淺談光纖對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響

淺談光纖對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響

0基于opfd的mmf通信系統(tǒng)目前，光正交頻率分復(fù)器技術(shù)（ofdm）的重點(diǎn)課題主要用于骨干網(wǎng)絡(luò)中的無色散補(bǔ)償?shù)母咚俾屎烷L(zhǎng)距離傳輸，并將ofdm技術(shù)應(yīng)用于光接入網(wǎng)絡(luò)的低成本、線性和無線相結(jié)合的靈活引入。由于多模光纖(MMF)傳輸?shù)哪B(tài)比較多,色散比較嚴(yán)重,從而影響了系統(tǒng)的性能。OOF-DM和自適應(yīng)調(diào)制能夠很好地克服色散,因此提出了基于自適應(yīng)調(diào)制的OOFDMMMF通信系統(tǒng)。由于大多時(shí)候系統(tǒng)的傳輸速率是恒定不變的,因此本文主要闡述恒定吞吐量的自適應(yīng)調(diào)制算法。1子濾波器上的解調(diào)和調(diào)制文獻(xiàn)中提出的基于自適應(yīng)調(diào)制的正交頻分復(fù)用(OFDM)MMF通信系統(tǒng)如圖1所示。在發(fā)送端,通過信道估計(jì)得到信道情況,根據(jù)自適應(yīng)調(diào)制和功率分配算法決定各個(gè)子載波分配的比特?cái)?shù)和發(fā)射功率大小。各個(gè)子載波的調(diào)制方式?jīng)Q定后,發(fā)送端將編碼后的二進(jìn)制高速數(shù)據(jù)流分配到各個(gè)子載波上進(jìn)行調(diào)制,調(diào)制以后的信號(hào)經(jīng)過串/并變換、快速傅里葉逆變換(IFFT)、并/串變換、加循環(huán)前綴(CP)后,由馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),耦合入MMF傳輸。在接收端,先通過光信號(hào)探測(cè)器(PIN)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),然后去掉CP,串/并變換,再經(jīng)過快速傅里葉變換(FFT),把低速的并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成高速的串行數(shù)據(jù)流,最后進(jìn)行解調(diào),每個(gè)子載波上的解調(diào)和調(diào)制的方式是對(duì)應(yīng)的。文獻(xiàn)中提到,OFDMMMF通信系統(tǒng)與無線OFDM系統(tǒng)不同,前者涉及到電信號(hào)要轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的問題。本文討論的是非相干光的問題,所以采用了把輸入信號(hào)的共軛加載到相應(yīng)共軛子信道的子載波上的方法,進(jìn)行FFT就可以使得輸入MMF的電流為實(shí)數(shù)。所謂共軛子信道是互為的概念,假設(shè)子信道個(gè)數(shù)為那么第號(hào)子信道的共軛子信道就是第511號(hào)子信道。2oofd系統(tǒng)自適應(yīng)重構(gòu)算法的原理2.1tdd-n-ld-n-d文獻(xiàn)提出的具有N個(gè)導(dǎo)模數(shù)的MMF,其傳遞函數(shù)可以由式(1)表示,式中,td,n為第N個(gè)導(dǎo)模的時(shí)延,各個(gè)導(dǎo)模的時(shí)延可以認(rèn)為是相互獨(dú)立且均勻分布的。文獻(xiàn)中提出對(duì)式(1)進(jìn)行FFT得到MMF的頻率響應(yīng)函數(shù),見式(2)。2.2平均最優(yōu)比特?cái)?shù)文獻(xiàn)中所提到的吞吐量是指每個(gè)OFDM符號(hào)中所傳輸?shù)拿總€(gè)子信道的平均比特?cái)?shù),記為BPS。在恒定吞吐量的OOFDM系統(tǒng)中自適應(yīng)調(diào)制算法的優(yōu)化目標(biāo)是在吞吐量和發(fā)射總功率恒定的情況下,使系統(tǒng)的誤碼率最小。2.2.1子濾波器功率分配完整按照文獻(xiàn)中提出的功率分配方法,假設(shè)第m個(gè)子信道的信道增益與噪聲功率的比值為Hm,功率分配值為Pm,第n個(gè)子信道的信道增益與噪聲功率的比值為Hn,功率分配值為Pn,那么它們之間的關(guān)系如式(3)所示,當(dāng)總發(fā)射功率P和信道情況已知時(shí),只要知道一個(gè)子載波的發(fā)射功率,就可以得出所有子載波的發(fā)射功率,同時(shí)所有子載波的功率和為PT,如式(4)所示但是由于求出來的每個(gè)子信道的值有可能大于總發(fā)射功率P,這時(shí)就需要對(duì)第1個(gè)確定的子載波的功率進(jìn)行調(diào)整,比較復(fù)雜。文獻(xiàn)中提出的新方法就是先對(duì)信道狀態(tài)值Hn進(jìn)行排序,由式(3)可知,Pn大小情況和Hn一致,如果H1≤H2≤…≤Hn,那么P1≤P2≤…≤Pn。由于PT≤P,這里假設(shè)功率分配完整即PT=P且第1個(gè)P>0,根據(jù)式(3)和(4)可得到式(5)。假設(shè)P1≤0,那么這個(gè)子載波的發(fā)射功率就為0,剔除這個(gè)子載波,給第2個(gè)子載波分配功率,直到找到Pm>0,然后依此類推求出所有子載波的功率。這樣就減少了選擇第1個(gè)子載波的功率是多少帶來的運(yùn)算復(fù)雜度:2.2.2qam法在文獻(xiàn)中得到每個(gè)子載波的發(fā)射功率后,由于子信道的信道情況已知,第n個(gè)子信道的信噪比就為rn=PnHn。根據(jù)公式(7)和(8)可以求出每個(gè)子信道采用不同調(diào)制方式時(shí)的誤碼率。式中,L為調(diào)制階數(shù),例如對(duì)于4QAM(相位正交幅度調(diào)制),L=2,對(duì)于8QAM,L=3,以此類推。按照文獻(xiàn)定義一個(gè)新的函數(shù)即比特增加代價(jià)函數(shù)fn(m),其中n表示子載波的編號(hào),m表示子載波n上的調(diào)制方式,fn(m)等于在使用更高一級(jí)的調(diào)制方式時(shí)誤碼率增加值與傳輸比特?cái)?shù)增加值之比,en(m)和en(m+1)分別表示子載波n上所用調(diào)制方式為m和m+1下的期望誤碼率,bn(m)和bn(m+1)分別表示調(diào)制方式為m和m+1下的傳輸比特?cái)?shù),則具體的恒定吞吐量自適應(yīng)調(diào)制算法的流程圖見圖2,其中,Btotel為所要分配的比特?cái)?shù),B為所有子信道分配的比特?cái)?shù)總和,數(shù)組a(n)用來存放每個(gè)子信道用此時(shí)的調(diào)制方式計(jì)算的比特增加代價(jià)函數(shù)值,數(shù)組b(n)用來存放每個(gè)子信道分配的比特?cái)?shù),數(shù)組c(n)用來存放每個(gè)子信道調(diào)制階數(shù)增加的次數(shù),調(diào)制方式有k種(包括不調(diào)制),n為子載波個(gè)數(shù)。2.3多通道調(diào)制算法根據(jù)新的功率分配方法可知,對(duì)于信道情況比較差的子信道,不為其分配功率,因?yàn)槔眠@些子信道傳輸信息會(huì)使系統(tǒng)的誤碼率增大,在系統(tǒng)要求誤碼率較低的情況下,不能滿足要求。當(dāng)這些子信道不能傳輸信息時(shí),為其分配的比特?cái)?shù)就為0。于是,自適應(yīng)調(diào)制算法可以得到改進(jìn),初始化分配那些發(fā)射功率不為0的子信道的發(fā)送比特?cái)?shù),然后再利用原始的恒定吞吐量自適應(yīng)調(diào)制算法分配余下的比特?cái)?shù),最后對(duì)某些子信道的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)整。假設(shè)最低的調(diào)制階數(shù)為不調(diào)制,最高為64QAM,也就是說比特分配數(shù)是從0～6,子信道數(shù)為100,要分配的比特?cái)?shù)為300,同時(shí)也假設(shè)根據(jù)功率分配的結(jié)果可知30個(gè)子信道是不分配功率的。我們初始化每個(gè)子信道的調(diào)制方式為4QAM,即每個(gè)可用的子信道分配的比特?cái)?shù)為2,那么剩下的要分配的比特?cái)?shù)為160,利用原始的恒定吞吐量算法在可用的70個(gè)子信道上分配160個(gè)比特。最后對(duì)調(diào)制方式為4QAM的子信道的調(diào)制方式再進(jìn)行一次調(diào)整,算出f(4QAM),然后進(jìn)行從小到大排序,并且依次算出每個(gè)子信道的f(BPSK)。將第1個(gè)子信道的f(4QAM)與最后一個(gè)子信道的f(BPSK)進(jìn)行對(duì)比,如果f(4QAM)>f(BPSK),則將第1個(gè)子信道的調(diào)制方式變成二進(jìn)制相移鍵控(BPSK),最后一個(gè)子信道的調(diào)制方式變成8QAM;如果f(4QAM)<f(BPSK),則情況相反。接著將第2個(gè)子信道與倒數(shù)第2個(gè)子信道進(jìn)行對(duì)比,一直比到x/4處(x/4為整數(shù),x代表運(yùn)用原始比特分配算法調(diào)制方式為4QAM的子信道的個(gè)數(shù)),就可得出所有子信道最終的比特分配方式。3系統(tǒng)算法驗(yàn)證仿真采用的光纖長(zhǎng)度為1km,MMF信道的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示,從圖中可以看出,在1.2、5.3和9.2GHz等頻率處信道情況較差。假設(shè)恒定吞吐量的算法為A算法,改進(jìn)后的算法為B算法。具體的仿真參數(shù)如表1所示,系統(tǒng)中每個(gè)OFDM符號(hào)的比特?cái)?shù)為600,每個(gè)子信道平均分配個(gè)比特有效信號(hào)的傳輸速率為個(gè)子信道中有200個(gè)用來傳輸調(diào)制后的信息,剩下的200個(gè)子信道是前200個(gè)子信道的共軛信道,用來傳輸共軛信息。圖4和圖5分別是A算法和B算法的功率分配和比特分配結(jié)果的比較圖。從圖中可以看出,對(duì)于情況較差的信道,分配的發(fā)射功率較小,比特?cái)?shù)也較少,甚至都不分配。圖6所示為A算法與B算法系統(tǒng)的誤碼率比較。從圖6中可以看出,B算法與A算法相比,當(dāng)系統(tǒng)要求誤碼率為10-3時(shí),只需增加4dB的信噪比,這里假設(shè)功率分配為0的子信道個(gè)數(shù)為y(0<y<200),那么B算法只需分配3y個(gè)比特,然后再對(duì)調(diào)制方式為4QAM的子信道的調(diào)制方式進(jìn)行一次調(diào)整