CO—OFDM系統(tǒng)不同調(diào)制方式下的性能分析與仿真

王盈亨

摘 要本論文對(duì)相干光正交頻分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行了仿真模擬與性能分析。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)發(fā)射端通過2PSK、4QAM、8QAM和16QAM等不同調(diào)制方式對(duì)同一組信息碼元進(jìn)行編碼，并在完全相同的信道環(huán)境下進(jìn)行傳輸，通過誤碼率參量來(lái)反映不同調(diào)制方式下，CO-OFDM系統(tǒng)對(duì)光信噪比、光纖傳輸距離等因素的適應(yīng)性及性能表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四種不同調(diào)制方式下系統(tǒng)抗誤碼性能的橫向比較。并最終對(duì)幾種編碼方式存在性能差異的原因做出分析說(shuō)明。

【關(guān)鍵詞】相干光正交頻分復(fù)用 數(shù)字調(diào)制方式 誤碼率

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)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(lái)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）技術(shù)憑借其接收端靈敏度高、可有效對(duì)抗光纖中的偏振模色散、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為未來(lái)光纖通信領(lǐng)域的主流研究方向之一。

1 調(diào)制方式選擇

CO-OFDM系統(tǒng)當(dāng)中常用的兩種數(shù)字調(diào)制方式：MPSK和MQAM，都是通過將碼元信息映射成為對(duì)應(yīng)星座圖當(dāng)中的矢量坐標(biāo)來(lái)完成編碼。在上述兩種調(diào)制方式中，矢量點(diǎn)之間的最小距離d是一個(gè)非常重要的參量，它表征著不同矢量坐標(biāo)之間發(fā)生串?dāng)_的難易程度，矢量點(diǎn)之間的最小距離越大，表明這種調(diào)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(fā)現(xiàn)，隨著M的增加，信息的傳輸速率會(huì)得到提高，但最小距離會(huì)隨之減小，導(dǎo)致誤碼率上升，即多進(jìn)制調(diào)制方式的抗誤碼性能往往低于二進(jìn)制調(diào)制。并且，隨著M的增加，dMQAM往往大于對(duì)應(yīng)的dMPSK，這表明在多進(jìn)制調(diào)制當(dāng)中QAM的抗誤碼性能要好于PSK調(diào)制。綜上，本次實(shí)驗(yàn)選取2PSK、4QAM、8QAM和16QAM這四種調(diào)制方式來(lái)完成對(duì)并行數(shù)據(jù)的編碼。

2 系統(tǒng)仿真模型的搭建

2.1 射頻發(fā)射機(jī)

射頻發(fā)射機(jī)通過Matlab程序?qū)崿F(xiàn)仿真。首先編碼產(chǎn)生一組120×200的并行數(shù)據(jù)，并利用四種調(diào)制方式分別對(duì)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。之后，插入5個(gè)經(jīng)過相同調(diào)制的導(dǎo)頻符號(hào)，用于后期OFDM符號(hào)的相位和幅度校準(zhǔn)。對(duì)上述并行數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換即可完成數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)OFDM子載波Cki的映射，得到一個(gè)初級(jí)OFDM符號(hào)群。在符號(hào)群的前面插入5個(gè)訓(xùn)練序列，用于接收端子載波同步。之后為每個(gè)OFDM符號(hào)插入循環(huán)前綴作為保護(hù)間隔，在此循環(huán)前綴的長(zhǎng)度選為16。此時(shí)即可得到一組完整的OFDM符號(hào)群，通過reshape函數(shù)完成數(shù)據(jù)的并串變化，即得到基帶OFDM信號(hào)，由于是一個(gè)復(fù)值信號(hào)，因此它的實(shí)部和虛部將被分別保存在兩個(gè)文檔當(dāng)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(shí)現(xiàn)，首先將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的基帶OFDM信號(hào)實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入Optisystem仿真模型，之后使用AM調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的中頻調(diào)制，由于兩個(gè)調(diào)制載波之間存在90°相移，因此I、Q兩路數(shù)據(jù)經(jīng)中頻調(diào)制之后可以合并為一路，送入馬赫-增德爾調(diào)制器，與一個(gè)中心頻率為193.1THz的光載波發(fā)生調(diào)制，即可完成中頻OFDM信號(hào)至光域OFDM信號(hào)的上調(diào)。其中激光器產(chǎn)生載波的波長(zhǎng)為1550nm，線寬為100kHz。仿真電路Samples per bit設(shè)置為8，即通過8倍采樣率來(lái)采集基帶信號(hào)，并在電路中引入多處電域和光域?yàn)V波器，提高數(shù)據(jù)傳輸效果。

2.3 光纖傳輸鏈路

在實(shí)際的光纖通信系統(tǒng)架構(gòu)中，光纖鏈路的中繼長(zhǎng)度通常為80km，故在仿真實(shí)驗(yàn)中，同樣設(shè)置光纖的中繼長(zhǎng)度為80km，偏振模色散指數(shù)為16.75ps/km。通過一個(gè)循環(huán)控制器來(lái)控制傳輸數(shù)據(jù)通過光纖的次數(shù)，以此來(lái)改變?cè)谝淮螌?shí)驗(yàn)當(dāng)中信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。為了補(bǔ)償信號(hào)在光纖當(dāng)中傳輸所產(chǎn)生的損耗，在光纖之后設(shè)置了一個(gè)增益為16dB，噪聲指數(shù)為4dB的光放大器，使得光OFDM信號(hào)在每次循環(huán)經(jīng)過光纖鏈路之后，都會(huì)在光放大器當(dāng)中得到補(bǔ)償和放大。

2.4 光電下變頻器

利用一個(gè)中心頻率位于193.1THz的連續(xù)波激光器產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射端載波相干的本振光信號(hào)，通過一個(gè)光耦合器完成本振光信號(hào)與信息光信號(hào)的相干耦合，之后利用光電探測(cè)器對(duì)耦合光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到光信號(hào)中加載的電信號(hào)，即解調(diào)出中頻OFDM信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行放大等簡(jiǎn)單處理之后，用一個(gè)信號(hào)拆分器分離出中頻OFDM信號(hào)的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)，對(duì)這兩路數(shù)據(jù)分別進(jìn)行與上變頻器相對(duì)應(yīng)的解調(diào)制，此處的解調(diào)器之間仍舊存在90°相位差。在完成中頻信號(hào)的解調(diào)之后，即可得到基帶OFDM信號(hào)。將其實(shí)部、虛部數(shù)據(jù)分別存放，以便在之后的接收機(jī)仿真當(dāng)中導(dǎo)入Matlab作為接收信號(hào)。

2.5 射頻接收機(jī)

射頻接收機(jī)由Matlab 編程實(shí)現(xiàn)。將下變頻器輸出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件。在此首先需要對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)同步來(lái)確定DFT積分窗口，在此采用峰值分析的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步。之后利用Complex函數(shù)將實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)合并成為一個(gè)復(fù)值信息碼流。經(jīng)過串并變化即可得到一個(gè)接收OFDM符號(hào)群。去掉循環(huán)前綴和過采樣點(diǎn)。通過FFT變換完成OFDM符號(hào)解調(diào)，得到初級(jí)的并行數(shù)據(jù)流。相應(yīng)的解調(diào)操作完成之后，即可與發(fā)射端原始的串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行比較，計(jì)算出誤碼個(gè)數(shù)，以及誤碼率等參量，以便分析和比較信號(hào)在相同傳輸條件，不同調(diào)制方式下的抗誤碼性能。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在一次實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，傳輸24000個(gè)信息碼字。

3.1 不同調(diào)制方式下抗誤碼性能與系統(tǒng)光信噪比之間的關(guān)系

在該組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，統(tǒng)一設(shè)置光纖傳輸長(zhǎng)度為800km。

圖1為不同調(diào)制方式下，改變系統(tǒng)光信噪比之后，系統(tǒng)接收端的誤碼率表現(xiàn)：

通過對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)環(huán)境下2PSK調(diào)制的抗誤碼性能是最好的。而在MQAM調(diào)制中，隨著M的增大，抗誤碼性能下降明顯，這種現(xiàn)象是由于隨著M的增大，調(diào)制星座圖越趨復(fù)雜，星座點(diǎn)之間的最小距離不斷減小所致。由此可以看出，在多進(jìn)制調(diào)制當(dāng)中，M的數(shù)值越大，其對(duì)傳輸環(huán)境的要求越苛刻。這與前面做出的理論推導(dǎo)是完全相符的。

3.2 不同調(diào)制方式下抗誤碼性能與傳輸距離之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置仿真系統(tǒng)的光信噪比OSNR為13dB。

如圖2為系統(tǒng)在不同調(diào)制方式下，接收端誤碼率與傳輸距離之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

通過觀察發(fā)現(xiàn)，2PSK調(diào)制方式的抗誤碼性能仍舊表現(xiàn)最佳，在短距離傳輸范圍內(nèi)基本不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)碼，即使在960km的遠(yuǎn)距離傳輸當(dāng)中，系統(tǒng)也可以滿足1×10-3量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求。其次就是4QAM調(diào)制方式的抗誤碼性能較為理想，在880km范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以達(dá)到1×10-3量級(jí)的誤碼率標(biāo)準(zhǔn)。之后是8QAM和16QAM兩種調(diào)制方式，他們的抗誤碼性能表現(xiàn)都不甚理想，尤其在遠(yuǎn)距離傳輸之后，誤碼率遠(yuǎn)高于4QAM和2PSK，這無(wú)疑限制了8QAM和16QAM在遠(yuǎn)距離光纖傳輸系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)傳輸距離和系統(tǒng)OSNR等變量的單一控制實(shí)驗(yàn)，明顯體會(huì)到在CO-OFDM系統(tǒng)當(dāng)中，傳輸距離、傳輸容量以及系統(tǒng)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(tǒng)發(fā)射端對(duì)調(diào)制方式的選擇。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：2PSK調(diào)制方式對(duì)以上三種因素的融合最為理想，2PSK以其簡(jiǎn)單的矢量分布結(jié)構(gòu)，有效地避免了碼字?jǐn)_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(diào)制方式，雖然其抗誤碼性能略低于2PSK，但作為一種多進(jìn)制數(shù)字調(diào)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(yōu)勢(shì)。而8QAM和16QAM，其復(fù)雜的星座分布結(jié)構(gòu)無(wú)疑降低了信號(hào)擾變的門檻，使得系統(tǒng)的抗誤碼性能難以滿足遠(yuǎn)距離光纖通信系統(tǒng)的要求。

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作者單位

天津市東麗區(qū)濱海國(guó)際機(jī)場(chǎng)民航天津空管分局 天津市 300000