光正交频分复用技术及其应用（1）

1 光正交频分复用的发展
    正交频分复用(OFDM)[1-2]是多载波调制技术的一种，可以有效地解决由色散信道引起的符号间干扰(ISI)问题，能够广泛地用于各种宽带无线和有线通信中。这种抗色散能力在强调高速、宽带能力的今天显得尤为重要。

    OFDM的概念最早是贝尔实验室的R.W. Chang于1966年提出的。其他的一些OFDM关键技术包括：1969年Weinsten等提出的用逆离散傅里叶变换(IDFT)/傅里叶变换(DFT)实现OFDM的调制和解调；1980年提出的循环前缀技术。这3个关键概念构成了OFDM的基础[2]，后两项技术对于OFDM的实用化非常关键。1995年Telatar和Foschini关于多天线系统的工作为现行OFDM所具有的良好抗色散能力和扩展能力奠定了基础。

    OFDM技术早期主要限于军事通信系统，在宽带应用方面发展很缓慢，原因在于OFDM所需的高速、复杂计算能力是当时的集成电路难以做到的。从20世纪80年代起，人们开始考虑将OFDM用于无线系统和宽带有线系统，例如1985年贝尔实验室的Cimini建议将OFDM用于移动通信，1987年法国的Lassalle和Alard提出将OFDM用于无线电广播，1991年斯坦福大学的Cioffi等人证明OFDM在数字用户线路(DSL)方面很有潜力。同时，随着超大规模集成电路的发展，OFDM终于开始进入应用。1995年OFDM 首先成为欧洲数字音频广播(DAB)标准。目前，采用了OFDM调制技术的重要标准包括欧洲数字视频广播(DVB)、无线局域网(Wi-Fi)(IEEE 802.11a/g)、无线城域网络(WiMAX)(802.16e)、非对称数字用户线(ADSL)(ITU G.992.1)和第四代移动通信的长期演进(LTE)技术[3-4]。

    但是OFDM在光通信方面的应用却很晚。最早的工作出现在1996年，但一直到2001年人们才注意到OFDM最重要的优点是抗色散能力在光纤通信中的价值。因为多模光纤的色散与无线通信系统中多径衰落类似，它使人们首先想到的是将OFDM移植到多模光纤中来抵抗色散的影响。在单模光纤系统中，OFDM主要用来实现超大容量长距离传输，包括采用直接光检测的光OFDM和基于相干光检测的光OFDM(CO-OFDM)。最近NEC美国实验室实现了101 Tbit/s OFDM系统[3]，在单模光纤上传输了165 km，其中采用了偏振复用和128 QAM调制，谱效率高达11 BPS/Hz。北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室利用OFDM的一个变种，即单载波频分复用(SCFDM)，实现了1 Tbit/s超级通道信号可以在单模光纤上传输160 km。近来基于多输入多输出(MIMO)技术的相关研究也取得进展，它可以同时利用多模光纤或少模光纤中的不同空间模式(相当于增加了一个自由度)，进一步增大OFDM传输容量。例如，澳大利亚墨尔本大学的谢伟教授实验室在双模光纤上实现了107 Gbit/s相干光通信[4]。这里需要说明的是:光纤通信里广泛使用的光频分复用(FDM)/波分复用(WDM)技术与文章介绍的OFDM是有区别的。

    OFDM在光通信的另一个重要应用是高速光接入。无源光网络(PON)是最主要和最有潜力的光接入方式，主流的技术包括以太无源光网络(EPON)和千兆无源光网络(GPON)，同时10 Gbit/s PON已经开始大规模商用，更高速率的下一代PON标准在研究制订中。NEC提出一种基于OFDM的无源光网络(OFDM-PON)[5]，利用数字信号处理(DSP)的优势，可以实现很灵活的100 Gbit/s超高速光接入，包括动态的带宽指配、高度可重构性、更低的成本。

    在光网络方面，NTT提出一种可以实现高谱效率和带宽灵活可变的弹性光网络[6]，其中两项核心技术是采用基于光OFDM的可变速率收发器，以及利用波长选择性开关(WSS)和多个光子载波之间的正交性实现带宽可变交叉连接。这种带宽可变交换网络可以实现从亚波长粒度到超波长粒度的动态带宽交换，这是过去波分复用光网络中波长交换难以达到的目标。相比之下，OFDM在光纤传输和高速光接入的应用前景已经很明朗，但在可变带宽交换方面还有较长的路要走。

2 OFDM系统基本架构
    图1是典型的OFDM系统架构。其中IDFT和DFT分别是发射机和接收机中的主要单元。在发射机中，输入的串行数据首先变换成许多并行子数据流(S/P)，分别调制到相应的子载波上，不过这个调制过程是利用IDFT实现的，这同时保证了子载波间的正交性。并行子数据流经IDFT后变成了数字时域信号，然后再加进循环前缀(CP),经并串变换(P/S)和数模转化器(DAC)变成实时波形，形成OFDM码元。组帧时通常还要加入同步序列和信道估计序列，以便于接收机进行突发检测、同步和信道估计。由此产生的基带信号，可以用IQ调制器上转换到一个适当的射频(RF)通带或光波上。在接收机中，OFDM信号用IQ解调器下转换到基带，用模数转换进行采样，再经串并转换，去掉循环前缀后，用DFT进行解调，完成信号处理，再并串转换恢复出串行数据信号。

    在上述架构中，快速傅里叶变换(FFT)采用允许各子载波重叠排列，同时保持正交性，不需要像传统频分复用那样加入保护带宽来减少相临载波的串扰，因此极大地提高了频谱利用效率。

    循环前缀技术对于OFDM的实用化非常关键。利用循环前缀，任何由线性色散信道引起的畸变都可以很简单地用“单抽头”均衡器纠正，避免ISI和载波间干扰(ICI)。其基本原理如下：色散引起两个OFDM符号间出现延迟，接收时在一个DFT窗口里看到的是某个OFDM符号有一小段移出了窗口。虽然可以加入保护时间间隔消除ISI，但这样在一个DFT窗口里有一段非逆傅里叶变换产生的波形，将破坏子载波间的正交性，从而产生ICI；循环前缀就是将OFDM符号的一段“拷贝”到保护时间间隔里，相当于作周期性的延伸，代替因色散延迟移出DFT窗口的那一段波形，从而完全消除ISI和ICI。

3 OFDM光纤传输系统
    OFDM应用到光通信远比无线和宽带（电）有线通信晚，主要原因是OFDM依赖于DSP，只有到DSP芯片能够处理高速率信号时，实时的光OFDM系统才有可能实现。

    传统无线和有线OFDM系统与传统强度调制直接检测(IM-DD)光纤通信系统之间存在某些根本区别。典型的电OFDM系统中，信息加载在电场上，信号可以是双极性的，接收时通常采用相干检测；而传统的IM-DD光纤通信系统中，信息加载在光波强度上，是单极性的，接收时采用直接检测。由于集成电路的发展，目前基于DSP的相干光检测系统发展非常迅速，一个本振光与信号经混频后在光检测器中拍频，拍频成分经DSP处理恢复出数据。

    光OFDM的实现方式可以大致分成两类[2]：第一类技术适用于接收多个不同光模式的系统，这些系统包括光无线通信系统、多模光纤通信系统、塑料光纤通信系统等，这些系统中的OFDM信号应该用光信号的强度进行表述；第二类技术适用于接收单个光模式的系统，即单模光纤通信系统，该系统中的OFDM信号应该用光场进行表述。下面介绍3种具有代表性的光OFDM系统[2]。

3.1 采用强度调制的光OFDM系统
    采用强度调制的光OFDM广泛应用在光无线传输系统之中。OFDM的高频谱效率、高功效以及只需简单的频域均衡这一系列优点已经被一系列宽带无线传输标准采用，包括高清晰度电视(HDTV)、DSL、Wi-Fi和WiMAX。OFDM调制格式可以在提高系统性能的同时拥有较低的成本。例如，NEC美国实验室在2008年的美国光纤通讯展览会(OFC)上报道了10 Gbit/s的光无线OFDM系统传输实验[7]。已报道的研究结果表明，和OOK调制格式相比，OFDM这种新型调制格式在抗无线信道中的随机湍流、不利大气条件等方面表现出更好的性能，OFDM是下一代光无线传输系统非常有竞争力的调制格式[8-14]。

    无线光OFDM同样是一种多载波方案，将高速数据流分为低速的数据流，调制到窄带的子载波上并传输出去。这些窄带子载波数据流传输时遭受的畸变远低于高速信号，而且所需的信号处理可以在RF域完成。基本的传输结构是：发送数据经过串并转换后进行多元调制。调制后的信号首先进行离散傅立叶变换产生OFDM信号，然后进行并串转换转化为串行数据，加上循环前缀后，通过激光器将基带信号调制到光载波上，随后经过一定距离的光纤传输后，通过自由空间光天线发射出去，再经过无线信道传输后，在收端由自由空间光天线将无线信号接收下来，接着经过光纤信道传输，在接收机通过光电转换器进行光信号解调，得到基带OFDM信号，之后进行OFDM信号解调，去掉循环前缀，进行串并转换，执行快速傅立叶变换，进行信道均衡以调制格式解调最后输出。

    在光无线OFDM系统中，接收机中接收到多个光模式将使系统表现为在光强上是线性的，因此OFDM信号必须表示为强度信号，这意味着调制信号应当为正实数。但基带OFDM信号通常是复数的和双极性的，因此需要产生实OFDM信号。文献[15]报道了几种单极性OFDM信号格式：直流偏置的光OFDM信号(DCO-OFDM)和非对称限幅OFDM信号(ACO-OFDM)。

3.2 采用线性光场调制的光OFDM系统
    该类OFDM光纤传输系统可以分为直接检测的光OFDM系统(DD-OOFDM)和CO-OFDM系统。从发展历程来看，早在2001年，光通信领域就已开始注意OFDM技术的价值，并对此进行了大量的研究。初期的研究中OFDM发射机所使用的调制器为电吸收调制器[15]。后来发展为利用马赫-曾德尔(MZI)结构的强度调制器来进行电光转换，并且接收端采用直接检测的方式[16]。随着DSP技术的发展，相干技术重新成为人们关注的焦点[17-18]。

    在DD-OOFDM系统中，电发射机产生的信号用一个强度调制器进行调制，这里调制的OFDM信号是已经频谱搬移到中频的信号。

    对于CO-OFDM系统，可以采用的发射机结构有两种。一种是直接调制的方法：就是将产生的基带OFDM信号利用IQ调制器直接进行电光转换。这种方法的有两种好处：不需要在发射和接收端外加一个镜像滤波器来滤除一个边带；极大地减小了发射和接收机中所需的电带宽。在OFDM信号的传输系统中，调制器和信号发生器的带宽限制了所能发送信号的带宽，也就是在同等调制格式下的信号速率。第二种调制方法类似直接检测系统中的先将OFDM信号利用一个电IQ调制搬移到中频上，再将此中频信号利用一个强度调制器转换到光域。在接收端的相干接收时也可以分别采取直接下变频和间接下变频的方法。每种发射机结构都可以与任意一种接收机结构配套使用，所以CO-OFDM系统一共有4种架构。

    DD-OOFDM接收机相对简单，它将光载波携带的OFDM信号送入PD进行光电检测，并送入接收机中进行接收。但是为了避免干扰，一些光频率无法使用。这个缺点一般通过在光载波和OFDM子载波间插入保护带宽来解决。但是这样就会降低频谱效率，并且DD-OOFDM系统需要更多的传输光功率。

    CO-OFDM系统在接收端额外需要一个激光器产生本地光载波，接收到的信号要与本振一起送入90°光混频器中，混频得到多个分支信号并送入平衡接收机进行接收。CO-OFDM系统对相位噪声更加敏感，并且引入了频偏估计等问题；但由于本振光的放大作用，提高了接收机的灵敏度，因此更加适合超长距离传输。相对于DD-OOFDM系统，CO-OFDM系统最大的优点在于可以有效地恢复信号除强度之外的相位、偏振等所有信息，配合如今快速发展的DSP技术，十分方便地对信号进行各种均衡。由于OFDM信号对于色散和偏振模色散(PMD)的高容忍度，在CO-OFDM系统中就可以去掉在线的光学色散补偿（如色散补偿光纤），在接收端利用DSP技术进行补偿。

    在实际应用中，有一点需要特别指出。在DD-OOFDM系统中，由于我们考虑的是电场与光强的转换关系，所以从MZ调制器的传递函数可以看出，最佳线性偏置点是在正交点；而对于CO-OFDM系统来说，考虑的对象就变成了电场与光场之间的转换关系，此时MZ调制器最佳线性偏置点是在谷点，也就是功率最小处。

    目前的发展趋势客观要求我们不但要追求更高的传输速率，还要追求更大的频谱效率，因此CO-OFDM的发展更加迅猛。近几年国际上有很多实验室陆续实现了1 Tbit/s的CO-OFDM传输实验，例如墨尔本大学的谢伟教授实验室、贝尔实验室、日本NTT公司等很多国际知名科研机构[19-21]。目前中兴通讯在OFC 2011会议上报道了单通道11.2 Tbit/s的CO-OFDM传输实验[22]。在各种超过1 Tbit/s的超级通道实验中，关键在于如何产生满足速率要求的多个正交光子载波。由于电器件带宽所限，一个光载波上的信号一般只能达到几十、甚至100 Gbit/s，所以往往要实现无保护间隔的多波带OFDM系统来提高速率。产生多个光载波的方式有将多个激光器频率锁定、循环移频、相位-强度调制器串联以及光梳等[23-24]。德国卡尔斯鲁厄工学院的D. Hillerkuss1等最近利用单个光梳光源实现了26 Tbit/s线速的OFDM超级通道传输实验[23]，其中的光梳是利用锁模激光器输出经高非线性光纤产生的，这是目前用单个光源实现的最高线速。

3.3 MIMO-OFDM光通信系统
    随着社会对信息需求爆炸式的增长，低成本、超高速、超大容量、超长距离光纤传输系统越来越成为人们的追求目标。要更有效地利用石英单模光纤的THz带宽资源，实现更低成本、更高谱效率的传输，比较可行的途径是使用高阶的调制格式以及偏振复用等。最近的研究报告表明，在单模光纤上传输的信道容量已即将达到基本的香农极限了。为了突破这一限制，有效的办法是使用MIMO的信号传输方式。在无线通信中，MIMO-OFDM系统已经从理论研究过渡到了商业应用。由于无线信道会引入严重的多径色散，MIMO的传输方式经常和OFDM结合使用。

    MIMO技术目前已经应用于自由空间光通信，但是不一定结合使用OFDM调制方式。这是因为无线光通信中色散并不是一个主要的问题，OFDM在抑制色散方面的良好性能并不能表现为一个优势。在光纤传输系统中，人们更关注MIMO技术在多模光纤传输中的潜力。A.Tarighat等人在2007年发表在Communication Magazine中的论文中提出[24]的信息论表明，通过增加空间模式，多模光纤(MMF)或者是少模光纤(FMF)可以通过MIMO的传输方式提高光纤容量。在MMF或者FMF中，使用MIMO技术必须解决多个传输模式之间群速度色散的问题。在此背景下，MIMO技术和OFDM技术联合使用，就具有非常明显的优势[25-29]。在OFDM技术中，加入循环前缀是非常有效的抑制码间串扰的方法。

    MIMO技术在单模光纤传输系统中的另一项成功应用是与偏振复用结合，从而使系统容量加倍。具体方式是利用单模光纤信道中的两个正交偏振方向，分别在发射端正交的两个偏振模式上调制传输信号，然后通过偏振合束器耦合进入光纤信道，并在接收端通过偏振分束（或光混频）以及数字信号处理将两路正交偏振态上的信号进行分离，最后依据不同的调制格式进行解调。在这种背景下，MIMO也叫做偏振复用。2007年澳大利亚墨尔本大学谢伟教授课题组在首先提出单模光纤传输系统中使用MIMO-OFDM技术[30]。目前MIMO-OFDM技术已经被广泛地研究和使用。例如在2011年的OFC大会上，NEC美国实验室报道了在3×55 km单模光纤上使用PDM-128 QAM-OFDM调制实现了101.7 Tbit/s的传输容量[3]。

3.4 光OFDM系统的缺点
    当然OFDM系统也有许多缺点，主要包括峰均比问题，对频偏、相噪及IQ不平衡的敏感等问题。

    在无线OFDM系统中，峰均比过高会导致信号在电放大时出现非线性；在长距离光纤传输中，OFDM峰均比过高会在光纤中引起克尔非线性效应，特别是有色散补偿的链路中更明显。因此有必要采取某些限幅措施，减小OFDM信号峰均比过高带来的非线性问题[31-35]。

    另一个降低峰均比高影响的方法是采用OFDM的一种变形结构SCFDM。SCFDM原是移动通信LTE中的上行传输标准，因为是单载波调制，峰均比较低。SCFDM与OFDM的抗色散性能相当，但非线性容限更好。因此，在此基础上我们完成了100 Gbit/s SCFDM信号在标准单模光纤上传输1 850 km,以及1 Tbit/s的SCFDM超级通道在标准单模光纤上传输160 km的实验。  （待续）

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收稿日期：2011-06-07