基于模分复用的100 Gb/s OFDM传输系统研究*

程吉喆，刘战胜，吴庆典

（江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引 言

具有低色散特性且稳定性好的单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）的全球宽带通信提供了一种技术手段。然而，目前较为成熟的传输技术几乎达到了SMF系统的容量极限。光空分复用（Optical Space Division Multiplexing，OSDM）是不同空间位置传输不同信号的复用方式，通过在一根光纤中以模式或多芯的形式来利用物理维度空间。将来，为了扩大容量，研究的方向是寻找能够利用空间维度[1]的传输方案，尤其是短距离的室内高速接入，期望能够有效应对目前不断增长的传输能力需求，克服亟待解决的容量危机。文献[2]提出使用少模光纤来实现空分复用的具体解决方案，利用了FMF的空间正交模式即模分复用（Mode Division Multiplexing，MDM）。每个模式作为一个独立的信道进行传输，减少了模态色散且每个模式信道的性能原则上与SMF相似。少模光纤适用于室内接入，如小区内的电箱到楼道、楼道到用户、用户之间的连接等，距离不长，但对数据速率有较高要求。

二进制启闭键控[3]（On-Off Keying，OOK）是最简单的二进制振幅键控调制方式，以单极性不归零码序列来控制正弦载波的开启与关闭，但频谱利用率低。正交频分复用[4]是一种多载波调制技术，目前广泛应用于无线通信领域。OFDM实现复杂度低，通过将高速数据信号转换成并行的低速子数据流来传输。OFDM由于具有保护间隔和循环前缀，能够有效抵抗多径效应带来的码间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI）和子载波干扰（Interchannel Interference，ICI）。OFDM系统由于各个子载波间具有正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此OFDM可以充分利用频谱资源，克服传统多路传输方法中频谱利用率低的缺点，频谱优势明显，能够提高频谱的利用率。

在短距离传输系统中，已经有一些空分复用研究成果。Franz等人[5]报道空分复用使用模式组在一个5公里标准的渐变型多模光纤中用二进制启闭键控调制和直接检测的方式传输信号。在这种模式下，用一个由相位掩模组成的模式转换器来激发所需的模式。Gasulla等人[6]在1公里的FMF中使用四组模式，使用直接检测的OOK传输4种不同的数字信号。文献调研表明，少模串扰对短距离传输信号的影响不大。

1 原理介绍

1.1 线偏振模

光纤是一种通过在纤心和包层之间有足够小的折射率差来满足弱导波条件的较完美圆柱形结构，线偏振模[7]通常被表示为LPmn。线性由它的空间分布和传播常数β决定。在柱坐标系下，纤芯和包层的场分别为[8]：

式中，A、U、W、R、Jm、Km分别为模式振幅、纤芯横向传播常数、包层横向传播常数、光纤半径、m阶贝塞尔函数和m阶修正贝塞尔函数，r为场的分布位置。

在弱导波条件下，可得到线偏振模的特征方程[9]：

式（3）与式（4）是相互等价的[10]。

利用U、W与V、k0、n、β的关系，即：

式 中：V为 光 纤 归 一 化 频 率，V=(2πR/λ0)(-)1/2，λ0为工作波长，k0为波数，k0=2π/λ0，n1和n2分别为光纤纤芯和包层的折射率。为解出特征参数U、W、β，可确定各个线偏振模的横向场分布特点和纵向传播特性[11]。

这里，LPmn模的模序数m和n有着明确的物理含义，m是贝塞尔函数的阶数，同时又完全确定了场量沿φ方向的分布规律。在φ方向的场量按cos(mφ)规律变化，当φ从0～2π变化一周时，场量将出现2m个极大点和2m个零点；n则反映了场量沿半径方向取极值的个数。在LP模的特征方程中，m表示方程的阶数，n表示各阶方程的第n个有效解，即LPmn模表示m阶特征方程的第n个根。

1.2 系统模型

本文提出了使用OFDM发生器和垂直腔面发射激光器产生的信号结合模分复用通过少模光纤成功传输四路25 Gb/s的信号，即共100 Gb/s室内高速光接入的通信系统模型，如图1所示。在发射端，首先在电域生成四路经过OFDM调制的信号，分别加载到四路能够由垂直腔面发射激光器发生的光波长为850 nm的光上，形成四路并行的不同模式的光信号，至此进入光域。将四种模式的信号耦合为一路光信号通过少模光纤传输300 m的距离。在接收端，通过四个模式选择器分别筛选出四种不同模式的信号，通过光电转换器把光信号转换为电信号，再次进入电域。对进入电域的四路信号分别进行解调，根据解调后的结果，直接计算出系统中每一路的误码率，并画出四路信号各自的星座图。通过对系统的误码率分析比较和星座图的分布情况来观察系统的性能。

图1 100 Gb/s OFDM传输系统模型

2 仿真结果

本文仿真实验由Optisystem和Matlab仿真平台联合实现。对基于模分复用的少模光纤通信系统的性能进行仿真分析，主要验证了该系统在四种模式并行传输和100 Gb/s高数据速率传输条件下的系统性能。为了保证仿真结果的可靠性，在Optisystem软件中设置仿真的数据序列长度为16 384 bit，系统发射端的信号发送功率为-25 dBm，单路数据速率为25 Gb/s，每比特采样数为32，少模光纤的传输距离为300 m。OFDM调制模块和解调模块通过在Matlab仿真平台编写程序完成，主要包括4QAM（也就是QPSK调制/解调）、串并/并串转换、IFFT/FFT等。系统中OFDM子载波数目为256，共轭子载波数为256。本仿真设置的循环前缀为16，垂直腔表面发射激光器输出的光波长为850 nm，偏置电流为5 mA。本仿真通过先扫描输入功率来确定最佳输入功率，后扫描数据速率来确定可以传输的最大速率，从而确定本系统的参数设定。

图2显示了在少模光纤传输长度为300 m，系统传输的数据速率为25 Gb/s时，对输入功率进行扫描的结果。在-25～-10 dBm的范围内，只改变输入功率，其他条件不变，比较误码率大小。由图2可以看出，在系统输入功率为-20 dBm时，四路OFDM信号的误码率均为最小。因此，系统固定四路输入端的功率均为-20 dBm。

可以看出，随着信号输入功率的增大，信号的误码率性能先是逐步变好，输入功率到达-20 dBm后开始逐步变差。可见，-20 dBm时是系统的最佳输入功率。因此，选定系统输入端的输入功率为-20 dBm，以期达到较好的仿真结果。

图3 显示四路25 Gb/s的OFDM信号并行传输时对系统数据速率扫描的结果，范围是15～35 Gb/s。一般来说，对于取对数后的误码率，要求小于-2.3 dB，保障对系统的传输性能的要求。也就是说，在现有模式下，25 Gb/s是能够传输的最大数据速率。

由图3可以看出，数据速率从15 Gb/s开始，随着比特率的增大，误码率较快速增大。25 Gb/s是一个分界点，25 Gb/s到35 Gb/s的误码率增长幅度有所减缓。结合一般对误码率的要求综合考虑，选择25 Gb/s的数据速率率作为仿真最后的传输速率较为合适。

图3 扫描不同比特率的误码率

图4 显示了当系统发送端功率为-12 dBm，系统数据速率为25 Gb/s，四路OFDM信号通过300 m的少模光纤，接收端解调出的四路OFDM信号的星座图中的一个。星座图中点的发散程度代表了原始信号经过多模光纤信道后的失真程度。

图4 数据速率25 Gb/s，输入电信号功率-12 dBm时的星座图

由图4可以看出来，四路信号的QPSK星座图的下面两个点相对于上面两个点有部分错位问题。虽然星座点中心部分点较为集中，但是整体上星座图四个点边界不清楚，融合到一起且向四周延伸。系统计算的误码率为-1.792 4 dB，数值较大。即对接收到的四路信号的解调是不成功的，不能清晰分辨四个星座点，不能达到良好的通信性能。

图5显示了当系统发送端功率为-25 dBm，系统数据速率为25 Gb/s，四路OFDM信号通过300 m的少模光纤，接收端解调出的四路OFDM信号的星座图之一。

由图5可以看出，四路信号的QPSK星座图四个点均无明显错位问题。虽然星座点边缘部分点分布有些许散乱，但是整体上四个星座点边界比较清楚，即对接收到的四路信号的解调是成功的，能够清晰分辨出四个星座点，不易发生误判，能够达到良好的通信性能。

图5 数据速率25 Gb/s，输入电信号功率-20 dBm时的星座图

3 结 语

少模光纤室内高速接入是当前高速光纤传输系统研究的热点问题之一。本文对将模分复用应用到少模光纤做了尝试与研究。通过传输OFDM信号对系统进行性能验证。通过增加路数即同时传输四路并行的OFDM信号来实现大容量信息传输，以满足目前对高速的需求。本文对系统输入功率和数据速率进行了严格测试与验证，证明了模分复用结合少模光纤实现了100 Gb/s数据传输，为其在室内应用提供了依据。