正交頻分復用光通信實驗系統設計與實現

陳 彪， 高 爽， 顧 典

(浙江大學 光電工程學系, 浙江 杭州 310058)

0 引 言

正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術憑借高傳輸速率、抗色散能力、高頻譜利用率等優勢，在有線和無線通信領域有著廣泛的應用[1-10]。OFDM 光通信系統可以在電域進行有效的光纖色散補償，有效解決了傳統光纖色散分段補償昂貴耗時問題[8-10]；同時，數字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)技術在處理速率和帶寬方面已有很大發展，使得OFDM調制能夠與光通信結合在一起。OFDM已經成為下一代光網絡最有前景的調制方式之一，能夠實現高速信息傳輸。

本文設計一種光直接檢測型即DD-OFDM系統結構[11-15]，這種結構是基本的，但能夠反映OFDM光通信系統的主要特征，且離實用距離較近。討論了基于DD-OFDM建立OFDM光通信實驗系統。

1 實驗系統設計

1.1 DD-OFDM光通信系統

如圖1所示，DD-OFDM光通信系統包括OFDM信號的構造、OFDM信號的析構以及光纖傳輸鏈路。OFDM信號的構造過程如下：輸入的串行數據比特數據先經過正交調幅(QAM)映射，再經過串并轉換，由離散傅里葉反變換(IDFT)加載到正交子載波上，組成OFDM符號。通過IDFT得到的數字時域信號，隨后插入保護間隔并通過數/模轉換成實時波形。OFDM信號的析構過程如下：利用模/數轉換器進行抽樣，然后通過離散傅里葉變換(DFT)進行解調和QAM反映射，恢復出數據。光纖傳輸鏈路通過光強調整把OFDM電信號轉換為光信號發送到光纖中傳輸，接收端通過光強解調把OFDM光信號轉換為電信號。

1.2 厄米對稱序列

通常情況下，IFFT變換獲得的序列是復數，需要2個傳輸通道。本實驗中采用單通道光纖傳輸鏈路，因此將QAM調制后的序列構造成厄米對稱序列，使IFFT變換后獲取的序列為實數，能夠采用單通道傳輸。QAM調制后的序列設為X=X0,X1,…,XN/2-1，IFFT輸入端設為I=I0,…,IN-1，則[16]

(1)

2 實驗系統實現

如圖2所示，OFDM符號由任意信號發送器AWG(Arbitrary Wave Generator)產生，AWG完成D/A轉換；DFB激光器與光隔離器相連，避免反射光對激光器的影響；用IM(Intensity Modulator)實現電光轉換，由于IM對于偏振敏感，因此前面接入偏振控制器PC(Polarization Controller)；光探測器PD帶有放大電路，完成信號的光電轉換；由數字系列分析儀DSA(Digital Serial Analyzer)接收電信號，完成A/D轉換。

實驗系統實現10 Gbit/s的信號傳輸，采用64路子載波傳輸，16QAM調制，即，AWG采樣率設定為10 GS/s，DSA的采樣率設定為100 GS/s。 DD-OFDM系統一般采用分布反饋式激光器(DFB-LD)直接調制或者采用馬赫-曾德光調制器(MZM)進行外調制。在實際應用中，高速傳輸或者長距離鏈路，直接調制不能展現良好的性能，往往采用外調制。實驗系統中，設置DFB-LD輸出功率為8 dBm，AWG采樣率為10 GS/s，Upp為0.6 V，MZM的偏置電壓定為-1.6 V，GAIN為2，光纖長度為25 km，光探測器接收的最大功率為-9.58 dBm，DSA的采樣率為100 GS/s。實驗系統所用儀器及主要器件型號及說明見表1。

表1 系統所用儀器及主要器件

3 實驗結果及分析

實驗中，二進制序列長度為25 600，經過16QAM，數據長度減為1/4。采用64路載波，其中16路載波傳輸數據，16路是數據的共軛，其余32路傳輸0，IFFT輸入端為厄米對稱序列，是4倍過采樣率。由于4倍過采樣，數據長度仍為25 600。將數據導入AWG中，AWG與DSA直接相連。由于25 600數據量較低，實驗過程進行多次實驗，獲得有效誤碼率。本次采用四組數據，測得誤碼率均為0。

按圖2建立實驗系統，在接收光功率不同的情況下進行誤碼率的測試，序列長度為25 600，測試4組不同的序列，獲得數據見表2。圖3是光探測器的星座圖。其電信號幅度隨著光功率的減小而明顯降低，星座圖也更加分散。誤碼率與光接收功率的關系曲線如圖4，可以看出，光接收功率越低，誤碼率越高。

(a)接收功率-9．58dBm(b)接收功率-13．76dBm

圖3 實驗結果星座圖

圖4 誤碼率與光接收功率的關系曲線

4 結 語

基于DD-OFDM設計了正交頻分復用光通信實驗系統，實現10 Gbit/s二進制序列經16QAM映射、64載波傳輸、在25 km單模光纖中的可靠傳輸，并且討論了在不同接收光功率條件下系統的傳輸性能。為正交頻分復用高速光通信系統的教學與科研提供實驗平臺和實驗樣板。

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