基于數(shù)字信號處理技術(shù)的模分復(fù)用通信系統(tǒng)研究

摘要：作為一種先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)．光纖環(huán)路在模分復(fù)用通信系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢。

基于此．文章對該技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。首先對其主體技術(shù)與控制模塊的具體設(shè)計(jì)方式進(jìn)行探討；隨后對其進(jìn)行實(shí)質(zhì)性搭建，在系統(tǒng)梳理搭建過程與注意事項(xiàng)的基礎(chǔ)上對其仿真結(jié)果進(jìn)行判斷。該系統(tǒng)在信息傳輸效能以及抗噪性上表現(xiàn)良好，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光纖環(huán)路；OAM模式；傳輸效果

中圖法分類號：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

１ 光纖環(huán)路的設(shè)計(jì)及主要技術(shù)

從本質(zhì)而言，光纖環(huán)路系統(tǒng)是利用光線自身所構(gòu)成的環(huán)路人為增加光纖傳輸距離，進(jìn)而使放大器在其中發(fā)揮較好效能，并規(guī)避信號放大帶來的噪聲影響，具體包括總體技術(shù)應(yīng)用、光開關(guān)、頻率驅(qū)動３ 項(xiàng)主要技術(shù)。在功能技術(shù)層面上則主要包括時(shí)間測序和均衡布置２ 項(xiàng)。

１．１ 光纖環(huán)路系統(tǒng)的主要技術(shù)

典型的光纖環(huán)路技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)需要包括如下幾個基本功能元件。發(fā)射模塊：主要負(fù)責(zé)通信數(shù)字信號的發(fā)送，可以為任意傳感器或數(shù)字資料。接收模塊：對光纖內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)字信號的最終結(jié)果進(jìn)行接收與解算，與發(fā)射模塊進(jìn)行互動，以完成信息的傳輸。光纖環(huán)路：為信息通信的傳播路徑。控制模塊：對傳輸過程中的狀態(tài)、質(zhì)量進(jìn)行有效控制。其總體設(shè)計(jì)布局如圖１ 所示。

由圖１ 可知，射頻驅(qū)動與光開關(guān)在光纖環(huán)路中是對信號起到主要控制的單元，而光放大器則成為光纖信號在環(huán)路傳播中的放大節(jié)點(diǎn)。

在光開關(guān)設(shè)計(jì)中，光開關(guān)作為環(huán)路的主要開合切換控制裝置在環(huán)路中的作用不言而喻。其中，光開關(guān)１ 主要聯(lián)通環(huán)路前端與發(fā)射模塊之間的通路，而光開關(guān)２ 則決定整個環(huán)路的啟停。此種設(shè)計(jì)使得環(huán)路的接通較為靈活，進(jìn)而可以在傳輸質(zhì)量的選擇上提供更多的可能。比如，線路負(fù)載較低，對于信息傳輸?shù)膹?fù)用性要求較差時(shí)，可以通過斷開環(huán)路的方式提高傳輸效率。在環(huán)路傳輸時(shí)，光開關(guān)１ 關(guān)閉，此時(shí)能保障信號在傳輸中不產(chǎn)生光泄露，進(jìn)而保障了信息的完整

性，也能夠避免光泄露帶來的噪聲信號。

在射頻驅(qū)動器設(shè)計(jì)中，光開關(guān)能夠形成內(nèi)部脈沖，但由于寬度有限需要額外引入脈沖函數(shù)發(fā)生器對脈沖頻次與速率進(jìn)行放大及控制。在具體設(shè)計(jì)中，形成以注入時(shí)間為頻段的脈沖周期，按照式（１）等效折射率中計(jì)算的頻次進(jìn)行脈沖循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)信息環(huán)路中的自啟動模式。此方式可以提供更為穩(wěn)定的傳輸通道，并增加光開關(guān)以及線路整體性的同一率，避免開關(guān)錯位而造成的信息通路擁堵與誤碼率增加等問題。

１．２ 光纖環(huán)路技術(shù)的功能布置

在總體技術(shù)模塊設(shè)計(jì)下，要發(fā)揮光纖環(huán)路的基本功能還需要對其進(jìn)行時(shí)間測序與功率均衡的軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息的有效傳輸。

在時(shí)間測序上，以最小單圈的傳輸時(shí)間為一個基本序列，在實(shí)際的測序中主要以脈沖信號為測試目標(biāo)，為進(jìn)一步提高測序的精準(zhǔn)度，多采用多圈測序求解平均值的方式來進(jìn)行。此方式為后續(xù)的計(jì)算搭建了一個有效的同步算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息相關(guān)性與時(shí)間測序之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，符合光纖通信的基本原理。具體的測序示意圖如圖２ 所示。

在環(huán)路功率均衡上，光線在光纖中的傳播會產(chǎn)生一定的能量損耗，進(jìn)而需要利用放大器的補(bǔ)償機(jī)制對環(huán)路中數(shù)字信號的能量損耗進(jìn)行補(bǔ)充。具體的補(bǔ)充額度一般采用理論計(jì)算、實(shí)踐修正的方式來進(jìn)行。同時(shí)，要避免由于放大及補(bǔ)充不及時(shí)帶來的信號功率激增或驟減的現(xiàn)象。以一般性數(shù)字信號為例，當(dāng)其在光纖環(huán)路中循環(huán)１ 圈后，可獲得０．８ ｄＢ 左右的增益，按照理論計(jì)算，循環(huán)５ 圈后需要進(jìn)行大約４ ｄＢ 的能量補(bǔ)充，此時(shí)若持續(xù)地進(jìn)行循環(huán)，則會造成數(shù)字信息能量的激增，對光纖環(huán)路帶來額外的負(fù)載。在損耗層面上也同樣如此，需要形成循環(huán)圈數(shù)與能量損耗之間的對應(yīng)關(guān)系，從而確定放大器的補(bǔ)充功率與頻次。

２ 光纖環(huán)路技術(shù)在模分復(fù)用通信技術(shù)中的應(yīng)用

２．１ ＯＡＭ 模式復(fù)用通信系統(tǒng)的搭建

光纖環(huán)路技術(shù)下模分復(fù)用通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖如圖３ 所示。圖３ 展示了以光纖回路為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程ＡＤＭ 系統(tǒng)的工作原理，在已有的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)程模數(shù)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，需要對光纖環(huán)路進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

光纖環(huán)路系統(tǒng)由光開關(guān)、傳輸光纖和射頻功率源組成，根據(jù)光纖環(huán)路傳輸周期來決定輸入信號的時(shí)刻，然后設(shè)置時(shí)間序列周期（工作周期），使得該信號在光纖回路中進(jìn)行多輪的周期傳輸，從而實(shí)現(xiàn)對任何光纖傳輸長度的仿真，形成有效的光纖環(huán)路。采用光纖回路進(jìn)行遠(yuǎn)模分復(fù)用通信時(shí)，采用的光開關(guān)、衰減器、３ｄＢ 耦合器、放大器等都是單模光纖設(shè)備，并不能提供ＯＡＭ 方式。

２．２ 材料選擇與損耗確定

在實(shí)現(xiàn)過程中，所采用的光纖是一種超低損階躍式環(huán)形芯纖絲（ＲＣＦ），它由３ 層構(gòu)成：芯層、環(huán)形芯層和包層。環(huán)形芯層直徑６ 微米，外環(huán)直徑９．５ 微米，環(huán)形寬度３．５ 微米，為實(shí)現(xiàn)低發(fā)射損失又能適應(yīng)于已有技術(shù)發(fā)展的超低損失光纖生產(chǎn)技術(shù)的要求，ＲＣＦ 在芯層與包層之間的實(shí)際折射系數(shù)差異（Δ＝（ｎ１－ｎ２） ／ ｎ２）是１％，ＲＣＦＦ 在１ ５５０ 納米波長上總共支撐６ 組模塊，其最大角度指標(biāo)｜０ ｜ ＝ ５、徑向指標(biāo)ｐ ＝ １。除此之外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已存在的光纖回路數(shù)目，選?。希粒停常奔埃希粒停矗?２ 種ＯＡＭ 方式來檢驗(yàn)遠(yuǎn)距離模分多工通信系統(tǒng)，值得注意的是，ＯＡＭ３１ 和ＯＡＭ４１ 光纖中的傳送損失分別為０．２４１ ｄＢ／ ｋｍ 和０．２６３ ｄＢ／ ｋｍ，相較于其他的少?；蚨嗄＃s１ ｄＢ／ ｋｍ），ＲＣＦ 被稱為超低損耗的光纖。同時(shí)，ＯＡＭ３１ 與ＯＡＭ４１ 的有效折射系數(shù)差異在２．３×１０?３ 左右，可以有效確保在ＭＩＭＯ 系統(tǒng)中產(chǎn)生的干擾較小， 因而無需引進(jìn)先進(jìn)的ＭＩＭＯ技術(shù)［１～２］ 。

２．３ 模分復(fù)用通信系統(tǒng)的工作流程與數(shù)字信號技術(shù)作用方式

基于上述分析，在５０ ｋｍ ＲＣＦ 單段光纖環(huán)路上使用ＯＡＭ３１ 和ＯＡＭ４１ 方式，其中包括２ 個聲光調(diào)制（ＡＯＭ），ＡＯＭ１ 設(shè)置在光纖環(huán)的外徑，確定信號是否被輸入到光纖環(huán)，而將ＡＯＭ２ 置于光纖環(huán)路上，其開啟的時(shí)刻與信號傳送的總光纖的長度相一致。在圖３中，通過Ｉ／ Ｑ 調(diào)制器，１ ５５０ ｎｍ 的激光具有１０ ＧＢ 的帶寬信號范圍（ＱＰＳＫ）。在ＡＯＭ１ 的控制下，將脈沖間隔地輸入光纖回路，根據(jù)光纖回路傳送一周所需的時(shí)間，以及現(xiàn)有試驗(yàn)方式所采用的光纖長度和其他裝置（放大器、濾光器、空間光路等），將輸入時(shí)刻設(shè)置在２３２ 微秒，然后通過１×２ 光學(xué)耦合器（ＯＣ）將信號分成２ 路，一路與１ ｋｍ 長度條件下的ＳＭＦ 相連，以便將２路信號分別通過３ ｄＢ 耦合器（２×２）輸入光纖環(huán)路，以觸發(fā)各種ＯＡＭ 方式，并在光纖內(nèi)進(jìn)行多路傳輸，而另一端則用來進(jìn)行信號的多路傳送。光纖回路包括２個ＥＤＦＡ、可調(diào)濾波器、３ ｄＢ 耦合器、ＡＯＭ２、傳輸光纖，以及空間光路。它能對設(shè)備的插入損耗進(jìn)行補(bǔ)償，并對ＥＤＦＡ 的輸出進(jìn)行合理的調(diào)整，以保證環(huán)路的電源平衡。光學(xué)開關(guān)ＡＯＭ２ 是決定光纖回路中資料流通次數(shù)的重要元件，它可以根據(jù)周期的設(shè)置來模擬任何遠(yuǎn)端光纖的傳送，為了達(dá)到３００ ｋｍ ＲＣＦ 模分復(fù)用，周期時(shí)間必須為１．４８８ ｍｓ。

在此設(shè)計(jì)中，采用１ 個獨(dú)立的信號功能波產(chǎn)生電路，利用ＴＴＬ 的發(fā)射信號來控制２ 個光學(xué)切換的開啟／ 閉合，而ＡＯＭ１ 與ＡＯＭ２ 的相位完全相反，１條ＴＴＬ 線即可調(diào)節(jié)２ 個光學(xué)切換。在光纖回路中，ＯＡＭ 方式復(fù)用與解復(fù)用的空間光路與常規(guī)ＡＤＭ 通信方式是完全相同的，在此基礎(chǔ)上，利用偏儀調(diào)節(jié)偏振態(tài)將ＯＡＭ 模式合并到裝載有相位片的空間光調(diào)制器（ＳＬＭ）的中央，以激勵高階ＯＡＭ 方式，由此形成ＯＡＭ３１ 及ＯＡＭ４１。該方式被ＢＳ 進(jìn)行多路復(fù)用，并且經(jīng)由物鏡與５０ ｋｍ ＲＣＦ 連接，在光纖傳送之后，利用ＢＳ 及ＳＬＭ 來進(jìn)行ＯＡＭ 方式的解復(fù)用及解調(diào)，并且沿著光纖回路進(jìn)行循環(huán)傳送，反復(fù)進(jìn)行“多工?光纖環(huán)路?模多路分解”的處理，直到進(jìn)入周期狀態(tài)的終止［３～５］ 。

３ 應(yīng)用效果仿真分析

本文對ＯＡＭ 模型中ＯＡＭ３１，ＯＡＭ４１ ２ 種方式的強(qiáng)度分布、干擾曲線進(jìn)行分析，ＯＡＭ 模型在循環(huán)傳送時(shí)，以不可能獨(dú)立地抽取出Ｎ 周期的強(qiáng)度分布為前提。在仿真的過程中，只對單周期５０ ｋｍ ＲＣＦ后的強(qiáng)度分布及干涉曲線進(jìn)行測試，得到如圖４ 所顯示的激勵解調(diào)ＯＡＭ３１ 與ＯＡＭ４１ 方式的相位板、強(qiáng)度分布及干涉圖像。在具體的仿真實(shí)驗(yàn)中，選用ＳＬＭ 來替代全光纖ＯＡＭ 方式的激勵與解調(diào)機(jī)制。

在２ 種ＯＡＭ 方式下進(jìn)行的串音測試中，在５０ ｋｍＲＣＦ 發(fā)送之后，這２ 種方式的干擾值都在－１７．５ ｄＢ以下，而在利用與ＡＯＭ１ 和ＡＯＭ２ 進(jìn)行檢測的情況下，與ＡＯＭ１ 單通道模式下進(jìn)行的高電平比光纖回路中的信號循環(huán)一次所需要的時(shí)間周期相同，高電平發(fā)生的地方應(yīng)該避免６ 個線圈端子，而在中央比較平滑的地方，測量的ＢＥＲ 隨著ＯＳＮＲ 的變化和信號的分布出現(xiàn)差異。具體表現(xiàn)在３００ ｋｍ ＲＣＦ 多路復(fù)用傳送后，２ 種ＯＡＭ 方式的ＯＳＮＲ 損失比單一模分多路轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更大。

基于此，可以得出若持續(xù)增大回路中的回路數(shù)量，則會導(dǎo)致信號品質(zhì)下降，要達(dá)到３００ ｋｍ 以上的長程，必須注意３ 個問題。第一，模態(tài)間的串音是制約模分復(fù)用能力和傳送距離的重要原因，當(dāng)傳送距離增大時(shí)，模式間的串?dāng)_會急劇上升，不但會限制多路復(fù)用方式，而且會對信號的傳送效能造成嚴(yán)重的影響。

因此，在此基礎(chǔ)上，可以采用一種基于低串?dāng)_的弱耦合光纖環(huán)路的方案，并利用ＭＩＭＯ 均衡器來解決串音效應(yīng)。第二，偏振相關(guān)損失（ＰＤＬ）在使用光導(dǎo)纖維回路中進(jìn)行遠(yuǎn)距離模分復(fù)用的效果相對較好，因?yàn)槠溆靡粋€固定回路來進(jìn)行長途傳送，反復(fù)幾次后，原有的ＰＤＬ 會被放大，再轉(zhuǎn)幾次，就會產(chǎn)生微弱的偏振，導(dǎo)致信號越來越微弱，越來越難被探測到。但在實(shí)際的線性傳送中，每一段的極化都會發(fā)生變化，從而消除ＰＤＬ 的一小部分，進(jìn)而從總體上改善傳輸效果。第三，由于通信距離越遠(yuǎn)采用的多層放大器數(shù)量越多，就不可避免地會導(dǎo)致ＯＳＮＲ 降低，而按照香農(nóng)極限理論的基本方程結(jié)果，系統(tǒng)的承載能力將會降低，而在一定的條件下，基于概率成形的數(shù)字信息還原技術(shù)可以在該問題上達(dá)到良好的規(guī)避效果。

在抗噪性能的分析中，以１６ＱＡＭ 為實(shí)例，進(jìn)行了概率實(shí)驗(yàn)，形成針對１６ＱＡＭ 的模擬結(jié)果。假定該通道是一個高斯白噪通道，１６ＱＡＭ２Ｄ 的高斯分布是一種對稱的函數(shù)模型，它可以被簡化成一維的擬合坐標(biāo)，即初始位置是ｘ ＝［－３，－１，１，３］的坐標(biāo)恒動點(diǎn)位，并且在整個系統(tǒng)中出現(xiàn)的概率是１／４。在各信噪比下，１６ＱＡＭ 最佳的概率分配方案可以通過極限經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行求解得到，并得到可實(shí)現(xiàn)的信息率。

４ 結(jié)束語

在上述仿真結(jié)果中得出： １６ＱＡＭ 的可能性成形可以達(dá)到的信息速率相對較高，而圖像中黑點(diǎn)線代表高斯白噪聲（ＡＷＧＮ）通道中的能力限制。結(jié)果表明，在ＳＮＲ 為０．５ ｄＢ 時(shí)，１６ＱＡＭ 各個坐標(biāo)內(nèi)動點(diǎn)的位置相對應(yīng)的概率分布較為均勻，可見在邊緣處，高能量的位置出現(xiàn)頻率很低。因此可以證實(shí)，利用數(shù)字信號處理技術(shù)下對模分復(fù)用通信系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建具有積極意義與較高推廣價(jià)值。

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作者簡介：李美山（ １９８０—）， 本科， 工程師， 研究方向： 電子信息工程。