基于MB－OFDM UWB信号的MMF系统性能分析与仿真

李 莉，康 睿，韩 珊，黄文祥，胡贵军

(吉林大学通信工程学院，长春130012)

多模光纤(MMF)目前作为光信号传导媒质广泛应用在局域网和存储区间网络当中。目前，许多已经铺设的骨干以太网都是以多模光纤为基础的，一般能支持1 Gb/s的数据传输速率［1］。近年来，如何在已有的骨干网基础上使原有的1 Gb/s的数据传输速率提高到10 Gb/s是业界的一个研究热点。而在多模光纤中引用高数据传输速率的新技术是实现原骨干以太网升级的一个重要研究方向。超宽带(UWB)技术具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多径和易数字化等诸多优势，在众多的高数据传输速率技术方案中脱颖而出。近几年，UWB技术得到了长足的发展。就UWB传输技术方案而言，目前存在两大主流方案:多带正交频分复用(MB－OFDM)技术方案和直接序列码分多址(DS－CDMA)技术方案［2］。但在高速数据传输方面，MB－OFDM UWB技术方案具有一定的优势，并获得越来越多的支持。

本文将MB－OFDM UWB技术应用在MMF通信系统中，重点研究了MB－OFDM UWB技术是否能很好抵抗MMF模式色散的影响与采用PAPR减小方法改善MB－OFDM UWB MMF系统非线性问题。通过理论分析和实验仿真验证了MB－OFDM UWB技术在多模光纤中应用的可行性。

1 基于MB－OFDM UWB信号的多模光纤通信系统

1.1 MB-OFDM UWB MMF系统

MB－OFDM UWB MMF系统由MB OFDM UWB调制模块、MB OFDM UWB信号解调模块、光发送模块及光接收模块四个部分构成。在发送端二进制数据经星座映射，转换成适于系统传输的QPSK、16QAM等调制方式。这样的一个高速数据流经S/P转换后，信息速率降低，码元宽度增大，成为多载波并行传输数据，再依次经过IFFT，并加入循环前缀，得到了数字信息序列OFDM信号。这个OFDM信号对时频载波进行调制，得到MB－OFDM UWB信号。MB－OFDM UWB信号进入光发送模块，直接控制半导体激光器(LD)，将电信号转换为光信号，之后注入MMF进行传输。在接收端光接收模块中，经光电二极管(PD)检测MMF传输的光信号，将光信号转换为电信号。MB OFDM UWB解调模块与调制模块功能相反，将MB OFDM UWB信号携带的数据恢复。

1.2 多模光纤信道模型

影响多模光纤传输特性的最主要因素是多模光纤的模式色散，因此，想要很好地在模型中描述出多模光纤的传输特性，就要求模型能够很好描述出多模光纤的模式色散，也就是要在模型中表现出多模光纤各导模之间的时延差异。多模光纤模式色散对信号的影响，非常类似无线通信中的多径传输［3－5］，因此，可借助对多径衰落信道建模的方法，对多模光纤信道建模。本文采用了一种基于传输模式时延的多模光纤函数模型。该模型的传递函数为

式中:N为多模光纤传输种类数td，n是第n个导模的时延，这是由于多个模式在多模光纤中传播产生了模式色散的缘故。对式(1)进行傅立叶变换可得模式数为N的多模光纤的频率响应函数

式(3)中，td，n差异很大，它与光纤的种类和长度及光纤外部环境有关。可以假设td，n服从均匀分布，设其方差为μ，标准差为σ。由此可得td，n的概率密度函数为

式中:μ、σ与光纤的长度L、导模数N及光纤的折射率分布有关。经过仿真可得这种模型下的多模光纤传输特性(见图1)。

图1 多模光纤传输特性曲线Fig.1 Transm ission characteristic ofmultimode fiber

从图1仿真结果可以看出，多模光纤信道具有很强的频率选择性。在仿真频率范围(0—6 GHz)内，多模光纤信道的频率特性是由一系列带通区域组成，并且随频率的增加信道幅频特性没有明显的衰减趋势，这说明多模光纤信道的高频率端也是可利用的。

2 MB－OFDM UWB MMF系统性能分析

2.1 MB-OFDM UWB技术克服模式色散作用机理

目前，普遍采用的MB－OFDM UWB系统结构方案是基于时频交织的OFDM(TFI－OFDM)方案。此方案是由美国德州仪器(Texas instrument，TI)公司率先提出的，经反复多次的修改整合最终成型。MB－OFDM UWB系统将3.1 GHz～10.6 GHz的频宽以528 MHz为标准划分成了14个子频段。

由图1可知，MMF信道是频率选择性信道，这个频率选择性是由模式色散带来的。当将高速率信号注入MMF信道传输时，由于高速数据流的带宽很宽，因此，受到MMF信道频率选择性的影响，就会带来码间干扰(ISI)。MB－OFDM UWB技术将宽带的频率选择性信道转换为若干个窄带的平衰落信道，因而将高速的数据流转换为若干个低速的数据流分别在窄带的平衰落的子信道上传输。由于在子信道上传输的数据速率较低，因而可克服模式色散的影响。

2.2 MB-OFDM UWB系统PAPR减小方法研究

当MB－OFDM UWB MMF系统工作在较高的速率时，在发送端要利用马赫－曾德尔调制器(MZM)进行光调制。由于MB－OFDM UWB信号是多载波调制，存在峰值平均功率(PAPR)比较高的问题，减小MB－OFDM UWB信号的PAPR，可使信号工作在MZM的线性区域。选择性映射(SLM)技术是使OFDM信号PAPR减小的有效方法［6－7］。将 SLM方法应用于 MB－OFDM UWB MMF系统，可以减小信号的PAPR，从而减小系统非线性的影响。

SLM MB－OFDM UWB系统发送端框图如图2所示。

图2 CSLM-OFDM系统发送端示意图Fig.2 The illustration of CSLM－OFDM system at transmit end

假设存在M个不同的、长度为N的随机相位序列矢量

3 实验仿真及结果分析

本文采用Optisystem与Matlab仿真软件对MB－OFDM UWB多模光纤通信系统进行了仿真。仿真中子带宽度为528 MHz，子载波为128个，子载波间隔为4.125 MHz，载波频率为3.432 GHz，IFFT周期为 242.4 ns，OFDM 符号长度为312.5 ns，调制方式为QPSK。多模光纤信道采用前文提到的数学模型进行仿真，其中纤芯折射率为1.5、包层折射率为1.485、相对折射率为0.01、数值孔径NA为0.212、光纤长度为300 m。

3.1 MB-OFDM UWB MM F系统抗模式色散仿真

首先产生一个中心频率为3.432 GHz的第一子频带上MB－OFDM UWB信号，将生成的MBOFDM UWB信号加载到多模光纤数学模型中，再通过接收端的接收和解调，得到相应的仿真结果。仿真过程中分别作了两组不同的实验仿真。两组实验仿真条件基本相同，唯一不同之处在于传输信号的调制方式不同。图3(a)是QPSK调制信号接收端仿真星座图，图3(b)则为MB－OFDM UWB调制信号接收端仿真星座图。

分析接收端星座图可知，相对于QPSK调制信号，MB－OFDM UWB调制信号在接收端完成了OFDM解调后，分别在四个星座映射点处集中，且集中程度更高。由此可见，MB－OFDM UWB系统的误码率性能明显好于QPSK调制系统。也就是说，MB－OFDM UWB信号能更好地在多模光纤中传播，且在多模光纤模式色散的影响下能使整个系统保持更好的误码率性能，这也说明了MBOFDM UWB技术能很好克服多模光纤的模式色散。因此，将MB－OFDM UWB技术应用于多模光纤中是切实可行的，能够实现两种技术的优势互补。

图3 MB-OFDM UWB系统接收端星座图对比Fig.3 Constellation chart com pares the receiver and transm itter

3.2 采用SLM抗MB-OFDM UWB MM F非线性性能仿真

图4为用Optisystem仿真软件搭建的采用SLM抗系统非线性仿真平台。其中激光器光波长为850 nm，MZM的最大线性变换幅值为1 V。仿真中的MATLAB模块有两种情况，一种情况仅实现MB－OFDM UWB信号的产生，另一种情况产生MB－OFDM UWB信号，并经过SLM产生PAPR较小的MB－OFDM UWB信号。将两者进行比较，观察PAPR减小算法对MZM带来的非线性改善。图5为未加SLM方法和加SLM的MZM输出光信号仿真图比较。

图5(a)是未加SLM算法时MZM输出光信号。由图可见，因MB－OFDM UWB信号PAPR较大，产生峰值失真。图5(b)是经过SLM算法处理后的MB－OFDM UWB信号，此时信号完全工作在MZM的线性区间内，不会使MZM产生非线性效应。由此可见，在MB－OFDM UWB多模光纤系统中应用SLM算法处理信号的PAPR，可达到改善MZM非线性失真的目的。

图4 用Optisystem软件搭建仿真平台Fig.4 Simulation platform by optisystem soft

图5 有无SLM仿真结果比较Fig.5 Comparison of simulation results

4 结论

经过理论分析和仿真验证，MB－OFDM UWB技术确实可很好克服多模光纤通信系统中模式色散的影响。应用SLM映射算法也可很有效地消除因PAPR大带来的MZM的非线性。采用MB－OFDM UWB技术的多模光纤通信系统，不仅能有望实现10 Gb/s的高数据传输速率传输的标准，而且还能拓宽光纤中高频频带资源的利用，提高多模光纤的频谱利用率。目前，MB－OFDM UWB与多模光纤相结合的技术领域还属于起步探索阶段，对其中的一些作用机理和关键问题还有待进一步的研究。

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