基于QPSK的CO-OFDM传输系统研究

刘 皎 张文文

1.商洛学院电子信息与电气工程学院；2. 陕西锌业有限公司变电站

0 引言

相干光检测正交频分复用（CO-OFDM）技术结合了相干检测、无线OFDM、光通信技术的优势，是一种新型的光通信技术。CO-OFDM系统具有较高的频谱利用率，能够在单信道中进行超高速、超长距离的信息传输，改善光传输链路中的色散（CD）、偏振模色散（PMD）、四波混频（FWM）等非线性效应对系统产生的影响，因此，CO-OFDM技术在超高速、超长距离、超大容量的光通信网中得到了极为广泛的应用，但OFDM信号PAPR高的问题却亟待解决。

恒包络调制具有包络为恒定的特点，能很好地解决PAPR高的问题。QPSK相移键控是一种相位不连续的恒定包络调制，采用正弦波载波的离散相位值来进行相应数字信息的调制，其已调信号幅值、频率则保持不变，仅相位值在多个离散值间跳跃，因此，其包络恒定具有较好的抗误码性能，适用于OFDM信号的子载波调制。在对CO-OFDM系统和恒定包络调制进行了深入研究之后，提出将QPSK恒包络调制技术应用到CO-OFDM系统中，以提升系统性能。

1 CO-OFDM系统结构及特点

一个功能完整的CO-OFDM系统如图1所示。可以看出，CO-OFDM系统由5个部分组成：（1）OFDM基带信号发射机，生成电域OFDM基带信号。（2）电/光变换。通过两个MZ调制器进行I/Q调制，分别把电域I/Q两路的信号加载到光载波上。对OFDM子载波进行恒包络调制，来增强系统抗相位噪声性能，同时，降低光OFDM信号的PAPR。（3）光纤链路。该系统采用的1 310 nm、衰减为0.2 dB/km的单模光纤进行光信号传输。该传输链路会使得光信号受功率衰减、色散、偏振模色散以及非线性损伤等方面的影响。（4）光/电检测。COOFDM系统采用相干光检测技术，在接收端使用光分束器将收到的光信号分成功率相等的两束光波，分别与接收端本振光源进行相干耦合后，再采用平衡探测器分别对这两束耦合后的光波实现光电检测，得到I/Q路的电信号，即OFDM的基带信号，再对这两路电OFDM信号进行解调即可。（5）OFDM基带信号接收机，主要用于电域OFDM基带信号的解调。

图1 CO-OFDM系统结构

在进行光调制/解调和光纤传输时，会引入信号的相位偏移，这就要求所传输的信号具有较高的抗相位噪声能力。因此，本研究将使用恒定包络调制技术来调制OFDM子载波，以降低CO-OFDM系统的PAPR，并提高系统对相位噪声及子载波频偏的容忍度。

2 恒包络调制技术

QPSK是一种常见的恒包络调制技术，用4种离散的相位值来携带信息，其已调在一个符号周期内相位保持不变。QPSK信号具有4个可能的离散相位值，假设其正弦载波相位是π/4的奇数倍，则其信号表达式可写成：

其中，I(t)=±1，Q(t)=±1。可以将QPSK信号视为两个BPSK信号的线性叠加，假设QPSK信号的每个分支BPSK信号幅度为 ，符号间隔Ts=2Tb，则QPSK的双边功率谱密度可表示为：

QPSK信号的解调基本为其调制的逆过程，也被称为正交解调器。采用两个互相正交的同频参考波，分别对I/Q支路的信号进行相干检测。由于QPSK的I/Q两支路的符号速率均为二进制信息速率的50%，即Ts=2Tb。当QPSK发送端输出的二进制信源序列中“1”“0”等概出现时，QPSK的平均误比特率为：

3 系统仿真验证

利用OptiSystem软件进行112 Gbit/s的基于QPSK的COOFDM光传输系统仿真，对理论分析进行仿真验证。在仅考虑加性高斯白噪声影响的背靠背系统中，对比分析了系统的理论误码率值、仿真系统所测误码率值随光信噪比（OSNR）的变化情况。

CO-OFDM系统子载波均采用QPSK调制。通过推导可以得出，基于QPSK的CO-OFDM系统理论误码率值与OSNR的关系为：

仿真平台的传输速率为112 Gbit/s，即Rb=112 Gbit/s，Bn=12.5 GHz，得出该系统的理论误码率为：

仿真系统的基本参数：Rb=112 Gbit/s；OFDM模块采用256个子载波，每个子载波均采用QPSK进行调制；循环前缀（CP）长度为12.5%。发射激光器、接收端本振激光器均为不添加线宽及频偏的理想状态；马赫增德尔（MZ）调制器的消光比设置为100 dB。

基于QPSK的CO-OFDM仿真系统测量误码率与其理论误码率随OSNR的变化关系曲线如图2所示。可以看出，仿真系统的测量误码率值同理论误码率值之间仅有很小的差异，很好地验证了本次设计方案的正确性。

图2 基于QPSK的CO-OFDM系统的OSNR-BER曲线

3.1 非线性损伤的仿真验证

将仿真系统中的光纤长度设为500 km，得出的系统误码率随光纤入纤功率变化关系曲线。可以看到，在仅考虑光纤非线性效应影响下，系统的误码率随入纤光功率的增加呈指数趋势，对系统造成难以恢复的严重性损伤；只有当入纤光功率在一定范围时，系统才能较好地容忍非线性损伤，且具有较低的PAPR。

4 结束语

本文深入研究了CO-OFDM系统子载波调制方式及恒包络调制中的QPSK调制，给出了采用恒包络调制作为COOFDM系统子载波调制方案，该方案对非线性损伤、频率偏移及相位噪声具有一定的容忍性。系统仿真验证了基于QPSK调制的CO-OFDM系统方案的可行性及有效性，为高效的光通信系统实现提供了参考依据。