光通信中的直接檢測OFDM 技術(shù)

鞏玲仙，郭紅英，王春燦

（1.忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000；2.北京交通大學(xué) 光波技術(shù)研究所，北京 100094）

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)之間的通信連接全部采用了高速光通信網(wǎng)絡(luò)，大到廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)之間的連接，小到服務(wù)器和光網(wǎng)絡(luò)交換機之間的連接[1-3].光通信網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、保密性好、適合長距離傳輸?shù)葍?yōu)點，它主要用于兩點之間提供大帶寬的信息傳輸通道.數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)基本是點對點的光網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，兩點之間流量增長速度遠高于通信干線網(wǎng)絡(luò).因此，數(shù)據(jù)中心城域網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)容量要求較大.

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換流量不斷增大，這就對數(shù)據(jù)傳輸帶寬有著更高的要求.因此，高速的光網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)備受青睞，也一直是研究熱點.同時為了降低數(shù)據(jù)中心的能耗，在數(shù)據(jù)中心要采用高速的光互聯(lián)技術(shù)[4-5].骨干網(wǎng)的光通信網(wǎng)絡(luò)通信距離長、設(shè)備復(fù)雜，而數(shù)據(jù)中心中的高速光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有傳輸距離較短、系統(tǒng)復(fù)雜度低等優(yōu)勢[6].因此，對于數(shù)據(jù)中心高速光互聯(lián)直接檢測調(diào)制技術(shù)的研究，具有十分重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義和價值[7].本文基于OptiSystem 平臺對光通信系統(tǒng)DD-OFDM 模型進行建模與仿真，并說明直接檢測OFDM 技術(shù)的工作原理，通過搭建的模型可以清晰地看出光信息的傳輸過程.在傳輸中，光網(wǎng)絡(luò)傳輸一個重要的問題就是克服光纖色散的問題，光纖色散降低了接收端信號的質(zhì)量，接收機靈敏度下降.仿真了不同傳輸距離時的色散程度，并在光纖鏈路中對色散進行補償，以此來提高OSNR，仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)通過色散補償可以有效提高接收端的信號質(zhì)量.

1 DD-OFDM 光通信系統(tǒng)的搭建

直接檢測-正交頻分復(fù)用調(diào)制（DD-OFDM）技術(shù)在目前的光通信系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用.直接檢測OFDM 技術(shù)的工作原理見圖1.首先，將原始的數(shù)字序列信息進行高階編碼，常用的主要有PSK 和QAM技術(shù)，這里采用16/64QAM 高階編碼.然后，把串行的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為N路并行的數(shù)據(jù)流，對并行的N路數(shù)據(jù)流分別進行單載波調(diào)制，調(diào)制到N個子載波上，子載波在符號周期內(nèi)是嚴格正交的，以保證子信道之間不會互相干擾.通過IFFT 變換之后，要插入循環(huán)前綴（CP）以消除碼間串?dāng)_，然后進行D/A 轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生調(diào)制激光器的模擬信號.最后，將分別調(diào)制后的各路子信號進行疊加，疊加之后便得到了具有正交關(guān)系的調(diào)制信號.調(diào)制信號在光纖信道中傳輸后，接收端接收信號，此處采用直接檢測方式，先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，然后進行信號的同步進而移除CP.再進行傅里葉變換，將并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號，最后通過均衡，恢復(fù)了原始信號.

圖1 DD-OFDM 的工作原理

圖1 中，正交的子載波數(shù)學(xué)關(guān)系表示為

式中：m≠n；T為信號一個周期的時間.其時域表達式為

式中：Aiejθi為經(jīng)過正交振幅調(diào)制的第i路子載波信號的表達式.

在圖1 模型中，信源是由一個偽隨機信號發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機序列.信源信息經(jīng)過16/64QAM 高階編碼，傳遞給正交頻分復(fù)用OFDM 模塊.在此模塊內(nèi)先進行子序列劃分，然后將劃分好的序列進行子載波調(diào)制、快速傅里葉變換IFFT 和插入循環(huán)前綴CP 等過程.經(jīng)過頻分復(fù)用的電信號包括同向分量I 和正交分量Q，將這兩路正交的信號送入調(diào)制器.輸出信號傳遞給馬赫曾德爾電光調(diào)制器變換成一個單頻激光信號，這樣的信號已經(jīng)適合光纖傳輸.信號在光通信系統(tǒng)中傳輸后被接收端直接檢測，進行正交解調(diào)然后發(fā)送到OFDM 解碼模塊.此模型中信源信息采用16/64QAM 技術(shù)進行編碼，正交頻分復(fù)用調(diào)制模塊中，信息流被劃分為512 個子載波，采用1 024 點DFT，傳輸速度為10 Gbps，結(jié)果單波長通道傳輸了9 183 bit 信息.發(fā)送端的二進制不歸零碼和接收端的二進制不歸零碼見圖2.圖2 中的采樣信息為2 048個點，可以清楚地看到2 條線幾乎重合，說明該模型幾乎無失真地恢復(fù)了原始信息.

圖2 DD-OFDM 系統(tǒng)發(fā)送的信息和接收到的信息對比

數(shù)字通信系統(tǒng)中通常通過星座圖來表示信號以及信號之間的互相關(guān)系，星座圖中信號的位置可以看出信號的限制和判決邊界.符號點在星座圖中越集中，表示信號的質(zhì)量越高，反之，符號點越分散表示信號質(zhì)量越差.通過信號矢量點可以看出信號質(zhì)量的好壞，也可以看出信號的幅度和相位等信息，所以星座圖經(jīng)常被直觀地用來判斷信號質(zhì)量，如幅度偏差、正交誤差、干擾和噪聲等.發(fā)送端和接收端的數(shù)字信號星座圖見圖3.從圖3 可以看到，在發(fā)送端理想數(shù)字信號的矢量點應(yīng)該集中在（1，1）（-1，1）（-1，-1）（1，-1）4 個點上（見圖3a）.可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過整個仿真模型傳輸后，傳輸符號偏離了這4 個中心點，某些點甚至越過中心點間的判決門限，形成誤碼，這是由于噪聲和碼間串?dāng)_等因素的干擾.因此信號越集中在理論中心點，接收端的信號質(zhì)量越高.DD-OFDM 接收端數(shù)字信號的星座圖見圖3b，光纖通信系統(tǒng)的長度為100 km，單模光纖的色散系數(shù)為20 ps/nm/km.由圖3b 的數(shù)字信號經(jīng)過解碼，即可以得到原始信號.

圖3 發(fā)送端和接收端數(shù)字信號的星座

2 DD-OFDM 中光纖色散的影響

實際中信號都需要經(jīng)過遠距離的傳輸，通常兩城市之間的傳輸距離大概在幾十公里到幾百公里.因此，數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的光纖鏈路需要考慮光纖介質(zhì)中的色散和損耗等問題.光纖中的色散與損耗直接影響信號的接收質(zhì)量.單模光纖中常見的色散主要有材料色散、波導(dǎo)色散和偏振模色散等[8]，色散的大小與通信鏈路的長度有關(guān)[9].通過直接觀測DD-OFDM 系統(tǒng)接收端數(shù)字信號星座圖的離散狀況來判斷系統(tǒng)接收端數(shù)字信號的質(zhì)量，進而評價DD-OFDM 系統(tǒng)長距離傳輸性能.分別計算了50 km 正常色散條件、900 km正常色散條件和900 km 零色散條件下DD-OFDM 系統(tǒng)接收端數(shù)字信號的星座圖（見圖4）.50 km 正常色散條件下，接收端數(shù)字信號的星座圖相對集中，判決門限清晰（見圖4a）.這表明50 km 色散條件下色散對于DD-OFDM 系統(tǒng)的影響較小.由圖4b 可以看出，正常色散條件下，數(shù)字信號傳輸900 km 后完全混疊在一起.接收端解調(diào)之后存在嚴重的碼間串?dāng)_，有大量誤碼，無法恢復(fù)信源的信息.但是在零色散條件下，接收端數(shù)字信號的星座圖相對集中，判決門限清晰（見圖4c）.仿真模型中，系統(tǒng)的零色散是通過將光纖的色散和PMD 設(shè)置為零.為了降低色散對通信質(zhì)量的影響，在實際應(yīng)用中常通過進行色散補償.常用的補償方式有光纖光柵色散補償、色散補償光纖和電域算法色散補償?shù)萚10].

圖4 3 種不同情況下接收端信號的星座

仿真分析了系統(tǒng)正常色散條件下光纖鏈路長度由20～200 km 變化時接收端數(shù)字信號星座圖的變化（見圖5）.隨著光纖鏈路長度的增加，光纖中色散的增大，接收端數(shù)字信號的星座圖越來越離散，甚至超過判決門限，這表示接收端數(shù)字信號的質(zhì)量隨著傳輸距離的增加越來越差.同時，誤碼率也不斷升高，這就限制了系統(tǒng)的傳輸速率和傳輸距離.

圖5 20～200 km 光纖長度DD-OFDM 系統(tǒng)接收端數(shù)字信號星座

通常在實際的通信系統(tǒng)中可以通過多種色散補償?shù)姆椒?，如加入色散補償光纖來降低光纖色散的影響，所以在仿真中也增加了一段色散補償光纖，以此來補償光纖通信鏈路中的色散，這樣仿真也更接近實際.仿真中光纖鏈路長度為300 km，色散系數(shù)為20 ps/nm/km，相對色散斜率0.026 4 nm-1，色散補償光纖在1 550 nm 附近色散系數(shù)為-360 ps/nm/km，色散補償光纖長度為16.7 km.色散補償前后接收端數(shù)字信號的對比見圖6.由圖6 可以看出，色散補償前接收端數(shù)字信號完全混疊在一起；色散補償后數(shù)字信號星座圖中的點更加集中，門限清晰，接收端信號質(zhì)量得到極大的改善，色散補償效果明顯.

圖6 傳輸距離300 km 的光纖鏈路采用色散補償光纖前后接收端數(shù)字信號的星座

3 OSNR 的影響

光輸入輸出信噪比（OSNR）會顯著影響DD-OFDM 系統(tǒng)接收端數(shù)字信號的Q 因子[11].所謂Q 因子就是接收端接收機接收到信號的判決電平與噪聲電平的比值.影響DD-OFDM 系統(tǒng)OSNR 的主要因素包括放大鏈路上光纖放大器的增益和光源的輸出功率.

仿真中，DD-OFDM 系統(tǒng)的其他參數(shù)保持不變，光纖鏈路長度為100 km.光纖鏈路中的摻鉺光纖放大器的增益由9～12 dB 變化時，接收端光電探測器探測到的單邊帶信號和接收端數(shù)字信號的星座見圖7.由圖7a 表明，接收端光電探測器的單邊帶信號強度隨放大器增益的增加而增加，信號質(zhì)量提高.由圖7b 表明，光纖鏈路的放大器增益越大，接收的矢量信號的幅值越大，信號質(zhì)量提高.

圖7 光纖鏈路中放大器增益變化時接收端單邊帶信號和接收端數(shù)字信號的星座

當(dāng)可調(diào)諧單頻激光器的輸出功率增大時，接收端數(shù)字信號的變化星座見圖8.從圖8 可以明顯地看出，接收端數(shù)字信號的幅值隨著單頻激光器輸出功率的增加而增大，信號質(zhì)量提高.這將有益于接收端信號的判決，方便DD-OFDM 系統(tǒng)解調(diào)，降低系統(tǒng)的誤碼率.

圖8 可調(diào)節(jié)激光器輸出功率增大時接收端數(shù)字信號的星座

4 結(jié)語

基于OptiSystem 平臺對光通信系統(tǒng)DD-OFDM 模型進行了建模與仿真，說明了直接檢測OFDM 技術(shù)的工作原理，并仿真了不同距離、不同色散程度下對信號質(zhì)量的影響.利用色散補償光纖，對300 km 長DD-OFDM 系統(tǒng)進行了色散補償.分析了可調(diào)諧光源輸出功率和光纖放大鏈路上的放大器增益對DD-OFDM 解調(diào)端性能的影響.結(jié)果表明，接收端數(shù)字信號的幅值隨著單頻激光器輸出功率的增加而增大，信號質(zhì)量提高.