CO—OFDM系統不同調制方式下的性能分析與仿真

王盈亨

摘 要本論文對相干光正交頻分復用技術進行了仿真模擬與性能分析。實驗中系統發射端通過2PSK、4QAM、8QAM和16QAM等不同調制方式對同一組信息碼元進行編碼，并在完全相同的信道環境下進行傳輸，通過誤碼率參量來反映不同調制方式下，CO-OFDM系統對光信噪比、光纖傳輸距離等因素的適應性及性能表現，實現了對四種不同調制方式下系統抗誤碼性能的橫向比較。并最終對幾種編碼方式存在性能差異的原因做出分析說明。

【關鍵詞】相干光正交頻分復用 數字調制方式 誤碼率

隨著無線通信系統在傳輸容量和傳輸距離等方面日趨飽和，光波通信已然成為近年來通信領域的研究熱點。相干光正交頻分復用（CO-OFDM）技術憑借其接收端靈敏度高、可有效對抗光纖中的偏振模色散、頻譜利用率高等優點，已經成為未來光纖通信領域的主流研究方向之一。

1 調制方式選擇

CO-OFDM系統當中常用的兩種數字調制方式：MPSK和MQAM，都是通過將碼元信息映射成為對應星座圖當中的矢量坐標來完成編碼。在上述兩種調制方式中，矢量點之間的最小距離d是一個非常重要的參量，它表征著不同矢量坐標之間發生串擾的難易程度，矢量點之間的最小距離越大，表明這種調制方式的抗誤碼性能越好。MPSK和MQAM的最小距離分別滿足下式：

分析發現，隨著M的增加，信息的傳輸速率會得到提高，但最小距離會隨之減小，導致誤碼率上升，即多進制調制方式的抗誤碼性能往往低于二進制調制。并且，隨著M的增加，dMQAM往往大于對應的dMPSK，這表明在多進制調制當中QAM的抗誤碼性能要好于PSK調制。綜上，本次實驗選取2PSK、4QAM、8QAM和16QAM這四種調制方式來完成對并行數據的編碼。

2 系統仿真模型的搭建

2.1 射頻發射機

射頻發射機通過Matlab程序實現仿真。首先編碼產生一組120×200的并行數據，并利用四種調制方式分別對并行數據進行編碼。之后，插入5個經過相同調制的導頻符號，用于后期OFDM符號的相位和幅度校準。對上述并行數據進行IFFT變換即可完成數據到對應OFDM子載波Cki的映射，得到一個初級OFDM符號群。在符號群的前面插入5個訓練序列，用于接收端子載波同步。之后為每個OFDM符號插入循環前綴作為保護間隔，在此循環前綴的長度選為16。此時即可得到一組完整的OFDM符號群，通過reshape函數完成數據的并串變化，即得到基帶OFDM信號，由于是一個復值信號，因此它的實部和虛部將被分別保存在兩個文檔當中，用于之后的光路傳輸。

2.2 光電上變頻器

光電上變頻器由Optisystem軟件仿真實現，首先將發射機產生的基帶OFDM信號實部和虛部數據分別導入Optisystem仿真模型，之后使用AM調制器來實現信號的中頻調制，由于兩個調制載波之間存在90°相移，因此I、Q兩路數據經中頻調制之后可以合并為一路，送入馬赫-增德爾調制器，與一個中心頻率為193.1THz的光載波發生調制，即可完成中頻OFDM信號至光域OFDM信號的上調。其中激光器產生載波的波長為1550nm，線寬為100kHz。仿真電路Samples per bit設置為8，即通過8倍采樣率來采集基帶信號，并在電路中引入多處電域和光域濾波器，提高數據傳輸效果。

2.3 光纖傳輸鏈路

在實際的光纖通信系統架構中，光纖鏈路的中繼長度通常為80km，故在仿真實驗中，同樣設置光纖的中繼長度為80km，偏振模色散指數為16.75ps/km。通過一個循環控制器來控制傳輸數據通過光纖的次數，以此來改變在一次實驗當中信號傳輸的距離。為了補償信號在光纖當中傳輸所產生的損耗，在光纖之后設置了一個增益為16dB，噪聲指數為4dB的光放大器，使得光OFDM信號在每次循環經過光纖鏈路之后，都會在光放大器當中得到補償和放大。

2.4 光電下變頻器

利用一個中心頻率位于193.1THz的連續波激光器產生一個與發射端載波相干的本振光信號，通過一個光耦合器完成本振光信號與信息光信號的相干耦合，之后利用光電探測器對耦合光信號進行光電轉換，得到光信號中加載的電信號，即解調出中頻OFDM信號，對其進行放大等簡單處理之后，用一個信號拆分器分離出中頻OFDM信號的實部和虛部數據，對這兩路數據分別進行與上變頻器相對應的解調制，此處的解調器之間仍舊存在90°相位差。在完成中頻信號的解調之后，即可得到基帶OFDM信號。將其實部、虛部數據分別存放，以便在之后的接收機仿真當中導入Matlab作為接收信號。

2.5 射頻接收機

射頻接收機由Matlab 編程實現。將下變頻器輸出的數據導入Matlab軟件。在此首先需要對接收數據進行定時同步來確定DFT積分窗口，在此采用峰值分析的方法來實現定時同步。之后利用Complex函數將實部和虛部數據合并成為一個復值信息碼流。經過串并變化即可得到一個接收OFDM符號群。去掉循環前綴和過采樣點。通過FFT變換完成OFDM符號解調，得到初級的并行數據流。相應的解調操作完成之后，即可與發射端原始的串行數據流進行比較，計算出誤碼個數，以及誤碼率等參量，以便分析和比較信號在相同傳輸條件，不同調制方式下的抗誤碼性能。

3 實驗數據統計與分析

在一次實驗當中，傳輸24000個信息碼字。

3.1 不同調制方式下抗誤碼性能與系統光信噪比之間的關系

在該組實驗進行過程中，統一設置光纖傳輸長度為800km。

圖1為不同調制方式下，改變系統光信噪比之后，系統接收端的誤碼率表現：

通過對上述數據進行分析，發現在當前實驗環境下2PSK調制的抗誤碼性能是最好的。而在MQAM調制中，隨著M的增大，抗誤碼性能下降明顯，這種現象是由于隨著M的增大，調制星座圖越趨復雜，星座點之間的最小距離不斷減小所致。由此可以看出，在多進制調制當中，M的數值越大，其對傳輸環境的要求越苛刻。這與前面做出的理論推導是完全相符的。

3.2 不同調制方式下抗誤碼性能與傳輸距離之間的關系

實驗中設置仿真系統的光信噪比OSNR為13dB。

如圖2為系統在不同調制方式下，接收端誤碼率與傳輸距離之間的對應關系：

通過觀察發現，2PSK調制方式的抗誤碼性能仍舊表現最佳，在短距離傳輸范圍內基本不會產生錯碼，即使在960km的遠距離傳輸當中，系統也可以滿足1×10-3量級的標準要求。其次就是4QAM調制方式的抗誤碼性能較為理想，在880km范圍內，系統可以達到1×10-3量級的誤碼率標準。之后是8QAM和16QAM兩種調制方式，他們的抗誤碼性能表現都不甚理想，尤其在遠距離傳輸之后，誤碼率遠高于4QAM和2PSK，這無疑限制了8QAM和16QAM在遠距離光纖傳輸系統當中的應用。

4 結束語

通過對傳輸距離和系統OSNR等變量的單一控制實驗，明顯體會到在CO-OFDM系統當中，傳輸距離、傳輸容量以及系統抗誤碼性能三者之間是相互矛盾的，他們綜合地影響了系統發射端對調制方式的選擇。實驗數據表明：2PSK調制方式對以上三種因素的融合最為理想，2PSK以其簡單的矢量分布結構，有效地避免了碼字擾變，提供了良好的抗誤碼性能。另外，4QAM同樣是一種較為理想的調制方式，雖然其抗誤碼性能略低于2PSK，但作為一種多進制數字調制方式，在頻帶利用率和碼元信息量等方面相較于2PSK都具有明顯優勢。而8QAM和16QAM，其復雜的星座分布結構無疑降低了信號擾變的門檻，使得系統的抗誤碼性能難以滿足遠距離光纖通信系統的要求。

參考文獻

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作者單位

天津市東麗區濱海國際機場民航天津空管分局 天津市 300000