相干光OFDM在高速光傳輸中的應(yīng)用

李 波， 郝耀鴻

(軍事體育進(jìn)修學(xué)院，廣東 廣州 510502)

0 引言

基于10 Gb/s波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的光通信系統(tǒng)是信息傳輸?shù)闹饕休d平臺(tái)，40 Gb/s的商用系統(tǒng)也已開始部署，隨著IP業(yè)務(wù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)流量的提升，對(duì)100 Gb/s甚至更高速率光傳輸系統(tǒng)的需求更為迫切。目前在100 Gb/s光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案中，主要有電時(shí)分復(fù)用（ETDM）技術(shù)、光時(shí)分復(fù)用（OTDM）、偏振復(fù)用（PDM）+正交相對(duì)相移鍵控（DQPSK）方案、相干檢測(cè)+數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)以及光正交頻分復(fù)用（光 OFDM）系統(tǒng)[1-2]。ETDM采用減小符號(hào)持續(xù)時(shí)間的方法來(lái)增加系統(tǒng)容量，增加了符號(hào)間干擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能；OTDM技術(shù)要求在光域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)用/解復(fù)用、時(shí)鐘提取等技術(shù)，目前離實(shí)用階段還有距離；PDM+DQPSK技術(shù)采用偏振態(tài)和相位的雙重調(diào)制，但由于偏振模色散影響，偏振狀態(tài)隨頻率會(huì)發(fā)生改變，這要求能進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使兩偏振光始終保持分離，因而需要通過光偏振控制器等復(fù)雜光器件來(lái)調(diào)節(jié)偏振態(tài)，系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相位調(diào)制容限低。CO-OFDM 結(jié)合“相干光通信”、“OFDM多載波調(diào)制”以及“數(shù)字信號(hào)處理”等技術(shù)，可有效抵制光纖色散，具有頻譜利用率高、均衡實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，有望成為解決長(zhǎng)距離、高速光傳輸?shù)氖走x方案。

1 相干光OFDM系統(tǒng)方案

1.1 基本思想

采用多載波復(fù)用技術(shù)，將串行高速信息轉(zhuǎn)換為并行低速傳輸，每一個(gè)子載波信道近似為平坦信道，加上循環(huán)前綴的采用，可完全消除由色散引入的符號(hào)間串?dāng)_（ISI）；同時(shí)，光OFDM系統(tǒng)不需要加入復(fù)雜的色散管理機(jī)制，減小了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度和系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行的成本。

采用的快速傅里葉變換算法（IFFT/FFT），實(shí)現(xiàn)子載波的調(diào)制和解調(diào)，有效降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；并且隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的發(fā)展，可進(jìn)一步降低算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

選擇正交子載波，有效提高頻帶利用率。CO-OFDM 系統(tǒng)采用一組正交子載波承載信息，允許子載波頻譜相互重疊，最大限度地利用了頻譜資源，充分提高頻譜效率（提高到2.9 bit/s/Hz以上，IM/DD的WDM系統(tǒng)頻譜效率為1 bit/s/Hz），大大降低每比特傳輸成本，并且通過與復(fù)用技術(shù)以及M-QAM 等先進(jìn)調(diào)制制式相結(jié)合，可進(jìn)一步提高頻譜效率[5]。

1.2 發(fā)送機(jī)方案

CO-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端主要實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制及上變頻。單載波系統(tǒng)針對(duì)的是基于強(qiáng)度調(diào)制的單極性（正數(shù)）離散數(shù)字信號(hào)，而CO-OFDM 系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)上與單載波系統(tǒng)有很大不同，增加了數(shù)字信號(hào)處理模塊（DSP）和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC），采用的是光域調(diào)制[6]，驅(qū)動(dòng)電信號(hào)為雙極性模擬信號(hào)（有正負(fù)），由于信號(hào)PAPR較大，CO-OFDM系統(tǒng)對(duì) MZM線性調(diào)制特性要求也更為嚴(yán)格，如圖1所示。因此，對(duì)于CO-OFDM系統(tǒng)發(fā)送機(jī)，最重要的就是實(shí)現(xiàn)MZM對(duì)OFDM信號(hào)的線性調(diào)制。

圖1 CO-OFDM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

1.3 接收機(jī)方案

CO-OFDM 系統(tǒng)接收機(jī)主要完成信號(hào)的檢測(cè)、解調(diào)及信號(hào)處理。光電檢測(cè)部分主要是把光OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電接收部分對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)及電域處理。CO-OFDM 系統(tǒng)采用平衡光電檢測(cè)器[7]，一般包括光帶通濾波器（OBPF）、光電二極管（PD）、耦合器和低通電濾波器（ELPF），通過加入耦合器將接受信號(hào)與本地光載波混頻，然后再用光電二極管進(jìn)行平衡式接收。由于OFDM信號(hào)為復(fù)數(shù)信號(hào)（I/Q支路），所以需要有兩套平衡接收器，分別用來(lái)解調(diào)和檢測(cè)信號(hào)的實(shí)部（I）和虛部（Q），如圖2所示。

圖2 CO-OFDM系統(tǒng)平衡接收機(jī)結(jié)構(gòu)

光電二極管后加入一個(gè)減法運(yùn)算器，對(duì)兩個(gè)輸出電流進(jìn)行差分運(yùn)算，I支路差分電流：

通過減法運(yùn)算，得到Q支路差分電流：

平衡光檢測(cè)后，通過低通濾波器濾除高頻噪聲，從而得到兩支路信號(hào)。從式（7）可知，如果本地載波與接收信號(hào)光載波同頻，那么通過平衡接收器檢測(cè)后的輸出I/Q支路信號(hào)就是接收信號(hào)的實(shí)與虛部；通過平衡接收檢測(cè)后的信號(hào)噪聲成分通過差分運(yùn)算被有效抵消，對(duì)提高系統(tǒng)接收靈敏度十分有益。

1.4 色散均衡算法

接收端OFDM信號(hào)與發(fā)送信號(hào)比較，幅度、相位均發(fā)生了變化，除了由光纖色散引入的相位偏移外，還有由 ASE引入的隨機(jī)加性高斯白噪聲nk,i和由激光器相位漂移引入的對(duì)符號(hào)內(nèi)子載波都相同的噪聲φi。CO-OFDM系統(tǒng)中射頻信號(hào)上變頻以及光信號(hào)檢測(cè)都基于線性轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)模型可等效為并行線性信道的疊加[8]，如圖 3所示，其中xi,k、yi,k分別是發(fā)送端和接收端信號(hào)，hk是OFDM信號(hào)中每一個(gè)子載波信道的傳輸函數(shù)。

圖3 CO-OFDM系統(tǒng)等效信道模型

在單載波系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)制是在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)，而CO-OFDM 系統(tǒng)則是在頻域完成，這樣可以將信息更準(zhǔn)確地調(diào)制到子載波上，更重要的是由于系統(tǒng)中OFDM信號(hào)的線性傳輸，可以通過插入訓(xùn)練序列和導(dǎo)頻序列，與已知發(fā)送信息比較，利用導(dǎo)頻序列估計(jì)出導(dǎo)頻位置的頻率響應(yīng)值，然后再?gòu)膶?dǎo)頻位置的初始估計(jì)出發(fā)得到信道其它所有位置的估計(jì)值，從而得到整個(gè)信道的傳輸函數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)均衡[9]。CO-OFDM 系統(tǒng)的這一色散補(bǔ)償特性，也是將OFDM技術(shù)應(yīng)用于長(zhǎng)距離、高速光傳輸系統(tǒng)的重要原因之一。

2 數(shù)字仿真結(jié)果

對(duì) CO-OFDM 系統(tǒng)中馬赫-曾德爾光調(diào)制器[10]（MZM）非線性特性進(jìn)行了數(shù)字仿真。圖 4為CO-OFDM系統(tǒng)品質(zhì)因子Q與MZM偏置點(diǎn)關(guān)系曲線[11]。從中可以看出，系統(tǒng)Q值隨著MZM偏置點(diǎn)的選擇而變化。當(dāng)偏置點(diǎn)在積分點(diǎn)時(shí)（ β= π/4），系統(tǒng)Q值為6.9 dB；當(dāng)偏置點(diǎn)在零點(diǎn)時(shí)（ β= π/2），系統(tǒng)Q值為17.5 dB，達(dá)到最大值，較積分偏置點(diǎn)系統(tǒng)性能提高10 dB以上；之后，隨著偏置點(diǎn)的變化，系統(tǒng)Q值逐漸減小。

圖4 CO-OFDM系統(tǒng)中MZM偏置點(diǎn)選擇與系統(tǒng)Q值關(guān)系曲線

對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)均衡前后信號(hào)星座圖進(jìn)行仿真，如圖5所示。經(jīng)過光纖傳輸，色度色散產(chǎn)生相位偏移使信號(hào)星座圖產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，各象限點(diǎn)混疊，無(wú)法進(jìn)行有效判決，如圖5（a）所示。通過提取訓(xùn)練序列，估算出各子載波信道函數(shù)，經(jīng)頻域均衡（復(fù)數(shù)相乘）后的信號(hào)星座圖，基本收斂到原象限，大大較少了信號(hào)點(diǎn)混疊，星座圖緊湊有序，誤判點(diǎn)回到原象限，信號(hào)可實(shí)現(xiàn)正確接收，如圖5（b）所示。

圖5 CO-OFDM系統(tǒng)均衡前后接收信號(hào)星座圖

3 結(jié)語(yǔ)

相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)（CO-OFDM）是有望成為未來(lái)解決100 Gb/s高速光傳輸實(shí)現(xiàn)方案之一。采用子載波并行傳輸，可有效抑制光纖色散效應(yīng)；子信道等效為非頻率選擇性衰落信道，單抽頭頻域均衡實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；調(diào)制/解調(diào)采用快速傅里葉變換算法（IFFT/FFT），大大降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。但由于單模光纖纖芯很細(xì)，受到多種非線性效應(yīng)的影響嚴(yán)重[12]，而無(wú)線信道沒有非線性效應(yīng)，因此對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)非線性效應(yīng)研究也非常重要。

[1]胡心怡,方睿,李日欣,等.OFDM技術(shù)發(fā)展綜述[J].通信技術(shù),2010,40(08):132-134.

[2]曾玖貞,王超,王彥.基于DSP的正交頻分復(fù)用的實(shí)現(xiàn)[J].信息安全與通信保密,2012(07):84-86.

[3]LOWERY A J,ARMSTRONG J.Orthogonal-frequencydivision Multiplexing for Dispersion Compensation of Long-haul Optical Systems[J].Optics Express,2006,14(06):2079-2084.

[4]ZHU Xianming, Shiva Kumar.Nonlinear Phase Noise in Coherent Optical OFDM Transmission Systems[J].Optics Express,2010,18(07):7347-7360.

[5]吳翊洲,周新志.一種多載波 MFSK信道編碼方案[J].通信技術(shù),2011,41(02):6-9.

[6]ARMSTRONG J.OFDM for Optical Communications[J].J.Lightwave Technol, 2009,27(03): 189-204.

[7]TANG Y,HO KP,SHIEH W.Coherent Optical OFDM Transmitter Design Employing Predistortion[J].IEEE Photon Technol Lett,2008(20):954-956.

[8]SHIEH W.Coherent Optical MIMO-OFDM for Optical Fiber Communication Systems[M].Eurpean:[s.n.],2007.

[9]郝耀鴻,王榮,李玉權(quán).相干光 OFDM系統(tǒng)中的相位估計(jì)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào),2011,16(01): 20-24.

[10]聞和,葛逸宏,姜?dú)g.基于相干自混頻原理的馬赫-曾德爾調(diào)制器偏置點(diǎn)的監(jiān)測(cè)[J].中國(guó)激光,2009,36(8):2035-2041.

[11]郝耀鴻,李玉權(quán),王榮.相干光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)中光調(diào)制優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)激光,2011,38(03):0305003.

[12]Ezra Ip. Nonlinear Compensation Using Back propagation for Polarization-Multiplexed Transmission [J].Journal of Lightwave Technology,2010(28):939-951.