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光OFDM系统中光调制器非线性补偿的预失真算法研究 摘 要 摘要 光正 交 频分 复 用 技术 (OOFDM ) 是 近几 年 被 提出 的 一种 高 频谱 效 率 的光 纤 通信 网络物理层传 输技术, 并且迅 速成为 国内外光 纤通信 领域中 的研究 热点之 一。该技术 利用数 字信号处理 将光信 道分割 成为相 互正交 的若干 子载波 , 并将 信息加 载到 这些正交 的子载 波上进行传输。 这种光 多载波 调制技 术源于 无线通 信,不仅 能够在 光传输 中对抗光 纤色散、 偏振模色散 等光信 道损伤, 而且其 天生的软 件定义 方式使 得其灵 活性大 大提高,因 而成为 下一代光网 络中最 有竞争 力的传 输技术 之一。 然而,OOFDM 信号却 对非线 性失真 敏感 , 非线性 产生的 多种 交 调信 号项将对 多频率载波的 OOFDM 系 统性能 严重恶 化, 而传 统光调 制器, 如 马赫- 曾德调 制器, 电吸 收调制 激光器, 其电光 映射的 非线性 传输函 数 对于 实现高 阶调 制 OOFDM 发射 机 性能来说 将会 是最大的瓶颈 。 为了 减 小非线 性失真 的影响, 必须 引 起调制 深度的 回退, 从而降低 系统 有 效光信噪比 。 因而 , 光调制 器的非 线性补 偿对 于 OOFDM 系统 , 甚至 可以 是所有对 非线性 敏感的光传输 系统来 说都将 是至关 重要的 。 数字 预失真 算法是 一种高 效的 调制器非 线性补 偿方法,该算法 估计光 调制器 的非线 性 模型, 然后将 信号按 照该模 型的逆 函数进行 预失真, 从而达到补 偿目的 。 同时 , 数 字预失 真只需 要少量 的硬件 便可以 实现 , 因 此拥有巨 大的优 势。关键词: 光正交 频分复 用;光 调制器 ;非线 性补偿 ;数字 预失真IAbstract Abstract Optical orthogonal frequency division multiplexing OOFDM is a novel fiber transmission technology proposed recently with a high spectral efficiency. Quickly it has become one of the research topics in the optical communication society. The optical channel is divided into several orthogonal sub-channels in the OOFDM system by employing popular digital signal processing technology. The data are transmitted through these sub-channels by being carried on a set of orthogonal optical subcarriers. This kind of optical multicarrier modulation is inspired by the wireless communication. The high tolerance of the fiber channel distortion such as chromatic dispersion, polarization mode dispersion and the flexibilities of OOFDM due to its intrinsic software definition make it one of the most competitive candidates in the next generation of optical networksHowever, the OOFDM signal is sensitive to the nonlinear distortion. The intermodulation distortion will cause the OOFDM system severe performance degradation. The bottleneck of the OOFDM transmitters with higher modulation formats will be conventional optical modulators, such as Mach-Zehnder modulators, electro-absorption modulated lasers, which have nonlinear transfer functions. To reduce the nonlinear effect, the optical modulation depth must have a back-off, but this will lower the effective optical signal-to-noise ratio as well. Therefore, the nonlinear compensation technique of the optical modulators is very important to the OOFDM systems and it can be broadened to all the optical transmission systems which have poor tolerance to the nonlinearities. Digital pre-distortion DPD algorithm is one kind of effective methods to compensate for the nonlinearities induced by the optical modulators by estimating the nonlinear transfer function of the modulators with a math model and pre-distorting the input signal by the inverse function of the math model. Besides, the DPD scheme needs a few components only so that it has a huge advantage Key words: OOFDM; optical modulator; nonlinearity compensation; digital pre-distortionII 目录 目录 摘要I Abstract II 目录III 第一章 绪论. 1 1.1 引言 1 1.1.1 光纤通 信的发展. 1 1.1.2 光调制 格式 2 1.1.3 光调制 器. 3 1.1.4 光调制 器非线性失真5 1.2 光调 制器非线性补偿 研究现状及分 析6 1.3 本论 文的研究工作和 创新点. 7 第二章 高速 OOFDM 系统 8 2.1 OOFDM 技术简介. 8 2.1.1 OOFDM 发射11 2.1.2 OOFDM 接收12 2.2 实数调 制 OOFDM 系统14 2.3 复数调 制 OOFDM 系统18 2.4 本章小结 23 第三章 基于多项式的光调制 器非线性估计 以及补偿 24 3.1 非线 性模型. 24 3.1.1 Volterra 模型. 25 3.1.2 广义记 忆多项式模型 26 3.2 DPD 算法框架与原 理26 3.2.1 直接训 练式 DPD 算法. 27 3.2.2 间接训 练式 DPD 算法. 27 3.3 基于 DPD 算 法的 OOFDM 系统设计、 优化以及针对 波分 OOFDM 系统的改 进. 29 3.3.1 基于 DPD 的高 速 OOFDM 发射机框架. 30 3.3.2 系统噪 声以及优化. 30 3.3.3 DPD 补 偿方案用于波 分 OOFDM 系统的改进 32 3.4 实验 结果33 3.4.1 30Gb/s 基于 EML 的复数调 制 OOFDM 系统的 DPD 算法移植 34 3.4.2 20Gb/s 基于 MZM 的实数调 制 OOFDM 系统的 DPD 算法移 植39 3.5 本章 小结41 第四章 总结和展望42 参考文献 44 附录 A 缩略词50 攻读硕士学位期间发 表的论文. 53 致谢54 III第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 引言 1.1.1 光 纤 通信 的发 展 自从远古 时代人 类就已 经开始 利用光 信号作 为传递 信息的 一种方 式 。然而 ,人类 真正将光视为 一种 通 信载体 则是 开 始于 1960 年代,当 时 激光 的 一些 特性 引起了一 批非常 有远1见的 通信 研究 学者 们 的 注意 。随后 低 损耗 单模 光纤 和半 导体 激光 器 的诞 生 使 得现 代光纤通信 技术 全面快速发展 , 并在最 近的 二 三十年中迅速 得以商 用 和产业化 。 除此之 外, 最令人振奋的 是 2009 年诺贝尔 物理学 奖授予 华裔科 学家 高 锟(Charles K. Kao )博 士 ,以表 彰2他在 玻璃 材料 损耗 方面 的研 究 以及对 整个 光纤 通信 领域 的卓 越贡 献 ,同 时这 也是 对 光纤通信技术 在人类 文明进 步 道路 上 的充 分肯定 。 光纤通信 系统最 早开始 于 1980 年代, 当时 达到顶 峰的成果为 1988 年由 AT&T 公司 搭建跨越大 西洋的 代号为 “TAT-8 ” 的光纤 传输系 统 ,传 输 5600 公里, 速率达 到 280Mb/s ,3比当时铜 缆传输 速率快 一个数 量级 。 也是 从 1980 年代开始 , 光 纤通 信技术的 创新如 同 按照“摩尔 定律” 一般层 出不穷 , 单根 光纤的 传输速 率 基本 上以 10 年 100 倍的速度增 长。商用系统 一般只 落后实 验 室研究成果 5 至 7 年, 在 这段光 纤通信 高速 发展 期间 中 诞生 了许多最令人 惊叹 的 新技术 , 包括低 损耗单 模光纤, 单频激 光器,掺 铒光 纤放大器 以及 波 分复用技术。 2000 年之后, 光通信 领域开始 朝着 低成本 , 高 速率, 长距离 , 低 功耗 , 更 高 功 能性和4高稳 定性 的方 向发 展 。随着 以指 数增 长的 信息 流量 对光 纤 骨 干网 容 量 要 求的 不断 提高,5曾经 使 用在 无 线领 域 中的 技 术开 始被 提 出使 用 到光 纤 通信 中 ,如 前 向 纠错 编码 (FEC )等。有些技术 也 给 光纤通 信系统 容量带 来了戏 剧性的 提升。 在 这些技 术当中, 最 吸引人 的就是无线 领域中 使用的 高级调 制格式 以及相 应的数 字信号 处理技 术 ,它们对现 在 以及 将来的光调制 方式产 生了深 远的影 响。 然而 直到 最近, 现有 架 设的 光 纤通信 系统 中 大部分 使用的 仍然 是 最传 统的 光通断调制方式 , 这 显然 无 法达到 在不久 将来 400Gbps/1Tbps 物理层 传输的 指标 要求,因 此高级 的调制格式 以 及 相 应 配 套 的 数 字 信 号 处 理 技 术 逐 渐 成 为 光 纤 通 信 领 域 专 家 们 的 研 究 热点 。 同1暨南大学硕士学位论文 时,光调制 器作为 实现新 型光调 制方式 的 关键器 件, 光调 制器的 性能 以及其能 否实现 高级的调制格 式 在光 纤通信 技术的 发展 中 也受到 相当的 重视。 1.1.2 光 调 制格 式 光纤通信 以光作 为载体, 光的相 位,幅度或 者强度 能够通 过光调 制器 改变以携 带高速比特信息。 与其他 通信形 式如无 线通信、 卫星通 信系统 类似,光 纤通 信中的调 制格式 也经历了从最 简单的 通断键 控 On/off Keying OOK 码 型发展 到以高 速数 字信号处 理技术 为基础的正交 频分复 用 Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDM 等的 复杂技 术。高6阶光调制 格式 给光纤通 信带来 频谱效率 巨大的 提升, 成倍扩 大了在 ITU-T 规定的光纤 通信波段上 的容量 。 以下 是 现有 光纤通 信历史 发展中 按时间 先后经 历的 最 典型的 四 种调 制格式:图 1. 1 光调 制格式的光 场示意 图 (a)光 OOK 调 制光场分布 图; (b)光 DQPSK 调制光 场分布图; (c)光 16-QAM调制光场分布 图; (d )OOFDM 光 子载波示 意图 。1 光 OOK 调制 光 OOK 调制是 光纤通信 中 一种 早期 的 光调制 格式, 即 通过光 信号的 开 关来进行 比特传输 ,OOK 调制 的光场 分布如 图 1. 1 (a )所示 。 这 种调制 格式具 有 频谱效率 几乎 是所 有 光 调 制格 式 中 最 低的 缺 点 ,但 是 系 统 结构 简 单 。 又由于 早期 光 器件 和 电器件发展 水平限 制 无法 实现高 级的调 制格式 , 因此 OOK 成为 了 光通 信 发展 历史 中非 常重 要 的 一 种技 术 。 该 调制 格式 对光 调 制 器 要求 不 高 , 因为 它 只 需 要 在光 载 波的光场任 意一个 方向上 调制通 断信号 。 接收 端 也只 需要一 个 PD (photo detector ,光电探测 器) 进行 解调 ,系 统实现 的 成本 相对 低 廉, 也因此 能够 最早 实现商用 化。在目 前 光纤 到户 系 统中 光 网络 单 元(ONU ) 用 户节 点 处也 常 常采 用这 种可 以 最易实现 的 OOK 格 式来降低 系统成 本。 2 光 DQPSK 调制 2 第一章 绪论 光 DQPSK (Differential quadrature phase shift keying , 差分相 移键控) 相 比于光 OOK频谱效率 则 提升 了一倍 ,1 个 DQPSK 符 号可以 携带 2 个 比特, 光场分 布如 图 1. 1(b ) 所示 。 相比 于 OOK , 光 DQPSK 发 射机中 通常需要 更高 级的光 调 制器 , 这 是由于 其需 要在光 载波的 0? 和 90? 两个方向 上都进 行调制 ,解调 也不同 于 OOK ,需7要平衡接 收机 (Balanced photo detector , BPD ) 。 因此从成 本角度 上看 , 光 DQPSK不如 OOK , 然而 光 DQPSK 技术 由于高 频谱效 率 在当 时在光 纤通信 领 域中引起 了8广泛 的兴趣, 它 也是当 时世界 上最早 的实现 单波 长 100Gb/s 的解 决方 案 之一 。 3 光 QAM 调制 光 QAM (quadrature amplitude modulation ,正交 幅度调 制 ) 是 指在光 载波的 0? 和90? 方向 上调制 多电平 信号 (Multi-level signal ) 的 调制格 式 , 最常见 的如 光 16-QAM ,光 64-QAM 等,光 16-QAM 的光 场分布 如 图 1. 1 (c )所示 。 该调制 格 式相比于 以上两种具 有 更 高 的频谱 效率, 发 射端需 要采用 光 IQ 调制器, 接收技 术 也比前两 种9更为复杂 ,需要 相干接 收配合 数字信 号处理 (DSP )技 术 。 4 OOFDM OOFDM (Optical orthogonal frequency division multiplexing, 光正交 频 分复用) 是近几 年来 最 具 突 破的 光 调 制 格式 之 一 ,从 物 理 角 度而 言 这 是 一种 可以实现 在若 干 个1011正交 的 光 子 载波 上调制信息 的技术 , 又 由于 其在 频谱 上 有部 分混 叠 ,因 此相比 于以 上 提 到 的三 种 调 制 格式 具 有 最高 的 频 谱 效率 , 因 此 也是 下 一 代 光 网络 物 理传输层中 最具竞 争力的 候选技 术之一 。 由于 OOFDM 信号为 多载波 信 号,其光 场分布如同 噪声, 因 此给 出 OOFDM 光谱的 子载波 分布示 意图 , 如 图 1. 1 (d ) 所 示。OOFDM 可以 采用复 杂灵活 的 DSP 技术 ,抵抗 主要由 色度色 散和偏 振 模色散带 来的光纤信 道 传输 失真, 从而获得高质 量的光 纤信号 传输。 1.1.3 光 调 制器 实现大容 量光纤 通信技 术除了 采用新 型光调 制格式 之外,另一个 重要 的因素就 是光发射端的 关 键器件 ? 光 调制器 的物理 性能和 器件发 展水平 。光 调制器 种类繁多, 各种物 理机制也不 尽相同 ,本论 文中主要 介绍 三种最 典型最 常用的 光调制 器。 1 直 接调 制激 光器 3暨南大学硕士学位论文 PowerCurrenttimetimeDML图 1. 2 直调 激光器 DML 直接调制 激光器 (Directed modulated laser ,DML ),如 图 1. 2 所示 , 是一种可 以被 直接 加 载 其 上的 电流信号 调 制 的 激光 器 , 驱动电流 的 变 化会 导 致 激光器输出功12率变 化 , 该种 调 制 方式 又 简称 直 调。 除 此之 外 ,其 他 所 有调 制 器实 现的 调 制方式都 属于 外调制。DML 具 有线性 度好、 高 输出光 功率、 成本低廉 、 体 积小 的优 点,因此常用 于短距 离接入 PON (Passive optical networks ,无源 光网络 ) 发射机。 然而,DML 直调 啁啾 大, 该 特性严 重限制 了 DML 调制信 号的 传 输距离 。 2 电 吸收 调制 器 Voltage0VPower-2VtimeActivePInP InPtimeregionInP N InPWaveguideEAMDFB laserEML图 1. 3 电吸 收调制器 EAM 以及与 DFB 激 光器集成的 电吸收调 制激光器 EML 电吸收调 制器 (Electro-absorption modulator ,EAM ),如 图 1. 3 所 示 ,可以与 一个 分布式反馈激光器(DFB laser )集成在 单片上 成 为 电 吸 收 调 制 激 光 器 EML(Electro-absorption modulated laser )。其 原理 是 利用 半 导体材 料中 Franz-Keldysh效应 或者 量子阱 结构中 的 量子 约束 Stark 效应 (Quantum-confined Stark effect)来13实现对 光 信号 强 度的调制 。 通过改变 EAM 的 外加电 场, 可 以改变 半 导体材料 对光子 的吸 收 特性 , 进 而改变 光束的 通断 , 如 图 1. 3 中 所示 , 在 PN 结 偏置电压 为 0时, 有 源 区域 的能隙(Band gap )非常宽 , 以 致光子可 以透明 通过 , 而 当 PN 结的反向偏置 电压足 够大 (约-2-3V ) 时, 其有效 能隙小 到能够 使得有 源区 域吸收激 光,4 第一章 绪论 以致输出 光强的 减小 。EAM 具有 低啁啾 、 低驱 动电压 的优点 ,但是 其 线性度不 如直接通过 电流直接改变 光强 的 DML 。 3 马赫- 曾 德调 制器 Microwave electrodesLiNbO Crystal3GndOptical input Optical outputWaveguideGndCW laserData图 1. 4 MZM 调制器结 构图马赫- 曾 德调 制 器(Mach-Zehnder modulator ,MZM ) 也 是光 纤 通 信 中 非常 重要 的一种调制 器。 该 调制器 结构 如 图 1. 4 所 示, 基 于马赫- 曾德干 涉仪, 输 入光信号 首先被 分 为相 同 的两 束进 入 由铌 酸 锂 (LiNbO ) 晶体 制备 的 光波 导 的两 臂, 光 波导3两臂都处 于电极 (Electrodes )缝隙之 中。 在 外加 Data 电信号 的电场 影 响下, 两 臂的 折射 率 发 生 相反 的 改 变 ,两 臂 中 光信 号 因此 而产 生 光 相 位差 , 然 后 再 将这 两 束14激光 信 号 耦 合 在一 起 输出 。由 于 干涉 , 输出 端 的光 信 号 功率 与 光波 导两臂 中光信号相位 差 有关 , 而 该 相位差 又与外加 Data 信 号有关 , 从而 实现 电 信 号到光信 号的调制。 1.1.4 光 调 制器 非线 性失 真 4 4MZM4 3 0.8EMLDML EML2220.410a b c0 0 0.0-4 -3 -2 -1 0 -3 -3 -2 -2 -1 -1 0 00 4 8 12Biased voltage VBiased voltage V Biased voltage V Biased voltage V图 1. 5 光调 制器传输函 数 (a )DML (b )EML (c )MZM 外调制器 能够进 行光调 制均是 由材 料 的电光 效应决 定的 。 但是 通常情 况下,材料 的电光效应 并 不具有 理想的 线性特 性,如 图 1. 5a 、b 以及c所示, 我们 实际测量 了三个 商用5Output power mWOutput power mWOutput power mWOutput power mW暨南大学硕士学位论文 光调制器 , 分别 为 DML ,EML 以及 MZM 的功 率传输 函数 。 可 以看到 除了 DML 具有较为理想 的电- 光功率 传输曲 线之外 ,EML 和 MZM 电 光特性 都是非 线性 的。 可以 说 ,这种 非线性 的 传 输函数 几乎是 所有光 外调制 器的共 性。对 于相对 简单的 光 OOK 调制 格式而 言,调制器非 线性失 真并不 是限制 其系统 性能的 主要因 素。然而, 对 非线 性失真敏 感的高 级光调制 格式 的通信 系统 , 如高阶 光 QAM 调制,OOFDM 多 载波系 统 , 调制器非 线性失 真 对系统性能 的影响 将不能 被忽略 ,需要 进行针 对调制 器非线 性失真 的补 偿。 1.2 光调制器非线性补偿研究现状及 分析 在早期光 调制器( 主要是 直接调 制半导 体激光 器) 的 研 究中,由 于 半 导体激光 器工艺不成熟, 导致 直接调 制半导 体激光 器 DML 在高频 处会产 生谐波 失真 (Harmonics ) 和 非线性交调失 真 (Intermodulation distortion ,IMD ) 。 用 于光纤 通信 直 调系 统 的 双异 质结构 发光15 1617 18二极管 ,GaAlAs /InGaAsP 激光器 等 非线性 效应早 在 1980 年代被贝尔 实验室、 丹麦理工大 学的 科 学家 们 发现 和 研究, 加州理 工的 A. Yariv 教授以 及其 研究团队 从理论 上 分19析 了 直调 半 导体激光器 的 等 效 电 路 特 性 以及解释了 在 高频 产 生 严 重 非线性 失真的原因20。同一时期,来 自 贝尔 实验室 的研究 人员 对 直调 GaAlAs 激光 器的 制备和设 计 进行 改进21以提高其 线性度 。 随后, 针对 该类直 调系统 中激光 器非线 性的 补 偿 技术开始 出现 , 由 贝尔实验室 提出 能 够对大 信号进 行预失 真的电路 模型 来降低 激光器 的非 线性, 该 成果 被 应用22 23到卫星上 。 加拿大 科学家 提出使 用 Volterra 模型分 析和估 计半导 体 激光器非 线性 ,接2425着前馈技 术被提 出应用 于非线 性补偿 , 该技术原 理简单 , 效果 明 显, 然 而 由于 需要额外相同的 一套发 射机而 导致实 施成本 较高 。采用前 馈电路 进行补 偿的 方法被提 出应用 于有26线电视 (CATV ) 系 统 中 , 并验证 其能够 消除光 调制器 产生的 二次谐 波非线性 失真 。2000年后, 光载无 线 (Radio over fiber ,RoF ) 系 统 的发 展促生 了许多 种类 的光调制 器非线 性补27偿技术 : 双并行 光调制 ; 利用 计算机 辅助设 计抑制 RoF 系统高 阶谐 波的模拟 电路, 支持28 29多服务的 宽带前 馈技术 ; 日本 工程师提 出的 一 种具有 鲁棒性 的等路 径线性装 置 ; 最近3031有研究者 提出一种低成 本电路 用于补偿 EML 和 MZM 非线 性 。 然而,以 上 这些 技术基本上利用光前 馈技术 或者 模 拟电路 手段 , 前 者成本 太高,不 利于实 际应用,后 者则不具备灵活性 和对温 度环境 的自适 应性 , 并 且还 缺 乏鲁棒 性, 无法 进行 高 效的 大规 模量产 。 而在当下 或 者前瞻 未来的 光纤通 信技术 , 基于 数字信 号处理 的光发 射机 将逐步取 代现有 光设备, 更 具灵活 性 和 鲁 棒 性 的 光 调 制 器 非 线 性 补 偿 机 制 会 尤 其 重 要 。 数 字 预 失 真 (Digital pre-distortion ,DPD ) 便是一 种满足 需求的 解决方 案。 从数 字域上 来降 低光调制 器非线 性失6 第一章 绪论 真的想法 早在 2009 年被 斯 坦福大学 的研 究者提 出 ,其采用 降低 峰均功 率比(PAPR )的 预32失真算法 减小 光 调制器 非线性 对 OOFDM 系统 的性能 衰退 ,但这 实 际上 并不 能解决 调制器固有非 线性失真。最 近,另 一种基 于多项 式的 DPD 算法 被提 出应 用 在 基于 反射式 半导33 34体光放大 器 (RSOA)的 RoF 系统 以及基 于 OOFDM 的接入 网应用 中 , 然而, 这 两种系统的波 特率较 低, 预 失真 算 法在高 速光通 信系统 中的性 能需要 重新 被评估 。 通过以上 光调制 非线性 补偿研 究现状 可以分 析 得到 , 基于 数字预 失真 技术 的光 调制器非线性补 偿 方案 目前处 于研究 初始阶 段, 但 是可以 预见该 技术对 于未 来高速数 字光通 信系统来说 具 有十分 重要的 意义 。 1.3 本论文的研究工作和创新点 本论文提出 利用 基于 广 义记忆 多项式 模型 的 DPD 算法实现光调 制器 非线性 失 真的 补偿,并通 过 实验 评估所 提出算 法应用 在对 非 线性失 真敏感 的高速 OOFDM 系统 中的 性能 ,具体 的 研 究工作 和创新 点如下 : (1 ) 高速 OOFDM 系统 平台的 搭建 通过使用 高速任 意波形 发生器 和实时 示波器 实现 基 于直接 检测的 高速 OOFDM 系统 ,解决 OOFDM 系统 中 的关 键技术 如同步 ,信道 均衡, 电 混频 器 IQ 不 平衡 的补 偿问题 等。系统设计 包括 20Gb/s 基于 MZM 调制器 的 实数 调制 OOFDM 系统和 30Gb/s 基于 EML 调制器的 复数 调制 OOFDM 系 统, 并 通过 离线 实验验 证 两种 高速 OOFDM 信号的传 输, 此系统是后续 DPD 算法应 用 的基 础 。 (2 ) 基于广义 记忆 多 项式 的 DPD 算法 在 OOFDM 系统 中的实 现 以及 性能分 析 由于 光调 制器 的 非线性 传输函 数 会使 对非线 性失真 敏感的 高速 OOFDM 发射 机性能 下降, 因此补 偿光调 制器非 线性失 真对提 升 OOFDM 系统 性能具 有重要 意义。 利用 基于广义记忆 多项 式 模型 的 DPD 算法 能够 用于功 率放大 器 非线 性补偿 的特点 ,提出将 DPD 算法 移植到高速 OOFDM 系统进 行光调 制器 的 非线性 补偿, 同时分 析 DPD 算法中的 记忆性 对算法性能的 影响。除 此之外, 还 首次 针对波 分复用 系统提 出 了改 进方案 ,大大降低 了 在波 分复用系统 中 DPD 技 术的实 施成本 , 最后 通过 离 线实验 的方式 验证 所 提 出的 DPD 解 决方案在高速 OOFDM 环 境中的 性能 。7暨南大学硕士学位论文 第二章 高速 OOFDM 系统 本章 主 要介 绍 高 速光 正 交频 分 复用 (OOFDM )系 统 的架 构 以及 系 统 搭建 ,可分为 以下三个部 分: 第 一部分 介绍高速 OOFDM 技术 ,其中 包括 OOFDM 技 术诞生与 发展过程 ,同时 介绍了 OFDM 基本 原理 以及 OFDM 技术中 的数字 信号 处 理过程 ,OOFDM 发射机 模块,接收机模块 也 在 此 部 分 中 作 简 单 介 绍 ; 第 二 部 分 和 第 三 部 分 分 别 介绍两种典型的OOFDM 直接 检测 系 统, 一种 为实数 调制 OOFDM 系 统, 另 一种为 复数 调制 OOFDM 系统 。两种 OOFDM 系 统由 于 不 同的 结 构具 有 不同 的 应用 场 景 。 在 本论 文 中, 作 者实 际 搭建 了20Gb/s 基于 MZM 调制器 的 实数 调制 OOFDM 系 统和 30Gb/s 基于 EML 的 复数调 制 OOFDM系统, 本 章内容 也包含 了这两 个系统 测试得 到的实 验结果 。 2.1 OOFDM 技术简介 OFDM 原本 是无线 通信中 的一种 多载波 调制技 术, 其由于 能够出 色地 对抗无线 环境中的多径、 频率选 择性衰 落而被 确立 为 无线网 络标 准 IEEE 802. 11a/g WiFi , HiperLAN2 , 80216 Wi 以及欧 洲、 亚洲 、 澳大 利亚和 其他一 些地方 的数字 广播技 术 (DAB 和 DVB-T )的物理层 传输方 式 。2006 年,由澳 大利亚 墨尔本 大学 William Shieh 教 授提出 将 OFDM 技35术应用到 相干光 通信系 统中 , 并且 由 其团队 中的 Xingwen Yi 博士 等 研究者 成功搭 建 了36世界上第 一套相 干 OOFDM 传输 离线实 验系统 ,该系 统速率 为 8Gb/s ,传输 1000 公里 ,并实验 验 证了相干 OOFDM 技术 能够在 接收端 有效估 计 色度 色散 、 偏 振模色散 等光纤 信道损伤 , 并且 能够在 无色散 补偿光 纤配置 下成功 恢复信 号。 同时 也验证 了 OOFDM 系统能 够达到比单 载波系 统更高 的频谱 效率 , 这是 因为 OOFDM 信 号子载 波频 谱之间相 互 有部分 可以被 交叠 。 随后 ,OOFDM 技术迅 速成为 光通信 领域内 最受关 注的研 究热点 。 在 2007 年 3月的美国 光通信 会议 OFC 上,来 自日 本 KDDI 研发实 验室 的 S. L. Jansen 等研 究者 报 道了当时速率 最高传 输距离 最远的 相干 OOFDM 系 统,速 率为 20Gb/s,传输 4160 公里光纤,37并采用射频导频方法 消除了 相 干 光 通 信 系 统 中 的 本 地 激 光 振 荡 器 的 相 位 噪 声 。同样在2007 年,由 William Shieh 教授,Xingwen Yi 博 士等研 究人员 又完成 相干 OOFDM 系统 的偏振分集 技术 , 从而 验证 OOFDM 技 术能够 获得当 时世界 上最大 光纤 偏振模色 散的容 忍度38,也在此文 中,OOFDM 系 统中的 光纤非 线性补 偿技术 被首次 实验 验证。 虽 然该文 针对相干光通 信技术 ,但是 Shieh 教授将 其扩展 到可以 类推的 直接检 测 OOFDM 系统。 随后,8第二章 高速 OOFDM 系统 关于 OOFDM 技术 的 研究 如同雨 后春笋 一般被 连续报 道, 新技术 、 新 系统 不断 拓展 OFDM39 40技术在光 通信领 域的应 用场景 , 如 多模光纤 传输 , 短距 离单模 光纤 传输 , 长距离 光纤41 10传输 等,世界纪 录也 不 断被刷 新 。 为了表彰 William Shieh 教授 在 OOFDM 技 术中的 卓越贡 献,美国 光 学学会(Optical Society of American , OSA ) 和 电气电 子工程 师学会 (IEEE ) 授予 William Shieh 教授 为 OSA会士 ,IEEE 会士,同时 Shieh 教 授也 业 内人士誉 为“OOFDM 之父” , 足以可见 OOFDM技术在光 纤通信 发展历 史中具 有里程 碑 式的 重要意 义。 下面简单 介绍 OFDM 正 交频分 复用技 术的原理 : OFDM 是多 载波调 制方式 当中一 种特殊 形式, 其基本 原理 框 图如 图 2. 1 所示。 发射端首先将输 入信号 转换成 为并行 输入, 将并行 输入的 信号( 可以看 成矩 形脉冲) 定义成 s ,kk0 ,1 ,2 ,?,表 示为第 k 个子 载波上 携带的 数据符 号。将 该 并行信号 s 与 一组相k应的子载 波 expj2 kft进行 IQ 调制 ,f 为子 载波间 间隔 , 然后 将所 有输出相 加得到 频分复用信号。 同时,这 种频分 复用信号 的频 谱在各 个子载 波之间 虽然 有 部分交叠, 但是依 然保持正交, 即子载 波 p 对子载波 q (pq ) 的影响 为零。 正是基于 此 正 交性 , 这种 频分复 用方式被称 为正交 频分复 用,其 频谱效 率比通 常单载 波调制 的频谱 效率 要高很多 。 exp j2k ?ft矩 形脉冲信 号频谱 正交子载波 输 出expj2k ftrIQ 解 调s 00IQ 调制 k0 ?ff fk0rs +1+1k+1IQ 调制 ?ff ffk+1rs -1-1k-1IQ 调制相加 Hf ?ff f信 道 k-1rs -2-2k-2IQ 调制 ?ff fk+2 k-2rs +2+2IQ 调制 ?f f fk+2图 2. 1 OFDM 基本原理 框图 发射产生 的 OFDM 信号 经历过 信道响 应 Hf 之后进 入接收 端, 然 后被 一组解调 器进行9暨南大学硕士学位论文 IQ 解调 , 先将 信号从 第 k 子载波 下变频 到基带 , 即 使用 IQ 解调 器 对 OFDM 信号 和与发 射端共轭 的子 载波 exp-j2 kft 进 行混频 ,然 后通 过积分 ,滤 波将 其余 子载波 上 的 信息 抑制为零,只 剩下基 带信号 ,如 图 2. 1 所 示。 在 发射端 使用 的 IQ 调 制器在 多载波 系统中 普遍使 用 , 接收 端的 IQ 解 调使用的 也可以为相同器 件。 以上部分 为 OFDM 的物 理机制 或者说 是模拟 实现方 法, 但 是实际 中, 如果真正 采用多个子载波 源和多 个 IQ 调制器/ 调制 器来实 现 OFDM ,则会 成本较 高, 而且子载 波间正 交性很难保证 , 将会 导致载 波间干 扰 ICI 。然而 ,这种 缺陷能 够在数 字方法 实现的 OFDM 系统中被 彻底 消除。 以下介 绍 OFDM 的数 字 实现 方法, 发射端 的 OFDM 信号可以 用 式 2. 1 表示, N /2 ?1j2kf ?t iTss ts e 式 2. 1OFDM ,ikikN /2其中,s t 代表第 i 个 OFDM 符号 ,s 为第 i 个 OFDM 符 号中第 k 个子载波上的 信 息OFDM,i ki符号 ,N 为 子载波 个数 ,T 为单个 矩形脉 冲宽度 。 由图 2. 1 得知 ,OFDM 中 每个子 载波带s*宽 与子载 波间间 隔 f 必须 相等 才能满足子载 波间 严 格的 正 交性, 即: 1 f 式 2. 2 Ts由 式 2. 2 再次能 够证明 采用模 拟电路 的方式 实现 OFDM 非 常困难 , 几 乎不可能 通过分立的不同 源子载 波 保证 每个子 载波间 隔都满 足 式 2. 2 。 将 式 2. 1 转化到 离散数 字 序列 , 可以 得到 : nN /2 ?1j2k ?ffss ns e 式 2. 3OFDMkkN /2n 为单个 OFDM 符号 中的第 n 个采样 点,f 为采样 频率, 为满足 Nyquist 采样 定理, 最小s采样频率 应满足 , f N f式 2. 4 s则式 2. 3 变为 , nN /2 ?1jk 2Ns ?n? s e 式 2. 5OFDM kkN /2式 2. 5 即 为逆离 散傅里 叶变换 的数学 表达式 ,子载 波间隔 由式 2. 4 得 到, *由矩形脉冲宽度 T 决定,算至矩形脉冲频谱能量衰减至零的位