劉 皎 張文文

1.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院；2. 陜西鋅業(yè)有限公司變電站

0 引言

相干光檢測(cè)正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）技術(shù)結(jié)合了相干檢測(cè)、無線OFDM、光通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，是一種新型的光通信技術(shù)。CO-OFDM系統(tǒng)具有較高的頻譜利用率，能夠在單信道中進(jìn)行超高速、超長(zhǎng)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(yīng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，因此，CO-OFDM技術(shù)在超高速、超長(zhǎng)距離、超大容量的光通信網(wǎng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，但OFDM信號(hào)PAPR高的問題卻亟待解決。

恒包絡(luò)調(diào)制具有包絡(luò)為恒定的特點(diǎn)，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(luò)調(diào)制，采用正弦波載波的離散相位值來進(jìn)行相應(yīng)數(shù)字信息的調(diào)制，其已調(diào)信號(hào)幅值、頻率則保持不變，僅相位值在多個(gè)離散值間跳躍，因此，其包絡(luò)恒定具有較好的抗誤碼性能，適用于OFDM信號(hào)的子載波調(diào)制。在對(duì)CO-OFDM系統(tǒng)和恒定包絡(luò)調(diào)制進(jìn)行了深入研究之后，提出將QPSK恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到CO-OFDM系統(tǒng)中，以提升系統(tǒng)性能。

1 CO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

一個(gè)功能完整的CO-OFDM系統(tǒng)如圖1所示。可以看出，CO-OFDM系統(tǒng)由5個(gè)部分組成：（1）OFDM基帶信號(hào)發(fā)射機(jī)，生成電域OFDM基帶信號(hào)。（2）電/光變換。通過兩個(gè)MZ調(diào)制器進(jìn)行I/Q調(diào)制，分別把電域I/Q兩路的信號(hào)加載到光載波上。對(duì)OFDM子載波進(jìn)行恒包絡(luò)調(diào)制，來增強(qiáng)系統(tǒng)抗相位噪聲性能，同時(shí)，降低光OFDM信號(hào)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(jìn)行光信號(hào)傳輸。該傳輸鏈路會(huì)使得光信號(hào)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(cè)。COOFDM系統(tǒng)采用相干光檢測(cè)技術(shù)，在接收端使用光分束器將收到的光信號(hào)分成功率相等的兩束光波，分別與接收端本振光源進(jìn)行相干耦合后，再采用平衡探測(cè)器分別對(duì)這兩束耦合后的光波實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)，得到I/Q路的電信號(hào)，即OFDM的基帶信號(hào)，再對(duì)這兩路電OFDM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)即可。（5）OFDM基帶信號(hào)接收機(jī)，主要用于電域OFDM基帶信號(hào)的解調(diào)。

圖1 CO-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行光調(diào)制/解調(diào)和光纖傳輸時(shí)，會(huì)引入信號(hào)的相位偏移，這就要求所傳輸?shù)男盘?hào)具有較高的抗相位噪聲能力。因此，本研究將使用恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)來調(diào)制OFDM子載波，以降低CO-OFDM系統(tǒng)的PAPR，并提高系統(tǒng)對(duì)相位噪聲及子載波頻偏的容忍度。

2 恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)

QPSK是一種常見的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)，用4種離散的相位值來攜帶信息，其已調(diào)在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)相位保持不變。QPSK信號(hào)具有4個(gè)可能的離散相位值，假設(shè)其正弦載波相位是π/4的奇數(shù)倍，則其信號(hào)表達(dá)式可寫成：

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

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

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

利用OptiSystem軟件進(jìn)行112 Gbit/s的基于QPSK的COOFDM光傳輸系統(tǒng)仿真，對(duì)理論分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在僅考慮加性高斯白噪聲影響的背靠背系統(tǒng)中，對(duì)比分析了系統(tǒng)的理論誤碼率值、仿真系統(tǒng)所測(cè)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(diào)制。通過推導(dǎo)可以得出，基于QPSK的CO-OFDM系統(tǒng)理論誤碼率值與OSNR的關(guān)系為：

仿真平臺(tái)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(shù)：Rb=112 Gbit/s；OFDM模塊采用256個(gè)子載波，每個(gè)子載波均采用QPSK進(jìn)行調(diào)制；循環(huán)前綴（CP）長(zhǎng)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(diào)制器的消光比設(shè)置為100 dB。

基于QPSK的CO-OFDM仿真系統(tǒng)測(cè)量誤碼率與其理論誤碼率隨OSNR的變化關(guān)系曲線如圖2所示。可以看出，仿真系統(tǒng)的測(cè)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(yàn)證了本次設(shè)計(jì)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(yàn)證

將仿真系統(tǒng)中的光纖長(zhǎng)度設(shè)為500 km，得出的系統(tǒng)誤碼率隨光纖入纖功率變化關(guān)系曲線?？梢钥吹?，在僅考慮光纖非線性效應(yīng)影響下，系統(tǒng)的誤碼率隨入纖光功率的增加呈指數(shù)趨勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)造成難以恢復(fù)的嚴(yán)重性損傷；只有當(dāng)入纖光功率在一定范圍時(shí)，系統(tǒng)才能較好地容忍非線性損傷，且具有較低的PAPR。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究了CO-OFDM系統(tǒng)子載波調(diào)制方式及恒包絡(luò)調(diào)制中的QPSK調(diào)制，給出了采用恒包絡(luò)調(diào)制作為COOFDM系統(tǒng)子載波調(diào)制方案，該方案對(duì)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(yàn)證了基于QPSK調(diào)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(shí)現(xiàn)提供了參考依據(jù)。