自載波提取相干OFDM系統(tǒng)研究*

劉 皎

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

CO-OFDM系統(tǒng)充分利用了光功率，敏感性較高，且增加了光譜功率，減少了帶寬需求［1～3]，為超長(zhǎng)距離的光鏈路傳輸提供了良好的解決方案。但是它還存在一些缺點(diǎn)，如所需要的本地激光器線寬要求較高，造價(jià)昂貴；本地載波與光載波之間存在相位噪聲［4～5]和偏振方向差異［6～9]等問題將極大地影響系統(tǒng)的傳輸性能和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為了減小相位噪聲，提出了采用光自載波提取的方案。在該方案中，光載波從輸入的光OFDM信號(hào)中提取。與傳統(tǒng)相干光系統(tǒng)相比，該方案中光載波和光OFDM信號(hào)來(lái)自同一個(gè)信源，因此，盡管輸入信號(hào)存在隨機(jī)偏振旋轉(zhuǎn)，但是光載波和光OFDM信號(hào)的偏振相同，這樣就不需要進(jìn)行偏振差異檢測(cè)，且簡(jiǎn)化了相位估計(jì)，達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。

2 傳統(tǒng)CO-OFDM系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的相干光傳輸中，通常在接收端使用本地激光器產(chǎn)生連續(xù)波來(lái)與輸入信號(hào)進(jìn)行相干，如圖1所示。其中，OFDM發(fā)射機(jī)輸出基帶OFDM信號(hào)。隨后利用由一對(duì)相差90°的馬赫-曾德調(diào)制器（MZM）［10～11]組成的光 I/Q 調(diào)制器［12]，上變頻將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。在OFDM接收端，下變頻接近直流的OFDM信號(hào)首先經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣后經(jīng)過精密的3級(jí)同步判決輸出接收數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)中本地激光器需要有窄的線寬，并且對(duì)于不同波長(zhǎng)的輸入信號(hào)來(lái)說(shuō)是可調(diào)的。對(duì)于更實(shí)用的數(shù)字相干接收機(jī)而言，必須采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)，從而補(bǔ)償輸入信號(hào)和本地激光器之間的相位噪聲［13～14]。由于輸入信號(hào)偏振方向存在隨機(jī)旋轉(zhuǎn)，還需要采用偏振差異檢測(cè)方案，并用DSP進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)估計(jì)和信號(hào)恢復(fù)。這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性的同時(shí)增加了系統(tǒng)成本。

3 自載波提取的CO-OFDM系統(tǒng)

為了消除相位噪聲，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，考慮采用光自載波提取的方案，其系統(tǒng)仿真如圖2所示。在接收端，輸入的光OFDM信號(hào)由光耦合器分為兩個(gè)支路：一路直接進(jìn)入下一個(gè)耦合器做相干干涉，另一路經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器來(lái)為相干干涉提取光載波成分。該方案要求：1）輸入光OFDM信號(hào)有一個(gè)光載波成分；2）該載波成分可以和輸入信號(hào)頻譜分離。第一個(gè)條件一般通過非載波抑制調(diào)制實(shí)現(xiàn)，第二個(gè)條件通過將OFDM基帶信號(hào)調(diào)制到射頻載波或?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)零來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 傳統(tǒng)CO-OFDM系統(tǒng)

圖2 利用自載波提取的CO-OFDM仿真系統(tǒng)

4 系統(tǒng)仿真及分析

系統(tǒng)性能與系統(tǒng)參數(shù)有密切關(guān)系，合理的參數(shù)設(shè)置有助于系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的性能。

表1 VPI軟件仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

在VPI軟件中設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。在仿真過程中，系統(tǒng)在發(fā)射端“充零”后，將基帶信號(hào)調(diào)制到中頻（10GHz）上。該信號(hào)經(jīng)上變頻后進(jìn)入噪聲信道，得到中心頻率為193.1THz的OFDM信號(hào)。該信號(hào)中包含了光載波成分，可經(jīng)過適合的光帶通濾波器（BPF）分離出來(lái)。接著光載波與光信號(hào)耦合，經(jīng)兩對(duì)平衡接收機(jī)進(jìn)行I/Q調(diào)制，可得到其電信號(hào)頻譜。最后，在OFDM接收機(jī)中解調(diào)后得到數(shù)據(jù)信號(hào)。由其星座圖可以看出，整個(gè)系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的性能。

1）與傳統(tǒng)CO-OFDM系統(tǒng)的對(duì)比

對(duì)利用自載波提取的CO-OFDM系統(tǒng)和傳統(tǒng)CO-OFDM系統(tǒng)分別進(jìn)行了仿真。二者的星座圖分別如圖3中（a）、（b）所示。雖然利用自載波提取的CO-OFDM的星座點(diǎn)間距小于傳統(tǒng)CO-OFDM系統(tǒng)，但我們可以明顯地看到，后者的星座點(diǎn)較前者分散得多。顯然，利用自載波提取的CO-OFDM系統(tǒng)的星座圖好于傳統(tǒng)的CO-OFDM系統(tǒng)的星座圖。在相同條件下，利用自載波提取的CO-OFDM系統(tǒng)的性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)CO-OFDM系統(tǒng)。

2）采樣率對(duì)系統(tǒng)性能的影響

系統(tǒng)采樣率會(huì)影響系統(tǒng)的性能，保持系統(tǒng)其他參數(shù)不變，增大系統(tǒng)的采樣率，能夠提升系統(tǒng)性能，其接收星座圖如圖4所示。

同樣，接收機(jī)的采樣率對(duì)系統(tǒng)性能也會(huì)有影響。如圖5所示，采樣率越大，系統(tǒng)性能越好；反之，系統(tǒng)性能越差。

圖3 不同結(jié)構(gòu)CO-OFDM系統(tǒng)的星座圖

圖4 不同系統(tǒng)采樣率的星座圖

3）提取載波線寬對(duì)系統(tǒng)性能的影響

圖6給出了不同的提取載波線寬下系統(tǒng)的接收星座圖對(duì)比。從圖中可以看出系統(tǒng)性能與提取出的載波線寬密切相關(guān)。適當(dāng)?shù)奶崛〕龅妮d波線寬可使系統(tǒng)獲得較好的星座圖。從帶光載波成分的OFDM信號(hào)可以看到，光載波線寬為1GHz，故而，當(dāng)提取出的載波線寬為1GHz時(shí)，恰能完整分離出光載波，系統(tǒng)性能最佳。當(dāng)線寬低于1GHz時(shí)，光載波成分不能完全提取出來(lái)，光載波的不完整性使系統(tǒng)性能下降。而提取載波線寬高于1GHz時(shí)，多余的信號(hào)成分使平衡檢測(cè)性能下降，故而系統(tǒng)性能也隨之下降。

圖5 不同接收機(jī)采樣率的星座圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種利用自載波提取的CO-OFDM系統(tǒng)，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。該系統(tǒng)具有相位噪聲小，成本低，性能好等特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)性能受比特率、采樣率和提取出的光載波線寬的影響：比特率越小，系統(tǒng)星座圖越好；采樣率（系統(tǒng)采樣率和接收機(jī)采樣率）越大，系統(tǒng)性能越好；反之，系統(tǒng)性能越差；當(dāng)提取出的自載波線寬恰好能完整包含光信號(hào)載波時(shí)，系統(tǒng)性能最佳。

圖6 不同提取載波線寬系統(tǒng)性能對(duì)比