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基于概率成形和交织编码的少模光纤传输系统.docx
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基于概率成形和交织编码的少模光纤传输系统.docx
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摘要
对于少模光纤的理论模型分析尚未完善,采用光纤段的位移和旋转理论建立了少模光纤信道
模型,该模型综合考虑了模式串扰和差分模时延等因素。为了提高系统性能,研究了采用概
率成形和交织编码对信号传输性能的影响。仿真结果表明,16 阶 QAM(Quadrature
Amplitude Modul)信号经过长为 50 km 的少模光纤传输后,在前向纠错极限为 3.8×10
-3
的情
况下,光信噪比需求降低了 3 dB,而且有效提升了传输距离。
Abstract
The analysis of the theoretical model of few-mode fiber is not perfect. The channel model
of few-mode fiber based on the theory of displacement and rotation of fiber segment is
established, which takes into account the factors such as mode crosstalk and differential
mode delay. In order to improve the system performance, the influence of probability
shaping technology and interleaved encoding technology on signal transmission
performance are studied. The simulation results show that after the 16-order QAM
(Quadrature Amplitude Modul) signal is transmitted through a few-mode fiber with a
length of 50 km, when the forward error correction limit is 3.8×10
-3
, the optical signal-to-
noise ratio is reduced by 3 dB, and the transmission distance is effectively improved.
1 引言
近几年,随着大数据和人工智能等技术的大规模发展,信息行业对带宽和容量的需求飞速上
升,而传统单模光纤的容量逐渐逼近香农极限,故容量危机日益凸显
[1]
。因此,新型光纤成为了
人们关注的焦点。空分复用(SDM)技术是提升光通信容量的关键技术之一,其包含模式复用
(MDM)技术和多芯复用技术。2010 年,美国的 Yaman 等
[2]
率先在长为 1000 km 的少模光纤
中完成了信号的传输;次年,其研究团队在长为 50 km 的少模光纤中实现了三个模式的模分
复用传输
[3]
。2020 年,张强等
[4]
在长为 10 km 的六模光纤中实现了基于相位调制-相干检测
的模分复用通信实验。2020 年,龚思雨等
[5]
通过自适应算法补偿了少模光纤的模式依赖损
耗,提出了基于少模光纤的数字信号处理方式。2021 年,富惠雯等
[6]
对三模光纤中的直调直
检信号进行预编码处理,降低了信号的发送功率和误码率(BER)。2021 年,朱子岳等
[7]
向少模
光纤中引入基于神经网络的均衡算法,在长为 1 km 的少模光纤中演示了两模信号的传输和
均衡。目前,对于少模光纤的理论模型分析尚未完善,故本文建立了六模光纤模型,通过改进
的均衡算法并添加概率成形和交织编码,综合降低了误码率,提升了系统性能。
少模光纤在实际应用中发生的随机形变使得不同模式之间的正交性被打破,进而导致不同模
式发生耦合,即模式串扰
[8]
。各个模式的相对折射率不同,导致它们的传输速度不同,即存在差
分模时延(DMD)
[9]
。本文基于训练序列的多模算法(MMA_TS)
[10-11]
对 16 阶
QAM(Quadrature Amplitude Modul)信号进行处理。概率成形技术已经成熟应用于光纤通
信,通常采用麦克斯韦-玻尔兹曼(MB)分布来描述
[12]
。交织编码技术离散了突发恶劣信道所
造成的严重误码
[13]
,而少模光纤的非简并模信道好,简并模信道较差,采用交织编码将所有模
式的误码离散可以平均不同模式的误码率。
本文基于耦合模理论建立了少模光纤信道传输模型,该模型考虑了少模光纤的模式串扰和差
分模时延因素。本文在发射端对信号采用概率成形和交织编码技术进行处理,经过长为 50
km 的六模光纤传输后,有效降低并平均了不同模式的误码率,使得误码率满足前向纠错极限
(FEC,值为 3.8×10
-3
)
[12]
,降低了系统的光信噪比,延长了传输距离。
2 基本原理
少模光纤传输系统的实验框图如图 1 所示,其包括发送端、少模光纤链路和接收端三部分,
图中粗虚线为省略的重复部分,MUX 和 DMUX 分别为模式复用器和解复用器。在发送端首
先对信源进行概率成形处理以产生发送信号,并将其映射为 16 阶 QAM 信号,对信号进行交
织编码处理后添加训练序列,对序列进行 QAM 处理后输入链路。链路是长度为 50 km 的六
模光纤,前后段分别采用模式复用器和解复用器。在接收端首先对 QAM 信号进行解调,再采
用均衡算法、交织解码进行处理。最后通过解映射来得到接收信号,将接收信号与发送信号
对比可以得到误码率等信息。
图 1. 少模光纤传输系统的实验框图
Fig. 1. Experimental block diagram of few-mode fiber transmission system
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2.1 发送端
发送端信源产生的 6 路二进制比特进行概率成形后映射为 6 路 16 阶 QAM 信号,在交织编
码处理后产生新的 6 路 16 阶 QAM 信号。为了解决少模光纤误码率差的问题,本文添加了
概率成形和交织编码两个过程,下文详细介绍。
首先介绍概率成形。16 阶 QAM 信号的概率成形采用 MB 分布
[12]
,满足
P(xi)=exp(−υ|xi|2)∑k=1Mexp(−υ|xk|2),υ∈(0,1),(1)P(xi)=exp(-υxi2)∑k=1Mexp(-υxk2),υ∈
(0,1),(1)
式中:υ 为成形因子; |⋅|·为取模;M 为调制阶数;P(x
i
)为星座点 x
i
的出现概率,i 为星座点的编
号。
概率成形增加了幅值小的星座点的出现概率,降低了幅值大的星座点的出现概率
[12]
。若幅值
大的星座点的出现概率降低,则各种损伤因素,如模式串扰等也相应减弱。概率成形使信息
熵下降
[12]
,表达式为
H(x)=−∑k=1MP(xk)lb[P(xk)]
。
(2)H(x)=-∑k=1MP(xk)lb[P(xk)]。(2)
本文设置 H(x)=3.6 bit/symbol。
其次介绍交织编码。少模光纤中简并模受强耦合效应的影响使得信道串扰较强,而非简并模
的模式串扰较弱,采用交织编码可以将简并模式发生的错误离散到其他模式中,使整体满足
FEC 极限。图 2 为交织编码示意图,6 个输入数据经过交织编码处理之后,每个输入数据都
离散分配到 6 个输出数据之中,这 6 个输出数据通过模式复用器分别送入 LP
01
模式到 LP
02
模式中。
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