基于数字信号处理技术的模分复用通信系统研究

摘要：作为一种先进的数字信号处理技术．光纤环路在模分复用通信系统中具有较大的应用优势。

基于此．文章对该技术的具体应用进行分析。首先对其主体技术与控制模块的具体设计方式进行探讨；随后对其进行实质性搭建，在系统梳理搭建过程与注意事项的基础上对其仿真结果进行判断。该系统在信息传输效能以及抗噪性上表现良好，具有较高的应用价值。

关键词：光纤环路；OAM模式；传输效果

中图法分类号：TN911 文献标识码：A

１ 光纤环路的设计及主要技术

从本质而言，光纤环路系统是利用光线自身所构成的环路人为增加光纤传输距离，进而使放大器在其中发挥较好效能，并规避信号放大带来的噪声影响，具体包括总体技术应用、光开关、频率驱动３ 项主要技术。在功能技术层面上则主要包括时间测序和均衡布置２ 项。

１．１ 光纤环路系统的主要技术

典型的光纤环路技术应用系统需要包括如下几个基本功能元件。发射模块：主要负责通信数字信号的发送，可以为任意传感器或数字资料。接收模块：对光纤内传输的数字信号的最终结果进行接收与解算，与发射模块进行互动，以完成信息的传输。光纤环路：为信息通信的传播路径。控制模块：对传输过程中的状态、质量进行有效控制。其总体设计布局如图１ 所示。

由图１ 可知，射频驱动与光开关在光纤环路中是对信号起到主要控制的单元，而光放大器则成为光纤信号在环路传播中的放大节点。

在光开关设计中，光开关作为环路的主要开合切换控制装置在环路中的作用不言而喻。其中，光开关１ 主要联通环路前端与发射模块之间的通路，而光开关２ 则决定整个环路的启停。此种设计使得环路的接通较为灵活，进而可以在传输质量的选择上提供更多的可能。比如，线路负载较低，对于信息传输的复用性要求较差时，可以通过断开环路的方式提高传输效率。在环路传输时，光开关１ 关闭，此时能保障信号在传输中不产生光泄露，进而保障了信息的完整

性，也能够避免光泄露带来的噪声信号。

在射频驱动器设计中，光开关能够形成内部脉冲，但由于宽度有限需要额外引入脉冲函数发生器对脉冲频次与速率进行放大及控制。在具体设计中，形成以注入时间为频段的脉冲周期，按照式（１）等效折射率中计算的频次进行脉冲循环，从而实现信息环路中的自启动模式。此方式可以提供更为稳定的传输通道，并增加光开关以及线路整体性的同一率，避免开关错位而造成的信息通路拥堵与误码率增加等问题。

１．２ 光纤环路技术的功能布置

在总体技术模块设计下，要发挥光纤环路的基本功能还需要对其进行时间测序与功率均衡的软件设计，进而实现系统内信息的有效传输。

在时间测序上，以最小单圈的传输时间为一个基本序列，在实际的测序中主要以脉冲信号为测试目标，为进一步提高测序的精准度，多采用多圈测序求解平均值的方式来进行。此方式为后续的计算搭建了一个有效的同步算法，进而实现信息相关性与时间测序之间的相互转化关系，符合光纤通信的基本原理。具体的测序示意图如图２ 所示。

在环路功率均衡上，光线在光纤中的传播会产生一定的能量损耗，进而需要利用放大器的补偿机制对环路中数字信号的能量损耗进行补充。具体的补充额度一般采用理论计算、实践修正的方式来进行。同时，要避免由于放大及补充不及时带来的信号功率激增或骤减的现象。以一般性数字信号为例，当其在光纤环路中循环１ 圈后，可获得０．８ ｄＢ 左右的增益，按照理论计算，循环５ 圈后需要进行大约４ ｄＢ 的能量补充，此时若持续地进行循环，则会造成数字信息能量的激增，对光纤环路带来额外的负载。在损耗层面上也同样如此，需要形成循环圈数与能量损耗之间的对应关系，从而确定放大器的补充功率与频次。

２ 光纤环路技术在模分复用通信技术中的应用

２．１ ＯＡＭ 模式复用通信系统的搭建

光纤环路技术下模分复用通信系统的设计图如图３ 所示。图３ 展示了以光纤回路为基础的远程ＡＤＭ 系统的工作原理，在已有的实验室环境下进行远程模数转换试验，需要对光纤环路进行准确的测量。

光纤环路系统由光开关、传输光纤和射频功率源组成，根据光纤环路传输周期来决定输入信号的时刻，然后设置时间序列周期（工作周期），使得该信号在光纤回路中进行多轮的周期传输，从而实现对任何光纤传输长度的仿真，形成有效的光纤环路。采用光纤回路进行远模分复用通信时，采用的光开关、衰减器、３ｄＢ 耦合器、放大器等都是单模光纤设备，并不能提供ＯＡＭ 方式。

２．２ 材料选择与损耗确定

在实现过程中，所采用的光纤是一种超低损阶跃式环形芯纤丝（ＲＣＦ），它由３ 层构成：芯层、环形芯层和包层。环形芯层直径６ 微米，外环直径９．５ 微米，环形宽度３．５ 微米，为实现低发射损失又能适应于已有技术发展的超低损失光纤生产技术的要求，ＲＣＦ 在芯层与包层之间的实际折射系数差异（Δ＝（ｎ１－ｎ２） ／ ｎ２）是１％，ＲＣＦＦ 在１ ５５０ 纳米波长上总共支撑６ 组模块，其最大角度指标｜０ ｜ ＝ ５、径向指标ｐ ＝ １。除此之外，根据实验室内已存在的光纤回路数目，选取ＯＡＭ３１及ＯＡＭ４１ ２ 种ＯＡＭ 方式来检验远距离模分多工通信系统，值得注意的是，ＯＡＭ３１ 和ＯＡＭ４１ 光纖中的传送损失分别为０．２４１ ｄＢ／ ｋｍ 和０．２６３ ｄＢ／ ｋｍ，相较于其他的少模或多模（约１ ｄＢ／ ｋｍ），ＲＣＦ 被称为超低损耗的光纤。同时，ＯＡＭ３１ 与ＯＡＭ４１ 的有效折射系数差异在２．３×１０?３ 左右，可以有效确保在ＭＩＭＯ 系统中产生的干扰较小， 因而无需引进先进的ＭＩＭＯ技术［１～２］ 。

２．３ 模分复用通信系统的工作流程与数字信号技术作用方式

基于上述分析，在５０ ｋｍ ＲＣＦ 单段光纤环路上使用ＯＡＭ３１ 和ＯＡＭ４１ 方式，其中包括２ 个声光调制（ＡＯＭ），ＡＯＭ１ 设置在光纤环的外径，确定信号是否被输入到光纤环，而将ＡＯＭ２ 置于光纤环路上，其开启的时刻与信号传送的总光纤的长度相一致。在图３中，通过Ｉ／ Ｑ 调制器，１ ５５０ ｎｍ 的激光具有１０ ＧＢ 的带宽信号范围（ＱＰＳＫ）。在ＡＯＭ１ 的控制下，将脉冲间隔地输入光纤回路，根据光纤回路传送一周所需的时间，以及现有试验方式所采用的光纤长度和其他装置（放大器、滤光器、空间光路等），将输入时刻设置在２３２ 微秒，然后通过１×２ 光学耦合器（ＯＣ）将信号分成２ 路，一路与１ ｋｍ 长度条件下的ＳＭＦ 相连，以便将２路信号分别通过３ ｄＢ 耦合器（２×２）输入光纤环路，以触发各种ＯＡＭ 方式，并在光纤内进行多路传输，而另一端则用来进行信号的多路传送。光纤回路包括２个ＥＤＦＡ、可调滤波器、３ ｄＢ 耦合器、ＡＯＭ２、传输光纤，以及空间光路。它能对设备的插入损耗进行补偿，并对ＥＤＦＡ 的输出进行合理的调整，以保证环路的电源平衡。光学开关ＡＯＭ２ 是决定光纤回路中资料流通次数的重要元件，它可以根据周期的设置来模拟任何远端光纤的传送，为了达到３００ ｋｍ ＲＣＦ 模分复用，周期时间必须为１．４８８ ｍｓ。

在此设计中，采用１ 个独立的信号功能波产生电路，利用ＴＴＬ 的发射信号来控制２ 个光学切换的开启／ 闭合，而ＡＯＭ１ 与ＡＯＭ２ 的相位完全相反，１条ＴＴＬ 线即可调节２ 个光学切换。在光纤回路中，ＯＡＭ 方式复用与解复用的空间光路与常规ＡＤＭ 通信方式是完全相同的，在此基础上，利用偏仪调节偏振态将ＯＡＭ 模式合并到装载有相位片的空间光调制器（ＳＬＭ）的中央，以激励高阶ＯＡＭ 方式，由此形成ＯＡＭ３１ 及ＯＡＭ４１。该方式被ＢＳ 进行多路复用，并且经由物镜与５０ ｋｍ ＲＣＦ 连接，在光纤传送之后，利用ＢＳ 及ＳＬＭ 来进行ＯＡＭ 方式的解复用及解调，并且沿着光纤回路进行循环传送，反复进行“多工?光纤环路?模多路分解”的处理，直到进入周期状态的终止［３～５］ 。

３ 应用效果仿真分析

本文对ＯＡＭ 模型中ＯＡＭ３１，ＯＡＭ４１ ２ 种方式的强度分布、干扰曲线进行分析，ＯＡＭ 模型在循环传送时，以不可能独立地抽取出Ｎ 周期的强度分布为前提。在仿真的过程中，只对单周期５０ ｋｍ ＲＣＦ后的强度分布及干涉曲线进行测试，得到如图４ 所显示的激励解调ＯＡＭ３１ 与ＯＡＭ４１ 方式的相位板、强度分布及干涉图像。在具体的仿真实验中，选用ＳＬＭ 来替代全光纤ＯＡＭ 方式的激励与解调机制。

在２ 种ＯＡＭ 方式下进行的串音测试中，在５０ ｋｍＲＣＦ 发送之后，这２ 种方式的干扰值都在－１７．５ ｄＢ以下，而在利用与ＡＯＭ１ 和ＡＯＭ２ 进行检测的情况下，与ＡＯＭ１ 单通道模式下进行的高电平比光纤回路中的信号循环一次所需要的时间周期相同，高电平发生的地方应该避免６ 个线圈端子，而在中央比较平滑的地方，测量的ＢＥＲ 随着ＯＳＮＲ 的变化和信号的分布出现差异。具体表现在３００ ｋｍ ＲＣＦ 多路复用传送后，２ 种ＯＡＭ 方式的ＯＳＮＲ 损失比单一模分多路转换系统更大。

基于此，可以得出若持续增大回路中的回路数量，则会导致信号品质下降，要达到３００ ｋｍ 以上的长程，必须注意３ 个问题。第一，模态间的串音是制约模分复用能力和传送距离的重要原因，当传送距离增大时，模式间的串扰会急剧上升，不但会限制多路复用方式，而且会对信号的传送效能造成严重的影响。

因此，在此基础上，可以采用一种基于低串扰的弱耦合光纤环路的方案，并利用ＭＩＭＯ 均衡器来解决串音效应。第二，偏振相关损失（ＰＤＬ）在使用光导纤维回路中进行远距离模分复用的效果相对较好，因为其用一个固定回路来进行长途传送，反复几次后，原有的ＰＤＬ 会被放大，再转几次，就会产生微弱的偏振，导致信号越来越微弱，越来越难被探测到。但在实际的线性传送中，每一段的极化都会发生变化，从而消除ＰＤＬ 的一小部分，进而从总体上改善传输效果。第三，由于通信距离越远采用的多层放大器数量越多，就不可避免地会导致ＯＳＮＲ 降低，而按照香农极限理论的基本方程结果，系统的承载能力将会降低，而在一定的条件下，基于概率成形的数字信息还原技术可以在该问题上达到良好的规避效果。

在抗噪性能的分析中，以１６ＱＡＭ 为实例，进行了概率实验，形成针对１６ＱＡＭ 的模拟结果。假定该通道是一个高斯白噪通道，１６ＱＡＭ２Ｄ 的高斯分布是一种对称的函数模型，它可以被简化成一维的拟合坐标，即初始位置是ｘ ＝［－３，－１，１，３］的坐标恒动点位，并且在整个系统中出现的概率是１／４。在各信噪比下，１６ＱＡＭ 最佳的概率分配方案可以通过极限经验公式进行求解得到，并得到可实现的信息率。

４ 结束语

在上述仿真结果中得出： １６ＱＡＭ 的可能性成形可以达到的信息速率相对较高，而圖像中黑点线代表高斯白噪声（ＡＷＧＮ）通道中的能力限制。结果表明，在ＳＮＲ 为０．５ ｄＢ 时，１６ＱＡＭ 各个坐标内动点的位置相对应的概率分布较为均匀，可见在边缘处，高能量的位置出现频率很低。因此可以证实，利用数字信号处理技术下对模分复用通信系统进行构建具有积极意义与较高推广价值。

参考文献：

［１］ 祝钰翔．数字信号处理技术在电子信息工程中的应用研究［Ｊ］．信息与电脑（理论版），２０２２，３４（１３）：１９?２１．

［２］ 滕强．数字信号处理技术在电子信息工程中的应用［Ｊ］．长江信息通信，２０２１，３４（１０）：９６?９８．

［３］ 王璐璐．基于先进数字信号处理技术的模分复用通信系统研究与应用［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２０２１．

［４］ 周洪航．单载波高速光通信系统中数字信号处理技术研究［Ｄ］．北京：北京邮电大学，２０２１．

［５］ 陈敏．高速相干光通信传输系统与数字信号处理技术的研究［Ｊ］．现代信息科技，２０１９，３（８）：６９?７０．

作者简介：李美山（ １９８０—）， 本科， 工程师， 研究方向： 电子信息工程。