16QAM相干光检测OFDM系统性能研究

房晓飞，刘 毓，梁 猛

（1．西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121；2.西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710121）

16QAM相干光检测OFDM系统性能研究

房晓飞1，刘 毓2，梁 猛1

（1．西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121；2.西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710121）

利用Optisystem软件结合Matlab，搭建相干检测光正交频分复用（Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统仿真平台。通过加入训练序列学习出不同频率信号的相位噪声规律并进行补偿，结合传输距离、光源线宽，研究了基于16QAM调制的相干光检测OFDM系统的传输性能。结果表明，16QAM调制下的相干光检测OFDM系统做简单的基于训练的信道估计与均衡处理下，系统误码性能提高了近两个数量级。预示了在高速长距离光纤通信中相干光检测OFDM系统的良好前景。

相干光检测正交频分复用；16QAM；训练序列；相位噪声补偿

QAM（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是数字信号的一种调制方式，在调制过程中，同时以载波信号的幅度和相位来代表不同的数字比特编码，把多进制与正交载波技术结合起来，进一步提高频带利用率，是近年来被国际上移动通信技术专家十分重视的一种信号调制方式。正交频分复用是多载波调制的一种，兼具高的系统频谱利用率与低计算复杂度的优点[1]，被广泛应用于无线、有线和广播网络通信中。近年来，为了提高光纤速率和通信容量，OFDM被引入光通信领域，即光正交频分复用技术[2-3]。此外，调制光OFDM中应用最广的调制方式也是MQAM调制。光正交频分复用系统（OOFDM）融合了光纤通信和 OFDM技术的双重优点，表现出了频谱效率高、对抗色散和非线性效果明显等突出的优点，是目前高速光传输领域的研究热点之一[4]。按接收端检测方式的不同可以将OOFDM分为直接检测光OFDM系统和相干检测光 OFDM系统，其中，相干光OFDM系统，能更有效地抑制色度色散、偏振模色散[5-7]，并且可以采用更高阶调制方案，能使用的均衡方法也比较多[8-9]，是目前光通信领域一个主要的研究热点。本文通过Optisystem和Matlab软件结合，搭建CO-OFDM仿真系统，通过加入训练序列学习出不同频率信号的相位噪声并进行补偿，结合传输距离、光源线宽，研究了基于16QAM调制的相干光检测OFDM系统的传输性能。

1 CO-OFDM基本原理

CO-OFDM系统如图1所示，分别为5个功能模块：①射频发送端，②电-光调制模块，③光传输链路，④光-电检测模块，⑤射频接收端。

传输系统中，射频 OFDM发送端发出的二进制序列进行串并转换后映射到N个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期扩大为原始数据周期的N倍，则时延扩展与符号周期的比值下降到 1/N。进行数字基带调制（2PSK，4QAM，16QAM等），并映射到对应的复数信号上，进行IFFT变换将要传输的比特分配到各个子载波上，映射为子载波的幅度和相位。为了避免产生ICI和符号间干扰，加循环前缀CP，再作D/A变换，得到OFDM一条信号的时域波形。将基带OFDM信号通过一个射频正交混频器变换到射频上，利用两个Mach-Zehnder调制器把OFDM信号的I路和Q路分别调制到光域，并在光纤链路中进行传输。从光纤链路中出来的光域OFDM信号进入OTR下变频器转换为射频OFDM信号，然后利用4个光电二极管（PIN）对接收到的信号进行平衡相干接收，然后进行和发射端相反的变换，即A/D转换，去CP，做FFT变换，对调制信息序列进行解映射和解码，恢复二进制串行数据并输出。

图1 CO-OFDM系统的原理框图Fig.1 Block diagram of CO-OFDM system

2 CO-OFDM仿真系统的建立

为了研究CO-OFDM系统的性能，我们利用光学仿真软件Optisystem和Matlab软件结合，构建了一个CO-OFDM的仿真分析平台。具体的系统结构如图2所示。

图2 CO-OFDM仿真系统Fig.2 CO-OFDM simulation system

按照信号传输变换的流程，仿真系统由随机序列发生器，QAM调制，OFDM信号产生部分，正交部分，光调制，光纤传输，相干检测，正交解调，OFDM信号恢复，QAM解调，序列恢复等部分组成。与直接检测相干光OFDM不同的是电光调制和光电检测模块。在CO-OFDM的电光调制模块中，利用由一对并行双臂马赫曾德尔调制器组成的I/Q调制器将电域的OFDM信号转换到光域上。在CO-OFDM接收端，利用平衡式双检测器通过外差检测相干解调的方式将光信号转换为电基带信号输出。平衡式双检测器由两对平衡的PIN光电检测器构成，输入双检测器的本地振荡信号相位差为900，以此检测出CO-OFDM信号的同相分量和正交分量。

3 16QAM CO-OFDM系统仿真分析

基于以上的仿真平台进行16QAM CO-OFDM系统仿真分析。本次仿真参数设置如下：传输速率：10 Gbit/s，16QAM调制方式，FFT点数1024，子载波数512。标准单模光纤，损耗系数0.2 dB/km，群速率色散16.75 ps/（nm.km），三阶色散系数为0.075 ps/（nm2.km）。

3.1 基于训练序列的相移估计与补偿

在光OFDM中，信号经过光纤信道传输之后，相位会发生一定偏移[10]。为了确保信号可以传输更长的距离，考虑对相位偏移进行估计和补偿，尽可能地使其与光调制之前信号的相位相近或相等。这里，我们用一种简单的基于训练序列的频域估计与补偿方法。此方法的核心思想是，在系统中，通过在发送端发送一定数量的训练序列的方式，找出接收端I/Q解调之前和发送端I/Q调制之后的信号在频域中的变化规律，确定出各个频率的相位补偿量并加以补偿。算法实现的难度在于，训练序列的长度与位置的选择，我们采用循环位置选择寻优的方式来确定训练序列的添加位置，用曲线拟合的方式确定补偿曲线，最终确定最优的拟合曲线的阶数为20阶。其实现的算法很简单：Ys（ω）=Xs（ω）·e-jθ（ω），其中，θ（ω）为信号频率从低到高的变化相移值，Xs（ω）为经光纤传输后的发生相位偏移的输出信号，Ys（ω）为补偿后输出端信号。

图3所示为在传输为300 km处的输入输出端相位统计量，补偿正是基于此进行的。由图可见，统计出的发送端和接收端的信号相位基本是匹配的。图4和图5分别为补偿前后星座图对比。显而易见，在进行相位估计与补偿之前，星座图已经开始旋转，最外圈尤为严重，中间圈已经出现两两混叠现象，此时误码率较大。而补偿之后的星座图则非常清晰，并未出现星座旋转和星点混叠现象，统计误码率为0，表明系统传输性能良好。

图3 300km传输距离处训练序列统计的相位变化图Fig.3 300km transmission distance of the training sequence of phase change in the statistics

图4 相位补偿前的星座图Fig.4 Constellation before the phase compensation

图5 相位补偿后的星座图Fig.5 Constellation after the phase compensation

3.2 相位补偿前后系统性能随传输距离的改变

由图6可见，在做相位补偿前后，系统误码性能相差两个数量级。并且随着传输距离不断加长，性能差别愈加明显。

图6 不同传输距离下的系统性能Fig.6 System performance under different transmission distances

3.3 相位补偿前后不同光源线宽下的系统传输性能

在仿真模型中，激光相位噪声用维纳过程表示，相位噪声的方差为2π·μ·Ts，其中Ts=1/Rs和μ是线路符号周期和激光线宽，Rs是线路符号速率，其他噪声用AWGN表示。当不考虑色散时，发射端激光器和接收端本地激光器相位噪声对接收性能的影响是一致的，因此，仿真中假设二者的线宽是相同的。用激光线宽容忍度来表征系统对相位噪声的容忍度。图7是在不同的光源线宽条件下，进行相位补偿前后的系统传输性能的对比。

图7 不同光源线宽条件下的系统性能Fig.7 System performance under different linewidths

随着光源线宽的不断增大，即相位噪声的不断增加，系统性能变差。但在基于训练序列进行相位估计与补偿的情况下，系统误码始终保持在的数量级上。而未经补偿的系统误码则随着光源线宽的不断增加呈明显上升趋势。

4 结束语

通过对一种基于训练序列的相位估计与均衡处理方法的研究，以及在均衡前后的不同传输距离，相位噪声（本文中用光源线宽来等效）等对系统的传输性能的影响的研究可以得出，在相干光检测OFDM系统中，根据16QAM调制对相位噪声敏感的机理，通过简单地对系统相位噪声的估计与均衡处理，可以显著提高系统传输性能。在相同传输距离下，均衡后系统误码率下降了3个数量级。在相同传输距离、相同误码率要求下，相位补偿之后的系统对光源线宽容限有很大的提高。从理论分析加之仿真结果，可见相干光检测OFDM结合了相干检测和OFDM的优点，简单地均衡处理即可显著改善系统性能，增强系统抗误码能力，提高系统频带利用率，具有非常明显的优势，在未来的长距离光通信中有很好的应用前景。

[1]CVIJETIC N，QIAN D，HU J.100 Gb/s optical access based on optical orthogonal frequency-division multiplexing[J].IEEE Communications Magazine，2010，49（7）:70-77

[2]Armstong，Jean.OFDM for optical communications[J]. Lightwave Technology，2009，27（3）:189-204

[3]Gnauck A，Winzer P，Chandrasekhar S，et al.Spectrally efficient long-haul WDM transmission using 224-Gb/s polarization-multiplexed 16-QAM [J].J.Lightwave Technol.，2011，29（4）:373-377

[4]Richter T，Palushani E，Schmidt C，et al.Single wavelength channel 10.2 Tb/s TDM-data capacity using 16-QAM and coherent detection[C]//OFC 2011，2011 PDPA9:126-132

[5]SHIEH W，ATHAUDAGE C.Coherent optical orthogonal frequency di-vision multiplexing[J].J.Electron.Lett，2006，42（1）:587-589.

[6]YANG Q，MA Y，SHIEH W.107Gb/s coherent optical OFDM receptionusing orthogonal band multiplexing[C]//Optical Fiber Commun.Conf，2008:7-10.

[7]刘继红，梁猛，李佳泯.16_QAM相干光纤通信系统星座图的优化与选择[J].光通信，2011，33（1）:110-112 LIU Ji-hong，LIANG Meng，LI Jia-min.16_QAM coherent optical fiber communication system optimization and selection of the constellation[J].Optical Communications，2011，33（1）:110-112.

[8]冯勇，闻和，张汉一．偏振复用差分相移键控信号的数字相干解调与偏振解复用算法研究[J]．光学学报，2010，30（5）:1286-1273 FENG Yong，WEN He，ZHANG Han-yi.Polarization-multiplexed differential phase shift keying signal demodulation and digital coherent polarization demultiplexing research algorithm[J].Optics，2010，30（5）:1286-1273.

[9]苏真真，许义，董颖.基于相位噪声分析补偿的CO-OFDM系统信道估计研究[J].光电子激光，2013，11（11）:2136-2137. SU Zhen-zhen，XU Yi，DONG Ying.Estimated phase noise analysis based compensation CO-OFDM system channel research[J].Photonics laser，2013，11（11）:2136-2137.

[10]SCHMIDT B J C，LOWERY A J，ARMSTRONG J.Experimental demonstrations of electronic dispersion compensation for long-haul transmission using direct-detection optical OFDM[J].J.Lightwave Technol，2008，26（1）:196-203.

Research on 16QAM-COOFDM system

FANG Xiao-fei1，LIU Yu2，LIANG Meng1
（1.School of Electronic Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China；2.School of Communication and Information Engineering，Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710121，China）

Based on Optisystem software and Matlab，a simulation of CO-OFDM （Coherent Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing）system simulation platform is established.Through the training sequence to learn phase noise of different frequency signals and then compensate，combined with transmission rate，light width，study the transmission performance of coherent optical detection OFDM system which based on 16QAM modulation.The results show that，the coherent optical detection OFDM system based on simple training under 16QAM modulation channel estimation and equalization process，the system performance is greatly improved.Foreshadowed that coherent optical detection OFDM systems in the high-speed long-distance optical fiber communication has good prospects.

CO-OFDM;16QAM;training sequence;phase noise compensation

TN919

A

1674－6236（2015）07-0189-04

2014-07-27 稿件编号：201407211

房晓飞（1989—），女，陕西西安人，硕士。研究方向：光通信系统。