相干光OFDM在高速光传输中的应用

李 波， 郝耀鸿

(军事体育进修学院，广东 广州 510502)

0 引言

基于10 Gb/s波分复用技术（WDM）的光通信系统是信息传输的主要承载平台，40 Gb/s的商用系统也已开始部署，随着IP业务的发展和网络流量的提升，对100 Gb/s甚至更高速率光传输系统的需求更为迫切。目前在100 Gb/s光通信系统实现方案中，主要有电时分复用（ETDM）技术、光时分复用（OTDM）、偏振复用（PDM）+正交相对相移键控（DQPSK）方案、相干检测+数字信号处理（DSP）技术以及光正交频分复用（光 OFDM）系统[1-2]。ETDM采用减小符号持续时间的方法来增加系统容量，增加了符号间干扰，严重影响系统性能；OTDM技术要求在光域内实现复用/解复用、时钟提取等技术，目前离实用阶段还有距离；PDM+DQPSK技术采用偏振态和相位的双重调制，但由于偏振模色散影响，偏振状态随频率会发生改变，这要求能进行自动调整，使两偏振光始终保持分离，因而需要通过光偏振控制器等复杂光器件来调节偏振态，系统光学结构复杂、相位调制容限低。CO-OFDM 结合“相干光通信”、“OFDM多载波调制”以及“数字信号处理”等技术，可有效抵制光纤色散，具有频谱利用率高、均衡实现简单等优点[3-4]，有望成为解决长距离、高速光传输的首选方案。

1 相干光OFDM系统方案

1.1 基本思想

采用多载波复用技术，将串行高速信息转换为并行低速传输，每一个子载波信道近似为平坦信道，加上循环前缀的采用，可完全消除由色散引入的符号间串扰（ISI）；同时，光OFDM系统不需要加入复杂的色散管理机制，减小了网络的复杂度和系统建设运行的成本。

采用的快速傅里叶变换算法（IFFT/FFT），实现子载波的调制和解调，有效降低实现复杂度；并且随着数字信号处理（DSP）的发展，可进一步降低算法实现复杂度。

选择正交子载波，有效提高频带利用率。CO-OFDM 系统采用一组正交子载波承载信息，允许子载波频谱相互重叠，最大限度地利用了频谱资源，充分提高频谱效率（提高到2.9 bit/s/Hz以上，IM/DD的WDM系统频谱效率为1 bit/s/Hz），大大降低每比特传输成本，并且通过与复用技术以及M-QAM 等先进调制制式相结合，可进一步提高频谱效率[5]。

1.2 发送机方案

CO-OFDM系统发送端主要实现OFDM信号的产生、调制及上变频。单载波系统针对的是基于强度调制的单极性（正数）离散数字信号，而CO-OFDM 系统在发射机结构上与单载波系统有很大不同，增加了数字信号处理模块（DSP）和数模转换模块（DAC），采用的是光域调制[6]，驱动电信号为双极性模拟信号（有正负），由于信号PAPR较大，CO-OFDM系统对 MZM线性调制特性要求也更为严格，如图1所示。因此，对于CO-OFDM系统发送机，最重要的就是实现MZM对OFDM信号的线性调制。

图1 CO-OFDM系统发射机结构

1.3 接收机方案

CO-OFDM 系统接收机主要完成信号的检测、解调及信号处理。光电检测部分主要是把光OFDM信号转换为电信号，电接收部分对OFDM信号进行解调及电域处理。CO-OFDM 系统采用平衡光电检测器[7]，一般包括光带通滤波器（OBPF）、光电二极管（PD）、耦合器和低通电滤波器（ELPF），通过加入耦合器将接受信号与本地光载波混频，然后再用光电二极管进行平衡式接收。由于OFDM信号为复数信号（I/Q支路），所以需要有两套平衡接收器，分别用来解调和检测信号的实部（I）和虚部（Q），如图2所示。

图2 CO-OFDM系统平衡接收机结构

光电二极管后加入一个减法运算器，对两个输出电流进行差分运算，I支路差分电流：

通过减法运算，得到Q支路差分电流：

平衡光检测后，通过低通滤波器滤除高频噪声，从而得到两支路信号。从式（7）可知，如果本地载波与接收信号光载波同频，那么通过平衡接收器检测后的输出I/Q支路信号就是接收信号的实与虚部；通过平衡接收检测后的信号噪声成分通过差分运算被有效抵消，对提高系统接收灵敏度十分有益。

1.4 色散均衡算法

接收端OFDM信号与发送信号比较，幅度、相位均发生了变化，除了由光纤色散引入的相位偏移外，还有由 ASE引入的随机加性高斯白噪声nk,i和由激光器相位漂移引入的对符号内子载波都相同的噪声φi。CO-OFDM系统中射频信号上变频以及光信号检测都基于线性转换，系统模型可等效为并行线性信道的叠加[8]，如图 3所示，其中xi,k、yi,k分别是发送端和接收端信号，hk是OFDM信号中每一个子载波信道的传输函数。

图3 CO-OFDM系统等效信道模型

在单载波系统中，信号调制是在时域实现，而CO-OFDM 系统则是在频域完成，这样可以将信息更准确地调制到子载波上，更重要的是由于系统中OFDM信号的线性传输，可以通过插入训练序列和导频序列，与已知发送信息比较，利用导频序列估计出导频位置的频率响应值，然后再从导频位置的初始估计出发得到信道其它所有位置的估计值，从而得到整个信道的传输函数，进而实现信号均衡[9]。CO-OFDM 系统的这一色散补偿特性，也是将OFDM技术应用于长距离、高速光传输系统的重要原因之一。

2 数字仿真结果

对 CO-OFDM 系统中马赫-曾德尔光调制器[10]（MZM）非线性特性进行了数字仿真。图 4为CO-OFDM系统品质因子Q与MZM偏置点关系曲线[11]。从中可以看出，系统Q值随着MZM偏置点的选择而变化。当偏置点在积分点时（ β= π/4），系统Q值为6.9 dB；当偏置点在零点时（ β= π/2），系统Q值为17.5 dB，达到最大值，较积分偏置点系统性能提高10 dB以上；之后，随着偏置点的变化，系统Q值逐渐减小。

图4 CO-OFDM系统中MZM偏置点选择与系统Q值关系曲线

对CO-OFDM系统均衡前后信号星座图进行仿真，如图5所示。经过光纤传输，色度色散产生相位偏移使信号星座图产生旋转，各象限点混叠，无法进行有效判决，如图5（a）所示。通过提取训练序列，估算出各子载波信道函数，经频域均衡（复数相乘）后的信号星座图，基本收敛到原象限，大大较少了信号点混叠，星座图紧凑有序，误判点回到原象限，信号可实现正确接收，如图5（b）所示。

图5 CO-OFDM系统均衡前后接收信号星座图

3 结语

相干光正交频分复用系统（CO-OFDM）是有望成为未来解决100 Gb/s高速光传输实现方案之一。采用子载波并行传输，可有效抑制光纤色散效应；子信道等效为非频率选择性衰落信道，单抽头频域均衡实现简单；调制/解调采用快速傅里叶变换算法（IFFT/FFT），大大降低系统实现复杂度。但由于单模光纤纤芯很细，受到多种非线性效应的影响严重[12]，而无线信道没有非线性效应，因此对CO-OFDM系统非线性效应研究也非常重要。

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