光通信中的直接檢測OFDM 技術

鞏玲仙，郭紅英，王春燦

（1.忻州師范學院 電子系，山西 忻州 034000；2.北京交通大學 光波技術研究所，北京 100094）

數據中心網絡作為現代信息社會的基礎設施，網絡之間的通信連接全部采用了高速光通信網絡，大到廣域網、城域網之間的連接，小到服務器和光網絡交換機之間的連接[1-3].光通信網絡具有大帶寬、保密性好、適合長距離傳輸等優點，它主要用于兩點之間提供大帶寬的信息傳輸通道.數據中心城域網基本是點對點的光網絡傳輸系統，兩點之間流量增長速度遠高于通信干線網絡.因此，數據中心城域網對網絡容量要求較大.

隨著網絡技術的迅猛發展，整個網絡數據交換流量不斷增大，這就對數據傳輸帶寬有著更高的要求.因此，高速的光網絡傳輸技術備受青睞，也一直是研究熱點.同時為了降低數據中心的能耗，在數據中心要采用高速的光互聯技術[4-5].骨干網的光通信網絡通信距離長、設備復雜，而數據中心中的高速光互聯網絡具有傳輸距離較短、系統復雜度低等優勢[6].因此，對于數據中心高速光互聯直接檢測調制技術的研究，具有十分重要的現實指導意義和價值[7].本文基于OptiSystem 平臺對光通信系統DD-OFDM 模型進行建模與仿真，并說明直接檢測OFDM 技術的工作原理，通過搭建的模型可以清晰地看出光信息的傳輸過程.在傳輸中，光網絡傳輸一個重要的問題就是克服光纖色散的問題，光纖色散降低了接收端信號的質量，接收機靈敏度下降.仿真了不同傳輸距離時的色散程度，并在光纖鏈路中對色散進行補償，以此來提高OSNR，仿真結果可以發現通過色散補償可以有效提高接收端的信號質量.

1 DD-OFDM 光通信系統的搭建

直接檢測-正交頻分復用調制（DD-OFDM）技術在目前的光通信系統中有著廣泛的應用.直接檢測OFDM 技術的工作原理見圖1.首先，將原始的數字序列信息進行高階編碼，常用的主要有PSK 和QAM技術，這里采用16/64QAM 高階編碼.然后，把串行的數據流轉換為N路并行的數據流，對并行的N路數據流分別進行單載波調制，調制到N個子載波上，子載波在符號周期內是嚴格正交的，以保證子信道之間不會互相干擾.通過IFFT 變換之后，要插入循環前綴（CP）以消除碼間串擾，然后進行D/A 轉換，產生調制激光器的模擬信號.最后，將分別調制后的各路子信號進行疊加，疊加之后便得到了具有正交關系的調制信號.調制信號在光纖信道中傳輸后，接收端接收信號，此處采用直接檢測方式，先經過A/D轉換，然后進行信號的同步進而移除CP.再進行傅里葉變換，將并行信號轉換為串行信號，最后通過均衡，恢復了原始信號.

圖1 DD-OFDM 的工作原理

圖1 中，正交的子載波數學關系表示為

式中：m≠n；T為信號一個周期的時間.其時域表達式為

式中：Aiejθi為經過正交振幅調制的第i路子載波信號的表達式.

在圖1 模型中，信源是由一個偽隨機信號發生器產生的偽隨機序列.信源信息經過16/64QAM 高階編碼，傳遞給正交頻分復用OFDM 模塊.在此模塊內先進行子序列劃分，然后將劃分好的序列進行子載波調制、快速傅里葉變換IFFT 和插入循環前綴CP 等過程.經過頻分復用的電信號包括同向分量I 和正交分量Q，將這兩路正交的信號送入調制器.輸出信號傳遞給馬赫曾德爾電光調制器變換成一個單頻激光信號，這樣的信號已經適合光纖傳輸.信號在光通信系統中傳輸后被接收端直接檢測，進行正交解調然后發送到OFDM 解碼模塊.此模型中信源信息采用16/64QAM 技術進行編碼，正交頻分復用調制模塊中，信息流被劃分為512 個子載波，采用1 024 點DFT，傳輸速度為10 Gbps，結果單波長通道傳輸了9 183 bit 信息.發送端的二進制不歸零碼和接收端的二進制不歸零碼見圖2.圖2 中的采樣信息為2 048個點，可以清楚地看到2 條線幾乎重合，說明該模型幾乎無失真地恢復了原始信息.

圖2 DD-OFDM 系統發送的信息和接收到的信息對比

數字通信系統中通常通過星座圖來表示信號以及信號之間的互相關系，星座圖中信號的位置可以看出信號的限制和判決邊界.符號點在星座圖中越集中，表示信號的質量越高，反之，符號點越分散表示信號質量越差.通過信號矢量點可以看出信號質量的好壞，也可以看出信號的幅度和相位等信息，所以星座圖經常被直觀地用來判斷信號質量，如幅度偏差、正交誤差、干擾和噪聲等.發送端和接收端的數字信號星座圖見圖3.從圖3 可以看到，在發送端理想數字信號的矢量點應該集中在（1，1）（-1，1）（-1，-1）（1，-1）4 個點上（見圖3a）.可以發現，經過整個仿真模型傳輸后，傳輸符號偏離了這4 個中心點，某些點甚至越過中心點間的判決門限，形成誤碼，這是由于噪聲和碼間串擾等因素的干擾.因此信號越集中在理論中心點，接收端的信號質量越高.DD-OFDM 接收端數字信號的星座圖見圖3b，光纖通信系統的長度為100 km，單模光纖的色散系數為20 ps/nm/km.由圖3b 的數字信號經過解碼，即可以得到原始信號.

圖3 發送端和接收端數字信號的星座

2 DD-OFDM 中光纖色散的影響

實際中信號都需要經過遠距離的傳輸，通常兩城市之間的傳輸距離大概在幾十公里到幾百公里.因此，數據中心之間互聯的光纖鏈路需要考慮光纖介質中的色散和損耗等問題.光纖中的色散與損耗直接影響信號的接收質量.單模光纖中常見的色散主要有材料色散、波導色散和偏振模色散等[8]，色散的大小與通信鏈路的長度有關[9].通過直接觀測DD-OFDM 系統接收端數字信號星座圖的離散狀況來判斷系統接收端數字信號的質量，進而評價DD-OFDM 系統長距離傳輸性能.分別計算了50 km 正常色散條件、900 km正常色散條件和900 km 零色散條件下DD-OFDM 系統接收端數字信號的星座圖（見圖4）.50 km 正常色散條件下，接收端數字信號的星座圖相對集中，判決門限清晰（見圖4a）.這表明50 km 色散條件下色散對于DD-OFDM 系統的影響較小.由圖4b 可以看出，正常色散條件下，數字信號傳輸900 km 后完全混疊在一起.接收端解調之后存在嚴重的碼間串擾，有大量誤碼，無法恢復信源的信息.但是在零色散條件下，接收端數字信號的星座圖相對集中，判決門限清晰（見圖4c）.仿真模型中，系統的零色散是通過將光纖的色散和PMD 設置為零.為了降低色散對通信質量的影響，在實際應用中常通過進行色散補償.常用的補償方式有光纖光柵色散補償、色散補償光纖和電域算法色散補償等[10].

圖4 3 種不同情況下接收端信號的星座

仿真分析了系統正常色散條件下光纖鏈路長度由20～200 km 變化時接收端數字信號星座圖的變化（見圖5）.隨著光纖鏈路長度的增加，光纖中色散的增大，接收端數字信號的星座圖越來越離散，甚至超過判決門限，這表示接收端數字信號的質量隨著傳輸距離的增加越來越差.同時，誤碼率也不斷升高，這就限制了系統的傳輸速率和傳輸距離.

圖5 20～200 km 光纖長度DD-OFDM 系統接收端數字信號星座

通常在實際的通信系統中可以通過多種色散補償的方法，如加入色散補償光纖來降低光纖色散的影響，所以在仿真中也增加了一段色散補償光纖，以此來補償光纖通信鏈路中的色散，這樣仿真也更接近實際.仿真中光纖鏈路長度為300 km，色散系數為20 ps/nm/km，相對色散斜率0.026 4 nm-1，色散補償光纖在1 550 nm 附近色散系數為-360 ps/nm/km，色散補償光纖長度為16.7 km.色散補償前后接收端數字信號的對比見圖6.由圖6 可以看出，色散補償前接收端數字信號完全混疊在一起；色散補償后數字信號星座圖中的點更加集中，門限清晰，接收端信號質量得到極大的改善，色散補償效果明顯.

圖6 傳輸距離300 km 的光纖鏈路采用色散補償光纖前后接收端數字信號的星座

3 OSNR 的影響

光輸入輸出信噪比（OSNR）會顯著影響DD-OFDM 系統接收端數字信號的Q 因子[11].所謂Q 因子就是接收端接收機接收到信號的判決電平與噪聲電平的比值.影響DD-OFDM 系統OSNR 的主要因素包括放大鏈路上光纖放大器的增益和光源的輸出功率.

仿真中，DD-OFDM 系統的其他參數保持不變，光纖鏈路長度為100 km.光纖鏈路中的摻鉺光纖放大器的增益由9～12 dB 變化時，接收端光電探測器探測到的單邊帶信號和接收端數字信號的星座見圖7.由圖7a 表明，接收端光電探測器的單邊帶信號強度隨放大器增益的增加而增加，信號質量提高.由圖7b 表明，光纖鏈路的放大器增益越大，接收的矢量信號的幅值越大，信號質量提高.

圖7 光纖鏈路中放大器增益變化時接收端單邊帶信號和接收端數字信號的星座

當可調諧單頻激光器的輸出功率增大時，接收端數字信號的變化星座見圖8.從圖8 可以明顯地看出，接收端數字信號的幅值隨著單頻激光器輸出功率的增加而增大，信號質量提高.這將有益于接收端信號的判決，方便DD-OFDM 系統解調，降低系統的誤碼率.

圖8 可調節激光器輸出功率增大時接收端數字信號的星座

4 結語

基于OptiSystem 平臺對光通信系統DD-OFDM 模型進行了建模與仿真，說明了直接檢測OFDM 技術的工作原理，并仿真了不同距離、不同色散程度下對信號質量的影響.利用色散補償光纖，對300 km 長DD-OFDM 系統進行了色散補償.分析了可調諧光源輸出功率和光纖放大鏈路上的放大器增益對DD-OFDM 解調端性能的影響.結果表明，接收端數字信號的幅值隨著單頻激光器輸出功率的增加而增大，信號質量提高.