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CO-OFDM 傳輸系統(tǒng)調(diào)制方式分析
引言
正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟而逐漸發(fā)展起來的一種數(shù)字多載波調(diào)制技術(shù)，目前主要應(yīng)用在無線通信系統(tǒng)中，它將高速的數(shù)據(jù)信號分成多路低速數(shù)據(jù)信號，并調(diào)制的一組正交子載波上進行并行傳輸，可以有效地抵抗無線信道多徑衰落并提高系統(tǒng)頻譜利用率[1]。
在光纖通信系統(tǒng)中，光纖的色度色散和偏振模色散嚴重限制了高速數(shù)據(jù)信號的傳輸距離。由于光纖色散的影響和無線信道中多徑效應(yīng)的影響有類似的效果，即色散使不同頻率成分的光波具有不同的傳播速度，而無線信道中的多徑效應(yīng)使經(jīng)過不同路徑的信號成分到達接收端的時間不同，因此，OFDM 調(diào)制技術(shù)同樣可以用來克服光纖的色度色散和偏振模色散以及多模光纖的模間色散的影響。將OFDM 技術(shù)引入到光通信中，使高速的數(shù)據(jù)信號能夠在大色散信道中遠距離傳輸?shù)募夹g(shù)，即光正交頻分復(fù)用技術(shù)（O-OFDM）。
最早將OFDM引入到光通信領(lǐng)域的是Dixon, 他首先提到用多模光纖傳輸OFDM信號；隨后在2005 年以來，O-OFDM 的研究大量涌現(xiàn)。它是集中了數(shù)字信號處理和光纖通信技術(shù)優(yōu)點的一種新型的光通信技術(shù)，可以有效地抵抗光纖傳輸鏈路中色散、偏振模色散等效應(yīng)[2，3]，并可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率[4，5]，因而近年來得到了廣泛的研究。
為了在光纖通信系統(tǒng)中進一步延長通信距離，提高通信傳輸容量，可以利用無線電通信中使用的外差接收技術(shù)，即相干光通信系統(tǒng)。相干通信系統(tǒng)采用相干調(diào)制（CO），還保證了光域信號到射頻信號的變換為線性變換，滿足了OFDM 系統(tǒng)的線性要求，同時，OFDM技術(shù)使線性系統(tǒng)計算效率高、信道簡單并可進行相位估值。因此，將相干探測與OFDM 技術(shù)相結(jié)合，即CO-OFDM 技術(shù)，在下一代100Gbps 傳輸系統(tǒng)的研究中備受青睞。除此之外，CO-OFDM 還具有WDM、OTDM、IO-OFDM 等系統(tǒng)所沒有的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：
1）由于OFDM 的正交性，最大限度的利用了頻譜資源，提高了頻譜利用率；
2）CO-OFDM 系統(tǒng)在傳輸過程中不需要色散補償，在接收端無需色散處理機制。這樣既能夠?qū)崿F(xiàn)高速率傳輸，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，同時也能適應(yīng)動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；
3）CO-OFDM 系統(tǒng)與原來的WDM 系統(tǒng)有很好的兼容性，可充分利用WDM 系統(tǒng)在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面的巨大投資，只需要在發(fā)射端和接收端進行適當?shù)母脑旒茨軌蚝芎玫耐瓿缮�，具有很強的信道容量可擴展性，擴容方便。
1 O-OFDM 系統(tǒng)原理
無線通信系統(tǒng)中的OFDM 信號為電域信號（RF 域），可以直接在電域進行處理，而O-OFDM 需要在發(fā)射端將電信號調(diào)制到光波上，在光纖中傳輸，在接收端再將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其原理框圖如圖1 所示。在系統(tǒng)的發(fā)射端，利用成熟的數(shù)字信號處理技術(shù)對高速碼流進行處理，得到電OFDM 信號。在這一過程中首先對需要傳輸?shù)母咚贁?shù)據(jù)碼流進行串并變換，將一路高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)化為多路速率相對較低的數(shù)據(jù)信號，隨后對各路低速信號進行4QAM, 16QAM 或QPSK 等格式的數(shù)字調(diào)制，再通過IFFT 變換，將各低速數(shù)據(jù)流加載的相互正交的子載波上，然后依次進行并串變換、添加循環(huán)前綴（CP），再進行數(shù)模變換，就得到了電OFDM 信號。然后進行對電OFDM 信號進行上變頻及電光調(diào)制，再經(jīng)過電光調(diào)制，將電OFDM 信號加載到光波上，利用光纖通信技術(shù)的優(yōu)點，可以很容易地通過光纖實現(xiàn)低成本、長距離傳輸。在信號的接收端，首先進行光電變換及下變頻，得到原來的電OFDM基帶信號，對電OFDM 信號解調(diào)，得到原始的數(shù)據(jù)。
O-OFDM 研究的重點是E/O 和O/E 轉(zhuǎn)換及光纖傳輸問題。近幾年來，根據(jù)接收端收到的光模式種類將光OFDM 解決方案分為兩大方面：光強調(diào)制和線性光場調(diào)制。前者用于多模系統(tǒng)，即多模光纖、POF 或光無線，后者用于單模系統(tǒng)，即單模光纖。
1.1 光強調(diào)制—多模系統(tǒng)
在多模光纖、POF 或光無線系統(tǒng)中，接收端有多種光模式，OFDM 信號必須用光強表示（用光強表示時系統(tǒng)是線性的）。也就是說調(diào)制信號必須是正極實值信號，然而基帶OFDM信號是雙極性的。因此，如何產(chǎn)生單路的OFDM 實值信號成為研究重點，目前有兩種解決方案，即直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）和非對稱限幅OFDM（ACO-OFDM）。
DCO-OFDM 系統(tǒng)就是將OFDM 信號的時域波形加一個直流偏置電壓，使雙極性的信號波形向上平移，變?yōu)閱螛O性的。但是，由于加入直流偏置電壓，不僅會導(dǎo)致峰均比（PARR）過高，降低系統(tǒng)性能，還降低了光功率利用率。ACO-OFDM 系統(tǒng)是將OFDM 的負值信號削掉，只保留正值信號，這樣會導(dǎo)致嚴重的子載波干擾（ICI），但是如果只保留奇數(shù)頻段信號，子載波干擾只落在偶數(shù)頻段，這樣就不用外加直流偏置電壓，不僅提高了光功率利用率，還能有效改善ICI。
1.2 光場調(diào)制—單模系統(tǒng)
根據(jù)單模光纖系統(tǒng)特性，只能采用光場調(diào)制，不能采用光強調(diào)制，根據(jù)接收器的接收方式，O-OFDM 大致上可以分為兩類：相干光OFDM（CO-OFDM 和直接探測OFDM（DD-OFDM）。
相干光 OFDM （CO-OFDM）：這種形式的OFDM 信號和無線通信中的在OFDM 一樣，不過光載波替代RF 載波。由于涉及到相干探測，對發(fā)送和接收端的本振激光器要求很高。
如果射頻 OFDM 信號經(jīng)過光調(diào)制器調(diào)制到光波上，光波中包含光載波和射頻信號，在接收端，可以直接利用光電探測器進行探測，光電流中包含射頻的OFDM 信號，經(jīng)過濾波即可提取出所需的射頻OFDM 信號。由于CO-OFDM 信號的解調(diào)需要本振光源，并且對發(fā)射器和接收器的光源帶寬要求很高（<100MHz），因此實現(xiàn)成本很高。CO-OFDM 中仍然存在本證信號的頻率俘獲、跟蹤，以及相位的估計校正問題。
直接探測 OFDM(DD-OFDM)：或稱非相干光OFDM（IO-OFDM），由于發(fā)射端注入到光纖的信號中包含光本振信號，在接收端直接由光電探測器就可以將OFDM 信號恢復(fù)到電域，因此接收端比較簡單。DD-OFDM 不但使 O-OFDM 信號的O/E 轉(zhuǎn)換大大簡化，系統(tǒng)對激光器相位噪聲和頻偏不敏感，因此可以用于長距離傳輸，還可以應(yīng)用于接入網(wǎng)。但是，發(fā)射信號的功率中光本振信號占很大比例，光譜利用率也由于本振信號的影響而降低[1]。
綜上分析，為了實現(xiàn)高速大容量傳輸系統(tǒng)，并提高光譜利用率，本文采用基于CO-OFDM的單模光纖傳輸系統(tǒng)。
2 CO-OFDM 系統(tǒng)原理與實驗系統(tǒng)模型
相干光正交頻分復(fù)用技術(shù)（CO-OFDM）技術(shù)是一種新型的光復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了相干檢測和OFDM 的雙重優(yōu)點，在電域到光域上的轉(zhuǎn)換和光域到電域的轉(zhuǎn)換中，相干系統(tǒng)帶來了OFDM 所需的線性，OFDM 使線性系統(tǒng)的計算效率高，信道簡單并可直接進行相位估值。對下一代100Gbps 的傳輸系統(tǒng)而言，CO-OFDM 是很好的調(diào)制方式。另外，由于單模光纖傳輸頻帶寬、容量大、傳輸距離長，本文選擇單模光纖作為傳輸信道。
2.1 CO-OFDM 系統(tǒng)理論模型
CO-OFDM 系統(tǒng)與同OOFDM 系統(tǒng)原理圖類似，如所示，它主要包括五個部分，分別為：射頻OFDM(RF OFDM)發(fā)送端，電光(RF-To-Optical, RTO)上變頻器、光傳輸鏈路、光電 (Optical-To-RF, OTR)下變頻器和RF OFDM 接收端。
在RF OFDM 發(fā)送端，二進制串行數(shù)據(jù)流經(jīng)過星座映射，逆傅立葉變換（IFFT），導(dǎo)頻符號、訓(xùn)練序列以及循環(huán)前綴添加，數(shù)模轉(zhuǎn)換，濾波等處理過程后形成基帶OFDM 信號，并將其調(diào)制到射頻上；電光上變頻器是利用馬赫—曾德調(diào)制器（MZM：Mach–ZehnderModulation）將RF OFDM 信號調(diào)制到光域上；光傳輸鏈路中包括用來傳輸?shù)墓饫w和用于補償鏈路損耗的EDFA；在光電下變頻器中，采用光相干檢測，使用兩對平衡接收機進行零差檢測，將光OFDM 信號還原為射頻OFDM 信號，完成光電轉(zhuǎn)換；在RF OFDM 接收端將射頻OFDM 信號還原成基帶OFDM 信號，之后進行的是RF OFDM 發(fā)送端的逆過程，如濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換等，將基帶OFDM 信號恢復(fù)為原始的二進制串行數(shù)據(jù)流[6]。
2.2 CO-OFDM 實驗系統(tǒng)模型
通過上面 CO-OFDM 系統(tǒng)原理分析，我們搭建了10Gbps CO-OFDM 單模光纖系統(tǒng)。為10.7Gb/s 的CO-OFDM 單模光纖系統(tǒng)組成框圖。
如示，CO-OFDM 系統(tǒng)的基本理論和信號處理過程與前面所講述的CO-OFDM 系統(tǒng)是一致的，只是該系統(tǒng)基帶OFDM 信號的發(fā)送端和接收端由計算機來完成�；鶐FDM 信號是由Matlab 程序產(chǎn)生，即將隨機二進制序列經(jīng)過QPSK 或MQAM 調(diào)制，再經(jīng)IFFT 變換，之后插入循環(huán)前綴，將數(shù)據(jù)的實部和虛部分別上傳到任意波形發(fā)生器（AWG）進行DA 轉(zhuǎn)換，即形成OFDM 射頻信號。然后兩路信號分別進入一個光學(xué)I/Q 調(diào)制器的I 和Q 端口，直接將RF OFDM 調(diào)制到光域上；光OFDM 信號傳入光纖環(huán)路進行傳輸，該光纖環(huán)路由單模光纖和EDFA 組成，其中EDFA 用于補償鏈路的損耗。
在接收端，調(diào)節(jié)本地激光器LD2 的頻率使其接近發(fā)送激光器LD1 的頻率，使用兩個平衡接收機檢測對光OFDM 信號的實部和虛部進行相干光檢測，完成光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換到射頻上，之后利用抽樣速率為20 GS/s 的時域抽樣觀察儀（TDS）對RF 信號進行抽樣，采樣得到的數(shù)據(jù)下載到電腦，利用Matlab 來進行信號處理，處理過程包括：利用新的定時同步算法進行IFFT 窗同步；頻偏補償；相位估計和信道估計；每個載波的星座圖的建立和誤碼率的計算。
3 系統(tǒng)調(diào)制方式分析
在 CO-OFDM 系統(tǒng)中光纖色散是一個最顯著的特點，不同的調(diào)制編碼方式直接影響著系統(tǒng)的OSNR、光纖色散容限以及非線性效應(yīng)等因素。面對各種的調(diào)制編碼方式，在綜合考慮其他設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)主要從傳輸距離、傳輸容量、頻譜利用率、誤碼率以及它們之間的平衡等方面進行選擇。在CO-OFDM 系統(tǒng)中，可以采用PSK，DPSK，QAM 等調(diào)制方式，由于色散等因素會對信號的幅度和相位造成不同程度的影響，對實際系統(tǒng)而言選擇最優(yōu)的調(diào)制方式，爭取能獲得很好的頻帶利用率，還能降低實現(xiàn)復(fù)雜度。
二進制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的最基本的方式，但它的頻帶利用率較低，所以為了提高頻帶利用率，通常采用多進制(M 進制)的數(shù)字系統(tǒng)，其代價是增加信號功率和實現(xiàn)上的復(fù)雜度。對于MPSK 和MQAM 調(diào)制，一般用矢量圖表示，矢量端點之間的最小距離，說明了系統(tǒng)抗誤碼率的強弱，直接反映了系統(tǒng)的性能。MPSK 和MQAM 調(diào)制方式最小距離滿足下式：
由此可見，雖然隨著M 的增加，可以增加信息的傳輸速率，但最小距離逐漸減少，使噪聲容限隨之減少，誤碼率也隨之減少；而且隨著M 的增加，MQAM 調(diào)制比MPSK 調(diào)制的最小距離小，也就是說MQAM 調(diào)制比MPSK(M 大于2)調(diào)制抗誤碼率能力強,所以主要討論QPSK 和MQAM 調(diào)制方式。
在整個仿真系統(tǒng)中，采用Matlab 與Optisystem 相結(jié)合的方式，Matlab 進行電域信號的處理，包括比特數(shù)據(jù)流的串并，并串變換，F(xiàn)FT 和IFFT 運算，同步以及信道估計等，然后光電轉(zhuǎn)換、光纖鏈路以及電光轉(zhuǎn)換由Optisystem 完成�；鶐FDM 符號速率為10Gbps，IFFT長度為 512，并行子載波個數(shù)為256，保護間隔（即循環(huán)前綴長度為64），每一幀有10 個OFDM 信號，采用塊狀導(dǎo)頻插入法, 一幀插入1 個導(dǎo)頻信號，即每10 個OFDM 信號有1 組導(dǎo)頻，導(dǎo)頻信號用來定時同步和信道估計。光纖色散常數(shù)為默認的16 ps /(nm?km)，兩個激光器頻率均選193.1THZ。當 M取32 及以上時，需要更大的OSNR才能使BER維持在10?3以內(nèi)，但此時因輸入光纖功率太大，光纖的非線性效應(yīng)加強，造成系統(tǒng)性能惡化。
是2PSK，4QAM 和兩種調(diào)制方式下系統(tǒng)BER 與傳輸距離之間的關(guān)系。光信噪比為12dB。由圖中可以看出，由于系統(tǒng)進行了信道估計及補償，所以短距離傳輸時的誤碼率都很理想，但是隨著傳輸距離的增加，三種調(diào)制方式的抗誤碼率性能都下降，這主要是由于光纖色散使光脈沖在傳輸過程中展寬了，產(chǎn)生了碼間干擾，造成誤碼，而且光脈沖展寬程度隨著傳輸距離的增加越來越嚴重，使系統(tǒng)信號的傳輸距離受到了限制。采用2PSK 調(diào)制時，系統(tǒng)的抗BER性能較佳，要使系統(tǒng)誤碼率維持在103時，傳輸距離可以達到1800km。采用4QAM調(diào)制時，系統(tǒng)誤碼率維持在103時的傳輸距離為1600 km，但此時系統(tǒng)的具有較好的頻帶利用率；而對于16QAM 調(diào)制，系統(tǒng)誤碼率維持在10?3時的傳輸距離不到800 km，因此不做分析。
由此可見，在 CO-OFDM 系統(tǒng)的調(diào)制方式中，傳輸容量、傳輸距離以及系統(tǒng)誤碼率三者之間是相互矛盾的，所以選擇調(diào)制方式時要結(jié)合實際情況與系統(tǒng)要求綜合考慮。
4 結(jié)論
本文給出了 CO-OFDM 單模光線傳輸系統(tǒng)的理論模型，并試驗分析了不同調(diào)制格式對系統(tǒng)性能的影響。綜合考慮實現(xiàn)復(fù)雜度與系統(tǒng)性能，在搭建100Gbps 長距離傳輸系統(tǒng)時選擇的調(diào)制方式是4QAM，因為它的抗誤碼率能力和頻帶利用率較高，而且還能保證長距離無需色散補償傳輸。
雖然 CO-OFDM 的研究目前還處于實驗階段，但是與傳統(tǒng)的光通信相比，它不但最大限度的利用了頻譜資源，而且對抗色散能力強，無需色散補償，同時它在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上能很好的升級, 擴容方便，所以在高速率、大容量和長距離傳輸系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。
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