劉 皎 陳靜穎 黨 楠

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)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(diǎn)而使光纖傳送網(wǎng)成為寬帶通信網(wǎng)的基礎(chǔ)。隨著全光通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對(duì)光通信系統(tǒng)的要求也就越來越高。將OFDM技術(shù)應(yīng)用到光纖通信領(lǐng)域，即光正交頻分復(fù)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(xiàng)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(fù)用［8］，使得光纖通信的傳輸容量增加的同時(shí)，系統(tǒng)復(fù)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(hào)產(chǎn)生

高速OOFDM信號(hào)的產(chǎn)生主要采用偏振復(fù)用、多級(jí)副載波復(fù)用以及多級(jí)調(diào)制技術(shù)，具體信號(hào)產(chǎn)生過程如圖1所示。

1）基帶光OFDM信號(hào)產(chǎn)生過程

將待傳偽隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列（PRBS）通過串并變換（S/P）進(jìn)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(hào)，加入循環(huán)前綴（CP）后生成基帶OFDM信號(hào)［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(hào)的產(chǎn)生。

2）偏振復(fù)用提高OOFDM信號(hào)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(hào)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(hào)耦合在一起送入傳輸信道中。由于光的兩個(gè)偏振態(tài)上同時(shí)加載有OFDM信號(hào)，因此該過程最終得到的OOFDM信號(hào)速率將比1）中提升一倍。

3）副載波復(fù)用進(jìn)一步提升OOFDM信號(hào)速率

采用不同副載波RF信號(hào)將基帶OFDM信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移、并復(fù)用的方式來進(jìn)一步提升信號(hào)速率［12］。副載波復(fù)用之前后的OFDM信號(hào)頻域和時(shí)域?qū)Ρ热鐖D2所示。具體復(fù)用方法如下：將兩路相同速率的基帶OFDM信號(hào)分別與副載波RF1和副載波RF2進(jìn)行混頻后驅(qū)動(dòng)M-Z調(diào)制器，調(diào)整調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)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(gè)上下邊帶，總共四個(gè)邊帶，然后再在這四個(gè)邊帶上同時(shí)加載上基帶的OFDM信號(hào)產(chǎn)生光OFDM信號(hào)。最后再結(jié)合偏振復(fù)用和副載波復(fù)用技術(shù)，獲得更高速率的OOFDM信號(hào)。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(fù)用調(diào)制信號(hào)，然后將兩路偏振正交的副載波復(fù)用信號(hào)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(gè)上（或下）邊帶同時(shí)送入光纖中進(jìn)行傳輸。采用這種方法能夠使得OOFDM信號(hào)的承載速率得到極大的提升。

圖1 高速OOFDM信號(hào)的產(chǎn)生過程

圖2 副載波復(fù)用前后的OFDM信號(hào)頻域和時(shí)域?qū)Ρ葓D

3 高速OOFDM信號(hào)接收

采用相干探測技術(shù)進(jìn)行高速OOFDM信號(hào)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(hào)與本振光進(jìn)行混頻。偏振混頻器模塊由兩個(gè)偏振分束器和兩個(gè)90o混頻器組成的，將兩個(gè)偏振分束器輸出的x偏振態(tài)接收光信號(hào)和本振光信號(hào)的x偏振態(tài)輸入到上支路的混頻器中進(jìn)行混頻，再對(duì)混頻輸出的兩路光信號(hào)分別進(jìn)行相干光電探測后轉(zhuǎn)換為兩路電信號(hào)，對(duì)該兩路電信號(hào)做模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入x支路的OFDM解調(diào)模塊中依次進(jìn)行FFT變換、色散補(bǔ)償、信道補(bǔ)償、M-QAM解調(diào)、并串變換后輸出x支路解調(diào)后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。對(duì)于副載波復(fù)用方式的解調(diào)，只需對(duì)接收到的頻帶信號(hào)進(jìn)行不同頻率的下變頻即可完成。對(duì)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(jìn)制數(shù)據(jù)。將x、y兩路輸出合路之后即為接收信號(hào)。

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(hào)星座圖如圖4、圖5所示。

圖3 高速OOFDM信號(hào)的接收方法

圖4 背靠背系統(tǒng)解調(diào)信號(hào)星座圖

在長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中，色散對(duì)信號(hào)接收星座圖的影響較為嚴(yán)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(hào)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(bǔ)償就顯得尤為重要。為了更好地進(jìn)行信道補(bǔ)償，首先就要做好信道估計(jì)。在該OOFDM系統(tǒng)中，我們通過發(fā)送訓(xùn)練字符來對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，然后再整體對(duì)信道進(jìn)行均衡補(bǔ)償，以提升OOFDM系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，使其更加適應(yīng)了光纖通信的大容量、長距離傳輸要求。

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

圖5 不同色散情況下百公里傳輸接收信號(hào)星座圖

訓(xùn)練序列的插入是為了獲得信道的動(dòng)態(tài)信息，假設(shè)這兩列訓(xùn)練序列經(jīng)歷了相同的信道效應(yīng)后接收到的訓(xùn)練符號(hào)為

則該傳輸系統(tǒng)的信道矩陣為

對(duì)OFDM中的每個(gè)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(jì)矩陣的平均值，這樣得到的信道估計(jì)矩陣則會(huì)更加的精確。例如，對(duì)于子載波k，它的信道估計(jì)為載波自身與其左右相鄰的m個(gè)子載波的信道矩陣的均值，即為（2m+1）個(gè)子載波的信道估計(jì)矩陣均值。子載波k′的信道矩陣經(jīng)過ISFA改進(jìn)處理后表示為

其中kmax和kmin分別是調(diào)制子載波編號(hào)的最大和最小值。一旦得到了原始子載波向量就可以實(shí)現(xiàn)信道均衡。利用搭建的仿真系統(tǒng)，將OOFDM信號(hào)傳輸百公里之后，在接收端解調(diào)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ISFA處理，從式（4）中可以看出，相鄰子載波個(gè)數(shù)m的選取對(duì)于信道估計(jì)是有影響的，圖6給出不同相鄰子載波數(shù)目下對(duì)OOFDM信號(hào)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(jì)的性能。在ISFA處理過程中，m值過小則信道估計(jì)性能較差，當(dāng)m值大到一定程度后則系統(tǒng)性能將接近理想信道估計(jì)性能，若再繼續(xù)增大m值，則對(duì)BER性能的改善性能并不會(huì)有太大的提高，反而增大了運(yùn)算的復(fù)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(jìn)行信道補(bǔ)償前后4QAM-OFDM信號(hào)星座對(duì)比圖，可以看出該方法對(duì)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(jí)調(diào)制，并采用逐級(jí)偏振復(fù)用、多級(jí)副載波復(fù)用技術(shù)最終產(chǎn)生高速率的OOFDM信號(hào)的方案及其探測方案。并搭建仿真系統(tǒng)進(jìn)行了4QAM-OFDM的背靠背及百公里傳輸，分析了色散對(duì)于傳輸系統(tǒng)的影響，最后采用ISFA方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信道估計(jì)，提高了系統(tǒng)傳輸可靠性的同時(shí)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。

圖6 ISFA對(duì)信號(hào)性能的改善

圖7 信道補(bǔ)償前后的星座對(duì)比圖