正交频分复用技术在光通信中的应用

刘继业，胡茂凯，陈西宏

(空军工程大学导弹学院，陕西 三原 713800)

光纤通信具有损耗低、传输频带宽容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰和不易串音等优点而备受业内人士青睐［1］。由于当前军事领域目标探测跟踪、数据传输和处理、武器制导等需要快速、大量、准确、保密的数据传输，光纤技术已广泛应用于军事战术通信领域。

光纤通信表现出两个明显的发展趋势［2］:(1)单信道传输的数据速率大大增加，趋近于100 Gbit·s－1。(2)网络必须具备很快的动态调整能力。但当数据速率达到100 Gbit·s－1时，传统的光纤分段补偿变得昂贵而耗时，对系统色散的补偿很难准确实现。而正交频分复用(OFDM)具备较高的频谱利用率、较好的抗频率选择性衰落能力和良好的计算特性，可以方便准确地对光纤色散进行补偿，因此人们考虑将OFDM技术用于光纤通信，即光正交频分复用技术(OOFDM)。O－OFDM的各类实验和仿真也证明了其具有较好的性能，并成为100 Gbit·s－1系统中最具竞争力的调制方案。

1 OFDM基本原理

OFDM是一种多载波调制技术，基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使子载波上的符号速率大幅降低，符号持续时间大大加长，因此具有很强的抗多径衰落和窄带干扰的能力，同时子载波的频谱分布相互重叠和正交，具有很高的频带利用率［3］。如图1所示，OFDM调制包含许多相互正交的子载波，可以有效对抗频率选择性衰落。对于单载波传输，在有衰落的情况下，信号失真明显，而对于OFDM信号，频率选择性衰落仅影响系统中的一个或几个子信道，而利用信道间的相关信息可以恢复出受干扰信道上的数据。

图1 经历频率选择性衰落的单载波与OFDM频谱

目前，O－OFDM主要有两种类型的传输结构:相干光OFDM(CO－OFDM)和直接检测光OFDM(DDOOFDM)［4－8］。CO － OFDM 将相干光检测技术与 OFDM结合，利用两者的优势提高传输性能，发射端采用抑制调制方式将信息序列调制到光载波上，接收端通过本地振荡器实现相干检测并最终实现信息序列的解调，适合大容量超长距离传输。DDO－OFDM是通过同时发射光载波和OFDM频带，在接收端利用光电二极管实现信号的直接检测，多用于短距离及多模光纤传输。

2 O－OFDM的研究

目前，许多公司和研究机构都在研究O－OFDM技术，其应用领域包括光接入技术和远程传输技术等［6－8］。自O－OFDM 提出后，许多相关联的 OFDM技术也被相继提出。OFDM技术在光纤通信中的应用有以下几个方面优势。

2.1 线性失真容限

OFDM调制带来的优点是可以对电信号的线性损伤进行补偿，这样就可以有效提高对色散(CD)和偏振模式色散(PMD) 的容限［4－6，8］。不过必须看到，PMD会引起极性退化。为提高PMD容限，接收端可以采用极化分集技术。

文献［6］研究了极化分离复用OFDM技术(PDMOFDM:Polarization Division Multiplexed OFDM)的偏振膜色散问题。传输链路选用差分群延时保偏光纤，传输速率为52.5 Gbit·s－1，传输路径选用单程循环为320 km的往返链路，当传输距离为13个单程循环时的平均PMD为300ps。图2显示的是达到13个单程循环时传输链路的长期性能。图2的系统误码率柱状图表明，误码率在5.9×10－4～1.2×10－3之间变化，信道的平均误码率为7.5×10－4。通过对没有差分群延时的传输链路进行实验，发现系统误码率为7.5×10－4，误码性能只有细微的提高。因此可以得出，即使在平均偏振膜色散为300 ps时，基于OFDM调制的差分群延时保偏光纤仍具有令人满意的误码性能。

图2 平均偏振膜色散为300 ps、传输距离为4160km时，传输链路误码率柱状图

2.2 高阶调制模式升级

在OFDM系统中很容易实现高阶调制模式，由于信道估计是基于训练符号实现的，而训练符号与星座映射体积无关［9］，因此均衡算法的复杂度不会随着星座体积的增加而上升。

OFDM技术的另一个优点是不同子载波可采用不同的星座图，即如图3所示。系统采用50 m阶跃型塑料光纤(SI－POF，Step－Index Plastic Optical Fiber)，将信息自适应调制到各个子载波上，不同的子载波可以采用不同的调制方式。即使在3 dB带宽减小为50 MHz时，系统通过自适应调制技术仍然可以实现1 Gbit·s－1的信息传输。对频率选择性衰落信道来说，这种子载波自适应调制技术可以有效提高数据速率以实现其最大化。虽然单模光纤的远程传输系统没有频率选择性衰落，但为减少光纤级联产生的频率选择性问题，系统仍然选用子载波自适应调制技术。

图3 子载波采用自适应QAM映射的发送和接收光谱图

2.3 过采样

OFDM技术在光通信中应用的主要优点是系统可以选择部分子载波进行调制和解调。图4所示为由阵列波导光栅(AWG)产生的OFDM信号频谱。该实验中AWG的采样速率为10 GHz，奈奎斯特频率为5 GHz，仅用256个子载波中的190个作为调制载波来实现过采样，高频部分的66个载波没有进行调制，于是可算得过采样因子为1.34。由于过采样，在OFDM频谱和混频区之间就形成了2.5 GHz的频谱间隙，通过低通滤波器就可以消除混频干扰。

与传统的单载波相干检测系统相比，O－OFDM对模拟数字转换器(ADC)的采样速率要求明显降低。通常单载波接收端的ADC需要2倍过采样［10］，在实际应用中，单载波接收端的ADC最小过采样因子为1.5，对于PDM四进制数字相位调制(PDM－QPSK)来说，意味着ADC采样速率将在42～100 GbE之间变化。而OFDM系统中引入了循环前缀(Cyclic Prefix)和训练序列，这种额外的冗余开销不仅可以有效地对付ISI和简化系统同步，而且可以使ADC采样速率降低为波特率的1.3倍，即对于PDM－OFDM，其采样率仅为 35 GS·s－1［10］。

图4 由AWG产生的OFDM信号频谱

2.4 可忽略的线性交调失真

OFDM以其固有的良好频谱成形技术使其可以忽略线性交调失真。实际上，由于可以忽略信道频率带宽间隔，系统采用准连续带宽传输模式，如图5所示，通过在8 GHz信道间隔传输8×65.1 Gbit·s－1的PDM－OFDM信号，实现了7 bits/Hz的频谱效率［8］。在该实验中采用32－QAM星座调制，从图中可以看出，在波分复用信道间无频谱间隔。尽管准连续OFDM可以有效地提高频谱利用率，但必须注意到其在具体的应用中仍然面临着诸多挑战。在目前的传输系统中，考虑到激光与光纤的波长误差和波长选择开关的使用，波分复用信道间要留有一定的间隔带宽。实际上当O－OFDM采用50 GHz的频率间隔，星座映射体积相同时，单载波调制和O－OFDM调制的频谱效率相同。

图5 8×65.1 Gbit·s－1的 PDM －OFDM 信号光谱

2.5 OFDM的挑战

和其他的调制方式一样，OFDM调制同样面临亟待解决的问题。在O－OFDM中，由于用到DAC和ADC来产生和检测信号，面临的主要问题是OOFDM系统的高速数据速率对DAC和ADC提出的高要求，增加了系统复杂度和成本。另外，在OFDM系统中，当多个载波以同一方向进行累加时，会产生较大的峰值，因此要求功率放大器具有较大的线性范围，否则若信号峰值进入放大器的非线性区时就会产生信号畸变，影响系统性能，所以信号峰值功率与平均功率之比，即峰均比(PAPR)的抑制也是设计OFDM的关键。而且，OFDM使用IFFT和对应的FFT来实现调制和解调，需要系统处于线性的状态，而光调制器和放大器通常具有非线性特点，高PAPR将破坏线性关系而降低系统性能。这种非线性会产生带外功率影响以及带内干扰，后者的影响更是体现在采用多星座点映射的系统中［11］。

3 O－OFDM未来的应用

100 GbE被看作是下一代大容量骨干网络以太网标准，PDM－OFDM是该应用领域极具潜力的调制方式，而目前100 GbE的主要调制方式是单载波PDMQPSK。如前所述，OFDM系统的优势是便于升级为高阶调制。实际上，O－OFDM在城市中的应用已经引起了人们的关注，目前主要考虑的是成本因素，通过使用高阶星座映射16－QAM取代QPSK(4－QAM)可以实现100 GbE的PDM－OFDM。高阶星座映射虽然减小了转发器的作用范围，但在城市或特定区域(800 km)的应用场合下不影响使用，而高阶星座映射在有效降低转发器成本的同时，还可以提供更强的色散和偏振膜色散度容限。另外，可以充分利用OFDM的优势，动态改变星座映射的有效载荷，比如通过将星座映射从2QAM变为16QAM，可以使转发器工作在100 GbE或者400 GbE。

4 结束语

讨论了OFDM在光通信中的应用及其未来的发展应用。将OFDM引入光传输，尤其是在高速长距离、超长跨距中使用O－OFDM，获得了良好的性能。同时，O－OFDM还存在许多技术难点需要研究解决，目前尚无商用OFDM光传输系统，国内外的一些科研机构正致力于O－OFDM的实验与理论仿真研究。随着社会信息化程度的不断提高，通信容量的不断膨胀，O－OFDM必将走向商用，成为长距离传输、干线系统的优选方案之一。

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