相干光OFDM在高速光傳輸中的應用

李 波， 郝耀鴻

(軍事體育進修學院，廣東 廣州 510502)

0 引言

基于10 Gb/s波分復用技術（WDM）的光通信系統是信息傳輸的主要承載平臺，40 Gb/s的商用系統也已開始部署，隨著IP業務的發展和網絡流量的提升，對100 Gb/s甚至更高速率光傳輸系統的需求更為迫切。目前在100 Gb/s光通信系統實現方案中，主要有電時分復用（ETDM）技術、光時分復用（OTDM）、偏振復用（PDM）+正交相對相移鍵控（DQPSK）方案、相干檢測+數字信號處理（DSP）技術以及光正交頻分復用（光 OFDM）系統[1-2]。ETDM采用減小符號持續時間的方法來增加系統容量，增加了符號間干擾，嚴重影響系統性能；OTDM技術要求在光域內實現復用/解復用、時鐘提取等技術，目前離實用階段還有距離；PDM+DQPSK技術采用偏振態和相位的雙重調制，但由于偏振模色散影響，偏振狀態隨頻率會發生改變，這要求能進行自動調整，使兩偏振光始終保持分離，因而需要通過光偏振控制器等復雜光器件來調節偏振態，系統光學結構復雜、相位調制容限低。CO-OFDM 結合“相干光通信”、“OFDM多載波調制”以及“數字信號處理”等技術，可有效抵制光纖色散，具有頻譜利用率高、均衡實現簡單等優點[3-4]，有望成為解決長距離、高速光傳輸的首選方案。

1 相干光OFDM系統方案

1.1 基本思想

采用多載波復用技術，將串行高速信息轉換為并行低速傳輸，每一個子載波信道近似為平坦信道，加上循環前綴的采用，可完全消除由色散引入的符號間串擾（ISI）；同時，光OFDM系統不需要加入復雜的色散管理機制，減小了網絡的復雜度和系統建設運行的成本。

采用的快速傅里葉變換算法（IFFT/FFT），實現子載波的調制和解調，有效降低實現復雜度；并且隨著數字信號處理（DSP）的發展，可進一步降低算法實現復雜度。

選擇正交子載波，有效提高頻帶利用率。CO-OFDM 系統采用一組正交子載波承載信息，允許子載波頻譜相互重疊，最大限度地利用了頻譜資源，充分提高頻譜效率（提高到2.9 bit/s/Hz以上，IM/DD的WDM系統頻譜效率為1 bit/s/Hz），大大降低每比特傳輸成本，并且通過與復用技術以及M-QAM 等先進調制制式相結合，可進一步提高頻譜效率[5]。

1.2 發送機方案

CO-OFDM系統發送端主要實現OFDM信號的產生、調制及上變頻。單載波系統針對的是基于強度調制的單極性（正數）離散數字信號，而CO-OFDM 系統在發射機結構上與單載波系統有很大不同，增加了數字信號處理模塊（DSP）和數模轉換模塊（DAC），采用的是光域調制[6]，驅動電信號為雙極性模擬信號（有正負），由于信號PAPR較大，CO-OFDM系統對 MZM線性調制特性要求也更為嚴格，如圖1所示。因此，對于CO-OFDM系統發送機，最重要的就是實現MZM對OFDM信號的線性調制。

圖1 CO-OFDM系統發射機結構

1.3 接收機方案

CO-OFDM 系統接收機主要完成信號的檢測、解調及信號處理。光電檢測部分主要是把光OFDM信號轉換為電信號，電接收部分對OFDM信號進行解調及電域處理。CO-OFDM 系統采用平衡光電檢測器[7]，一般包括光帶通濾波器（OBPF）、光電二極管（PD）、耦合器和低通電濾波器（ELPF），通過加入耦合器將接受信號與本地光載波混頻，然后再用光電二極管進行平衡式接收。由于OFDM信號為復數信號（I/Q支路），所以需要有兩套平衡接收器，分別用來解調和檢測信號的實部（I）和虛部（Q），如圖2所示。

圖2 CO-OFDM系統平衡接收機結構

光電二極管后加入一個減法運算器，對兩個輸出電流進行差分運算，I支路差分電流：

通過減法運算，得到Q支路差分電流：

平衡光檢測后，通過低通濾波器濾除高頻噪聲，從而得到兩支路信號。從式（7）可知，如果本地載波與接收信號光載波同頻，那么通過平衡接收器檢測后的輸出I/Q支路信號就是接收信號的實與虛部；通過平衡接收檢測后的信號噪聲成分通過差分運算被有效抵消，對提高系統接收靈敏度十分有益。

1.4 色散均衡算法

接收端OFDM信號與發送信號比較，幅度、相位均發生了變化，除了由光纖色散引入的相位偏移外，還有由 ASE引入的隨機加性高斯白噪聲nk,i和由激光器相位漂移引入的對符號內子載波都相同的噪聲φi。CO-OFDM系統中射頻信號上變頻以及光信號檢測都基于線性轉換，系統模型可等效為并行線性信道的疊加[8]，如圖 3所示，其中xi,k、yi,k分別是發送端和接收端信號，hk是OFDM信號中每一個子載波信道的傳輸函數。

圖3 CO-OFDM系統等效信道模型

在單載波系統中，信號調制是在時域實現，而CO-OFDM 系統則是在頻域完成，這樣可以將信息更準確地調制到子載波上，更重要的是由于系統中OFDM信號的線性傳輸，可以通過插入訓練序列和導頻序列，與已知發送信息比較，利用導頻序列估計出導頻位置的頻率響應值，然后再從導頻位置的初始估計出發得到信道其它所有位置的估計值，從而得到整個信道的傳輸函數，進而實現信號均衡[9]。CO-OFDM 系統的這一色散補償特性，也是將OFDM技術應用于長距離、高速光傳輸系統的重要原因之一。

2 數字仿真結果

對 CO-OFDM 系統中馬赫-曾德爾光調制器[10]（MZM）非線性特性進行了數字仿真。圖 4為CO-OFDM系統品質因子Q與MZM偏置點關系曲線[11]。從中可以看出，系統Q值隨著MZM偏置點的選擇而變化。當偏置點在積分點時（ β= π/4），系統Q值為6.9 dB；當偏置點在零點時（ β= π/2），系統Q值為17.5 dB，達到最大值，較積分偏置點系統性能提高10 dB以上；之后，隨著偏置點的變化，系統Q值逐漸減小。

圖4 CO-OFDM系統中MZM偏置點選擇與系統Q值關系曲線

對CO-OFDM系統均衡前后信號星座圖進行仿真，如圖5所示。經過光纖傳輸，色度色散產生相位偏移使信號星座圖產生旋轉，各象限點混疊，無法進行有效判決，如圖5（a）所示。通過提取訓練序列，估算出各子載波信道函數，經頻域均衡（復數相乘）后的信號星座圖，基本收斂到原象限，大大較少了信號點混疊，星座圖緊湊有序，誤判點回到原象限，信號可實現正確接收，如圖5（b）所示。

圖5 CO-OFDM系統均衡前后接收信號星座圖

3 結語

相干光正交頻分復用系統（CO-OFDM）是有望成為未來解決100 Gb/s高速光傳輸實現方案之一。采用子載波并行傳輸，可有效抑制光纖色散效應；子信道等效為非頻率選擇性衰落信道，單抽頭頻域均衡實現簡單；調制/解調采用快速傅里葉變換算法（IFFT/FFT），大大降低系統實現復雜度。但由于單模光纖纖芯很細，受到多種非線性效應的影響嚴重[12]，而無線信道沒有非線性效應，因此對CO-OFDM系統非線性效應研究也非常重要。

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