基于數字信號處理技術的模分復用通信系統研究

摘要：作為一種先進的數字信號處理技術．光纖環路在模分復用通信系統中具有較大的應用優勢。

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。該系統在信息傳輸效能以及抗噪性上表現良好，具有較高的應用價值。

關鍵詞：光纖環路；OAM模式；傳輸效果

中圖法分類號：TN911 文獻標識碼：A

１ 光纖環路的設計及主要技術

從本質而言，光纖環路系統是利用光線自身所構成的環路人為增加光纖傳輸距離，進而使放大器在其中發揮較好效能，并規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 光纖環路系統的主要技術

典型的光纖環路技術應用系統需要包括如下幾個基本功能元件。發射模塊：主要負責通信數字信號的發送，可以為任意傳感器或數字資料。接收模塊：對光纖內傳輸的數字信號的最終結果進行接收與解算，與發射模塊進行互動，以完成信息的傳輸。光纖環路：為信息通信的傳播路徑。控制模塊：對傳輸過程中的狀態、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路傳播中的放大節點。

在光開關設計中，光開關作為環路的主要開合切換控制裝置在環路中的作用不言而喻。其中，光開關１ 主要聯通環路前端與發射模塊之間的通路，而光開關２ 則決定整個環路的啟停。此種設計使得環路的接通較為靈活，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，對于信息傳輸的復用性要求較差時，可以通過斷開環路的方式提高傳輸效率。在環路傳輸時，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發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，從而實現信息環路中的自啟動模式。此方式可以提供更為穩定的傳輸通道，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 光纖環路技術的功能布置

在總體技術模塊設計下，要發揮光纖環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，進而實現系統內信息的有效傳輸。

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。此方式為后續的計算搭建了一個有效的同步算法，進而實現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路中數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象。以一般性數字信號為例，當其在光纖環路中循環１ 圈后，可獲得０．８ ｄＢ 左右的增益，按照理論計算，循環５ 圈后需要進行大約４ ｄＢ 的能量補充，此時若持續地進行循環，則會造成數字信息能量的激增，對光纖環路帶來額外的負載。在損耗層面上也同樣如此，需要形成循環圈數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 模式復用通信系統的搭建

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

光纖環路系統由光開關、傳輸光纖和射頻功率源組成，根據光纖環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，從而實現對任何光纖傳輸長度的仿真，形成有效的光纖環路。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

在實現過程中，所采用的光纖是一種超低損階躍式環形芯纖絲（ＲＣＦ），它由３ 層構成：芯層、環形芯層和包層。環形芯層直徑６ 微米，外環直徑９．５ 微米，環形寬度３．５ 微米，為實現低發射損失又能適應于已有技術發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，根據實驗室內已存在的光纖回路數目，選取ＯＡＭ３１及ＯＡＭ４１ ２ 種ＯＡＭ 方式來檢驗遠距離模分多工通信系統，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 的有效折射系數差異在２．３×１０?３ 左右，可以有效確保在ＭＩＭＯ 系統中產生的干擾較小， 因而無需引進先進的ＭＩＭＯ技術［１～２］ 。

２．３ 模分復用通信系統的工作流程與數字信號技術作用方式

基于上述分析，在５０ ｋｍ ＲＣＦ 單段光纖環路上使用ＯＡＭ３１ 和ＯＡＭ４１ 方式，其中包括２ 個聲光調制（ＡＯＭ），ＡＯＭ１ 設置在光纖環的外徑，確定信號是否被輸入到光纖環，而將ＡＯＭ２ 置于光纖環路上，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，根據光纖回路傳送一周所需的時間，以及現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）輸入光纖環路，以觸發各種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的重要元件，它可以根據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ＡＤＭ 通信方式是完全相同的，在此基礎上，利用偏儀調節偏振態將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傳送，反復進行“多工?光纖環路?模多路分解”的處理，直到進入周期狀態的終止［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一次所需要的時間周期相同，高電平發生的地方應該避免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差異。具體表現在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更大。

基于此，可以得出若持續增大回路中的回路數量，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，基于概率成形的數字信息還原技術可以在該問題上達到良好的規避效果。

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，并且在整個系統中出現的概率是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，高能量的位置出現頻率很低。因此可以證實，利用數字信號處理技術下對模分復用通信系統進行構建具有積極意義與較高推廣價值。

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