基于子载波索引调制的多模光纤传输方法与流程

本技术涉及光信号传输，特别涉及多模光纤信道传输。

背景技术：

随着现代社会通信业务的不断增长，更加完善的短距离通信网越来越受到人们的关注，光纤到户、光纤到桌面已经是光通信发展的必然趋势。多模光纤mmf相对于单模光纤smf具有数值孔径大、连接容易对准、与之配套的器件成本低等诸多优点，成为短距离光纤通信的首选传输媒质。但由于多模光纤中传输的模式多达数百个，而且各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤损耗大，受模式色散影响较大从而导致其传输容量受限。为此，人们提出几种提高多模光纤传输容量的新技术。其中，基于正交频分复用ofdm技术的多模光纤通信技术能有效克服多模光纤信道下频率选择性衰落的影响，更加合理和充分地利用信道频谱资源以从而大大提高多模光纤传输系统的传输信道容量，是一种具有较强实用前景的新技术。

多模光纤大多用于中短距离和小容量的光纤通信系统。多模光纤衰落以及深衰落点可能出现的位置一般在高频区，相比于折射率的变化，偏心注入对频率选择性衰落影响更大。并且，多模光纤的各模式并不稳定，这将导致信道响应随时间而改变，造成传输性能不理想。虽然，ofdm技术通过自适应比特分配、功率分配等算法，可以在一定程度上降低多模光纤频率选择性衰落带来的影响。然而，这是以低阶调制格式的应用与降低系统频谱利用率为代价的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，为了进一步挖掘ofdm技术的潜力，提升多模光纤信道传输容量，提供一种能适应多模光纤信道响应时变特性和频率深衰落的多模光纤系统传输方法。

本发明为解决上述技术问题的技术方案是，基于子载波索引调制的多模光纤传输方法，包括以下步骤：

1)发送步骤：

1-1)子载波索引调制sim模块将需要传输的比特进行分组，每组比特映射到一个ofdm调制子块，每组比特被分为选择比特、信息比特，选择比特用于在ofdm调制子块中各子载波中选择部分子载波进行激活来发送数据，信息比特用于决定子ofdm调制子块中被激活子载波的发送信号星座图；

1-2)ofdm调制模块根据并行输入至每个ofdm调制子块的选择比特与信息比特，将信息比特映射成调制符号加载在根据选择比特确定的被激活子载波上，未被激活的子载波传输“零”符号数据；ofdm调制模块输出的已调信号发送至多模光纤上；

2)接收步骤：通过光电探测器接收到已调信号，再通过傅里叶变换得到频域符号，最后通过最大似然译码得到译码序列。

子载波索引调制sim技术是种多信道的传输方法。在常规的二维振幅/相位调制apm的基础上，增加一个额外的调制维度，最主要的思想方法是利用子载波的索引号来传输信息：选择一部分载波静默不发送数据，以避免这些频率处可能遇到的深衰落，达到抑制符号间串扰isi目的。sim与传统的ofdm不同，传统的ofdm所有的子载波都传输数据，sim是将部分比特以子载波索引号的形式传输。选择比特用组合数学理论可对应于不同的子载波索引方式，这一部分比特不用传输，而是作为载波的分配信息被加在整个系统中。

进一步的，步骤1)中根据多模光纤的信道响应特性进行比特分组，使得选择比特选取选择性衰落较小的子载波进行激活。

进一步的，步骤2)中傅里叶变换之后，通过能量检测算法edd对所有载波的频域符号进行检测，从而确定出被激活的子载波，再对被激活的子载波进行最大似然译码。

本发明的有益效果是，可以在一定概率上避免多模光纤的频率选择性衰落，所以能显著地改善性能，降低误码率。采用了功率分配策略prp提升了信道发送功率，同时噪声功率并没有明显的提升，对高斯白噪声信道的性能也有所改善。因为激活的子载波数目可控，实际运用时可以在复杂性，频谱效率和传输性能间做权衡。

附图说明

图1加入sim模块的光ofdm系统结构图；

图2多模光纤25ghz频率响应示意图。

具体实施方式

在传统的ofdm系统中，直接调制或外调制产生的信号光经过多模光纤传输在接收端被光电探测器接收。以直接调制直接检测的系统为例，数字信号直接加载到激光器上调制，但是系统会产生频率啁啾，相位调制等非线性失真影响，造成高速传输时性能不理想。多模光纤信道中,模式色散对系统传输性能的影响占主导地位,也是限制光纤传输能力最主要的因素,其产生原因是多模光纤存在许多个传输模式,各个模式的光传播路径和速度不同,使得在光纤出射端各个模式到达的时间不一致,产生时延差,引起光脉冲展宽。在不考虑改善激光器和光电探测器性能的条件下，实施例根据多模光纤的信道响应曲线分析，并对选择子载波方案做相应的调整，用子载波索引调制sim技术来提升传输性能。

如图1所示，sim模块一共有m信息比特传入比特分配器，把这m比特分成g组，每一组有p比特，即m＝pg。将p比特映射到一个ofdm调制子块，每个子块的长度是n，n是ofdm调制模块中快速傅里叶变换fft的总长度，即总信道数目，n＝n/g。本实施例中，对于每一个子块，输入的p1比特要转换为从n个子载波中选择k个子载波激活以发送数据符号。用组合数学将选择比特对应不同的子载波索引方式。剩余比特p2＝klog2m序列用于子载波传输符号的星座图映射。m进制的调制器产生的符号集合为s，第β个激活子载波传输的符号序列是sβ＝{sβ,1,…,sβ,k}，sβ,r∈s，r＝1，…，k，sβ,r表示第r个表示第β个激活子载波上的第r个发送符号。因为本发明并不是所有的载波都传输有效信息，未被激活的子载波传输“零”符号数据(被0填充的无效数据)，所以会降低一部分频谱效率，需考虑用子载波的索引比特弥补效率损失。

基于图1sim模块所示，sim模块将传输的比特序列分成两部分，一部分为选择比特序列用于映射子载波的选择方式，这部分比特根据信道特性制定分配策略。剩余部分的数据比特根据需要发送的信息映射成调制符号转变为加载到载波的信号传输。ofdm调制模块为传统的ofdm技术，对输入比特做串并转换和正交变换，并将变换后的信号传送至多模光纤上传输。图2所示为25ghz信号经多模光纤后的信道响应曲线，经分析可得：衰落以及深衰落点可能出现的位置一般在高频区，而且偏心注入对频率选择性衰落影响较大，更有可能导致深衰落点出现。在设置选择比特时尽量考虑将高频处的信道静默不发送数据。同时因为多模光纤各个模式不稳定，信道响应特性是时变的，与之对应也要用时变的随机比特在不同时刻重新分配发送子载波，用子载波索引调制sim技术来提升传输性能。

在接收端，采用光电探测器接收来自多模光纤的已调信号，经傅里叶变换fft得到频域符号，译码方法可以采用性能最优的最大似然译码ml。最大似然译码将每组的子载波符号求最大相关度，判决得到译码序列，但是复杂度随每组的比特数和激活子载波数呈指数上升。另提出一种复杂度较低的能量检测算法edd：对每一组所有载波做频域的迫零均衡，再检测各自的能量，确定能量较高的部分子载波是激活信道，这样可以减少计算大量不可能的组合方式，再对每个激活信道的符号进行最大似然译码ml。可以证明这两种方法的等价性。

实验可以发现，因为在多模光纤信道中采用了子载波索引调制技术，有一定概率使深衰落频率部分的子载波保持静默，发送的子载波能较好适应多模光纤信道特性，所以可以在很大程度上避免多模光纤的衰落效应，能显著降低码间串扰。同时多模光纤模式不稳定，信道响应是时变的，选择信道的方案也需时变以对抗各种衰落效应。再次，因为把不发送信号子载波的功率重新分配给发送数据的子载波，同时噪声功率并没有太大的变化，所以可以进一步提高系统整体信噪比，功率重新分配策略对高斯白噪声信道也有一定的提升传输性能。但是由于部分子载波不传送数据，所以会降低一部分频谱效率，在具体实施本发明时需要在频谱利用率方面有所考虑。