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光纖非線性效應(yīng)對光OFDM信號的影響研究

作者: 時間:2016-11-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

  光正交頻分復(fù)用(Optical Orthogonal Frequency Di-vision Multiplexing,O-OFDM)技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種新型光傳輸技術(shù),它是將正交頻分復(fù)用(Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)用于信道的一種技術(shù)。在信道中傳輸,可以提高頻譜的利用率,而且能夠很好的抵抗色散和各種噪聲干擾,有更高傳輸速率和帶寬。然而由于是由多個經(jīng)過調(diào)制的子載波信號疊加而成的,這樣就有可能產(chǎn)生較大的峰均比(PAPR),會直接帶來傳輸介質(zhì)--,主要包括自相位調(diào)制(SPM)、互相位調(diào)制(XPM)和四波混頻(FWM)等。通過研究光纖在光纖中傳輸?shù)挠绊懀梢垣@得信號的變化規(guī)律,以利于尋找合適的信號補償方法。

  1 光OFDM的基本原理

  基本的O-OFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。將原始二進(jìn)制序列,通過串/并轉(zhuǎn)換映射到N 個并行子載波信道上,此時每一個調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期擴展為原始序列的N 倍,時延擴展和符號周期的數(shù)值比也降低了N 倍。

  然后分別對每個子載波信道上的序列進(jìn)行QAM 調(diào)制后,進(jìn)行傅里葉逆變換IFFT,此時數(shù)據(jù)頻域上的表達(dá)式變換到時域上,傳輸?shù)谋忍財?shù)分別映射為子載波的幅度和相位。然后再將信號進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換,然后再對信號進(jìn)行I/Q轉(zhuǎn)換和上頻變換,經(jīng)過馬赫曾德調(diào)制器后,將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,送入光纖中傳輸。經(jīng)過光檢測,下變頻和I/Q 解調(diào)后,信號還原為電信號,再經(jīng)過串/并轉(zhuǎn)換將信號映射到N 個并行子載波信道上,再經(jīng)過傅里葉變換FFT,將時域上的信號變到頻域上,通過QAM解調(diào)和并串轉(zhuǎn)換后,信號還原為一個串行輸出序列。

  O-OFDM工作原理圖

  2 光OFDM信號在光纖中的傳輸

  OFDM信號在光纖中傳輸?shù)哪P?,可以用非線性薛定諤方程(NLSE)來描述:

  非線性薛定諤方程

  式中:A(z,T) 為脈沖包絡(luò)的慢變振幅;z 是脈沖沿光纖傳播的距離;T = t - β1 z,β1 = 1 Vg ,Vg 是群速度;α 是光纖損耗系數(shù);β1,β2 分別為一階和二階色散系數(shù);γ 是非線性系數(shù)。歸一化振幅:U = A(z,T) P0 ,P0 是入射脈沖的峰值功率。此時式(1)可以寫成:

  非線性

  由于非線性薛定諤方程一般無法直接求出解析解,所以需要來求數(shù)值解。分步傅里葉變換法是其中的一種方法。分布傅里葉變換法的思想就是選定一個光信號傳輸距離h ,當(dāng)h 很小的時候,可以分別計算色散和對脈沖的影響,得到近似的結(jié)果。當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸了h 2 時,計算色散作用;然后在z + h 2計算非線性作用;當(dāng)光脈沖繼續(xù)傳輸h 2 以后計算色散作用,得到傳輸距離為h 的近似解。最后綜合色散影響的結(jié)果和非線性影響的結(jié)果,就得到光脈沖信號在光纖中傳輸距離h 時的近似解。

  3 仿真結(jié)果及分析

  3.1 仿真流程

 ?。?)生成OFDM電信號:設(shè)定QAM調(diào)制指數(shù)和子載波個數(shù),將一個隨機序列調(diào)制成一個OFDM信號。

  (2)調(diào)制光源:用上一步得到的OFDM 信號調(diào)制光源得到光OFDM信號。

  (3)分步傅里葉方法求解:設(shè)定光纖信道參數(shù)和算法步長,使用分步傅里葉方法解非線性薛定諤方程,仿真光OFDM信號通過光纖的過程,得到經(jīng)過光纖傳輸后的信號。

  (4)光電檢測:進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,將經(jīng)過光纖傳輸后的信號轉(zhuǎn)換為電信號。

 ?。?)信號補償處理:根據(jù)OFDM 信號的參數(shù)和光纖的參數(shù),進(jìn)行相應(yīng)的信號幅度和相位的補償,排除光纖的色散和衰減的影響。

 ?。?)OFDM解調(diào):根據(jù)OFDM信號的QAM調(diào)制指數(shù)和子載波個數(shù),對OFDM信號進(jìn)行解調(diào),恢復(fù)原始信號序列。

 ?。?)誤碼分析:對比發(fā)送端的輸入序列和接收端的輸出序列,分析系統(tǒng)誤碼特性。

  為簡化起見,認(rèn)為其他器件均為理想器件,只考慮光纖對信號的影響。

  3.2 仿真結(jié)果

  3.2.1 誤碼率的計算

  對于一個輸入序列,參照流程得到傳輸后的序列可得出誤碼特性。通過大量隨機產(chǎn)生的輸入序列可以統(tǒng)計出信號的峰均比分布,同時統(tǒng)計出在相應(yīng)峰均比下的誤碼率,可以得出系統(tǒng)誤碼率分布和平均系統(tǒng)誤碼率。

  計算方法如下:

  記信號的峰均比概率分布記為p(PAPR),相應(yīng)峰均比下的誤碼率分布記為BER(PAPR),則系統(tǒng)誤碼率分布為p(PAPR)* BER(PAPR),系統(tǒng)平均誤碼率為Σ(p(PAPR)* BER(PAPR))。

  采用16QAM調(diào)制方式,選取光纖長度Ld=300 km,衰減系數(shù)α =0.2 dB/km,光纖二階色散系數(shù)β2 =-30e-27 s2/m,步長h=1 km,初始光功率設(shè)定為0.64 mW,傳輸速度為10 Gb/s,非線性系數(shù)γ = 0.1 W-1km-1,子載波數(shù)為64個,經(jīng)多次計算,可得到OFDM 信號峰均比的概率分布(見圖2)、誤碼率隨峰均比的分布(見圖3)、系統(tǒng)誤碼率分布(見圖4)。此時系統(tǒng)平均誤碼率為0.001 9.

  概率分布

  誤碼率

  3.2.2 子載波數(shù)的影響分析

  在上述光纖參數(shù)條件下,傳輸10 Gb/s,使用16QAM調(diào)制可得到8個、32個、64個、256個子載波下接收端的星座圖(見圖5)、峰均比分布圖(見圖6)和平均系統(tǒng)誤碼率隨子載波數(shù)的變化曲線(見圖7)。

  星座圖

  系統(tǒng)平均誤碼率變化曲線

  可以看出,隨著子載波數(shù)的增加,系統(tǒng)的性能越來越差,誤碼率會隨之增大。這是由于OFDM 系統(tǒng)中每個OFDM 符號是由多個經(jīng)過調(diào)制的子載波相互疊加而成,當(dāng)多個子載波被相同相位的信號調(diào)制時,疊加后就會產(chǎn)生很大的峰值功率,子載波數(shù)越多,疊加越多,信號峰值就會越大,引起的光纖非線性效應(yīng)就會越強,從而造成誤碼率越高,使OFDM 系統(tǒng)的性能下降。

  3.2.3 QAM調(diào)制方式的影響分析

  參數(shù)為光纖長度Ld =300 km,衰減系數(shù)α =0.2 dB/km,光纖二階色散系數(shù)β2 =-30e-27 s2/m,步長h =1 km,初始光功率設(shè)定為0.64 mW,傳輸速度為10 Gb/s,子載波數(shù)為64 個,非線性系數(shù)γ = 0.01 W-1km-1 時,可得使用16QAM,64QAM,256QAM 調(diào)制時系統(tǒng)平均誤碼率隨QAM調(diào)制數(shù)的變化曲線,如圖8所示。

  系統(tǒng)平均誤碼率變化曲線

  可以看出隨著QAM 調(diào)制的指數(shù)越來越高,系統(tǒng)平均誤碼率越來越高。這是因為QAM 調(diào)制數(shù)越高,信號序列會被劃分的更精細(xì),對光纖的非線性效應(yīng)造成的影響會更敏感。

  4 結(jié)語

  正交頻分復(fù)用信號在光纖中傳輸會受光纖非線性效應(yīng)影響。分析OFDM 信號在光纖中傳輸所受光纖非線性影響,有助于系統(tǒng)性能的改善。利用分步傅里葉方法求解OFDM信號傳輸?shù)姆蔷€性薛定諤方程,分析光纖非線性效應(yīng)對光纖中OFDM 信號的影響。計算結(jié)果表明,在光纖衰減系數(shù)、一階色散系數(shù)、光纖非線性系數(shù)一定的情況下,系統(tǒng)的誤碼率隨著子載波數(shù)的增加而增加。而隨著QAM調(diào)制方式的更加精細(xì),系統(tǒng)對光纖非線性也越來越敏感??梢钥闯鲈谑褂霉饫w傳輸OFDM信號時,調(diào)制一個合適子載波數(shù)的OFDM信號和選擇一個合適的QAM調(diào)制方式,對于整個系統(tǒng)來說是關(guān)鍵因素。



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