非线性效应对OOFDM系统的影响研究

权天

【摘 要】为了适应当前对信息量的巨大需求，本文利用一种新的光调制技术和正交频分复用技术，构造出高速率、大容量、低成本的光传输系统。该方法与传统的光通信技术相比，具有更强的抗色散能力和更高的频谱利用率。但是，光纤中的非线性效应已成为限制通信系统性能的主要因素。本文首先论述了OOFDM系统和非线性效应，再利用 OptiSystem软件完成了光正交频分复用系统的搭建，根据仿真数据得出非线性效应会严重降低系统的性能，破坏OOFDM系统的正交性。

【关键词】光正交频分复用；四波混频；误码率；星座图；非线性效应

【Abstract】In order to adjust to the tremendous demand of information， this article uses a new optical modulation technology and Orthogonal Frequency Division Multiplexing（OFDM） technology to establish an optical transmission system which has a ability of high rate， large capacity and low cost. Compared with the traditional optical communication technology， this method has a good ability in anti- dispersion and has a better utilization rate of spectrum. But the influence of nonlinear effects has become the main factor which limits the capability of communication system. This article uses the software to establish an OOFDM system. The simulation results show that nonlinear effect can severely degrade the performance of the system and destroy the orthogonality of the OOFDM system.

【Key words】OOFDM； FWM； BER； Constellation； Nonlinear effect

0 引言

本文研究的光正交频分复用（OOFDM）技术是从OFDM技术发展而来，继承了其载波频谱利用率高，抗衰落性和抗干扰能力强的优点[1]。因此该技术可以构造出高速率、大容量、低成本、易于扩展信道容量的光传输网络，但光纤中的非线性效应已成为限制通信系统性能的主要因素，主要表现在峰值平均功率比（PAPR）较大和对相位噪声极为敏感[2]。在高速OOFDM传输系统中，色散和非线性是限制其性能的主要因素[3]。因此研究光纤的非线性效应对OOFDM系统性能产生的影响对光传输网络的发展具有重要意义。

1 OOFDM系统和非线性效应

OOFDM的思想最早是在OFC（Optical Fiber Communication Conference）会议上被提出的。当时提出的是直接调制分布反馈激光器的多模光纤OFDM传输系统，它可以把10Gb/s的信号沿多模光纤传输1000米，这相对以前的多模光纤通信来说已经是一个很大的进步。OOFDM技术结合光纤通信的优点和OFDM信号调制的特点，可以构造出高速率、大容量及低成本的光传输网络，可快速完成大量并行数据的传输，并且具有良好的信道容量可拓展性，能在现有的网络上可以很好地升级和过渡。可见，光纤通信系统和正交频分复用技术的结合是通信技术发展的必然结果。

在高强度电磁场中，任何电介质对光的响应都会变成非线性的，光纤也不例外。简单言之，介质非线性效应的起因与其束缚电子的非谐振运动有关，电偶极子感应的总极化强度P对于电场E是非线性的[4]。通常情况下，玻璃材料中的非线性效应非常微弱，但是当光信号在光纤中传输时，由于光纤的芯径非常小，致使光纤中光信号的功率密度很高，加之传输距离长，光纤的非线性影响会更显著。

2 OOFDM系统的结构框图

本文根据OOFDM的基本原理，搭建出系统结构框图。系统可以分为五部分：OFDM基带信号发射机、电/光变换、光纤链路、光/电检测和OFDM基带信号接收机。系统框图如图1所示。

3 OOFDM系统仿真

图1中的发送部分使用伪随机0、1二进制序列数据流，比特速率为1GBit/s，经不归零脉冲产生器整流之后送入Matlab模块，串并变换后，对每路数据进行4进制的QAM调制，再映射为对应的复数，再对其进行2048点的IFFT变换，其中，子载波数设为128，调制速率为20GHz；载波进行并串变换后，在每个信号前加入循环前缀，经数模转换变为OFDM基带模拟信号，再将基带信号通过马赫曾德尔调制器调制到光载波上，进入光纤进行传输，光纤链路部分采用长度为50km的标准单模光纤，衰减常数α=0.2dB/km，光源由连续激光器产生，光功率为0dBm，波长为1550nm，线宽为1MHz。光电检测器（PIN）的灵敏度设定为1A/W，暗电流为10nA，接收端信号处理是发送端的逆过程。为了减少噪声的干扰，滤波器是必需的，为了获得一定幅度的输出信号，放大器也是必需的，通过PIN检测器和I/O解调后的光信号再通过增益为40dB的放大器，解调出OFDM基带模拟信号，经模数转换、去除循环前缀和串并变换，再静同样点数的快速傅立叶变换，在输出端将每路复数信号映射解调为4进制QAM星座点，经并串变换后，最终输出二进制串行数据。OOFDM的仿真架构如图2所示。

4 非线性效应对OOFDM系统的影响研究

根据以上的仿真系统，设置光纤长度为50km，光纤损耗为0.2dB/km，子载波数为128，有效纤芯面积=100μm2，非线性折射率n2=3.4×10-20m2/W，光功率为-10dBm，工作波长为1550nm。

理论研究表明，有效纤芯面积（Aeff）的增加可以更有效地克服非线性效应的影响。根据仿真结果图3和图4可以观察到，在其他参数不变的情况下，有效纤芯面积减小，非线性效应更加明显，使OOFDM系统的输出星座图分散，信号判决困难，信号相位失真，幅度衰减，输出波形失真等影响。对于光纤通信系统，可以选用有效纤芯面积大的光纤来减小非线性效应。另外非线性效应还会造成一些额外损耗和干扰，当传输距离增大时，这种影响还会加重。

光纤中的最低阶非线性效应起源于三阶极化率，它是引起诸如三次谐波、四波混频及非线性折射等现象的原因[5]。然而，除非采取特别的措施实现相位匹配，涉及新频率产生的非线性过程在光纤中是不易发生的。因此，光纤中的大部分非线性效应起源于非线性折射，而影响非线性折射的重要系数就是非线性折射率系数n2，两者之间的关系为n2=3/8nRe（χ（3）），其中χ（3）为三阶极化率，非线性折射率系数n2越小，非线性效应越强。本文改变仿真系统中n2的值，仿真结果与图3和图4类似，也证明了非线性效应的增强会加重对系统正交性的破环。

由于非线性效应会使传输信号的相位和幅度改变，星座图原本为四个点，相位偏移造成四个点分散并旋转，信号幅度改变造成四个点向外扩散，仿真结果表明，非线性效应会破环OOFDM系统的正交性，使星座图分散、偏移，信号相位和幅度失真，导致信号判决出错，严重影响系统的传输性能。

5 结论

本文结合仿真模型，通过改变影响非线性效应的参数，分析星座图，得到了非线性效应对OOFDM系统性能的影响：非线性效应会破坏OOFDM系统的正交性，最终导致信号星座图分散、模糊，信号判决困难，误码率增加，输出波形失真，非线性效应强度与破坏性成正比，即非线性效应越强，对系统传输性能的影响越大。

【参考文献】

[1]梁猛，等.基于OptiSystem的相干光OFDM系统的仿真研究[J].光通信技术，2011.

[2]王振宝，等.光纤通信系统中的非线性效应研究[J].光通信研究，2011.

[3]张洪波.正交频分复用新技术在光纤传输系统中的应用研究[D].电子科技大学，2014.

[4]王封.OFDM技术在光纤通信系统中的研究[D].长春理工大学，2014.

[5]张磊.光正交频分复用系统接收技术的研究[D].北京邮电大学，2011.

[责任编辑：杨玉洁]