陈 彪， 高 爽， 顾 典

(浙江大学 光电工程学系, 浙江 杭州 310058)

0 引 言

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术凭借高传输速率、抗色散能力、高频谱利用率等优势，在有线和无线通信领域有着广泛的应用[1-10]。OFDM 光通信系统可以在电域进行有效的光纤色散补偿，有效解决了传统光纤色散分段补偿昂贵耗时问题[8-10]；同时，数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)技术在处理速率和带宽方面已有很大发展，使得OFDM调制能够与光通信结合在一起。OFDM已经成为下一代光网络最有前景的调制方式之一，能够实现高速信息传输。

本文设计一种光直接检测型即DD-OFDM系统结构[11-15]，这种结构是基本的，但能够反映OFDM光通信系统的主要特征，且离实用距离较近。讨论了基于DD-OFDM建立OFDM光通信实验系统。

1 实验系统设计

1.1 DD-OFDM光通信系统

如图1所示，DD-OFDM光通信系统包括OFDM信号的构造、OFDM信号的析构以及光纤传输链路。OFDM信号的构造过程如下：输入的串行数据比特数据先经过正交调幅(QAM)映射，再经过串并转换，由离散傅里叶反变换(IDFT)加载到正交子载波上，组成OFDM符号。通过IDFT得到的数字时域信号，随后插入保护间隔并通过数/模转换成实时波形。OFDM信号的析构过程如下：利用模/数转换器进行抽样，然后通过离散傅里叶变换(DFT)进行解调和QAM反映射，恢复出数据。光纤传输链路通过光强调整把OFDM电信号转换为光信号发送到光纤中传输，接收端通过光强解调把OFDM光信号转换为电信号。

1.2 厄米对称序列

通常情况下，IFFT变换获得的序列是复数，需要2个传输通道。本实验中采用单通道光纤传输链路，因此将QAM调制后的序列构造成厄米对称序列，使IFFT变换后获取的序列为实数，能够采用单通道传输。QAM调制后的序列设为X=X0,X1,…,XN/2-1，IFFT输入端设为I=I0,…,IN-1，则[16]

(1)

2 实验系统实现

如图2所示，OFDM符号由任意信号发送器AWG(Arbitrary Wave Generator)产生，AWG完成D/A转换；DFB激光器与光隔离器相连，避免反射光对激光器的影响；用IM(Intensity Modulator)实现电光转换，由于IM对于偏振敏感，因此前面接入偏振控制器PC(Polarization Controller)；光探测器PD带有放大电路，完成信号的光电转换；由数字系列分析仪DSA(Digital Serial Analyzer)接收电信号，完成A/D转换。

实验系统实现10 Gbit/s的信号传输，采用64路子载波传输，16QAM调制，即，AWG采样率设定为10 GS/s，DSA的采样率设定为100 GS/s。 DD-OFDM系统一般采用分布反馈式激光器(DFB-LD)直接调制或者采用马赫-曾德光调制器(MZM)进行外调制。在实际应用中，高速传输或者长距离链路，直接调制不能展现良好的性能，往往采用外调制。实验系统中，设置DFB-LD输出功率为8 dBm，AWG采样率为10 GS/s，Upp为0.6 V，MZM的偏置电压定为-1.6 V，GAIN为2，光纤长度为25 km，光探测器接收的最大功率为-9.58 dBm，DSA的采样率为100 GS/s。实验系统所用仪器及主要器件型号及说明见表1。

表1 系统所用仪器及主要器件

3 实验结果及分析

实验中，二进制序列长度为25 600，经过16QAM，数据长度减为1/4。采用64路载波，其中16路载波传输数据，16路是数据的共轭，其余32路传输0，IFFT输入端为厄米对称序列，是4倍过采样率。由于4倍过采样，数据长度仍为25 600。将数据导入AWG中，AWG与DSA直接相连。由于25 600数据量较低，实验过程进行多次实验，获得有效误码率。本次采用四组数据，测得误码率均为0。

按图2建立实验系统，在接收光功率不同的情况下进行误码率的测试，序列长度为25 600，测试4组不同的序列，获得数据见表2。图3是光探测器的星座图。其电信号幅度随着光功率的减小而明显降低，星座图也更加分散。误码率与光接收功率的关系曲线如图4，可以看出，光接收功率越低，误码率越高。

(a)接收功率-9．58dBm(b)接收功率-13．76dBm

图3 实验结果星座图

图4 误码率与光接收功率的关系曲线

4 结 语

基于DD-OFDM设计了正交频分复用光通信实验系统，实现10 Gbit/s二进制序列经16QAM映射、64载波传输、在25 km单模光纤中的可靠传输，并且讨论了在不同接收光功率条件下系统的传输性能。为正交频分复用高速光通信系统的教学与科研提供实验平台和实验样板。

[1] Weinstein S, Ebert P. Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform[J]. IEEE Transactions on Communication Technology, 1971,19(5): 628-634.

[2] Bingham J A C. Multicarrier Modulation for Data Transmission: An idea whose time has come[J]. IEEE Communications Magazine, 1990, 28(5):5-14.

[3] Li X, Hong S, Therrien F,etal. Intercarrier interference immune single carrier OFDM via magnitude-keyed modulation for high speed aerial vehicle communication[J]. IEEE Trans on Communications, 2013, 61(2): 658-668.

[4] 伍伟池,张多英. 光正交频分复用的关键技术研究[J]. 光通信技术, 2013, 37(11): 5-8.

WU Wei-chi,ZHANG Duo-ying. Research on the key technologies of optical orthogonal frequency division multiplexing[J]. Optical Communication Technology, 2013, 37(11): 5-8.

[5] Cvijetic N, Cvijetic M, Huang M F,etal. Terabit optical access networks based on WDM-OFDMA-PON[J]. Journal of Lightwave Technology, 2012, 30(4): 493-503.

[6] Cvijetic N, Qian D, Hu J. 100 Gb/s optical access based on optical orthogonal frequency-division multiplexing[J]. IEEE Commun Mag, 2010,48(7): 70-77.

[7] Zhang C F, Chen C, Feng Y,etal. Experimental demonstration of novel source-free ONUs in bidirectional RF up-converted optical OFDM-PON utilizing polarization multiplexing[J]. Optics Express, 2012, 20(6): 6230-6235.

[8] 胡登科.光正交频分复用传输技术研究[D].杭州:浙江大学,2010.

[9] 明 艳,李 强,胡 庆.基于Simulink的正交频分复用系统仿真[J].实验室研究与探索,2011,30(10): 63-67.

MING Yan,LI Qiang,HU Qing. OFDM System Simulation Based on Simulink[J].Research and Exploration in Laboratory,2011,30(10): 63-67.

[10] Sun Y. Bandwidth-efficient wireless OFDM[J]. IEEE Selected Areas Comm, 2001,19(11):2267 - 2278.

[11] Armstrong J. OFDM for optical communications[J]. Journal of lightwave Technology, 2009, 27(3): 189-204.

[12] Schmidt B C, Lowery A, andArmstrong J. Experimental Demonstrations of Electronic Dispersion Compensation for Long-Haul Transmission Using Direct-Detection Optical OFDM[J]. J Lightwave Technol, 2008, 26(1):196-203.

[13] 陈 乾,曹 晔,童峥嵘.基于Optisystem的DD-OFDM传输性能仿真研究[J].天津理工大学学报, 2010, 26(4): 48-57.

CHEN Qian, CAO Ye, TONG Zheng-rong. Performance of direct detection OFDM in optical transmission based on Optisystem[J]. Journal of Tianjin University of Technology, 2010, 26(4): 48-57.

[14] 吴 巍,肖江南,陈 明,等.基于级联变系数训练序列和预增强技术的直接检测光[J].OFDM系统实验研究通信学报, 2013, 34(12): 149-157.

WU Wei, XIAO Jiang-nan, CHEN Ming,etal. Experimental research on a direct-detection optical OFDM system based on cascaded variable coefficient training sequences and pre-emphasis technique[J]. Journal on Communications, 2013, 34(12): 149-157.

[15] 陈 林,曹子峥,董 泽,等. 直接检测的光正交频分复用信号光纤传输系统实验研究[J]. 中国激光,2009, 36(3): 554-557.

CHEN Lin，CAO Zi-zheng，DONG Ze，etal．Experimental investigation of direct detection optical orthogonal frequency-division multiplexing transmission system[J]．Chinese Journal of Lasers，2009，36(3): 554-557.

[16] Blanco C S. Cost-effective optical transmission systems based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing[D]. Barcelona: University Politecnica De Catalunya, 2011.