OQPSK恒包络调制CO-OFDM系统研究

2022-08-02刘皎，张娜

系统仿真技术 2022年1期

刘皎，张娜

（商洛学院商洛市人工智能研究中心，陕西商洛 726000）

恒包络调制具有包络恒定的特点，利用这个特点能够很好地解决相干光正交频分复用（CO-OFDM）系统中峰均功率比（PAPR）高的问题［1-2］。四相移相键控（QPSK）是最常见的一种相位不连续的恒定包络调制［3-5］，其已调信号的幅值和频率不变，仅相位在多个离散值之间跳跃，具有恒定包络、抗误码性能好等优点，但是若QPSK在I路、Q路信号同时改变时，其已调信号的相位就会发生π相跳变，而当I路、Q路中只有一路发生改变时，其已调信号的相位则发生π/2相的跳变，这些相位跳变就会使得QPSK已调信号的功率谱旁瓣扩大，且旁瓣衰减会较慢。这种变化在带宽足够宽的理想传输系统中，其影响是可以忽略的，但是在实际的带限通信系统中，则需对已调信号的带宽进行限制［6-7］。然而经过限带后的QPSK信号包络则不再恒定。虽然可以采用非线性功率放大技术来减弱限带后的QPSK信号包络起伏，但这种操作又会使得信号功率谱旁瓣增生，频谱发生扩展，进而影响到邻近信号，造成频谱干扰。若对限带QPSK信号采用线性功放，其功率转换效率又太低。基于此，便产生出一种适合非线性功率放大的带限数字调制方式——偏移四相移相键控（OQPSK）［8-9］。OQPSK是对QPSK进行了一定改进的一种新型的恒包络移相键控调制方式。

1 OQPSK恒包络调制技术

OQPSK信号的产生过程如图1所示。首先，它将携带信息的双极性二进制序列串并变换成速率减半的I路和Q支路后，对Q路码元作了一个Tb延时，使得Q路与I路码元在时间上有了一个Tb间隔的偏移，然后再对这两路信号进行正交调制。

进行OQPSK调制的各个步骤波形如图2所示。从图2中可以清楚地看出，OQPSK信号包络恒定，属于恒包络调制方式；由于Q路的二进制信号延迟了Tb，使得I路和Q路的二进制信号不再“同步”，所以不会同时发生改变，即：当I路和Q路二进制信号中有一路信号发生改变时，OQPSK信号的相位发生π/2相的跳变，而当I路和Q路的二进制信号都不发生变化时，OQPSK信号的相位不发生跳变。所以OQPSK信号只有0和种相位跳变值，而不可能出现像QPSK那样发生π相的跳变。

由于OQPSK也可以看成是同相支路及正交支路的BPSK信号叠加，所以理论上OQPSK的功率谱与QPSK相同。但是当通过带限非线性信道时，OQPSK信号的频谱展宽要小于QPSK的频谱展宽。

在加性高斯白噪声信道条件下，OQPSK的最佳接收端结构如图3所示。由图3可以看出，其解调过程基本与QPSK的相干解调过程一致，仅仅只在判决时刻让正交支路比同向支路延时了一个Tb的时间间隔。

理论上可以证明，OQPSK与QPSK的最佳接收平均误比特率相同。当发送端二进制信源序列中“0”、“1”符号等概率出现时，OQPSK系统的平均误比特率Pe可表示为

其中Eb=(A2/2)Tb，是平均比特能量，N0为平均噪声功率。

2 OQPSK-CO-OFDM系统仿真

众所周知，正交频分复用（OFDM）技术固有的高PAPR特性、追求高速率带来的子载波密集特性、单模光纤的材料特性，以及高PAPR导致的马赫增德尔（MZ）调制器调制深度过深，共同决定了非线性损伤是影响CO-OFDM系统性能最为关键的因素之一。

2.1 仅考虑非线性损伤时的系统性能

仿真研究了非线性损伤对系统性能的影响，仿真系统的相关参数配置：激光器线宽为0，不考虑光纤的色度色散和偏振模色散，OFDM系统的子载波数为256，循环前缀长度为25%。图4给出了在传输500千米后，基于QPSK和基于OQPSK的CO-OFDM系统的误码率随入纤光功率的变化关系曲线。从图4中可以清楚地看出，由于系统只考虑了光纤的非线性效应，所以系统的误码率随着入纤功率的增加呈指数趋势增长，若再继续增加入纤功率，则会对系统造成相当严重的难以恢复的损伤；由于2种子载波调制方式都是恒包络的，具有较低的PAPR，所以当入纤光功率在一定的范围时，对非线性损伤有较好的容忍性；比较2种子载波调制格式的CO-OFDM系统性能容易发现，基于OQPSK的系统性能要优于基于QPSK的系统。

2.2 同时考虑非线性损伤和ASE噪声时的系统性能

保持系统其他仿真参数不变，在同时考虑了掺铒光纤放大器（EDFA）的ASE噪声和光纤的非线性损伤情况下，传输500千米后的系统误码率随入纤光功率变化情况如图5所示。从图5可以明显地看到，随着入纤光功率的增加，系统的误码率出现先降低后升高的情况，这是因为同时考虑了ASE噪声和非线性损伤：当入纤光功率较低的时候，与入纤光功率紧密相关的非线性效应还很小，对系统性能几乎没有影响，而此时较低的信号功率凸显出了ASE噪声的作用，所以低功率时起决定作用的是ASE噪声。而功率高时，与图4的分析结果一样，非线性损伤成为影响系统性能的决定性因素。对比得出，在同时考虑非线性损伤和ASE噪声情况下，基于OQPSK的系统性能优于QPSK系统性能。