16QAM相干光檢測OFDM系統(tǒng)性能研究

房曉飛，劉 毓，梁 猛

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

16QAM相干光檢測OFDM系統(tǒng)性能研究

房曉飛1，劉 毓2，梁 猛1

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

利用Optisystem軟件結(jié)合Matlab，搭建相干檢測光正交頻分復(fù)用（Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系統(tǒng)仿真平臺(tái)。通過加入訓(xùn)練序列學(xué)習(xí)出不同頻率信號(hào)的相位噪聲規(guī)律并進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)合傳輸距離、光源線寬，研究了基于16QAM調(diào)制的相干光檢測OFDM系統(tǒng)的傳輸性能。結(jié)果表明，16QAM調(diào)制下的相干光檢測OFDM系統(tǒng)做簡單的基于訓(xùn)練的信道估計(jì)與均衡處理下，系統(tǒng)誤碼性能提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。預(yù)示了在高速長距離光纖通信中相干光檢測OFDM系統(tǒng)的良好前景。

相干光檢測正交頻分復(fù)用；16QAM；訓(xùn)練序列；相位噪聲補(bǔ)償

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是數(shù)字信號(hào)的一種調(diào)制方式，在調(diào)制過程中，同時(shí)以載波信號(hào)的幅度和相位來代表不同的數(shù)字比特編碼，把多進(jìn)制與正交載波技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)一步提高頻帶利用率，是近年來被國際上移動(dòng)通信技術(shù)專家十分重視的一種信號(hào)調(diào)制方式。正交頻分復(fù)用是多載波調(diào)制的一種，兼具高的系統(tǒng)頻譜利用率與低計(jì)算復(fù)雜度的優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于無線、有線和廣播網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域，即光正交頻分復(fù)用技術(shù)[2-3]。此外，調(diào)制光OFDM中應(yīng)用最廣的調(diào)制方式也是MQAM調(diào)制。光正交頻分復(fù)用系統(tǒng)（OOFDM）融合了光纖通信和 OFDM技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出了頻譜效率高、對抗色散和非線性效果明顯等突出的優(yōu)點(diǎn)，是目前高速光傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(tǒng)和相干檢測光 OFDM系統(tǒng)，其中，相干光OFDM系統(tǒng)，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(diào)制方案，能使用的均衡方法也比較多[8-9]，是目前光通信領(lǐng)域一個(gè)主要的研究熱點(diǎn)。本文通過Optisystem和Matlab軟件結(jié)合，搭建CO-OFDM仿真系統(tǒng)，通過加入訓(xùn)練序列學(xué)習(xí)出不同頻率信號(hào)的相位噪聲并進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)合傳輸距離、光源線寬，研究了基于16QAM調(diào)制的相干光檢測OFDM系統(tǒng)的傳輸性能。

1 CO-OFDM基本原理

CO-OFDM系統(tǒng)如圖1所示，分別為5個(gè)功能模塊：①射頻發(fā)送端，②電-光調(diào)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(tǒng)中，射頻 OFDM發(fā)送端發(fā)出的二進(jìn)制序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后映射到N個(gè)并行的子信道中，使得每一個(gè)調(diào)制子載波的數(shù)據(jù)周期擴(kuò)大為原始數(shù)據(jù)周期的N倍，則時(shí)延擴(kuò)展與符號(hào)周期的比值下降到 1/N。進(jìn)行數(shù)字基帶調(diào)制（2PSK，4QAM，16QAM等），并映射到對應(yīng)的復(fù)數(shù)信號(hào)上，進(jìn)行IFFT變換將要傳輸?shù)谋忍胤峙涞礁鱾€(gè)子載波上，映射為子載波的幅度和相位。為了避免產(chǎn)生ICI和符號(hào)間干擾，加循環(huán)前綴CP，再作D/A變換，得到OFDM一條信號(hào)的時(shí)域波形。將基帶OFDM信號(hào)通過一個(gè)射頻正交混頻器變換到射頻上，利用兩個(gè)Mach-Zehnder調(diào)制器把OFDM信號(hào)的I路和Q路分別調(diào)制到光域，并在光纖鏈路中進(jìn)行傳輸。從光纖鏈路中出來的光域OFDM信號(hào)進(jìn)入OTR下變頻器轉(zhuǎn)換為射頻OFDM信號(hào)，然后利用4個(gè)光電二極管（PIN）對接收到的信號(hào)進(jìn)行平衡相干接收，然后進(jìn)行和發(fā)射端相反的變換，即A/D轉(zhuǎn)換，去CP，做FFT變換，對調(diào)制信息序列進(jìn)行解映射和解碼，恢復(fù)二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)并輸出。

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

2 CO-OFDM仿真系統(tǒng)的建立

為了研究CO-OFDM系統(tǒng)的性能，我們利用光學(xué)仿真軟件Optisystem和Matlab軟件結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)CO-OFDM的仿真分析平臺(tái)。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

按照信號(hào)傳輸變換的流程，仿真系統(tǒng)由隨機(jī)序列發(fā)生器，QAM調(diào)制，OFDM信號(hào)產(chǎn)生部分，正交部分，光調(diào)制，光纖傳輸，相干檢測，正交解調(diào)，OFDM信號(hào)恢復(fù)，QAM解調(diào)，序列恢復(fù)等部分組成。與直接檢測相干光OFDM不同的是電光調(diào)制和光電檢測模塊。在CO-OFDM的電光調(diào)制模塊中，利用由一對并行雙臂馬赫曾德爾調(diào)制器組成的I/Q調(diào)制器將電域的OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)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(diào)的方式將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電基帶信號(hào)輸出。平衡式雙檢測器由兩對平衡的PIN光電檢測器構(gòu)成，輸入雙檢測器的本地振蕩信號(hào)相位差為900，以此檢測出CO-OFDM信號(hào)的同相分量和正交分量。

3 16QAM CO-OFDM系統(tǒng)仿真分析

基于以上的仿真平臺(tái)進(jìn)行16QAM CO-OFDM系統(tǒng)仿真分析。本次仿真參數(shù)設(shè)置如下：傳輸速率：10 Gbit/s，16QAM調(diào)制方式，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)1024，子載波數(shù)512。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，損耗系數(shù)0.2 dB/km，群速率色散16.75 ps/（nm.km），三階色散系數(shù)為0.075 ps/（nm2.km）。

3.1 基于訓(xùn)練序列的相移估計(jì)與補(bǔ)償

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

圖3所示為在傳輸為300 km處的輸入輸出端相位統(tǒng)計(jì)量，補(bǔ)償正是基于此進(jìn)行的。由圖可見，統(tǒng)計(jì)出的發(fā)送端和接收端的信號(hào)相位基本是匹配的。圖4和圖5分別為補(bǔ)償前后星座圖對比。顯而易見，在進(jìn)行相位估計(jì)與補(bǔ)償之前，星座圖已經(jīng)開始旋轉(zhuǎn)，最外圈尤為嚴(yán)重，中間圈已經(jīng)出現(xiàn)兩兩混疊現(xiàn)象，此時(shí)誤碼率較大。而補(bǔ)償之后的星座圖則非常清晰，并未出現(xiàn)星座旋轉(zhuǎn)和星點(diǎn)混疊現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)誤碼率為0，表明系統(tǒng)傳輸性能良好。

圖3 300km傳輸距離處訓(xùn)練序列統(tǒng)計(jì)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(bǔ)償前的星座圖Fig.4 Constellation before the phase compensation

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

3.2 相位補(bǔ)償前后系統(tǒng)性能隨傳輸距離的改變

由圖6可見，在做相位補(bǔ)償前后，系統(tǒng)誤碼性能相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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(tǒng)性能Fig.6 System performance under different transmission distances

3.3 相位補(bǔ)償前后不同光源線寬下的系統(tǒng)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(hào)周期和激光線寬，Rs是線路符號(hào)速率，其他噪聲用AWGN表示。當(dāng)不考慮色散時(shí)，發(fā)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(shè)二者的線寬是相同的。用激光線寬容忍度來表征系統(tǒng)對相位噪聲的容忍度。圖7是在不同的光源線寬條件下，進(jìn)行相位補(bǔ)償前后的系統(tǒng)傳輸性能的對比。

圖7 不同光源線寬條件下的系統(tǒng)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(tǒng)性能變差。但在基于訓(xùn)練序列進(jìn)行相位估計(jì)與補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)誤碼始終保持在的數(shù)量級(jí)上。而未經(jīng)補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)誤碼則隨著光源線寬的不斷增加呈明顯上升趨勢。

4 結(jié)束語

通過對一種基于訓(xùn)練序列的相位估計(jì)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(tǒng)的傳輸性能的影響的研究可以得出，在相干光檢測OFDM系統(tǒng)中，根據(jù)16QAM調(diào)制對相位噪聲敏感的機(jī)理，通過簡單地對系統(tǒng)相位噪聲的估計(jì)與均衡處理，可以顯著提高系統(tǒng)傳輸性能。在相同傳輸距離下，均衡后系統(tǒng)誤碼率下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)。在相同傳輸距離、相同誤碼率要求下，相位補(bǔ)償之后的系統(tǒng)對光源線寬容限有很大的提高。從理論分析加之仿真結(jié)果，可見相干光檢測OFDM結(jié)合了相干檢測和OFDM的優(yōu)點(diǎn)，簡單地均衡處理即可顯著改善系統(tǒng)性能，增強(qiáng)系統(tǒng)抗誤碼能力，提高系統(tǒng)頻帶利用率，具有非常明顯的優(yōu)勢，在未來的長距離光通信中有很好的應(yīng)用前景。

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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(hào)：201407211

房曉飛（1989—），女，陜西西安人，碩士。研究方向：光通信系統(tǒng)。