OQPSK恒包絡(luò)調(diào)制CO-OFDM系統(tǒng)研究

劉 皎，張 娜

（商洛學(xué)院商洛市人工智能研究中心，陜西 商洛 726000）

恒包絡(luò)調(diào)制具有包絡(luò)恒定的特點(diǎn)，利用這個(gè)特點(diǎn)能夠很好地解決相干光正交頻分復(fù)用（CO-OFDM）系統(tǒng)中峰均功率比（PAPR）高的問(wèn)題［1-2］。四相移相鍵控（QPSK）是最常見(jiàn)的一種相位不連續(xù)的恒定包絡(luò)調(diào)制［3-5］，其已調(diào)信號(hào)的幅值和頻率不變，僅相位在多個(gè)離散值之間跳躍，具有恒定包絡(luò)、抗誤碼性能好等優(yōu)點(diǎn)，但是若QPSK在I路、Q路信號(hào)同時(shí)改變時(shí)，其已調(diào)信號(hào)的相位就會(huì)發(fā)生π相跳變，而當(dāng)I路、Q路中只有一路發(fā)生改變時(shí)，其已調(diào)信號(hào)的相位則發(fā)生π/2相的跳變，這些相位跳變就會(huì)使得QPSK已調(diào)信號(hào)的功率譜旁瓣擴(kuò)大，且旁瓣衰減會(huì)較慢。這種變化在帶寬足夠?qū)挼睦硐雮鬏斚到y(tǒng)中，其影響是可以忽略的，但是在實(shí)際的帶限通信系統(tǒng)中，則需對(duì)已調(diào)信號(hào)的帶寬進(jìn)行限制［6-7］。然而經(jīng)過(guò)限帶后的QPSK信號(hào)包絡(luò)則不再恒定。雖然可以采用非線性功率放大技術(shù)來(lái)減弱限帶后的QPSK信號(hào)包絡(luò)起伏，但這種操作又會(huì)使得信號(hào)功率譜旁瓣增生，頻譜發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而影響到鄰近信號(hào)，造成頻譜干擾。若對(duì)限帶QPSK信號(hào)采用線性功放，其功率轉(zhuǎn)換效率又太低?；诖耍惝a(chǎn)生出一種適合非線性功率放大的帶限數(shù)字調(diào)制方式——偏移四相移相鍵控（OQPSK）［8-9］。OQPSK是對(duì)QPSK進(jìn)行了一定改進(jìn)的一種新型的恒包絡(luò)移相鍵控調(diào)制方式。

1 OQPSK恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)

OQPSK信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。首先，它將攜帶信息的雙極性二進(jìn)制序列串并變換成速率減半的I路和Q支路后，對(duì)Q路碼元作了一個(gè)Tb延時(shí)，使得Q路與I路碼元在時(shí)間上有了一個(gè)Tb間隔的偏移，然后再對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制。

進(jìn)行OQPSK調(diào)制的各個(gè)步驟波形如圖2所示。從圖2中可以清楚地看出，OQPSK信號(hào)包絡(luò)恒定，屬于恒包絡(luò)調(diào)制方式；由于Q路的二進(jìn)制信號(hào)延遲了Tb，使得I路和Q路的二進(jìn)制信號(hào)不再“同步”，所以不會(huì)同時(shí)發(fā)生改變，即：當(dāng)I路和Q路二進(jìn)制信號(hào)中有一路信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，OQPSK信號(hào)的相位發(fā)生π/2相的跳變，而當(dāng)I路和Q路的二進(jìn)制信號(hào)都不發(fā)生變化時(shí)，OQPSK信號(hào)的相位不發(fā)生跳變。所以O(shè)QPSK信號(hào)只有0和種相位跳變值，而不可能出現(xiàn)像QPSK那樣發(fā)生π相的跳變。

由于OQPSK也可以看成是同相支路及正交支路的BPSK信號(hào)疊加，所以理論上OQPSK的功率譜與QPSK相同。但是當(dāng)通過(guò)帶限非線性信道時(shí)，OQPSK信號(hào)的頻譜展寬要小于QPSK的頻譜展寬。

在加性高斯白噪聲信道條件下，OQPSK的最佳接收端結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可以看出，其解調(diào)過(guò)程基本與QPSK的相干解調(diào)過(guò)程一致，僅僅只在判決時(shí)刻讓正交支路比同向支路延時(shí)了一個(gè)Tb的時(shí)間間隔。

理論上可以證明，OQPSK與QPSK的最佳接收平均誤比特率相同。當(dāng)發(fā)送端二進(jìn)制信源序列中“0”、“1”符號(hào)等概率出現(xiàn)時(shí)，OQPSK系統(tǒng)的平均誤比特率Pe可表示為

其中Eb=(A2/2)Tb，是平均比特能量，N0為平均噪聲功率。

2 OQPSK-CO-OFDM系統(tǒng)仿真

眾所周知，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)固有的高PAPR特性、追求高速率帶來(lái)的子載波密集特性、單模光纖的材料特性，以及高PAPR導(dǎo)致的馬赫增德?tīng)枺∕Z）調(diào)制器調(diào)制深度過(guò)深，共同決定了非線性損傷是影響CO-OFDM系統(tǒng)性能最為關(guān)鍵的因素之一。

2.1 僅考慮非線性損傷時(shí)的系統(tǒng)性能

仿真研究了非線性損傷對(duì)系統(tǒng)性能的影響，仿真系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)配置：激光器線寬為0，不考慮光纖的色度色散和偏振模色散，OFDM系統(tǒng)的子載波數(shù)為256，循環(huán)前綴長(zhǎng)度為25%。圖4給出了在傳輸500千米后，基于QPSK和基于OQPSK的CO-OFDM系統(tǒng)的誤碼率隨入纖光功率的變化關(guān)系曲線。從圖4中可以清楚地看出，由于系統(tǒng)只考慮了光纖的非線性效應(yīng)，所以系統(tǒng)的誤碼率隨著入纖功率的增加呈指數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)，若再繼續(xù)增加入纖功率，則會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成相當(dāng)嚴(yán)重的難以恢復(fù)的損傷；由于2種子載波調(diào)制方式都是恒包絡(luò)的，具有較低的PAPR，所以當(dāng)入纖光功率在一定的范圍時(shí)，對(duì)非線性損傷有較好的容忍性；比較2種子載波調(diào)制格式的CO-OFDM系統(tǒng)性能容易發(fā)現(xiàn)，基于OQPSK的系統(tǒng)性能要優(yōu)于基于QPSK的系統(tǒng)。

2.2 同時(shí)考慮非線性損傷和ASE噪聲時(shí)的系統(tǒng)性能

保持系統(tǒng)其他仿真參數(shù)不變，在同時(shí)考慮了摻鉺光纖放大器（EDFA）的ASE噪聲和光纖的非線性損傷情況下，傳輸500千米后的系統(tǒng)誤碼率隨入纖光功率變化情況如圖5所示。從圖5可以明顯地看到，隨著入纖光功率的增加，系統(tǒng)的誤碼率出現(xiàn)先降低后升高的情況，這是因?yàn)橥瑫r(shí)考慮了ASE噪聲和非線性損傷：當(dāng)入纖光功率較低的時(shí)候，與入纖光功率緊密相關(guān)的非線性效應(yīng)還很小，對(duì)系統(tǒng)性能幾乎沒(méi)有影響，而此時(shí)較低的信號(hào)功率凸顯出了ASE噪聲的作用，所以低功率時(shí)起決定作用的是ASE噪聲。而功率高時(shí)，與圖4的分析結(jié)果一樣，非線性損傷成為影響系統(tǒng)性能的決定性因素。對(duì)比得出，在同時(shí)考慮非線性損傷和ASE噪聲情況下，基于OQPSK的系統(tǒng)性能優(yōu)于QPSK系統(tǒng)性能。

3 結(jié) 論

本文將OQPSK恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)引入到COOFDM傳輸系統(tǒng)中，以克服OFDM調(diào)制所帶來(lái)的高PAPR問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，OQPSK恒包絡(luò)COOFDM系統(tǒng)的抗ASE噪聲性能和抗非線性損傷性能要優(yōu)于QPSK恒包絡(luò)CO-OFDM系統(tǒng)，且OQPSK調(diào)制非常適用于帶限通信系統(tǒng)。