光通信中的直接检测OFDM 技术

巩玲仙，郭红英，王春灿

（1.忻州师范学院 电子系，山西 忻州 034000；2.北京交通大学 光波技术研究所，北京 100094）

数据中心网络作为现代信息社会的基础设施，网络之间的通信连接全部采用了高速光通信网络，大到广域网、城域网之间的连接，小到服务器和光网络交换机之间的连接[1-3].光通信网络具有大带宽、保密性好、适合长距离传输等优点，它主要用于两点之间提供大带宽的信息传输通道.数据中心城域网基本是点对点的光网络传输系统，两点之间流量增长速度远高于通信干线网络.因此，数据中心城域网对网络容量要求较大.

随着网络技术的迅猛发展，整个网络数据交换流量不断增大，这就对数据传输带宽有着更高的要求.因此，高速的光网络传输技术备受青睐，也一直是研究热点.同时为了降低数据中心的能耗，在数据中心要采用高速的光互联技术[4-5].骨干网的光通信网络通信距离长、设备复杂，而数据中心中的高速光互联网络具有传输距离较短、系统复杂度低等优势[6].因此，对于数据中心高速光互联直接检测调制技术的研究，具有十分重要的现实指导意义和价值[7].本文基于OptiSystem 平台对光通信系统DD-OFDM 模型进行建模与仿真，并说明直接检测OFDM 技术的工作原理，通过搭建的模型可以清晰地看出光信息的传输过程.在传输中，光网络传输一个重要的问题就是克服光纤色散的问题，光纤色散降低了接收端信号的质量，接收机灵敏度下降.仿真了不同传输距离时的色散程度，并在光纤链路中对色散进行补偿，以此来提高OSNR，仿真结果可以发现通过色散补偿可以有效提高接收端的信号质量.

1 DD-OFDM 光通信系统的搭建

直接检测-正交频分复用调制（DD-OFDM）技术在目前的光通信系统中有着广泛的应用.直接检测OFDM 技术的工作原理见图1.首先，将原始的数字序列信息进行高阶编码，常用的主要有PSK 和QAM技术，这里采用16/64QAM 高阶编码.然后，把串行的数据流转换为N路并行的数据流，对并行的N路数据流分别进行单载波调制，调制到N个子载波上，子载波在符号周期内是严格正交的，以保证子信道之间不会互相干扰.通过IFFT 变换之后，要插入循环前缀（CP）以消除码间串扰，然后进行D/A 转换，产生调制激光器的模拟信号.最后，将分别调制后的各路子信号进行叠加，叠加之后便得到了具有正交关系的调制信号.调制信号在光纤信道中传输后，接收端接收信号，此处采用直接检测方式，先经过A/D转换，然后进行信号的同步进而移除CP.再进行傅里叶变换，将并行信号转换为串行信号，最后通过均衡，恢复了原始信号.

图1 DD-OFDM 的工作原理

图1 中，正交的子载波数学关系表示为

式中：m≠n；T为信号一个周期的时间.其时域表达式为

式中：Aiejθi为经过正交振幅调制的第i路子载波信号的表达式.

在图1 模型中，信源是由一个伪随机信号发生器产生的伪随机序列.信源信息经过16/64QAM 高阶编码，传递给正交频分复用OFDM 模块.在此模块内先进行子序列划分，然后将划分好的序列进行子载波调制、快速傅里叶变换IFFT 和插入循环前缀CP 等过程.经过频分复用的电信号包括同向分量I 和正交分量Q，将这两路正交的信号送入调制器.输出信号传递给马赫曾德尔电光调制器变换成一个单频激光信号，这样的信号已经适合光纤传输.信号在光通信系统中传输后被接收端直接检测，进行正交解调然后发送到OFDM 解码模块.此模型中信源信息采用16/64QAM 技术进行编码，正交频分复用调制模块中，信息流被划分为512 个子载波，采用1 024 点DFT，传输速度为10 Gbps，结果单波长通道传输了9 183 bit 信息.发送端的二进制不归零码和接收端的二进制不归零码见图2.图2 中的采样信息为2 048个点，可以清楚地看到2 条线几乎重合，说明该模型几乎无失真地恢复了原始信息.

图2 DD-OFDM 系统发送的信息和接收到的信息对比

数字通信系统中通常通过星座图来表示信号以及信号之间的互相关系，星座图中信号的位置可以看出信号的限制和判决边界.符号点在星座图中越集中，表示信号的质量越高，反之，符号点越分散表示信号质量越差.通过信号矢量点可以看出信号质量的好坏，也可以看出信号的幅度和相位等信息，所以星座图经常被直观地用来判断信号质量，如幅度偏差、正交误差、干扰和噪声等.发送端和接收端的数字信号星座图见图3.从图3 可以看到，在发送端理想数字信号的矢量点应该集中在（1，1）（-1，1）（-1，-1）（1，-1）4 个点上（见图3a）.可以发现，经过整个仿真模型传输后，传输符号偏离了这4 个中心点，某些点甚至越过中心点间的判决门限，形成误码，这是由于噪声和码间串扰等因素的干扰.因此信号越集中在理论中心点，接收端的信号质量越高.DD-OFDM 接收端数字信号的星座图见图3b，光纤通信系统的长度为100 km，单模光纤的色散系数为20 ps/nm/km.由图3b 的数字信号经过解码，即可以得到原始信号.

图3 发送端和接收端数字信号的星座

2 DD-OFDM 中光纤色散的影响

实际中信号都需要经过远距离的传输，通常两城市之间的传输距离大概在几十公里到几百公里.因此，数据中心之间互联的光纤链路需要考虑光纤介质中的色散和损耗等问题.光纤中的色散与损耗直接影响信号的接收质量.单模光纤中常见的色散主要有材料色散、波导色散和偏振模色散等[8]，色散的大小与通信链路的长度有关[9].通过直接观测DD-OFDM 系统接收端数字信号星座图的离散状况来判断系统接收端数字信号的质量，进而评价DD-OFDM 系统长距离传输性能.分别计算了50 km 正常色散条件、900 km正常色散条件和900 km 零色散条件下DD-OFDM 系统接收端数字信号的星座图（见图4）.50 km 正常色散条件下，接收端数字信号的星座图相对集中，判决门限清晰（见图4a）.这表明50 km 色散条件下色散对于DD-OFDM 系统的影响较小.由图4b 可以看出，正常色散条件下，数字信号传输900 km 后完全混叠在一起.接收端解调之后存在严重的码间串扰，有大量误码，无法恢复信源的信息.但是在零色散条件下，接收端数字信号的星座图相对集中，判决门限清晰（见图4c）.仿真模型中，系统的零色散是通过将光纤的色散和PMD 设置为零.为了降低色散对通信质量的影响，在实际应用中常通过进行色散补偿.常用的补偿方式有光纤光栅色散补偿、色散补偿光纤和电域算法色散补偿等[10].

图4 3 种不同情况下接收端信号的星座

仿真分析了系统正常色散条件下光纤链路长度由20～200 km 变化时接收端数字信号星座图的变化（见图5）.随着光纤链路长度的增加，光纤中色散的增大，接收端数字信号的星座图越来越离散，甚至超过判决门限，这表示接收端数字信号的质量随着传输距离的增加越来越差.同时，误码率也不断升高，这就限制了系统的传输速率和传输距离.

图5 20～200 km 光纤长度DD-OFDM 系统接收端数字信号星座

通常在实际的通信系统中可以通过多种色散补偿的方法，如加入色散补偿光纤来降低光纤色散的影响，所以在仿真中也增加了一段色散补偿光纤，以此来补偿光纤通信链路中的色散，这样仿真也更接近实际.仿真中光纤链路长度为300 km，色散系数为20 ps/nm/km，相对色散斜率0.026 4 nm-1，色散补偿光纤在1 550 nm 附近色散系数为-360 ps/nm/km，色散补偿光纤长度为16.7 km.色散补偿前后接收端数字信号的对比见图6.由图6 可以看出，色散补偿前接收端数字信号完全混叠在一起；色散补偿后数字信号星座图中的点更加集中，门限清晰，接收端信号质量得到极大的改善，色散补偿效果明显.

图6 传输距离300 km 的光纤链路采用色散补偿光纤前后接收端数字信号的星座

3 OSNR 的影响

光输入输出信噪比（OSNR）会显著影响DD-OFDM 系统接收端数字信号的Q 因子[11].所谓Q 因子就是接收端接收机接收到信号的判决电平与噪声电平的比值.影响DD-OFDM 系统OSNR 的主要因素包括放大链路上光纤放大器的增益和光源的输出功率.

仿真中，DD-OFDM 系统的其他参数保持不变，光纤链路长度为100 km.光纤链路中的掺铒光纤放大器的增益由9～12 dB 变化时，接收端光电探测器探测到的单边带信号和接收端数字信号的星座见图7.由图7a 表明，接收端光电探测器的单边带信号强度随放大器增益的增加而增加，信号质量提高.由图7b 表明，光纤链路的放大器增益越大，接收的矢量信号的幅值越大，信号质量提高.

图7 光纤链路中放大器增益变化时接收端单边带信号和接收端数字信号的星座

当可调谐单频激光器的输出功率增大时，接收端数字信号的变化星座见图8.从图8 可以明显地看出，接收端数字信号的幅值随着单频激光器输出功率的增加而增大，信号质量提高.这将有益于接收端信号的判决，方便DD-OFDM 系统解调，降低系统的误码率.

图8 可调节激光器输出功率增大时接收端数字信号的星座

4 结语

基于OptiSystem 平台对光通信系统DD-OFDM 模型进行了建模与仿真，说明了直接检测OFDM 技术的工作原理，并仿真了不同距离、不同色散程度下对信号质量的影响.利用色散补偿光纤，对300 km 长DD-OFDM 系统进行了色散补偿.分析了可调谐光源输出功率和光纤放大链路上的放大器增益对DD-OFDM 解调端性能的影响.结果表明，接收端数字信号的幅值随着单频激光器输出功率的增加而增大，信号质量提高.