16APSK?OOFDM系统分析研究

华建成+梁猛+巩稼民

摘 要： 基于Optisystem和Matlab软件构建相干解调光正交频分复用（CO?OFDM）系统仿真平台。从O?OFDM的调制出发，在Optisystem中用幅度相位键控（APSK）调制代替现在主流使用的方形正交振幅调制（QAM）。分析APSK调制在光通信中的优越性，并将得到的仿真星座图、误码率、线宽与QAM调制下的结果相互对比， 从而区分APSK调制比QAM调制优越性并总结规律。

关键字： 光正交频分复用； 幅度相移键控； 正交幅度调制； 光通信

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0011?03

Research and analysis on 16APSK?OOFDM system

HUAN Jian?cheng1， LIANG Meng2， GONG Jia?min2

（1. School of Communication and Information Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China；

2. School of Electronic Engineering， Xian University of Posts and Telecommunications， Xian 710121， China）

Abstract： A system simulation platform of CO?OFDM （coherent detection optical orthogonal frequency division multiplexing） was established on the basis of the softwares Optisystem and Matlab. Starting from the O?OFDM （optical orthogonal frequency division multiplexing） modulation， APSK （amplitude and phase shift keying） modulation was adopted in the software Optisystem to replace the square QAM （quadrature amplitude modulation） modulation that is prevalently used in the software Optisystem and Matlab. The the advantages of APSK in optical communication is analyzed. The constellation graph， BER and linewidth getting from the simulating results are compared with the results from QAM， so as to determine the superiority of APSK modulation which is better then QAM modulation. The relative law is summarized.

Keywords： O?OFDM； APSK； QAM； optic communication

0 引 言

近几年兴起的光传输技术，由于光通信的传输速率、传输距离及容量的不断增加，使得光纤中的非线性效应、色散等成为影响光通信质量的重要因素。为了减少各种不良效应的影响，很多技术被引入到光通信中。其中光正交频分复用（Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，O?OFDM）是。将OFDM引入到光通信中，大大增加了光通信的频带利用率。而改良调制格式也是有效解决以上问题、提升系统性能的关键方法之一[1]。正交幅度调制（Quatrature Amplitude Modulation，QAM）是一种幅度和相位联合的调制，具有很强的噪声容限。因此在光OFDM系统中应用最广的就是square?QAM调制；而在电通信中得到应用广泛应用的星形QAM调制（star?QAM/APSK）在光通信中却鲜有问津。鉴于其在电领域中的优良特性，若将其应用到光领域当有会有怎样的效果。在APSK调制引入到光通信领域的情况下，本文将研究一下其在圈比、线宽等方面的性能的稳定性和误码率的高低。

1 CO?OFDM的基本原理

O?OFDM信号调制根据调制方式的不同可发分为两种，分别是直接检测光正交频分复用（DDO?OFDM）和相干光正交频分复用（Coherent Detection Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing，CO?OFDM）。DDO?OFDM系统实现简单费、用低廉等优点，但是相比于CO?OFDM系统其接收机的灵敏度、频谱效率和对偏振色散的鲁棒性性能要逊色好多。本文研究用到的是CO?OFDM，所以这里便以相干检测为例说明O?OFDM工作原理。一般的CO?OFDM系统如图1所示，分别为五个功能模块：射频发送端；电?光调制模块；光传输链路；光?电检测模块；射频接收端。

图1 CO?OFDM系统的原理框图

介绍如下：

（1） 射频发送端：二进制序列的串/并变换，数字基带调制，IFFT运算实现OFDM调制，加入循环前缀，添加训练序列和滤波、D/A采样转换等。

（2） 电?光调制模块：将射频发送端发送的射频信号经马赫增德尔调制器（MZM）进行电/光调制，得到光OFDM信号。

（3） 光传输链路：主要由光放大器、光滤波器和光纤组成，传输光OFDM信号。

（4） 光?电检测模块：主要是对接收到的光信号进行零差相干检测，还原出射频OFDM信号。

（5） 射频接收端：主要对I/Q两路射频信号进行放大、去除循环前缀、OFDM解调、FFT运算、去映射及并/串变换，最终输出发送端发送的原始二进制数据流。在整个系统中由于光纤的色度色散、偏振模色散、非线性效应以及激光器的非理想单色性，都会使OFDM子载波的相位、幅度造成偏移，使星座图发散，造成系统误码的产生[2]。

2 QAM调制

正交振幅调制（QAM）是当前O?OFDM系统中经常使用的调制技术，尤其是多进制QAM具有很高的频带利用率。最具有代表性的是16进制的，记为16QAM。光通信中现在最常用的是标准矩形16QAM调制方式。

正交振幅调制信号的一般表示式为：

[φMQAMt=Angt-nTsAncosω0t+φn]

式中：[gt-nTs]是单个基带信号，宽度是Ts；An为基带信号幅度。

[φMQAMt=Angt-nTsAncosφncosω0t-t-nTsAnsinφnsinω0t]

若令Xn=Ancos φn，Yn=Ansin φn，则：

φMQAM（t）=X（t）cos ω0t-Y（t）sin ω0t

QAM中的振幅Xn和Yn可以表示为：

[Xn=cnA， Yn=dnA]

式中：A是振幅固定值；cn，dn为侍输入数据。已调QAM 信号在信号空间中的坐标点由cn，dn决定。

从星座图可以清楚地看出星座点分布，对于16QAM 来说，有多种形式的分布方式。常见的有两种：一种是方形QAM调制（见图2（a））、另一种是星形（APSK）调制（见图2（b））。图中的黑点表示每个码元的位置，每个码元是由2个正交矢量合成的。这两种QAM调制的星座点的排列有着很大的区别，这就导致两种调制方式的振幅、相位有所不 同。星型16QAM的振幅只有2个，而方型16QAM的振幅就有3个；星型16QAM有8种相位，而方型16QAM有12种相位。研究表明星型QAM调制解调要比方形QAM调制解调要更容易还原，误码率要小[3]。

图2 矩形16QAM和16APSK星座图的对比

3 系统误码率分析

3.1 系统误码率

用Optisystem软件分别搭建16APSK调制和16QAM调制的光OFDM系统，两种系统的参数设置一样。传输速度10 Gb/s、线宽0.15 MHz、光纤衰减为0.2 dB/km、光纤放大器增益为10.4 dB。得到系统传输误码率随传输距离的变化规律，如图3所示。此次研究的结果是在没有系统优化的条件下得到的。

图3 两种不同调制方式下的误码率

由图3不难看出在APSK调制下的光OFDM系统的误码率要远低于方形QAM调制下的光OFDM系统误码率。与前文的预测吻合。光传输能够使用APSK调制代替方形QAM调制，那么系统的性能及传输距离将大幅度提高。

3.2 光源线宽的影响

光源线宽可以说是光通信中一个非常重要的影响因素。方形QAM星座点的相位分布不均，一些星座点之间相位距离过小，对相位噪声敏感；而星形QAM恰好弥补了这一不足。因而星形QAM对线宽有更强的容忍度[2]。本次研究通过改变激光器的线宽，得到系统误码率的变化规律，如图4所示。除了线宽有从大到小的变化外，本次实验条

件和图3是一样的。

图4 距离为250 km时随着线宽的增大系统误码率的变化

从图4来看，方形QAM的误码率随着线宽的增大而呈现明显的上升趋势。而星形QAM调制下的通信系统其误码率远低于方形QAM调制下的通信系统的误码率且基本没有波动，随着线宽的增大保持着水平线。从此实验不难看出星形调制方式对线宽的容忍度很强，在很大程度上放宽了光源对线宽的苛刻要求。从而从光源上可以降低系统的成本。

3.3 16APSK圈比对系统的影响

图2（b）的16APSK星座图是由两个圆环组成的，其中较大环的半径称为外径（R2），另外一个称为内径（R1）外径内径之比为Q（圈比）。圈比受高斯白噪声、相位噪声等的影响[12]，并随着信噪比的增大，优化外内径比的取值也将从小到大[10]。本次仿真将给出在信噪比一定的情况下外内径的具体取值。除了内外径依次以0.1为台阶有变化之外，此次实验条件和3.1的条件一样。实验中传输距离为550 km，每隔50 km测试一次误码率。

从图5不难看出，随着传输距离的增加误码率也增加。只是由于圈比不同，误码率的增加幅度也不一样。对光传输影响较大的色散、非线性等在短距离内作用不明显，故图5在传输距离小于300 km以内，误码率几乎为零故看不出圈比对系统误码率的影响。当距离大于300 km时，系统误码率随着距离的增大而增大，此时圈比的影响就充分的体现出来。所以从图5中可以看出在圈比Q为2.7∶1，2.8∶1，2.9∶1时误码率最低。

图5 圈比对两种不同调制方式的影响

4 结 论

本文从三个方面讨论了16APSK调制和16QAM调制的性能，并从误码上进行比较。从而得出APSK调制方式在光领域的性能要远优于方形QAM调制。在电领域中广泛应用的APSK调制引入到光领域中与方形QAM调相比还是有很多可取之处：在没有做任何优化情况下，光信号传输650 km APSK调制的光通信系统能比方形QAM调制的低一个数量级，可见APSK调制自身的优越性；本身对光源线宽并不敏感，可发使光源线宽扩大。降低了光源制作的复杂程度，也降低了光通信的成本。APSK调制将是末来光通信调制方式的最佳选择。

参考文献

[1] WINZER P J， ESSIAMBRE R. Advanced optical modulation formats [J]. Proceedings of the IEEE， 2006， 94（5）： 952?985.

[2] SEIMETZ M. Laser linewidth limitations for opical systems with high?order modulation employing feed forward digital carrier phase estimation [C]// OFC 2008 Conference on Optical Fiber communication/National Fiber Optic Engineers. [S.l.]： IEEE， 2008： 1?4.

[3] MORITA I， JANSEN S L. High speed transmission technologies for 100 Gbit/s class Ethernet [C]// ECOC 33rd European Conference and Ethxibition. [S.l.]： ECOC， 2007： 1?4.

[4] WUTH T， CHBAT M W， KAMALOV V F. Multi?rate （100G/40G/10G） transport over deployed optical networks [C]// OFC/NFOEC Conference. [S.l.]： OFC， 2008： 1?9.

[5] BINH L. Dual?ring 16?Star QAM direct and coherent detection in 100Gb/s optically amplified fiber transmission： simulation [J]. Opt Quant Electron， 2008， 40（10）： 1?6.

[6] ARTHR. J L， LIANGDU J A. Orthogonal frequency division multiplexing for adaptive dispersion compensation in long haul WDM systems [C]// OFC/OFEC Conference. [S.l.]： OFC， 2006： 1?3.

[7] TAKAHASHI Hidenori. Coherent OFDM transmission with high spectral sufficiency [C]// ECOC 35th European Conference. [S.l.]： ECOC， 2009： 1?4.

[8] CHEN Si?min， MA Yi?ran， SHIEH William. 110?Gb/s multi?band real?time coherent optical OFDM reception after 600?km transmission over SSMF fiber [C]// OFC/NPOE conference. [S.l.]： OFC， 2010： 1?3.

[9] LAN Ming?ying， YU Song， LI Wei. A LMMSE channel estimator for coherent optical OFDM system [C]// Communications and Photonics Conference and Exhibition. [S.l.]： CPCE， 2009： 1?2.

[10] SHIEH W.光通信中的OFDM[M].白成林，冯敏，罗青龙，译.北京：电子工业出版社，2011.

[11] 顾畹仪，李国瑞.光纤通信系统[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[12] 刘继红，李佳泯，梁猛.16?QAM相干光纤通信系统星座图的优化与选择[J].半导体光电，2011，33（1）：110?112.

参考文献

[1] WINZER P J， ESSIAMBRE R. Advanced optical modulation formats [J]. Proceedings of the IEEE， 2006， 94（5）： 952?985.

[2] SEIMETZ M. Laser linewidth limitations for opical systems with high?order modulation employing feed forward digital carrier phase estimation [C]// OFC 2008 Conference on Optical Fiber communication/National Fiber Optic Engineers. [S.l.]： IEEE， 2008： 1?4.

[3] MORITA I， JANSEN S L. High speed transmission technologies for 100 Gbit/s class Ethernet [C]// ECOC 33rd European Conference and Ethxibition. [S.l.]： ECOC， 2007： 1?4.

[4] WUTH T， CHBAT M W， KAMALOV V F. Multi?rate （100G/40G/10G） transport over deployed optical networks [C]// OFC/NFOEC Conference. [S.l.]： OFC， 2008： 1?9.

[5] BINH L. Dual?ring 16?Star QAM direct and coherent detection in 100Gb/s optically amplified fiber transmission： simulation [J]. Opt Quant Electron， 2008， 40（10）： 1?6.

[6] ARTHR. J L， LIANGDU J A. Orthogonal frequency division multiplexing for adaptive dispersion compensation in long haul WDM systems [C]// OFC/OFEC Conference. [S.l.]： OFC， 2006： 1?3.

[7] TAKAHASHI Hidenori. Coherent OFDM transmission with high spectral sufficiency [C]// ECOC 35th European Conference. [S.l.]： ECOC， 2009： 1?4.

[8] CHEN Si?min， MA Yi?ran， SHIEH William. 110?Gb/s multi?band real?time coherent optical OFDM reception after 600?km transmission over SSMF fiber [C]// OFC/NPOE conference. [S.l.]： OFC， 2010： 1?3.

[9] LAN Ming?ying， YU Song， LI Wei. A LMMSE channel estimator for coherent optical OFDM system [C]// Communications and Photonics Conference and Exhibition. [S.l.]： CPCE， 2009： 1?2.

[10] SHIEH W.光通信中的OFDM[M].白成林，冯敏，罗青龙，译.北京：电子工业出版社，2011.

[11] 顾畹仪，李国瑞.光纤通信系统[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[12] 刘继红，李佳泯，梁猛.16?QAM相干光纤通信系统星座图的优化与选择[J].半导体光电，2011，33（1）：110?112.

参考文献

[1] WINZER P J， ESSIAMBRE R. Advanced optical modulation formats [J]. Proceedings of the IEEE， 2006， 94（5）： 952?985.

[2] SEIMETZ M. Laser linewidth limitations for opical systems with high?order modulation employing feed forward digital carrier phase estimation [C]// OFC 2008 Conference on Optical Fiber communication/National Fiber Optic Engineers. [S.l.]： IEEE， 2008： 1?4.

[3] MORITA I， JANSEN S L. High speed transmission technologies for 100 Gbit/s class Ethernet [C]// ECOC 33rd European Conference and Ethxibition. [S.l.]： ECOC， 2007： 1?4.

[4] WUTH T， CHBAT M W， KAMALOV V F. Multi?rate （100G/40G/10G） transport over deployed optical networks [C]// OFC/NFOEC Conference. [S.l.]： OFC， 2008： 1?9.

[5] BINH L. Dual?ring 16?Star QAM direct and coherent detection in 100Gb/s optically amplified fiber transmission： simulation [J]. Opt Quant Electron， 2008， 40（10）： 1?6.

[6] ARTHR. J L， LIANGDU J A. Orthogonal frequency division multiplexing for adaptive dispersion compensation in long haul WDM systems [C]// OFC/OFEC Conference. [S.l.]： OFC， 2006： 1?3.

[7] TAKAHASHI Hidenori. Coherent OFDM transmission with high spectral sufficiency [C]// ECOC 35th European Conference. [S.l.]： ECOC， 2009： 1?4.

[8] CHEN Si?min， MA Yi?ran， SHIEH William. 110?Gb/s multi?band real?time coherent optical OFDM reception after 600?km transmission over SSMF fiber [C]// OFC/NPOE conference. [S.l.]： OFC， 2010： 1?3.

[9] LAN Ming?ying， YU Song， LI Wei. A LMMSE channel estimator for coherent optical OFDM system [C]// Communications and Photonics Conference and Exhibition. [S.l.]： CPCE， 2009： 1?2.

[10] SHIEH W.光通信中的OFDM[M].白成林，冯敏，罗青龙，译.北京：电子工业出版社，2011.

[11] 顾畹仪，李国瑞.光纤通信系统[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[12] 刘继红，李佳泯，梁猛.16?QAM相干光纤通信系统星座图的优化与选择[J].半导体光电，2011，33（1）：110?112.