權(quán)天

【摘 要】為了適應當前對信息量的巨大需求，本文利用一種新的光調(diào)制技術(shù)和正交頻分復用技術(shù)，構(gòu)造出高速率、大容量、低成本的光傳輸系統(tǒng)。該方法與傳統(tǒng)的光通信技術(shù)相比，具有更強的抗色散能力和更高的頻譜利用率。但是，光纖中的非線性效應已成為限制通信系統(tǒng)性能的主要因素。本文首先論述了OOFDM系統(tǒng)和非線性效應，再利用 OptiSystem軟件完成了光正交頻分復用系統(tǒng)的搭建，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得出非線性效應會嚴重降低系統(tǒng)的性能，破壞OOFDM系統(tǒng)的正交性。

【關(guān)鍵詞】光正交頻分復用；四波混頻；誤碼率；星座圖；非線性效應

【Abstract】In order to adjust to the tremendous demand of information， this article uses a new optical modulation technology and Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM） technology to establish an optical transmission system which has a ability of high rate， large capacity and low cost. Compared with the traditional optical communication technology， this method has a good ability in anti- dispersion and has a better utilization rate of spectrum. But the influence of nonlinear effects has become the main factor which limits the capability of communication system. This article uses the software to establish an OOFDM system. The simulation results show that nonlinear effect can severely degrade the performance of the system and destroy the orthogonality of the OOFDM system.

【Key words】OOFDM； FWM； BER； Constellation； Nonlinear effect

0 引言

本文研究的光正交頻分復用（OOFDM）技術(shù)是從OFDM技術(shù)發(fā)展而來，繼承了其載波頻譜利用率高，抗衰落性和抗干擾能力強的優(yōu)點[1]。因此該技術(shù)可以構(gòu)造出高速率、大容量、低成本、易于擴展信道容量的光傳輸網(wǎng)絡，但光纖中的非線性效應已成為限制通信系統(tǒng)性能的主要因素，主要表現(xiàn)在峰值平均功率比（PAPR）較大和對相位噪聲極為敏感[2]。在高速OOFDM傳輸系統(tǒng)中，色散和非線性是限制其性能的主要因素[3]。因此研究光纖的非線性效應對OOFDM系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響對光傳輸網(wǎng)絡的發(fā)展具有重要意義。

1 OOFDM系統(tǒng)和非線性效應

OOFDM的思想最早是在OFC（Optical Fiber Communication Conference）會議上被提出的。當時提出的是直接調(diào)制分布反饋激光器的多模光纖OFDM傳輸系統(tǒng)，它可以把10Gb/s的信號沿多模光纖傳輸1000米，這相對以前的多模光纖通信來說已經(jīng)是一個很大的進步。OOFDM技術(shù)結(jié)合光纖通信的優(yōu)點和OFDM信號調(diào)制的特點，可以構(gòu)造出高速率、大容量及低成本的光傳輸網(wǎng)絡，可快速完成大量并行數(shù)據(jù)的傳輸，并且具有良好的信道容量可拓展性，能在現(xiàn)有的網(wǎng)絡上可以很好地升級和過渡。可見，光纖通信系統(tǒng)和正交頻分復用技術(shù)的結(jié)合是通信技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

在高強度電磁場中，任何電介質(zhì)對光的響應都會變成非線性的，光纖也不例外。簡單言之，介質(zhì)非線性效應的起因與其束縛電子的非諧振運動有關(guān)，電偶極子感應的總極化強度P對于電場E是非線性的[4]。通常情況下，玻璃材料中的非線性效應非常微弱，但是當光信號在光纖中傳輸時，由于光纖的芯徑非常小，致使光纖中光信號的功率密度很高，加之傳輸距離長，光纖的非線性影響會更顯著。

2 OOFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

本文根據(jù)OOFDM的基本原理，搭建出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)可以分為五部分：OFDM基帶信號發(fā)射機、電/光變換、光纖鏈路、光/電檢測和OFDM基帶信號接收機。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

3 OOFDM系統(tǒng)仿真

圖1中的發(fā)送部分使用偽隨機0、1二進制序列數(shù)據(jù)流，比特速率為1GBit/s，經(jīng)不歸零脈沖產(chǎn)生器整流之后送入Matlab模塊，串并變換后，對每路數(shù)據(jù)進行4進制的QAM調(diào)制，再映射為對應的復數(shù)，再對其進行2048點的IFFT變換，其中，子載波數(shù)設為128，調(diào)制速率為20GHz；載波進行并串變換后，在每個信號前加入循環(huán)前綴，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)镺FDM基帶模擬信號，再將基帶信號通過馬赫曾德爾調(diào)制器調(diào)制到光載波上，進入光纖進行傳輸，光纖鏈路部分采用長度為50km的標準單模光纖，衰減常數(shù)α=0.2dB/km，光源由連續(xù)激光器產(chǎn)生，光功率為0dBm，波長為1550nm，線寬為1MHz。光電檢測器（PIN）的靈敏度設定為1A/W，暗電流為10nA，接收端信號處理是發(fā)送端的逆過程。為了減少噪聲的干擾，濾波器是必需的，為了獲得一定幅度的輸出信號，放大器也是必需的，通過PIN檢測器和I/O解調(diào)后的光信號再通過增益為40dB的放大器，解調(diào)出OFDM基帶模擬信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、去除循環(huán)前綴和串并變換，再靜同樣點數(shù)的快速傅立葉變換，在輸出端將每路復數(shù)信號映射解調(diào)為4進制QAM星座點，經(jīng)并串變換后，最終輸出二進制串行數(shù)據(jù)。OOFDM的仿真架構(gòu)如圖2所示。

4 非線性效應對OOFDM系統(tǒng)的影響研究

根據(jù)以上的仿真系統(tǒng)，設置光纖長度為50km，光纖損耗為0.2dB/km，子載波數(shù)為128，有效纖芯面積=100μm2，非線性折射率n2=3.4×10-20m2/W，光功率為-10dBm，工作波長為1550nm。

理論研究表明，有效纖芯面積（Aeff）的增加可以更有效地克服非線性效應的影響。根據(jù)仿真結(jié)果圖3和圖4可以觀察到，在其他參數(shù)不變的情況下，有效纖芯面積減小，非線性效應更加明顯，使OOFDM系統(tǒng)的輸出星座圖分散，信號判決困難，信號相位失真，幅度衰減，輸出波形失真等影響。對于光纖通信系統(tǒng)，可以選用有效纖芯面積大的光纖來減小非線性效應。另外非線性效應還會造成一些額外損耗和干擾，當傳輸距離增大時，這種影響還會加重。

光纖中的最低階非線性效應起源于三階極化率，它是引起諸如三次諧波、四波混頻及非線性折射等現(xiàn)象的原因[5]。然而，除非采取特別的措施實現(xiàn)相位匹配，涉及新頻率產(chǎn)生的非線性過程在光纖中是不易發(fā)生的。因此，光纖中的大部分非線性效應起源于非線性折射，而影響非線性折射的重要系數(shù)就是非線性折射率系數(shù)n2，兩者之間的關(guān)系為n2=3/8nRe（χ（3）），其中χ（3）為三階極化率，非線性折射率系數(shù)n2越小，非線性效應越強。本文改變仿真系統(tǒng)中n2的值，仿真結(jié)果與圖3和圖4類似，也證明了非線性效應的增強會加重對系統(tǒng)正交性的破環(huán)。

由于非線性效應會使傳輸信號的相位和幅度改變，星座圖原本為四個點，相位偏移造成四個點分散并旋轉(zhuǎn)，信號幅度改變造成四個點向外擴散，仿真結(jié)果表明，非線性效應會破環(huán)OOFDM系統(tǒng)的正交性，使星座圖分散、偏移，信號相位和幅度失真，導致信號判決出錯，嚴重影響系統(tǒng)的傳輸性能。

5 結(jié)論

本文結(jié)合仿真模型，通過改變影響非線性效應的參數(shù)，分析星座圖，得到了非線性效應對OOFDM系統(tǒng)性能的影響：非線性效應會破壞OOFDM系統(tǒng)的正交性，最終導致信號星座圖分散、模糊，信號判決困難，誤碼率增加，輸出波形失真，非線性效應強度與破壞性成正比，即非線性效應越強，對系統(tǒng)傳輸性能的影響越大。

【參考文獻】

[1]梁猛，等.基于OptiSystem的相干光OFDM系統(tǒng)的仿真研究[J].光通信技術(shù)，2011.

[2]王振寶，等.光纖通信系統(tǒng)中的非線性效應研究[J].光通信研究，2011.

[3]張洪波.正交頻分復用新技術(shù)在光纖傳輸系統(tǒng)中的應用研究[D].電子科技大學，2014.

[4]王封.OFDM技術(shù)在光纖通信系統(tǒng)中的研究[D].長春理工大學，2014.

[5]張磊.光正交頻分復用系統(tǒng)接收技術(shù)的研究[D].北京郵電大學，2011.

[責任編輯：楊玉潔]