16QAM相干光檢測OFDM系統性能研究

房曉飛，劉 毓，梁 猛

（1．西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710121）

16QAM相干光檢測OFDM系統性能研究

房曉飛1，劉 毓2，梁 猛1

（1．西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710121；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710121）

利用Optisystem軟件結合Matlab，搭建相干檢測光正交頻分復用（Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系統仿真平臺。通過加入訓練序列學習出不同頻率信號的相位噪聲規律并進行補償，結合傳輸距離、光源線寬，研究了基于16QAM調制的相干光檢測OFDM系統的傳輸性能。結果表明，16QAM調制下的相干光檢測OFDM系統做簡單的基于訓練的信道估計與均衡處理下，系統誤碼性能提高了近兩個數量級。預示了在高速長距離光纖通信中相干光檢測OFDM系統的良好前景。

相干光檢測正交頻分復用；16QAM；訓練序列；相位噪聲補償

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是數字信號的一種調制方式，在調制過程中，同時以載波信號的幅度和相位來代表不同的數字比特編碼，把多進制與正交載波技術結合起來，進一步提高頻帶利用率，是近年來被國際上移動通信技術專家十分重視的一種信號調制方式。正交頻分復用是多載波調制的一種，兼具高的系統頻譜利用率與低計算復雜度的優點[1]，被廣泛應用于無線、有線和廣播網絡通信中。近年來，為了提高光纖速率和通信容量，OFDM被引入光通信領域，即光正交頻分復用技術[2-3]。此外，調制光OFDM中應用最廣的調制方式也是MQAM調制。光正交頻分復用系統（OOFDM）融合了光纖通信和 OFDM技術的雙重優點，表現出了頻譜效率高、對抗色散和非線性效果明顯等突出的優點，是目前高速光傳輸領域的研究熱點之一[4]。按接收端檢測方式的不同可以將OOFDM分為直接檢測光OFDM系統和相干檢測光 OFDM系統，其中，相干光OFDM系統，能更有效地抑制色度色散、偏振模色散[5-7]，并且可以采用更高階調制方案，能使用的均衡方法也比較多[8-9]，是目前光通信領域一個主要的研究熱點。本文通過Optisystem和Matlab軟件結合，搭建CO-OFDM仿真系統，通過加入訓練序列學習出不同頻率信號的相位噪聲并進行補償，結合傳輸距離、光源線寬，研究了基于16QAM調制的相干光檢測OFDM系統的傳輸性能。

1 CO-OFDM基本原理

CO-OFDM系統如圖1所示，分別為5個功能模塊：①射頻發送端，②電-光調制模塊，③光傳輸鏈路，④光-電檢測模塊，⑤射頻接收端。

傳輸系統中，射頻 OFDM發送端發出的二進制序列進行串并轉換后映射到N個并行的子信道中，使得每一個調制子載波的數據周期擴大為原始數據周期的N倍，則時延擴展與符號周期的比值下降到 1/N。進行數字基帶調制（2PSK，4QAM，16QAM等），并映射到對應的復數信號上，進行IFFT變換將要傳輸的比特分配到各個子載波上，映射為子載波的幅度和相位。為了避免產生ICI和符號間干擾，加循環前綴CP，再作D/A變換，得到OFDM一條信號的時域波形。將基帶OFDM信號通過一個射頻正交混頻器變換到射頻上，利用兩個Mach-Zehnder調制器把OFDM信號的I路和Q路分別調制到光域，并在光纖鏈路中進行傳輸。從光纖鏈路中出來的光域OFDM信號進入OTR下變頻器轉換為射頻OFDM信號，然后利用4個光電二極管（PIN）對接收到的信號進行平衡相干接收，然后進行和發射端相反的變換，即A/D轉換，去CP，做FFT變換，對調制信息序列進行解映射和解碼，恢復二進制串行數據并輸出。

圖1 CO-OFDM系統的原理框圖Fig.1 Block diagram of CO-OFDM system

2 CO-OFDM仿真系統的建立

為了研究CO-OFDM系統的性能，我們利用光學仿真軟件Optisystem和Matlab軟件結合，構建了一個CO-OFDM的仿真分析平臺。具體的系統結構如圖2所示。

圖2 CO-OFDM仿真系統Fig.2 CO-OFDM simulation system

按照信號傳輸變換的流程，仿真系統由隨機序列發生器，QAM調制，OFDM信號產生部分，正交部分，光調制，光纖傳輸，相干檢測，正交解調，OFDM信號恢復，QAM解調，序列恢復等部分組成。與直接檢測相干光OFDM不同的是電光調制和光電檢測模塊。在CO-OFDM的電光調制模塊中，利用由一對并行雙臂馬赫曾德爾調制器組成的I/Q調制器將電域的OFDM信號轉換到光域上。在CO-OFDM接收端，利用平衡式雙檢測器通過外差檢測相干解調的方式將光信號轉換為電基帶信號輸出。平衡式雙檢測器由兩對平衡的PIN光電檢測器構成，輸入雙檢測器的本地振蕩信號相位差為900，以此檢測出CO-OFDM信號的同相分量和正交分量。

3 16QAM CO-OFDM系統仿真分析

基于以上的仿真平臺進行16QAM CO-OFDM系統仿真分析。本次仿真參數設置如下：傳輸速率：10 Gbit/s，16QAM調制方式，FFT點數1024，子載波數512。標準單模光纖，損耗系數0.2 dB/km，群速率色散16.75 ps/（nm.km），三階色散系數為0.075 ps/（nm2.km）。

3.1 基于訓練序列的相移估計與補償

在光OFDM中，信號經過光纖信道傳輸之后，相位會發生一定偏移[10]。為了確保信號可以傳輸更長的距離，考慮對相位偏移進行估計和補償，盡可能地使其與光調制之前信號的相位相近或相等。這里，我們用一種簡單的基于訓練序列的頻域估計與補償方法。此方法的核心思想是，在系統中，通過在發送端發送一定數量的訓練序列的方式，找出接收端I/Q解調之前和發送端I/Q調制之后的信號在頻域中的變化規律，確定出各個頻率的相位補償量并加以補償。算法實現的難度在于，訓練序列的長度與位置的選擇，我們采用循環位置選擇尋優的方式來確定訓練序列的添加位置，用曲線擬合的方式確定補償曲線，最終確定最優的擬合曲線的階數為20階。其實現的算法很簡單：Ys（ω）=Xs（ω）·e-jθ（ω），其中，θ（ω）為信號頻率從低到高的變化相移值，Xs（ω）為經光纖傳輸后的發生相位偏移的輸出信號，Ys（ω）為補償后輸出端信號。

圖3所示為在傳輸為300 km處的輸入輸出端相位統計量，補償正是基于此進行的。由圖可見，統計出的發送端和接收端的信號相位基本是匹配的。圖4和圖5分別為補償前后星座圖對比。顯而易見，在進行相位估計與補償之前，星座圖已經開始旋轉，最外圈尤為嚴重，中間圈已經出現兩兩混疊現象，此時誤碼率較大。而補償之后的星座圖則非常清晰，并未出現星座旋轉和星點混疊現象，統計誤碼率為0，表明系統傳輸性能良好。

圖3 300km傳輸距離處訓練序列統計的相位變化圖Fig.3 300km transmission distance of the training sequence of phase change in the statistics

圖4 相位補償前的星座圖Fig.4 Constellation before the phase compensation

圖5 相位補償后的星座圖Fig.5 Constellation after the phase compensation

3.2 相位補償前后系統性能隨傳輸距離的改變

由圖6可見，在做相位補償前后，系統誤碼性能相差兩個數量級。并且隨著傳輸距離不斷加長，性能差別愈加明顯。

圖6 不同傳輸距離下的系統性能Fig.6 System performance under different transmission distances

3.3 相位補償前后不同光源線寬下的系統傳輸性能

在仿真模型中，激光相位噪聲用維納過程表示，相位噪聲的方差為2π·μ·Ts，其中Ts=1/Rs和μ是線路符號周期和激光線寬，Rs是線路符號速率，其他噪聲用AWGN表示。當不考慮色散時，發射端激光器和接收端本地激光器相位噪聲對接收性能的影響是一致的，因此，仿真中假設二者的線寬是相同的。用激光線寬容忍度來表征系統對相位噪聲的容忍度。圖7是在不同的光源線寬條件下，進行相位補償前后的系統傳輸性能的對比。

圖7 不同光源線寬條件下的系統性能Fig.7 System performance under different linewidths

隨著光源線寬的不斷增大，即相位噪聲的不斷增加，系統性能變差。但在基于訓練序列進行相位估計與補償的情況下，系統誤碼始終保持在的數量級上。而未經補償的系統誤碼則隨著光源線寬的不斷增加呈明顯上升趨勢。

4 結束語

通過對一種基于訓練序列的相位估計與均衡處理方法的研究，以及在均衡前后的不同傳輸距離，相位噪聲（本文中用光源線寬來等效）等對系統的傳輸性能的影響的研究可以得出，在相干光檢測OFDM系統中，根據16QAM調制對相位噪聲敏感的機理，通過簡單地對系統相位噪聲的估計與均衡處理，可以顯著提高系統傳輸性能。在相同傳輸距離下，均衡后系統誤碼率下降了3個數量級。在相同傳輸距離、相同誤碼率要求下，相位補償之后的系統對光源線寬容限有很大的提高。從理論分析加之仿真結果，可見相干光檢測OFDM結合了相干檢測和OFDM的優點，簡單地均衡處理即可顯著改善系統性能，增強系統抗誤碼能力，提高系統頻帶利用率，具有非常明顯的優勢，在未來的長距離光通信中有很好的應用前景。

[1]CVIJETIC N，QIAN D，HU J.100 Gb/s optical access based on optical orthogonal frequency-division multiplexing[J].IEEE Communications Magazine，2010，49（7）:70-77

[2]Armstong，Jean.OFDM for optical communications[J]. Lightwave Technology，2009，27（3）:189-204

[3]Gnauck A，Winzer P，Chandrasekhar S，et al.Spectrally efficient long-haul WDM transmission using 224-Gb/s polarization-multiplexed 16-QAM [J].J.Lightwave Technol.，2011，29（4）:373-377

[4]Richter T，Palushani E，Schmidt C，et al.Single wavelength channel 10.2 Tb/s TDM-data capacity using 16-QAM and coherent detection[C]//OFC 2011，2011 PDPA9:126-132

[5]SHIEH W，ATHAUDAGE C.Coherent optical orthogonal frequency di-vision multiplexing[J].J.Electron.Lett，2006，42（1）:587-589.

[6]YANG Q，MA Y，SHIEH W.107Gb/s coherent optical OFDM receptionusing orthogonal band multiplexing[C]//Optical Fiber Commun.Conf，2008:7-10.

[7]劉繼紅，梁猛，李佳泯.16_QAM相干光纖通信系統星座圖的優化與選擇[J].光通信，2011，33（1）:110-112 LIU Ji-hong，LIANG Meng，LI Jia-min.16_QAM coherent optical fiber communication system optimization and selection of the constellation[J].Optical Communications，2011，33（1）:110-112.

[8]馮勇，聞和，張漢一．偏振復用差分相移鍵控信號的數字相干解調與偏振解復用算法研究[J]．光學學報，2010，30（5）:1286-1273 FENG Yong，WEN He，ZHANG Han-yi.Polarization-multiplexed differential phase shift keying signal demodulation and digital coherent polarization demultiplexing research algorithm[J].Optics，2010，30（5）:1286-1273.

[9]蘇真真，許義，董穎.基于相位噪聲分析補償的CO-OFDM系統信道估計研究[J].光電子激光，2013，11（11）:2136-2137. SU Zhen-zhen，XU Yi，DONG Ying.Estimated phase noise analysis based compensation CO-OFDM system channel research[J].Photonics laser，2013，11（11）:2136-2137.

[10]SCHMIDT B J C，LOWERY A J，ARMSTRONG J.Experimental demonstrations of electronic dispersion compensation for long-haul transmission using direct-detection optical OFDM[J].J.Lightwave Technol，2008，26（1）:196-203.

Research on 16QAM-COOFDM system

FANG Xiao-fei1，LIU Yu2，LIANG Meng1
（1.School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China；2.School of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China）

Based on Optisystem software and Matlab，a simulation of CO-OFDM （Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing）system simulation platform is established.Through the training sequence to learn phase noise of different frequency signals and then compensate，combined with transmission rate，light width，study the transmission performance of coherent optical detection OFDM system which based on 16QAM modulation.The results show that，the coherent optical detection OFDM system based on simple training under 16QAM modulation channel estimation and equalization process，the system performance is greatly improved.Foreshadowed that coherent optical detection OFDM systems in the high-speed long-distance optical fiber communication has good prospects.

CO-OFDM;16QAM;training sequence;phase noise compensation

TN919

A

1674－6236（2015）07-0189-04

2014-07-27 稿件編號：201407211

房曉飛（1989—），女，陜西西安人，碩士。研究方向：光通信系統。