QPSK信号的相干光检测的EVM值分析

王小燕

(三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004)

0 引言

FTTH(Fiber to the Home)以及移动通信的普及、迅速膨胀的通信需求使得光通信网络的大容量化、低成本化迫在眉睫.近些年来得益于光调制解调技术的革新，光网络的信息传输能力得到了大幅度的提高.传统光信号检测的主流是仅利用光的通、断实现强度调制直接检波(IM/DD)系统，调制技术主要要求能够快速地实现光的“通-断”开关能力.而在无线电通信系统中，除了信号的强度，信号的相位、频率、偏振等量也被广泛使用到复杂的调制技术中，实现了在有限信道带宽下通信容量的大幅度扩大.光与电同属于电磁波，因此原理上光通信系统也可采用与无线电通信系统相同的解调技术[1-3].然而，与无线电网络中使用的毫米波、微波振荡器相比，光网络中使用的激光光源的可控性较差，在信道发送端和接收端的不同激光光源很难实现光波之间的相位同步，这使得在光通信中运用光的相干性进行解调变得困难.

近些年来，数字信号处理技术突飞猛进，通信系统的发送端和接收端的相位差、频率差等可以通过接收端的数字信号处理器(DSP)的数值计算进行补偿.这种通过数字信号处理，有效利用光相干性的方法被称为数字相干法，近年国内外对此进行了大量的研究[4-6].将数字相干技术应用于各种复杂光调制技术中，可使在无线通信网络中使用的大多数调制方式在光域实现.在通信高速化的基础上，复杂的调制技术对高精度控制设备等也提出了新的要求.本文以近年来备受关注的4相正交相移键控(QPSK)信号为例，介绍了多值调制技术的基本原理和实验实现方法，分析了相干光检测原理以及数字相干处理技术.实验验证了10 Gbit/s的QPSK信号的back-to-back相干检测结果.

1 QPSK光信号调制技术

光相位调制器，是利用电光材料的波导结构，通过改变材料两端的电压控制光相位变化的调制设备，如图1所示.

图1 光相位调制器原理

调制器输出的光相位与施加在材料电极两端的电压成正比，图2(a)是180o相位差的二进制相移键控信号(BPSK)，通过调节电压可得到图2(b)中的90o相位差的二进制相移键控信号.在多值信号传输系统中，符号间的距离越大，信号间的相互干扰程度就越低，越有利于实现大容量远距离的信号传输.为了得到180o相位差的BPSK信号，就需要对施加在电光材料两端的电压值进行精确的控制.

图2 关于施加电压的光相位响应

图3给出了由2个相位调制器构成的马赫曾德(MZ)调制器示意图.上下两路光信号经过相应的相位控制，在输出端发生干涉.通过控制两路信号的相位差，可以实现输出信号的强度调制：当两路信号相位差为0时，干涉输出光强最大；当相位差为180o时，干涉输出光强最弱.通过精确控制两个状态之间的过渡状态，即可实现光信号的不同强度调制.

图3 两个相位调制器组成强度调制器

4相QPSK信号调制，通常使用矢量调制来获得复平面上不同的光波状态，可以通过分别独立控制光信号的强度和相位，或者在光信号的复平面上分别控制实部分量和虚部分量来实现.本研究中使用的IQ信号调制器( In-phase Quadrature Modulator)基于后一种方法实现QPSK信号的生成.如图4所示，未调制光经过分波器分成I、Q上下两路，给予90o相位差(即生成复平面)，分别对两路信号进行2相强度调制，再通过矢量合波，即可在复平面上生成4相QPSK调制信号.

图4 两个强度调制器组成QPSK调制器

2 相干光检测原理

传统光通信系统中数字信号的“1”和“0”分别与光信号的“开”和“关”相对应，在光接收端一般通过对光信号强度的检测实现直接检波(On-Off Keying，OOK)，这种检波方式运用到100 Gbit/s光通信系统中，光纤中会出现各种信号劣化现象，使得传输距离被限制在几千米范围之内.而在数字相干技术中，由于同时利用了光的强度、相位、偏振态等性质，可以实现高效稳定的1 000 km以上的长距离传输.

调制得到的QPSK信号到达光接收端，经过相干光检测光回路(90o光学混波器(Optical Hybrid)),使信号激光和本振激光(Local Ocillator，LO)产生干涉，实现对QPSK信号的相位和幅度信息的提取.图5给出了数字相干检测的实验框架图.相干光的检测主要由光检测回路实现，如图5中90o光学混波器所示原理图.

图5 QPSK信号的相干检测实验框架图

假设信号光与本振光偏振方向一致，频率相同.QPSK信号为Es(t)，本振光为ELO(t)，则90o光学混波器中一阶光分波器的输出为

(1a)

(1b)

同理可得二阶光分波器的输出：

(2a)

(2b)

假设信号光的频率与本振光频率一致，并略去二者的初始相位差，则可得

(3a)

(3b)

其中，R是二极管的光电感度，Ps(t)、PLO分别是信号光和本振光的强度，θs(t)是信号光的相位调制，θn(t)是相位噪声.这样，即可恢复再生得到发送端的QPSK信号如下式所示：

(4)

3 相干光相位恢复

由相干检测回路检测得到的复平面上的光振幅，同时含有信号光与本振光的相位噪声，因此在信号解调时必须追踪相位变化，去除相位噪声.数字相干检测的最大特点就是，可以摒除OPLL等不稳定因素，在数字领域进行信号处理，恢复相位.对于4相QPSK信号，可以通过对信号复振幅4次方运算的前馈载波相位估计法[7-8]进行相位恢复，如图6所示.

图6 相干光前馈载波相位估计

首先通过时钟抽取，得到符号与样本一一对应的数字信号，令采样编码为i，采样样本间间隔为T，式(4)中的相位噪声θn(t)是随机变量，与相位调制θs(t)比变化非常缓慢.要实现信号的相位恢复，必须要将相位噪声θn(t)去除.具体步骤如下.

(1)对再生得到的复信号expj{θs(t)+θn(t)}进行4次方运算，由于QPSK信号具有4相：±π/4、±3π/4，4次方运算后，信号的相位变为π、3π，可以通过数值换算直接略去.即得到expj{4θn(t)}.

(2)为了提高信噪比SN(Signal-to-Noise)的值，要将取样后的信号经过移动平均滤波器进行平滑处理,则载波中的相位误差可表示为：

(3)将再生的复信号减去相位误差θe(i).

(4)运用数字信号处理对每4相相位进行辨别，解调得到QPSK信号.

4 相干检测得到QPSK信号的EVM分析

由于QPSK信号是一种非恒包络调制，信号在相位和幅度上都会出现误差，因此恒包络调制中的指标——相位误差和频差，就不足以反映调制精度.误差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)通过比较测量信号矢量S和参考信号矢量R，得到二者间的误差矢量E，可以在星座图上清楚地反映非恒包络信号的劣化程度[9-10].EVM值与误码率成正比，测试速度优于眼图及BER测试，算法简单、且能够提供更多观察信息.

对于解调得到的QPSK信号，其EVM的计算式可定义为：

(5)

图7 QPSK信号的光通信(Back-to-Back)实验框架图

其中，I0、Q0是发送端发出的理想信号的I相、Q相成分，It、Qt是采样点t得到的实测信号的I相、Q相成分，T是采样周期.

(a)发送端光信号5.95 dBm，本振光信号强度-9.9 dBm，EVM=16.819%

QPSK信号的光通信实验(Back-to-Back)框架系统如图7所示.光发送端的激光器将光输入IQ调制器，在信号发生器的作用下，被调制成为QPSK光信号.QPSK光信号经过光纤传输到达光接收端，经过90o光学混波器解调，由平衡二极管检测光信号输出为电信号，再由计算器提取电信号进行数字相干信号处理.解调得到的QPSK信号如图8所示.图8(a)、(b)分别给出了不同强度激光下得到的QPSK信号.其中图8(b)的信号光强度与LO本振光强度分别比图8(a)低3.5 dB.其中，图8的第一排分别给出了光接收机接收到的生QPSK信号、以及经数字相干处理后得到的QPSK信号的星座图，可以看到经处理后的QPSK信号的相位分别为±π/4、±3π/4；图8的第二排分别还原了I相信号和Q相信号的波形图，其中虚线是生信号，实线是经数字相干处理后得到的信号.经计算分析得到图8(a)、(b)的信号EVM值分别为16.819%和27.028%，可以看到在降低光强度后，EVM的值变大.EVM值越大说明信号劣化程度越高，恢复出的信号误差越大；反之则劣化程度越低，信号误差越小.根据星座图显示，由于输入光强减小，信号的信噪比降低，信号的抗干扰能力变小.从EVM角度来看，EVM值增大会导致不同相位符号间出现重叠状态而导致误码(如图8(b)的星座图所示).

5 结束语

文章详细介绍了IQ信号调制器的原理、相干光检测技术的原理，以及数字相干处理技术.实验运用IQ信号调制器生成QPSK信号，运用90o光学混波器和平衡二极管对接收到的QPSK信号进行相干检波，并通过数字相干信号处理技术还原得到QPSK原始信号.经过对信号的EVM值分析，验证得到光信号的质量随着输入光强度的减弱而降低.这是由于输入光强度减弱，信号的信噪比降低，使得信号在光通道中传输时的抗干扰能力减小而导致误码率增加.从QPSK信号的星座图中，可以发现随着EVM值的增加，不同相位符号间出现了重叠状态，这将导致系统传输的误码率增加.