基本原理

OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，基本思想是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸，從而使子載波上的符號(hào)速率大幅降低，符號(hào)持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng)，因此具有很強(qiáng)的抗多徑衰落和窄帶干擾的能力，同時(shí)子載波的頻譜分布相互重疊和正交，具有很高的頻帶利用率［3］。如圖1所示，OFDM調(diào)制包含許多相互正交的子載波，可以有效對(duì)抗頻率選擇性衰落。對(duì)于單載波傳輸，在有衰落的情況下，信號(hào)失真明顯，而對(duì)于OFDM信號(hào)，頻率選擇性衰落僅影響系統(tǒng)中的一個(gè)或幾個(gè)子信道，而利用信道間的相關(guān)信息可以恢復(fù)出受干擾信道上的數(shù)據(jù)。

圖1 經(jīng)歷頻率選擇性衰落的單載波與OFDM頻譜

目前，O－OFDM主要有兩種類型的傳輸結(jié)構(gòu):相干光OFDM(CO－OFDM)和直接檢測(cè)光OFDM(DDOOFDM)［4－8］。CO － OFDM 將相干光檢測(cè)技術(shù)與 OFDM結(jié)合，利用兩者的優(yōu)勢(shì)提高傳輸性能，發(fā)射端采用抑制調(diào)制方式將信息序列調(diào)制到光載波上，接收端通過(guò)本地振蕩器實(shí)現(xiàn)相干檢測(cè)并最終實(shí)現(xiàn)信息序列的解調(diào)，適合大容量超長(zhǎng)距離傳輸。DDO－OFDM是通過(guò)同時(shí)發(fā)射光載波和OFDM頻帶，在接收端利用光電二極管實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接檢測(cè)，多用于短距離及多模光纖傳輸。

2 O－OFDM的研究

目前，許多公司和研究機(jī)構(gòu)都在研究O－OFDM技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括光接入技術(shù)和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)等［6－8］。自O(shè)－OFDM 提出后，許多相關(guān)聯(lián)的 OFDM技術(shù)也被相繼提出。OFDM技術(shù)在光纖通信中的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)。

2.1 線性失真容限

OFDM調(diào)制帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)電信號(hào)的線性損傷進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就可以有效提高對(duì)色散(CD)和偏振模式色散(PMD) 的容限［4－6，8］。不過(guò)必須看到，PMD會(huì)引起極性退化。為提高PMD容限，接收端可以采用極化分集技術(shù)。

文獻(xiàn)［6］研究了極化分離復(fù)用OFDM技術(shù)(PDMOFDM:Polarization Division Multiplexed OFDM)的偏振膜色散問(wèn)題。傳輸鏈路選用差分群延時(shí)保偏光纖，傳輸速率為52.5 Gbit·s－1，傳輸路徑選用單程循環(huán)為320 km的往返鏈路，當(dāng)傳輸距離為13個(gè)單程循環(huán)時(shí)的平均PMD為300ps。圖2顯示的是達(dá)到13個(gè)單程循環(huán)時(shí)傳輸鏈路的長(zhǎng)期性能。圖2的系統(tǒng)誤碼率柱狀圖表明，誤碼率在5.9×10－4～1.2×10－3之間變化，信道的平均誤碼率為7.5×10－4。通過(guò)對(duì)沒有差分群延時(shí)的傳輸鏈路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤碼率為7.5×10－4，誤碼性能只有細(xì)微的提高。因此可以得出，即使在平均偏振膜色散為300 ps時(shí)，基于OFDM調(diào)制的差分群延時(shí)保偏光纖仍具有令人滿意的誤碼性能。

圖2 平均偏振膜色散為300 ps、傳輸距離為4160km時(shí)，傳輸鏈路誤碼率柱狀圖

2.2 高階調(diào)制模式升級(jí)

在OFDM系統(tǒng)中很容易實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制模式，由于信道估計(jì)是基于訓(xùn)練符號(hào)實(shí)現(xiàn)的，而訓(xùn)練符號(hào)與星座映射體積無(wú)關(guān)［9］，因此均衡算法的復(fù)雜度不會(huì)隨著星座體積的增加而上升。

OFDM技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不同子載波可采用不同的星座圖，即如圖3所示。系統(tǒng)采用50 m階躍型塑料光纖(SI－POF，Step－Index Plastic Optical Fiber)，將信息自適應(yīng)調(diào)制到各個(gè)子載波上，不同的子載波可以采用不同的調(diào)制方式。即使在3 dB帶寬減小為50 MHz時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)仍然可以實(shí)現(xiàn)1 Gbit·s－1的信息傳輸。對(duì)頻率選擇性衰落信道來(lái)說(shuō)，這種子載波自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)可以有效提高數(shù)據(jù)速率以實(shí)現(xiàn)其最大化。雖然單模光纖的遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)沒有頻率選擇性衰落，但為減少光纖級(jí)聯(lián)產(chǎn)生的頻率選擇性問(wèn)題，系統(tǒng)仍然選用子載波自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

圖3 子載波采用自適應(yīng)QAM映射的發(fā)送和接收光譜圖

2.3 過(guò)采樣

OFDM技術(shù)在光通信中應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)可以選擇部分子載波進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。圖4所示為由陣列波導(dǎo)光柵(AWG)產(chǎn)生的OFDM信號(hào)頻譜。該實(shí)驗(yàn)中AWG的采樣速率為10 GHz，奈奎斯特頻率為5 GHz，僅用256個(gè)子載波中的190個(gè)作為調(diào)制載波來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)采樣，高頻部分的66個(gè)載波沒有進(jìn)行調(diào)制，于是可算得過(guò)采樣因子為1.34。由于過(guò)采樣，在OFDM頻譜和混頻區(qū)之間就形成了2.5 GHz的頻譜間隙，通過(guò)低通濾波器就可以消除混頻干擾。

與傳統(tǒng)的單載波相干檢測(cè)系統(tǒng)相比，O－OFDM對(duì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣速率要求明顯降低。通常單載波接收端的ADC需要2倍過(guò)采樣［10］，在實(shí)際應(yīng)用中，單載波接收端的ADC最小過(guò)采樣因子為1.5，對(duì)于PDM四進(jìn)制數(shù)字相位調(diào)制(PDM－QPSK)來(lái)說(shuō)，意味著ADC采樣速率將在42～100 GbE之間變化。而OFDM系統(tǒng)中引入了循環(huán)前綴(Cyclic Prefix)和訓(xùn)練序列，這種額外的冗余開銷不僅可以有效地對(duì)付ISI和簡(jiǎn)化系統(tǒng)同步，而且可以使ADC采樣速率降低為波特率的1.3倍，即對(duì)于PDM－OFDM，其采樣率僅為 35 GS·s－1［10］。

圖4 由AWG產(chǎn)生的OFDM信號(hào)頻譜

2.4 可忽略的線性交調(diào)失真

OFDM以其固有的良好頻譜成形技術(shù)使其可以忽略線性交調(diào)失真。實(shí)際上，由于可以忽略信道頻率帶寬間隔，系統(tǒng)采用準(zhǔn)連續(xù)帶寬傳輸模式，如圖5所示，通過(guò)在8 GHz信道間隔傳輸8×65.1 Gbit·s－1的PDM－OFDM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了7 bits/Hz的頻譜效率［8］。在該實(shí)驗(yàn)中采用32－QAM星座調(diào)制，從圖中可以看出，在波分復(fù)用信道間無(wú)頻譜間隔。盡管準(zhǔn)連續(xù)OFDM可以有效地提高頻譜利用率，但必須注意到其在具體的應(yīng)用中仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。在目前的傳輸系統(tǒng)中，考慮到激光與光纖的波長(zhǎng)誤差和波長(zhǎng)選擇開關(guān)的使用，波分復(fù)用信道間要留有一定的間隔帶寬。實(shí)際上當(dāng)O－OFDM采用50 GHz的頻率間隔，星座映射體積相同時(shí)，單載波調(diào)制和O－OFDM調(diào)制的頻譜效率相同。

圖5 8×65.1 Gbit·s－1的 PDM －OFDM 信號(hào)光譜

2.5 OFDM的挑戰(zhàn)

和其他的調(diào)制方式一樣，OFDM調(diào)制同樣面臨亟待解決的問(wèn)題。在O－OFDM中，由于用到DAC和ADC來(lái)產(chǎn)生和檢測(cè)信號(hào)，面臨的主要問(wèn)題是OOFDM系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)速率對(duì)DAC和ADC提出的高要求，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本。另外，在OFDM系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)載波以同一方向進(jìn)行累加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的峰值，因此要求功率放大器具有較大的線性范圍，否則若信號(hào)峰值進(jìn)入放大器的非線性區(qū)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)畸變，影響系統(tǒng)性能，所以信號(hào)峰值功率與平均功率之比，即峰均比(PAPR)的抑制也是設(shè)計(jì)OFDM的關(guān)鍵。而且，OFDM使用IFFT和對(duì)應(yīng)的FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，需要系統(tǒng)處于線性的狀態(tài)，而光調(diào)制器和放大器通常具有非線性特點(diǎn)，高PAPR將破壞線性關(guān)系而降低系統(tǒng)性能。這種非線性會(huì)產(chǎn)生帶外功率影響以及帶內(nèi)干擾，后者的影響更是體現(xiàn)在采用多星座點(diǎn)映射的系統(tǒng)中［11］。

3 O－OFDM未來(lái)的應(yīng)用

100 GbE被看作是下一代大容量骨干網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，PDM－OFDM是該應(yīng)用領(lǐng)域極具潛力的調(diào)制方式，而目前100 GbE的主要調(diào)制方式是單載波PDMQPSK。如前所述，OFDM系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是便于升級(jí)為高階調(diào)制。實(shí)際上，O－OFDM在城市中的應(yīng)用已經(jīng)引起了人們的關(guān)注，目前主要考慮的是成本因素，通過(guò)使用高階星座映射16－QAM取代QPSK(4－QAM)可以實(shí)現(xiàn)100 GbE的PDM－OFDM。高階星座映射雖然減小了轉(zhuǎn)發(fā)器的作用范圍，但在城市或特定區(qū)域(800 km)的應(yīng)用場(chǎng)合下不影響使用，而高階星座映射在有效降低轉(zhuǎn)發(fā)器成本的同時(shí)，還可以提供更強(qiáng)的色散和偏振膜色散度容限。另外，可以充分利用OFDM的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)改變星座映射的有效載荷，比如通過(guò)將星座映射從2QAM變?yōu)?6QAM，可以使轉(zhuǎn)發(fā)器工作在100 GbE或者400 GbE。

4 結(jié)束語(yǔ)

討論了OFDM在光通信中的應(yīng)用及其未來(lái)的發(fā)展應(yīng)用。將OFDM引入光傳輸，尤其是在高速長(zhǎng)距離、超長(zhǎng)跨距中使用O－OFDM，獲得了良好的性能。同時(shí)，O－OFDM還存在許多技術(shù)難點(diǎn)需要研究解決，目前尚無(wú)商用OFDM光傳輸系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外的一些科研機(jī)構(gòu)正致力于O－OFDM的實(shí)驗(yàn)與理論仿真研究。隨著社會(huì)信息化程度的不斷提高，通信容量的不斷膨脹，O－OFDM必將走向商用，成為長(zhǎng)距離傳輸、干線系統(tǒng)的優(yōu)選方案之一。

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