基于模分復(fù)用的100 Gb/s OFDM傳輸系統(tǒng)研究*

程吉喆，劉戰(zhàn)勝，吳慶典

（江蘇大學(xué) 計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

具有低色散特性且穩(wěn)定性好的單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）的全球?qū)拵ㄐ盘峁┝艘环N技術(shù)手段。然而，目前較為成熟的傳輸技術(shù)幾乎達(dá)到了SMF系統(tǒng)的容量極限。光空分復(fù)用（Optical Space Division Multiplexing，OSDM）是不同空間位置傳輸不同信號的復(fù)用方式，通過在一根光纖中以模式或多芯的形式來利用物理維度空間。將來，為了擴大容量，研究的方向是尋找能夠利用空間維度[1]的傳輸方案，尤其是短距離的室內(nèi)高速接入，期望能夠有效應(yīng)對目前不斷增長的傳輸能力需求，克服亟待解決的容量危機。文獻(xiàn)[2]提出使用少模光纖來實現(xiàn)空分復(fù)用的具體解決方案，利用了FMF的空間正交模式即模分復(fù)用（Mode Division Multiplexing，MDM）。每個模式作為一個獨立的信道進(jìn)行傳輸，減少了模態(tài)色散且每個模式信道的性能原則上與SMF相似。少模光纖適用于室內(nèi)接入，如小區(qū)內(nèi)的電箱到樓道、樓道到用戶、用戶之間的連接等，距離不長，但對數(shù)據(jù)速率有較高要求。

二進(jìn)制啟閉鍵控[3]（On-Off Keying，OOK）是最簡單的二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制方式，以單極性不歸零碼序列來控制正弦載波的開啟與關(guān)閉，但頻譜利用率低。正交頻分復(fù)用[4]是一種多載波調(diào)制技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域。OFDM實現(xiàn)復(fù)雜度低，通過將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流來傳輸。OFDM由于具有保護(hù)間隔和循環(huán)前綴，能夠有效抵抗多徑效應(yīng)帶來的碼間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI）和子載波干擾（Interchannel Interference，ICI）。OFDM系統(tǒng)由于各個子載波間具有正交性，允許子信道的頻譜相互重疊，因此OFDM可以充分利用頻譜資源，克服傳統(tǒng)多路傳輸方法中頻譜利用率低的缺點，頻譜優(yōu)勢明顯，能夠提高頻譜的利用率。

在短距離傳輸系統(tǒng)中，已經(jīng)有一些空分復(fù)用研究成果。Franz等人[5]報道空分復(fù)用使用模式組在一個5公里標(biāo)準(zhǔn)的漸變型多模光纖中用二進(jìn)制啟閉鍵控調(diào)制和直接檢測的方式傳輸信號。在這種模式下，用一個由相位掩模組成的模式轉(zhuǎn)換器來激發(fā)所需的模式。Gasulla等人[6]在1公里的FMF中使用四組模式，使用直接檢測的OOK傳輸4種不同的數(shù)字信號。文獻(xiàn)調(diào)研表明，少模串?dāng)_對短距離傳輸信號的影響不大。

1 原理介紹

1.1 線偏振模

光纖是一種通過在纖心和包層之間有足夠小的折射率差來滿足弱導(dǎo)波條件的較完美圓柱形結(jié)構(gòu)，線偏振模[7]通常被表示為LPmn。線性由它的空間分布和傳播常數(shù)β決定。在柱坐標(biāo)系下，纖芯和包層的場分別為[8]：

式中，A、U、W、R、Jm、Km分別為模式振幅、纖芯橫向傳播常數(shù)、包層橫向傳播常數(shù)、光纖半徑、m階貝塞爾函數(shù)和m階修正貝塞爾函數(shù)，r為場的分布位置。

在弱導(dǎo)波條件下，可得到線偏振模的特征方程[9]：

式（3）與式（4）是相互等價的[10]。

利用U、W與V、k0、n、β的關(guān)系，即：

式 中：V為 光 纖 歸 一 化 頻 率，V=(2πR/λ0)(-)1/2，λ0為工作波長，k0為波數(shù)，k0=2π/λ0，n1和n2分別為光纖纖芯和包層的折射率。為解出特征參數(shù)U、W、β，可確定各個線偏振模的橫向場分布特點和縱向傳播特性[11]。

這里，LPmn模的模序數(shù)m和n有著明確的物理含義，m是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，同時又完全確定了場量沿φ方向的分布規(guī)律。在φ方向的場量按cos(mφ)規(guī)律變化，當(dāng)φ從0～2π變化一周時，場量將出現(xiàn)2m個極大點和2m個零點；n則反映了場量沿半徑方向取極值的個數(shù)。在LP模的特征方程中，m表示方程的階數(shù)，n表示各階方程的第n個有效解，即LPmn模表示m階特征方程的第n個根。

1.2 系統(tǒng)模型

本文提出了使用OFDM發(fā)生器和垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)生的信號結(jié)合模分復(fù)用通過少模光纖成功傳輸四路25 Gb/s的信號，即共100 Gb/s室內(nèi)高速光接入的通信系統(tǒng)模型，如圖1所示。在發(fā)射端，首先在電域生成四路經(jīng)過OFDM調(diào)制的信號，分別加載到四路能夠由垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)生的光波長為850 nm的光上，形成四路并行的不同模式的光信號，至此進(jìn)入光域。將四種模式的信號耦合為一路光信號通過少模光纖傳輸300 m的距離。在接收端，通過四個模式選擇器分別篩選出四種不同模式的信號，通過光電轉(zhuǎn)換器把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再次進(jìn)入電域。對進(jìn)入電域的四路信號分別進(jìn)行解調(diào)，根據(jù)解調(diào)后的結(jié)果，直接計算出系統(tǒng)中每一路的誤碼率，并畫出四路信號各自的星座圖。通過對系統(tǒng)的誤碼率分析比較和星座圖的分布情況來觀察系統(tǒng)的性能。

圖1 100 Gb/s OFDM傳輸系統(tǒng)模型

2 仿真結(jié)果

本文仿真實驗由Optisystem和Matlab仿真平臺聯(lián)合實現(xiàn)。對基于模分復(fù)用的少模光纖通信系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析，主要驗證了該系統(tǒng)在四種模式并行傳輸和100 Gb/s高數(shù)據(jù)速率傳輸條件下的系統(tǒng)性能。為了保證仿真結(jié)果的可靠性，在Optisystem軟件中設(shè)置仿真的數(shù)據(jù)序列長度為16 384 bit，系統(tǒng)發(fā)射端的信號發(fā)送功率為-25 dBm，單路數(shù)據(jù)速率為25 Gb/s，每比特采樣數(shù)為32，少模光纖的傳輸距離為300 m。OFDM調(diào)制模塊和解調(diào)模塊通過在Matlab仿真平臺編寫程序完成，主要包括4QAM（也就是QPSK調(diào)制/解調(diào)）、串并/并串轉(zhuǎn)換、IFFT/FFT等。系統(tǒng)中OFDM子載波數(shù)目為256，共軛子載波數(shù)為256。本仿真設(shè)置的循環(huán)前綴為16，垂直腔表面發(fā)射激光器輸出的光波長為850 nm，偏置電流為5 mA。本仿真通過先掃描輸入功率來確定最佳輸入功率，后掃描數(shù)據(jù)速率來確定可以傳輸?shù)淖畲笏俾剩瑥亩_定本系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定。

圖2顯示了在少模光纖傳輸長度為300 m，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率為25 Gb/s時，對輸入功率進(jìn)行掃描的結(jié)果。在-25～-10 dBm的范圍內(nèi)，只改變輸入功率，其他條件不變，比較誤碼率大小。由圖2可以看出，在系統(tǒng)輸入功率為-20 dBm時，四路OFDM信號的誤碼率均為最小。因此，系統(tǒng)固定四路輸入端的功率均為-20 dBm。

可以看出，隨著信號輸入功率的增大，信號的誤碼率性能先是逐步變好，輸入功率到達(dá)-20 dBm后開始逐步變差。可見，-20 dBm時是系統(tǒng)的最佳輸入功率。因此，選定系統(tǒng)輸入端的輸入功率為-20 dBm，以期達(dá)到較好的仿真結(jié)果。

圖3 顯示四路25 Gb/s的OFDM信號并行傳輸時對系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率掃描的結(jié)果，范圍是15～35 Gb/s。一般來說，對于取對數(shù)后的誤碼率，要求小于-2.3 dB，保障對系統(tǒng)的傳輸性能的要求。也就是說，在現(xiàn)有模式下，25 Gb/s是能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)速率。

由圖3可以看出，數(shù)據(jù)速率從15 Gb/s開始，隨著比特率的增大，誤碼率較快速增大。25 Gb/s是一個分界點，25 Gb/s到35 Gb/s的誤碼率增長幅度有所減緩。結(jié)合一般對誤碼率的要求綜合考慮，選擇25 Gb/s的數(shù)據(jù)速率率作為仿真最后的傳輸速率較為合適。

圖3 掃描不同比特率的誤碼率

圖4 顯示了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送端功率為-12 dBm，系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為25 Gb/s，四路OFDM信號通過300 m的少模光纖，接收端解調(diào)出的四路OFDM信號的星座圖中的一個。星座圖中點的發(fā)散程度代表了原始信號經(jīng)過多模光纖信道后的失真程度。

圖4 數(shù)據(jù)速率25 Gb/s，輸入電信號功率-12 dBm時的星座圖

由圖4可以看出來，四路信號的QPSK星座圖的下面兩個點相對于上面兩個點有部分錯位問題。雖然星座點中心部分點較為集中，但是整體上星座圖四個點邊界不清楚，融合到一起且向四周延伸。系統(tǒng)計算的誤碼率為-1.792 4 dB，數(shù)值較大。即對接收到的四路信號的解調(diào)是不成功的，不能清晰分辨四個星座點，不能達(dá)到良好的通信性能。

圖5顯示了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送端功率為-25 dBm，系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為25 Gb/s，四路OFDM信號通過300 m的少模光纖，接收端解調(diào)出的四路OFDM信號的星座圖之一。

由圖5可以看出，四路信號的QPSK星座圖四個點均無明顯錯位問題。雖然星座點邊緣部分點分布有些許散亂，但是整體上四個星座點邊界比較清楚，即對接收到的四路信號的解調(diào)是成功的，能夠清晰分辨出四個星座點，不易發(fā)生誤判，能夠達(dá)到良好的通信性能。

圖5 數(shù)據(jù)速率25 Gb/s，輸入電信號功率-20 dBm時的星座圖

3 結(jié) 語

少模光纖室內(nèi)高速接入是當(dāng)前高速光纖傳輸系統(tǒng)研究的熱點問題之一。本文對將模分復(fù)用應(yīng)用到少模光纖做了嘗試與研究。通過傳輸OFDM信號對系統(tǒng)進(jìn)行性能驗證。通過增加路數(shù)即同時傳輸四路并行的OFDM信號來實現(xiàn)大容量信息傳輸，以滿足目前對高速的需求。本文對系統(tǒng)輸入功率和數(shù)據(jù)速率進(jìn)行了嚴(yán)格測試與驗證，證明了模分復(fù)用結(jié)合少模光纖實現(xiàn)了100 Gb/s數(shù)據(jù)傳輸，為其在室內(nèi)應(yīng)用提供了依據(jù)。