基于超奈奎斯特镜像混叠的正交频分复用无源光网络*

2017-04-27郭昌建郑毅成梁家伟洪学智

数据采集与处理 2017年2期

关键词：奎斯特镜像载波

郭昌建郑毅成梁家伟, 洪学智李榕

(1.华南师范大学华南先进光电子研究院，广州，510006; 2.华南师范大学物理与电信工程学院，广州，510006)

基于超奈奎斯特镜像混叠的正交频分复用无源光网络*

郭昌建1郑毅成1梁家伟1, 2洪学智1李榕2

(1.华南师范大学华南先进光电子研究院，广州，510006; 2.华南师范大学物理与电信工程学院，广州，510006)

结合自相位调制引入负啁啾和超奈奎斯特镜像混叠技术，实现了一个大容量、大功率预算的长距离无源光网络(Long reach passive optical networks,LR-PON)系统。引入镜像混叠后，混叠部分的子载波将引入分集，提出采用分数采样和逐子载波最大比值合并(Maximum ratio combining,MRC)算法来获得分集增益。仿真和实验结果表明通过使用大入纤功率和镜像混叠，可将10 GHz 带宽正交相移键控(Quadrature phase shift keying,QPSK)调制的正交频分复用(Orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM)信号传输距离由45 km扩展至超过80 km。本文还使用自适应调制技术实现了速率大于32 Gb/s、功率预算超过32 dB的LR-PON系统。

超奈奎斯特镜像；光正交频分复用；自相位调制

引言

长距离无源光网络(Long reach passive optical networks, LR-PON)[1]将传输距离从现有光接入网的20 km扩展至80 km以上，因此可用LR-PON架构来替代现有的各自独立的城域网和接入网，从而有效节省成本[2]，这个特性使得LR-PON近来受到了广泛关注。目前，在光接入网中，强度调制/直接探测(Intensity modulation/direct detection,IM/DD)方案与相干探测方案相比，具有简单、低成本的特点，因此仍然是主流方案。采用IM/DD方案实现LR-PON系统的一个主要挑战是克服色散带来的频率选择性功率衰减。这种功率衰减将使得系统能够使用的带宽随着传输距离的增大而减小。解决该问题的方案之一为单边带(Single side-band, SSB)调制[3-5]。SSB调制需要通过额外的光滤波器、更复杂的光调制器或者混合耦合器来实现，因而可能增加系统的复杂度。另外，由于SSB调制抑制了另一半频谱，降低了接收信号功率，因此也将降低系统的接收灵敏度。在采用双边带(Double side-band,DSB)调制的系统中，补偿色散带来的功率衰减有以下方法：William Shieh等提出了块相位切换(Block-wise phase switching,BPS)方案[6-7]，将一个正交频分复用(Orthogonal frequency-division multiplexing,OFDM)符号重复传输2次，之后改变相邻OFDM符号对应的载波相位，在接收端光电转换之后将两符号叠加，通过牺牲一半传输符号的方式补偿色散造成的信号衰减。Hsing-Yu Chen等则提出提高输入光功率，通过自相位调制(Self phase modulation,SPM)引入负啁啾以减少光纤的等效长度，从而达到提高传输距离的目的，通过这样的方法可以将传输距离扩展至60 km[8-9]。最近，本研究团队提出了一种采用超奈奎斯特镜像频谱与带内信号混叠进行色散补偿的方案[10]，在不改变发射端结构的前提下，以稍稍增加接收端模数转换器带宽为代价，大幅提高系统的传输距离。

文献[10]采用正交相移键控(Quadrature phase shift keying,QPSK)调制的正交频分复用无源光网络(Orthogonal frequency-division multiplexing passive optical networks,OFDM-PON)系统在传输距离为70 km前后出现一个禁止窗口，在该窗口内，一部分OFDM副载波的SNR无法达到前向纠错(Forward error correction,FEC)极限所需的值，从而限制了OFDM-PON的传输距离和传输容量。本文将详细分析采用超奈奎斯特镜像频谱引入混叠的方案，并结合文献[8]，采用大入纤功率以引入负啁啾效应，增大系统3 dB可用带宽；同时采用超奈奎斯特镜像频谱引入混叠，补偿色散引起的功率衰减。本研究通过仿真指出，当超奈奎斯特镜像频谱与信号频谱发生混叠时，将在信号混叠频谱部分引入分集[11]，并提出在接收端采用分数采样和逐子载波最大比例合并(Per-subcarrier MRC)的方法，得到混叠引起的分集增益。仿真和实验结果表明，使用QPSK调制的光OFDM-PON的传输距离可由45 km扩展至80 km以上，并可提供高达32 dB以上的功率预算。本文还在80 km OFDM-PON系统中采用自适应调制(Adaptive bit loading)，以提高系统的传输速率。实验结果表明，在采用自适应调制时，本文方案可将传输速率由QPSK调制时的20 Gb/s以下提高至32 Gb/s以上。

1 基于SPM和MRC的长距离OFDM-PON系统

采用逐子载波最大比值合并(Maximum ratio combining,MRC)算法实现镜像混叠的系统方案如图1所示。使用双边带调制的光正交频分复用(Optical orthogonal frequency-division multiplexing,O-OFDM)信号在经过光纤传输和光电转换后，信号频谱如图1(b)所示。可见，信号频谱在高频处功率衰减严重，出现功率零点。为了补偿色散引起的功率衰减，本研究采用分数采样和逐子载波MRC算法。具体流程如下：(1)在发射端保留信号的1阶超奈奎斯特镜像频谱，如图1(a)所示；(2)在接收端使用一个带宽大于信号奈奎斯特带宽的模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)对信号进行分数采样；(3)将ADC输出的接收信号进行过采样至m倍信号奈奎斯特带宽(m=2,3,4,…)；(4)对过采样后的信号进行数字滤波，滤除带外噪声，如图1(c)所示。滤波器所需的带宽正比于传输距离，可参考本文第3部分；(4)对过采样后的每个采样点信号进行符号速率抽取并分别进行频域均衡，得到每个副载波的SNR；(5)基于每个采样点得到的子载波SNR，对均衡后的m组信号进行逐子载波MRC。MRC后得到的信号可表示为

(1)

式中：zn,l和SNRl(n)分别为均衡后的第n个副载波、第l个采样点的信号和信噪比。从图1(e)可以看到，MRC后得到信号的SNR(红色曲线)相比于各采样点(SP1～SP4)，得到了有效的增强。分数采样所起的作用如下：(1)通过分数采样，AD转换后得到的接收信号可以保留高频的镜像频谱；(2)分数采样加数字滤波的方法可以降低接收信号的量化噪声，因为在A/D转换器分辨率一定时，其量化噪声总量一定，而分数采样将量化噪声的频谱变宽，加上数字滤波器后，带外的量化噪声被滤除，从而降低了总噪声功率。需要注意的是，过采样倍数越大，后端MRC算法的复杂度也随之增大，一种解决方案是在数字滤波后进行一次重采样，将信号采样率降低之后再进入MRC，从而在获得低噪声的同时，降低MRC算法的复杂度。上述方案可以应用于以下场景：(1)在双边带调制的IM/DD系统中，用于补偿色散引起的功率衰减；(2)在发射机带宽受限的系统中，用于补偿发射机高频部分的SNR恶化。

图1 采用逐子载波MRC算法实现镜像混叠的系统Fig.1 Block diagram for fractional sampling and per-subcarrier MRC

2 基于SPM和MRC的长距离OFDM-PON系统实验装置

采用双边带调制的IM/DD OFDM-PON系统实验结构图如图2所示。其中AWG为任意信号发生器，DFB为分布式反馈，PC为偏振控制器，MZM为马赫增德尔调制器，EDFA为掺铒光纤放大器，VOA为可变光衰减器，BPF为带通滤波器。使用的系统参数如表1所示。在实验中，首先使用Matlab产生OFDM信号，之后再导入任意信号发生器(AWG 7122C)中。用于逆快速傅里叶变换(Inverse fast Fourier transform,IFFT)的副载波总个数为544，其中第3～258个副载波(共计256个)用于加载QPSK信号；第1，2个副载波填零以规避分页反馈(Distributed feedback,DFB)激光器的大线宽对信号的影响；第259～273个副载波填零。为实现实数信号输出，第544～274个副载波填入第2～272个副载波信号的复共轭。在IFFT后，每个OFDM信号被加入8个采样点的循环前缀。在整个OFDM信号帧前，还加入了1个同步符号用于做信号同步[12]，以及30个前导符号用于做信道和SNR估计[13]。在信号并/串转换并进行削峰处理之后，信号被导入AWG中，并使用20 Gsa/s的采样率输出电信号。该电信号在经过一个线性放大器(SHF 807)之后被送入至一个调制带宽超过20 GHz、消光比超过20 dB的马赫曾德尔强度调制器实现电光调制。调制光源采用一个中心波长为1 550.12 nm的DFB激光器。由于本文采用超过14 dBm的入纤功率，为避免受激布里渊散射(Stimulated Briuouin scattering,SBS)[14]对信号造成过量的衰减(在15 dBm入射80 km光纤时，在线宽1 MHz的情况下，由SBS产生的后向散射功率超过5 dBm)，本研究使用了激光器的相干控制，将激光器线宽扩展至超过200 MHz，如图4(a)所示。电光调制后得到的光信号先进入一个EDFA，将信号放大至15 dBm并经过一个光带通滤波器滤除带外自发辐射噪声(Amplified spontaneous emission,ASE)之后，被送入一段80 km的标准单模光纤。在光纤传输之后，接收端先使用一个设置为15 dB以上的可变光衰减器模拟一个1/32的光功分器。衰减之后的信号进入一个光预放接收机实现信号的光电转换。之后采用一个采样率为100 Gsa/s的实时示波器(DPO73304D)对信号进行A/D转换和信号存储。最后对存储的信号进行离线数字信号处理(Digital signal processing,DSP)处理，包括数字滤波、并行频域均衡、SNR探测、逐子载波MRC和信号解调等。需要说明的是，由于色散引起的衰减将使得在部分子载波处出现功率零值，这种情况下采用迫零法进行信道均衡将导致严重的噪声增强，因此本文采用最小均方误差法。

图2 系统实验结构图Fig.2 Experimental setup

项目值FFT点数(NFFT)544调制数据的副载波个数(Nch)256循环前缀的采样点数(Nch)8调制格式QPSK每帧的OFDM符号个数(Nblock)300AWG采样率(fclock)/(Gsa·s-1)20ADC/DAC精度(仿真用)/bits6光载波中心波长/nm1550.12MZ调制器消光比/dB20光纤长度/km80示波器采样率/(Gsa·s-1)100

3 基于SPM和MRC的长距离OFDM-PON系统仿真

通过Matlab和VPI联合仿真，分析在不同光纤长度下采用大功率入射的镜像混叠法的系统性能。仿真所用参数与实验系统相同，如表1所示。首先分析在使用大入纤功率情况下，对于10 GHz的信号vin，采用镜像混叠法所需的带宽。对于一个零啁啾的入射光信号，在经过EDFA放大，经过一段光纤后，由于SPM的影响，接收端的光信号将引入一个与入射光强有关的相移(啁啾)，该相移可表示为ΦNL=-2γLeffPin，其中Pin为入射光功率，γ=2πn2/Aeffλ为非线性系数(n2为非线性折射率系数,Aeff为光纤有效纤芯面积，λ为光载波中心波长)，Leff=(1-exp(-αL))/α为光纤有效长度(α为光纤衰减系数，L为光纤长度)[15]。可见，ΦNL与光纤长度和入纤功率有关。受SPM和色散的影响，在光电转换后，接收信号vout=vincos(ΦNL+πLDλ2/c)。由此可见，SPM引起的负啁啾将使得信号的功率零点向高频移动。这意味着SPM将使得经过同样长度光纤后，色散导致的零功率频点将向高频方向移动，因而改善了系统的可用3dB带宽，减小了色散对信号的影响。这同时也表明，由于SPM的影响，采用镜像混叠法时接收机所需的带宽将变小，如图3(a～b)所示。图3(a)为计算结果，图3(b)为系统仿真结果。由图3(a)和(b)可见，在采用大功率入射后，镜像混叠法的接收机所需带宽将显著减小。在传输80km后，采用13dBm入纤功率所需的接收机带宽小于12.5GHz；而在6dBm入纤功率时，接收机带宽则需要约13.5GHz。然后评估在不同光纤长度下，采用大功率入射的QPSK调制OFDM信号的误码率性能。为模拟1分32光分路器，在接收端固定添加了15dB衰减。仿真结果如图3(c)所示。由图3可见，在6dBm入射功率下，不采用镜像混叠法，可传输距离小于45km，而采用镜像混叠法后，可传输距离扩展至约70km；在13dBm入射功率下，不采用镜像混叠法，可传输距离约为57km，而采用镜像混叠法，可传输距离可以扩展至约80km以上。因此可知，采用大入射功率和镜像混叠相结合的方法，可使传输距离从45km以下提升至超过80km，从而实现LR-PON系统。图3(d)为传输80km光纤、固定衰减15dB之后得到的SNR曲线。由图3(d)可以看出：(1)随着入纤功率的增大，功率零值点(SNR为负)向高频推移，系统可用3dB带宽增大(见蓝色曲线)；(2)在6dBm入射功率时，由于第1和第2功率零点同时落在信号及其对应的镜像处，采用镜像混叠法效果不明显；(3)在13dBm入射功率时，采用镜像混叠法，功率零点处的SNR得到了显著增强，从而保证了QPSK调制的OFDM信号的误码率在FEC以下。(4)对于10GHz带宽的信号，在6dBm信号输入时，采用超奈奎斯特镜像频谱与信号频谱混叠技术需要的接收机带宽为约14GHz，而在16dBm信号输入时，接收机带宽只需12.5GHz以下。

图3 系统仿真结果Fig.3 Simulation results

4 实验结果

本文使用如图2所示的实验系统，对提出的方案进行评估实验结果如图4所示。在实验中，入射光功率被提高到14.5dBm，以得到最佳性能。首先测试了带宽为10GHz的QPSK调制OFDM信号在传输80kmSSMF之后的误码率性能。由图4(c)可以看到，只有在同时采用大入纤功率和镜像混叠之后，系统的误码率才能降至FEC限以下，与仿真结果相符。这从图4(b)所示的实测SNR曲线也可以看出来：在传输80kmSSMF之后，只有在采用大入纤功率并加入镜像混叠(14.5dBm入纤功率，12.5GHz接收机)后，系统的SNR在高频处才足以支持QPSK信号的传输。为更好地利用10GHzOFDM信号的带宽，本研究也采用了自适应调制技术，自适应比特加载[16]，获得了在80km传输情况下，不同的接收功率(光分路器分光比)情况下所能得到的比特速率，如图4(d)所示。由图4(d)可得出以下结果：(1)在速率为32Gb/s的情况下，可以支持1/32的分光比，功率预算超过32dB；(2)在采用1/64分光比(衰减18dB)情况下，可以实现30Gb/s的速率；(3)随着ROP的持续增大，采用镜像混叠获得的比特速率增益将越大。需要指出的是，由图4(b)中红色实线和虚线的对比可以发现，6dBm入射功率下，高频处的SNR将比16dBm入纤功率时要更大。原因之一是：在大入射功率情况下，非线性造成的信号-信号干扰(Subcarrier-to-subcarrierintermixinginterference,SSII)将会增大，导致SNR恶化[9]。通过消除SSII进一步提升SNR，将是下一步的工作。需要说明的是，虽然大入射功率带来了更大的功率预算，但是大入射功率也带来了如下问题：(1)大的入射功率使得瑞利后向散射非常严重，必须在发射端激光器中使用相干控制以缓解这个问题，从而提高了复杂度；(2)大的入射功率也带来了非线性的SSII问题，从而也提高了接收端DSP的复杂度。

图4 实验结果Fig.4 Experimental results

5 结束语

本文通过仿真和实验提出并验证了一种大功率预算、大容量的LR-PON系统。本文指出，引入镜像混叠后，高频部分子载波将引入分集，可通过分数采样和逐子载波MRC得到。分集增益仿真和实验结果表明，结合大入纤功率和镜像混叠技术，可以将10GHz带宽QPSK调制OFDM信号的传输距离从45km扩展至超过80km；可以通过自适应调制技术，实现大于32Gb/s的速率以及超过32dB的功率预算；在大入纤功率下，镜像混叠所需的接收机带宽也可以得到显著下降，从而进一步降低本方案的硬件需求。需要指出的是，在大入射功率下，SBS效应将造成严重的后向散射，需要通过在激光器中使用额外的相干控制来缓解这一问题，同时，大入射功率将使得接收端的SSII更为显著，从而可能增加系统的复杂度。

[1]TownsendPD,TalliG,ChowCW,etal.Longreachpassiveopticalnetworks[C]//IEEELEOSAnnualMeeting.Florida,USA:[s.n.], 2007:ThW1.

[2]SongH,KimBW,MukherjeeB.Long-reachopticalaccessnetworks:Asurveyofresearchchallenges,demonstrations,andbandwidthassignmentmechanisms[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials, 2010, 12(1): 112-123.

[3]HuiR,ZhuB,HuangR,etal.Subcarriermultiplexingforhigh-speedopticaltransmission[J].IEEEJournalofLightwaveTechnology, 2002, 20(3): 417-427.

[4]PengWR,Wux,ArbabVR,etal.Theoreticalandexperimentalinvestigationsofdirect-detectedRF-tone-assistedopticalofdmsystems[J].IEEEJournalofLightwaveTechnology, 2009, 27(10): 1332-1339.

[5]SchmidtBJC,LoweryAJ,ArmstrongJ.Experimentaldemonstrationsofelectronicdispersioncompensationforlong-haultransmissionusingdirect-detectionopticalOFDM[J].IEEEJournalofLightwaveTechnology, 2008, 26(1): 196-203.

[6]XiC,LiA,CheD,etal.High-speedfading-freedirectdetectionfordouble-sidebandOFDMsignalviablock-wisephaseswitching[C]//OFC/NFOECTechnicalDigest.California,USA:[s.n. ], 2013:PDP5B.7.

[7]LiA,CheD,ChenX,etal. 61Gbits/sdirect-detectionopticalOFDMbasedonblock-wisesignalphaseswitchingwithsignal-to-signalbeatnoisecancellation[J].OptLetters, 2014, 38(4): 2614-2616.

[8]ChenHY,WeiCC,LUIC,etal.High-capacityandhigh-loss-budgetOFDMlong-reachPONwithoutanopticalamplifier[J].JOptCommunNetw, 2015, 7(1):A59-A65.

[9]ChenHY,WeiCC,LinCY,etal.A200-GbpsOFDMlong-reachPONover60kmtransmissionwithoutinlineandpre-amplifier[C]//OpticalFiberCommunicationsConferenceandExhibition.California,USA: [s.n.], 2015:Th1H.2.

[10]GuoC,DaiL.AlongreachIM/DDOFDM-PONusingsuper-nyquistimageinducedaliasingandcode-divisionmultiplexing[C]//OFC/NFOECTechnicalDigest2014.California,USA:[s.n.], 2014:Tu2F.3.

[11]TepedelenliogluC,ChallagullaR.Low-complexitymultipathdiversitythroughfractionalsamplinginOFDM[J].SignalProcessing,IEEETransactionson, 2004, 52(11): 3104-3116.

[12]SchmidlTM,CoxDC.RobustfrequencyandtimingsynchronizationforOFDM[J].IEEETransCommun, 1997, 45(12): 1613-1621.

[13]YingQ,TangY,MaY,etal.Experimentaldemonstrationandnumericalsimulationof107-Gb/shighspectralefficiencycoherentopticalOFDM[J].JournalofLightwaveTechnology, 2009, 27(3): 168-176.

[14]义理林, 魏伟, 胡卫生. 基于受激布里渊散射效应的高精度可编程光滤波器[J]. 数据采集与处理, 2014, 29(6):901-909.

YiLilin,WeiWei,HuWeisheng.High-resolutionprogrammableopticalfilterbasedonstimulatedBrillouinscatteringeffect[J].JournalofDataAcquisitionandProcessing, 2014, 29(6):901-909.

[15]AgrawalG.Nonlinearfiberoptics[M].SanDiego:Academic, 2001.

[16]ChowPS,CioffiJM,BinghamJAC.Apracticaldiscretemultitonetransceiverloadingalgorithmfordatatransmissionoverspectrallyshapedchannels[J].IEEETransCommun, 1995, 43(234): 773-775.

OFDM Passive Optical Networks Based on Super-Nyquist Image Induced Aliasing

Guo Changjian1, Zheng Yicheng1, Liang Jiawei1, 2, Hong Xuezhi1, Li Rong2

(1.South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou, 510006, China; 2. School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal Univesity, Guangzhou, 510006, China)

A novel long reach passive optical networks (LR-PON) with high power budget and high capacity is investigated. Based on self-phase modulation (SPM) induced negative chirp and super-Nyquist image induced aliasing, diversity is firstly introduced to the aliased components using the first-order super-Nyquist image. Then fractional sampling and per-subcarrier maximum ratio combining (MRC) are adopted to harvest the diversity gain. Simulation and experimental results show that, using our proposed scheme, the transmission length of a 10 GHz bandwidth QPSK modulated orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) signal can be extended from 45 km to more than 80 km without any forbidden area. It is also shown that with adaptive modulation, the proposed LR-PON system has a data rate of more than 32 Gb/s and a power budget of larger than 32 dB.

super-Nyquist image; optical orthogonal frequency-division multiplexing(OFDM); self-phase modulation

国家自然科学基金青年基金(61307090)资助项目；广东省自然科学基金(2014A030313430)资助项目；广东省引进创新科研团队(201001D0104799318)资助项目。

2015-04-01；

2015-09-15

TN913.7