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

基于此．文章對該技術的具體應用進行分析。首先對其主體技術與控制模塊的具體設計方式進行探討；隨后對其進行實質性搭建，在系統(tǒng)梳理搭建過程與注意事項的基礎上對其仿真結果進行判斷。該系統(tǒng)在信息傳輸效能以及抗噪性上表現(xiàn)良好，具有較高的應用價值。

關鍵詞：光纖環(huán)路；OAM模式；傳輸效果

中圖法分類號：TN911 文獻標識碼：A

１ 光纖環(huán)路的設計及主要技術

從本質而言，光纖環(huán)路系統(tǒng)是利用光線自身所構成的環(huán)路人為增加光纖傳輸距離，進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，具體包括總體技術應用、光開關、頻率驅動３ 項主要技術。在功能技術層面上則主要包括時間測序和均衡布置２ 項。

１．１ 光纖環(huán)路系統(tǒng)的主要技術

典型的光纖環(huán)路技術應用系統(tǒng)需要包括如下幾個基本功能元件。發(fā)射模塊：主要負責通信數(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：對光纖內傳輸?shù)臄?shù)字信號的最終結果進行接收與解算，與發(fā)射模塊進行互動，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)、質量進行有效控制。其總體設計布局如圖１ 所示。

由圖１ 可知，射頻驅動與光開關在光纖環(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。

在光開關設計中，光開關作為環(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２ 則決定整個環(huán)路的啟停。此種設計使得環(huán)路的接通較為靈活，進而可以在傳輸質量的選擇上提供更多的可能。比如，線路負載較低，對于信息傳輸?shù)膹陀眯砸筝^差時，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，光開關１ 關閉，此時能保障信號在傳輸中不產生光泄露，進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。

在射頻驅動器設計中，光開關能夠形成內部脈沖，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行放大及控制。在具體設計中，形成以注入時間為頻段的脈沖周期，按照式（１）等效折射率中計算的頻次進行脈沖循環(huán)，從而實現(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，并增加光開關以及線路整體性的同一率，避免開關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)路技術的功能布置

在總體技術模塊設計下，要發(fā)揮光纖環(huán)路的基本功能還需要對其進行時間測序與功率均衡的軟件設計，進而實現(xiàn)系統(tǒng)內信息的有效傳輸。

在時間測序上，以最小單圈的傳輸時間為一個基本序列，在實際的測序中主要以脈沖信號為測試目標，為進一步提高測序的精準度，多采用多圈測序求解平均值的方式來進行。此方式為后續(xù)的計算搭建了一個有效的同步算法，進而實現(xiàn)信息相關性與時間測序之間的相互轉化關系，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生一定的能量損耗，進而需要利用放大器的補償機制對環(huán)路中數(shù)字信號的能量損耗進行補充。具體的補充額度一般采用理論計算、實踐修正的方式來進行。同時，要避免由于放大及補充不及時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，按照理論計算，循環(huán)５ 圈后需要進行大約４ ｄＢ 的能量補充，此時若持續(xù)地進行循環(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關系，從而確定放大器的補充功率與頻次。

２ 光纖環(huán)路技術在模分復用通信技術中的應用

２．１ ＯＡＭ 模式復用通信系統(tǒng)的搭建

光纖環(huán)路技術下模分復用通信系統(tǒng)的設計圖如圖３ 所示。圖３ 展示了以光纖回路為基礎的遠程ＡＤＭ 系統(tǒng)的工作原理，在已有的實驗室環(huán)境下進行遠程模數(shù)轉換試驗，需要對光纖環(huán)路進行準確的測量。

光纖環(huán)路系統(tǒng)由光開關、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刻，然后設置時間序列周期（工作周期），使得該信號在光纖回路中進行多輪的周期傳輸，從而實現(xiàn)對任何光纖傳輸長度的仿真，形成有效的光纖環(huán)路。采用光纖回路進行遠模分復用通信時，采用的光開關、衰減器、３ｄＢ 耦合器、放大器等都是單模光纖設備，并不能提供ＯＡＭ 方式。

２．２ 材料選擇與損耗確定

在實現(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，為實現(xiàn)低發(fā)射損失又能適應于已有技術發(fā)展的超低損失光纖生產技術的要求，ＲＣＦ 在芯層與包層之間的實際折射系數(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｜０ ｜ ＝ ５、徑向指標ｐ ＝ １。除此之外，根據(jù)實驗室內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 方式來檢驗遠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，相較于其他的少模或多模（約１ ｄＢ／ ｋｍ），ＲＣＦ 被稱為超低損耗的光纖。同時，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)中產生的干擾較小， 因而無需引進先進的ＭＩＭＯ技術［１～２］ 。

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

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 個聲光調制（ＡＯＭ），ＡＯＭ１ 設置在光纖環(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間，以及現(xiàn)有試驗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），將輸入時刻設置在２３２ 微秒，然后通過１×２ 光學耦合器（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，并在光纖內進行多路傳輸，而另一端則用來進行信號的多路傳送。光纖回路包括２個ＥＤＦＡ、可調濾波器、３ ｄＢ 耦合器、ＡＯＭ２、傳輸光纖，以及空間光路。它能對設備的插入損耗進行補償，并對ＥＤＦＡ 的輸出進行合理的調整，以保證環(huán)路的電源平衡。光學開關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)周期的設置來模擬任何遠端光纖的傳送，為了達到３００ ｋｍ ＲＣＦ 模分復用，周期時間必須為１．４８８ ｍｓ。

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

３ 應用效果仿真分析

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

在２ 種ＯＡＭ 方式下進行的串音測試中，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 進行檢測的情況下，與ＡＯＭ１ 單通道模式下進行的高電平比光纖回路中的信號循環(huán)一次所需要的時間周期相同，高電平發(fā)生的地方應該避免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 多路復用傳送后，２ 種ＯＡＭ 方式的ＯＳＮＲ 損失比單一模分多路轉換系統(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，則會導致信號品質下降，要達到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用能力和傳送距離的重要原因，當傳送距離增大時，模式間的串擾會急劇上升，不但會限制多路復用方式，而且會對信號的傳送效能造成嚴重的影響。

因此，在此基礎上，可以采用一種基于低串擾的弱耦合光纖環(huán)路的方案，并利用ＭＩＭＯ 均衡器來解決串音效應。第二，偏振相關損失（ＰＤＬ）在使用光導纖維回路中進行遠距離模分復用的效果相對較好，因為其用一個固定回路來進行長途傳送，反復幾次后，原有的ＰＤＬ 會被放大，再轉幾次，就會產生微弱的偏振，導致信號越來越微弱，越來越難被探測到。但在實際的線性傳送中，每一段的極化都會發(fā)生變化，從而消除ＰＤＬ 的一小部分，進而從總體上改善傳輸效果。第三，由于通信距離越遠采用的多層放大器數(shù)量越多，就不可避免地會導致ＯＳＮＲ 降低，而按照香農極限理論的基本方程結果，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)字信息還原技術可以在該問題上達到良好的規(guī)避效果。

在抗噪性能的分析中，以１６ＱＡＭ 為實例，進行了概率實驗，形成針對１６ＱＡＭ 的模擬結果。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，即初始位置是ｘ ＝［－３，－１，１，３］的坐標恒動點位，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驗公式進行求解得到，并得到可實現(xiàn)的信息率。

４ 結束語

在上述仿真結果中得出： １６ＱＡＭ 的可能性成形可以達到的信息速率相對較高，而圖像中黑點線代表高斯白噪聲（ＡＷＧＮ）通道中的能力限制。結果表明，在ＳＮＲ 為０．５ ｄＢ 時，１６ＱＡＭ 各個坐標內動點的位置相對應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，利用數(shù)字信號處理技術下對模分復用通信系統(tǒng)進行構建具有積極意義與較高推廣價值。

參考文獻：

［１］ 祝鈺翔．數(shù)字信號處理技術在電子信息工程中的應用研究［Ｊ］．信息與電腦（理論版），２０２２，３４（１３）：１９?２１．

［２］ 滕強．數(shù)字信號處理技術在電子信息工程中的應用［Ｊ］．長江信息通信，２０２１，３４（１０）：９６?９８．

［３］ 王璐璐．基于先進數(shù)字信號處理技術的模分復用通信系統(tǒng)研究與應用［Ｄ］．武漢：華中科技大學，２０２１．

［４］ 周洪航．單載波高速光通信系統(tǒng)中數(shù)字信號處理技術研究［Ｄ］．北京：北京郵電大學，２０２１．

［５］ 陳敏．高速相干光通信傳輸系統(tǒng)與數(shù)字信號處理技術的研究［Ｊ］．現(xiàn)代信息科技，２０１９，３（８）：６９?７０．

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