基于QPSK的CO-OFDM傳輸系統(tǒng)研究

劉 皎 張文文

1.商洛學院電子信息與電氣工程學院；2. 陜西鋅業(yè)有限公司變電站

0 引言

相干光檢測正交頻分復用（CO-OFDM）技術結合了相干檢測、無線OFDM、光通信技術的優(yōu)勢，是一種新型的光通信技術。CO-OFDM系統(tǒng)具有較高的頻譜利用率，能夠在單信道中進行超高速、超長距離的信息傳輸，改善光傳輸鏈路中的色散（CD）、偏振模色散（PMD）、四波混頻（FWM）等非線性效應對系統(tǒng)產生的影響，因此，CO-OFDM技術在超高速、超長距離、超大容量的光通信網中得到了極為廣泛的應用，但OFDM信號PAPR高的問題卻亟待解決。

恒包絡調制具有包絡為恒定的特點，能很好地解決PAPR高的問題。QPSK相移鍵控是一種相位不連續(xù)的恒定包絡調制，采用正弦波載波的離散相位值來進行相應數字信息的調制，其已調信號幅值、頻率則保持不變，僅相位值在多個離散值間跳躍，因此，其包絡恒定具有較好的抗誤碼性能，適用于OFDM信號的子載波調制。在對CO-OFDM系統(tǒng)和恒定包絡調制進行了深入研究之后，提出將QPSK恒包絡調制技術應用到CO-OFDM系統(tǒng)中，以提升系統(tǒng)性能。

1 CO-OFDM系統(tǒng)結構及特點

一個功能完整的CO-OFDM系統(tǒng)如圖1所示?？梢钥闯觯珻O-OFDM系統(tǒng)由5個部分組成：（1）OFDM基帶信號發(fā)射機，生成電域OFDM基帶信號。（2）電/光變換。通過兩個MZ調制器進行I/Q調制，分別把電域I/Q兩路的信號加載到光載波上。對OFDM子載波進行恒包絡調制，來增強系統(tǒng)抗相位噪聲性能，同時，降低光OFDM信號的PAPR。（3）光纖鏈路。該系統(tǒng)采用的1 310 nm、衰減為0.2 dB/km的單模光纖進行光信號傳輸。該傳輸鏈路會使得光信號受功率衰減、色散、偏振模色散以及非線性損傷等方面的影響。（4）光/電檢測。COOFDM系統(tǒng)采用相干光檢測技術，在接收端使用光分束器將收到的光信號分成功率相等的兩束光波，分別與接收端本振光源進行相干耦合后，再采用平衡探測器分別對這兩束耦合后的光波實現光電檢測，得到I/Q路的電信號，即OFDM的基帶信號，再對這兩路電OFDM信號進行解調即可。（5）OFDM基帶信號接收機，主要用于電域OFDM基帶信號的解調。

圖1 CO-OFDM系統(tǒng)結構

在進行光調制/解調和光纖傳輸時，會引入信號的相位偏移，這就要求所傳輸的信號具有較高的抗相位噪聲能力。因此，本研究將使用恒定包絡調制技術來調制OFDM子載波，以降低CO-OFDM系統(tǒng)的PAPR，并提高系統(tǒng)對相位噪聲及子載波頻偏的容忍度。

2 恒包絡調制技術

QPSK是一種常見的恒包絡調制技術，用4種離散的相位值來攜帶信息，其已調在一個符號周期內相位保持不變。QPSK信號具有4個可能的離散相位值，假設其正弦載波相位是π/4的奇數倍，則其信號表達式可寫成：

其中，I(t)=±1，Q(t)=±1?？梢詫PSK信號視為兩個BPSK信號的線性疊加，假設QPSK信號的每個分支BPSK信號幅度為 ，符號間隔Ts=2Tb，則QPSK的雙邊功率譜密度可表示為：

QPSK信號的解調基本為其調制的逆過程，也被稱為正交解調器。采用兩個互相正交的同頻參考波，分別對I/Q支路的信號進行相干檢測。由于QPSK的I/Q兩支路的符號速率均為二進制信息速率的50%，即Ts=2Tb。當QPSK發(fā)送端輸出的二進制信源序列中“1”“0”等概出現時，QPSK的平均誤比特率為：

3 系統(tǒng)仿真驗證

利用OptiSystem軟件進行112 Gbit/s的基于QPSK的COOFDM光傳輸系統(tǒng)仿真，對理論分析進行仿真驗證。在僅考慮加性高斯白噪聲影響的背靠背系統(tǒng)中，對比分析了系統(tǒng)的理論誤碼率值、仿真系統(tǒng)所測誤碼率值隨光信噪比（OSNR）的變化情況。

CO-OFDM系統(tǒng)子載波均采用QPSK調制。通過推導可以得出，基于QPSK的CO-OFDM系統(tǒng)理論誤碼率值與OSNR的關系為：

仿真平臺的傳輸速率為112 Gbit/s，即Rb=112 Gbit/s，Bn=12.5 GHz，得出該系統(tǒng)的理論誤碼率為：

仿真系統(tǒng)的基本參數：Rb=112 Gbit/s；OFDM模塊采用256個子載波，每個子載波均采用QPSK進行調制；循環(huán)前綴（CP）長度為12.5%。發(fā)射激光器、接收端本振激光器均為不添加線寬及頻偏的理想狀態(tài)；馬赫增德爾（MZ）調制器的消光比設置為100 dB。

基于QPSK的CO-OFDM仿真系統(tǒng)測量誤碼率與其理論誤碼率隨OSNR的變化關系曲線如圖2所示。可以看出，仿真系統(tǒng)的測量誤碼率值同理論誤碼率值之間僅有很小的差異，很好地驗證了本次設計方案的正確性。

圖2 基于QPSK的CO-OFDM系統(tǒng)的OSNR-BER曲線

3.1 非線性損傷的仿真驗證

將仿真系統(tǒng)中的光纖長度設為500 km，得出的系統(tǒng)誤碼率隨光纖入纖功率變化關系曲線?？梢钥吹剑趦H考慮光纖非線性效應影響下，系統(tǒng)的誤碼率隨入纖光功率的增加呈指數趨勢，對系統(tǒng)造成難以恢復的嚴重性損傷；只有當入纖光功率在一定范圍時，系統(tǒng)才能較好地容忍非線性損傷，且具有較低的PAPR。

4 結束語

本文深入研究了CO-OFDM系統(tǒng)子載波調制方式及恒包絡調制中的QPSK調制，給出了采用恒包絡調制作為COOFDM系統(tǒng)子載波調制方案，該方案對非線性損傷、頻率偏移及相位噪聲具有一定的容忍性。系統(tǒng)仿真驗證了基于QPSK調制的CO-OFDM系統(tǒng)方案的可行性及有效性，為高效的光通信系統(tǒng)實現提供了參考依據。