QPSK信號的相干光檢測的EVM值分析

王小燕

(三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004)

0 引言

FTTH(Fiber to the Home)以及移動通信的普及、迅速膨脹的通信需求使得光通信網(wǎng)絡(luò)的大容量化、低成本化迫在眉睫.近些年來得益于光調(diào)制解調(diào)技術(shù)的革新，光網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸能力得到了大幅度的提高.傳統(tǒng)光信號檢測的主流是僅利用光的通、斷實現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制直接檢波(IM/DD)系統(tǒng)，調(diào)制技術(shù)主要要求能夠快速地實現(xiàn)光的“通-斷”開關(guān)能力.而在無線電通信系統(tǒng)中，除了信號的強(qiáng)度，信號的相位、頻率、偏振等量也被廣泛使用到復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)中，實現(xiàn)了在有限信道帶寬下通信容量的大幅度擴(kuò)大.光與電同屬于電磁波，因此原理上光通信系統(tǒng)也可采用與無線電通信系統(tǒng)相同的解調(diào)技術(shù)[1-3].然而，與無線電網(wǎng)絡(luò)中使用的毫米波、微波振蕩器相比，光網(wǎng)絡(luò)中使用的激光光源的可控性較差，在信道發(fā)送端和接收端的不同激光光源很難實現(xiàn)光波之間的相位同步，這使得在光通信中運用光的相干性進(jìn)行解調(diào)變得困難.

近些年來，數(shù)字信號處理技術(shù)突飛猛進(jìn)，通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端的相位差、頻率差等可以通過接收端的數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)值計算進(jìn)行補(bǔ)償.這種通過數(shù)字信號處理，有效利用光相干性的方法被稱為數(shù)字相干法，近年國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量的研究[4-6].將數(shù)字相干技術(shù)應(yīng)用于各種復(fù)雜光調(diào)制技術(shù)中，可使在無線通信網(wǎng)絡(luò)中使用的大多數(shù)調(diào)制方式在光域?qū)崿F(xiàn).在通信高速化的基礎(chǔ)上，復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)對高精度控制設(shè)備等也提出了新的要求.本文以近年來備受關(guān)注的4相正交相移鍵控(QPSK)信號為例，介紹了多值調(diào)制技術(shù)的基本原理和實驗實現(xiàn)方法，分析了相干光檢測原理以及數(shù)字相干處理技術(shù).實驗驗證了10 Gbit/s的QPSK信號的back-to-back相干檢測結(jié)果.

1 QPSK光信號調(diào)制技術(shù)

光相位調(diào)制器，是利用電光材料的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過改變材料兩端的電壓控制光相位變化的調(diào)制設(shè)備，如圖1所示.

圖1 光相位調(diào)制器原理

調(diào)制器輸出的光相位與施加在材料電極兩端的電壓成正比，圖2(a)是180o相位差的二進(jìn)制相移鍵控信號(BPSK)，通過調(diào)節(jié)電壓可得到圖2(b)中的90o相位差的二進(jìn)制相移鍵控信號.在多值信號傳輸系統(tǒng)中，符號間的距離越大，信號間的相互干擾程度就越低，越有利于實現(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離的信號傳輸.為了得到180o相位差的BPSK信號，就需要對施加在電光材料兩端的電壓值進(jìn)行精確的控制.

圖2 關(guān)于施加電壓的光相位響應(yīng)

圖3給出了由2個相位調(diào)制器構(gòu)成的馬赫曾德(MZ)調(diào)制器示意圖.上下兩路光信號經(jīng)過相應(yīng)的相位控制，在輸出端發(fā)生干涉.通過控制兩路信號的相位差，可以實現(xiàn)輸出信號的強(qiáng)度調(diào)制：當(dāng)兩路信號相位差為0時，干涉輸出光強(qiáng)最大；當(dāng)相位差為180o時，干涉輸出光強(qiáng)最弱.通過精確控制兩個狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)，即可實現(xiàn)光信號的不同強(qiáng)度調(diào)制.

圖3 兩個相位調(diào)制器組成強(qiáng)度調(diào)制器

4相QPSK信號調(diào)制，通常使用矢量調(diào)制來獲得復(fù)平面上不同的光波狀態(tài)，可以通過分別獨立控制光信號的強(qiáng)度和相位，或者在光信號的復(fù)平面上分別控制實部分量和虛部分量來實現(xiàn).本研究中使用的IQ信號調(diào)制器( In-phase Quadrature Modulator)基于后一種方法實現(xiàn)QPSK信號的生成.如圖4所示，未調(diào)制光經(jīng)過分波器分成I、Q上下兩路，給予90o相位差(即生成復(fù)平面)，分別對兩路信號進(jìn)行2相強(qiáng)度調(diào)制，再通過矢量合波，即可在復(fù)平面上生成4相QPSK調(diào)制信號.

圖4 兩個強(qiáng)度調(diào)制器組成QPSK調(diào)制器

2 相干光檢測原理

傳統(tǒng)光通信系統(tǒng)中數(shù)字信號的“1”和“0”分別與光信號的“開”和“關(guān)”相對應(yīng)，在光接收端一般通過對光信號強(qiáng)度的檢測實現(xiàn)直接檢波(On-Off Keying，OOK)，這種檢波方式運用到100 Gbit/s光通信系統(tǒng)中，光纖中會出現(xiàn)各種信號劣化現(xiàn)象，使得傳輸距離被限制在幾千米范圍之內(nèi).而在數(shù)字相干技術(shù)中，由于同時利用了光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等性質(zhì)，可以實現(xiàn)高效穩(wěn)定的1 000 km以上的長距離傳輸.

調(diào)制得到的QPSK信號到達(dá)光接收端，經(jīng)過相干光檢測光回路(90o光學(xué)混波器(Optical Hybrid)),使信號激光和本振激光(Local Ocillator，LO)產(chǎn)生干涉，實現(xiàn)對QPSK信號的相位和幅度信息的提取.圖5給出了數(shù)字相干檢測的實驗框架圖.相干光的檢測主要由光檢測回路實現(xiàn)，如圖5中90o光學(xué)混波器所示原理圖.

圖5 QPSK信號的相干檢測實驗框架圖

假設(shè)信號光與本振光偏振方向一致，頻率相同.QPSK信號為Es(t)，本振光為ELO(t)，則90o光學(xué)混波器中一階光分波器的輸出為

(1a)

(1b)

同理可得二階光分波器的輸出：

(2a)

(2b)

假設(shè)信號光的頻率與本振光頻率一致，并略去二者的初始相位差，則可得

(3a)

(3b)

其中，R是二極管的光電感度，Ps(t)、PLO分別是信號光和本振光的強(qiáng)度，θs(t)是信號光的相位調(diào)制，θn(t)是相位噪聲.這樣，即可恢復(fù)再生得到發(fā)送端的QPSK信號如下式所示：

(4)

3 相干光相位恢復(fù)

由相干檢測回路檢測得到的復(fù)平面上的光振幅，同時含有信號光與本振光的相位噪聲，因此在信號解調(diào)時必須追蹤相位變化，去除相位噪聲.數(shù)字相干檢測的最大特點就是，可以摒除OPLL等不穩(wěn)定因素，在數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行信號處理，恢復(fù)相位.對于4相QPSK信號，可以通過對信號復(fù)振幅4次方運算的前饋載波相位估計法[7-8]進(jìn)行相位恢復(fù)，如圖6所示.

圖6 相干光前饋載波相位估計

首先通過時鐘抽取，得到符號與樣本一一對應(yīng)的數(shù)字信號，令采樣編碼為i，采樣樣本間間隔為T，式(4)中的相位噪聲θn(t)是隨機(jī)變量，與相位調(diào)制θs(t)比變化非常緩慢.要實現(xiàn)信號的相位恢復(fù)，必須要將相位噪聲θn(t)去除.具體步驟如下.

(1)對再生得到的復(fù)信號expj{θs(t)+θn(t)}進(jìn)行4次方運算，由于QPSK信號具有4相：±π/4、±3π/4，4次方運算后，信號的相位變?yōu)棣小?π，可以通過數(shù)值換算直接略去.即得到expj{4θn(t)}.

(2)為了提高信噪比SN(Signal-to-Noise)的值，要將取樣后的信號經(jīng)過移動平均濾波器進(jìn)行平滑處理,則載波中的相位誤差可表示為：

(3)將再生的復(fù)信號減去相位誤差θe(i).

(4)運用數(shù)字信號處理對每4相相位進(jìn)行辨別，解調(diào)得到QPSK信號.

4 相干檢測得到QPSK信號的EVM分析

由于QPSK信號是一種非恒包絡(luò)調(diào)制，信號在相位和幅度上都會出現(xiàn)誤差，因此恒包絡(luò)調(diào)制中的指標(biāo)——相位誤差和頻差，就不足以反映調(diào)制精度.誤差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)通過比較測量信號矢量S和參考信號矢量R，得到二者間的誤差矢量E，可以在星座圖上清楚地反映非恒包絡(luò)信號的劣化程度[9-10].EVM值與誤碼率成正比，測試速度優(yōu)于眼圖及BER測試，算法簡單、且能夠提供更多觀察信息.

對于解調(diào)得到的QPSK信號，其EVM的計算式可定義為：

(5)

圖7 QPSK信號的光通信(Back-to-Back)實驗框架圖

其中，I0、Q0是發(fā)送端發(fā)出的理想信號的I相、Q相成分，It、Qt是采樣點t得到的實測信號的I相、Q相成分，T是采樣周期.

(a)發(fā)送端光信號5.95 dBm，本振光信號強(qiáng)度-9.9 dBm，EVM=16.819%

QPSK信號的光通信實驗(Back-to-Back)框架系統(tǒng)如圖7所示.光發(fā)送端的激光器將光輸入IQ調(diào)制器，在信號發(fā)生器的作用下，被調(diào)制成為QPSK光信號.QPSK光信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)光接收端，經(jīng)過90o光學(xué)混波器解調(diào)，由平衡二極管檢測光信號輸出為電信號，再由計算器提取電信號進(jìn)行數(shù)字相干信號處理.解調(diào)得到的QPSK信號如圖8所示.圖8(a)、(b)分別給出了不同強(qiáng)度激光下得到的QPSK信號.其中圖8(b)的信號光強(qiáng)度與LO本振光強(qiáng)度分別比圖8(a)低3.5 dB.其中，圖8的第一排分別給出了光接收機(jī)接收到的生QPSK信號、以及經(jīng)數(shù)字相干處理后得到的QPSK信號的星座圖，可以看到經(jīng)處理后的QPSK信號的相位分別為±π/4、±3π/4；圖8的第二排分別還原了I相信號和Q相信號的波形圖，其中虛線是生信號，實線是經(jīng)數(shù)字相干處理后得到的信號.經(jīng)計算分析得到圖8(a)、(b)的信號EVM值分別為16.819%和27.028%，可以看到在降低光強(qiáng)度后，EVM的值變大.EVM值越大說明信號劣化程度越高，恢復(fù)出的信號誤差越大；反之則劣化程度越低，信號誤差越小.根據(jù)星座圖顯示，由于輸入光強(qiáng)減小，信號的信噪比降低，信號的抗干擾能力變小.從EVM角度來看，EVM值增大會導(dǎo)致不同相位符號間出現(xiàn)重疊狀態(tài)而導(dǎo)致誤碼(如圖8(b)的星座圖所示).

5 結(jié)束語

文章詳細(xì)介紹了IQ信號調(diào)制器的原理、相干光檢測技術(shù)的原理，以及數(shù)字相干處理技術(shù).實驗運用IQ信號調(diào)制器生成QPSK信號，運用90o光學(xué)混波器和平衡二極管對接收到的QPSK信號進(jìn)行相干檢波，并通過數(shù)字相干信號處理技術(shù)還原得到QPSK原始信號.經(jīng)過對信號的EVM值分析，驗證得到光信號的質(zhì)量隨著輸入光強(qiáng)度的減弱而降低.這是由于輸入光強(qiáng)度減弱，信號的信噪比降低，使得信號在光通道中傳輸時的抗干擾能力減小而導(dǎo)致誤碼率增加.從QPSK信號的星座圖中，可以發(fā)現(xiàn)隨著EVM值的增加，不同相位符號間出現(xiàn)了重疊狀態(tài)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸?shù)恼`碼率增加.