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CO-OFDM 傳輸系統調制方式分析
引言
正交頻分復用（OFDM）技術是隨著數字信號處理技術的成熟而逐漸發展起來的一種數字多載波調制技術，目前主要應用在無線通信系統中，它將高速的數據信號分成多路低速數據信號，并調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頻譜利用率[1]。
在光纖通信系統中，光纖的色度色散和偏振模色散嚴重限制了高速數據信號的傳輸距離。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使經過不同路徑的信號成分到達接收端的時間不同，因此，OFDM 調制技術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 技術引入到光通信中，使高速的數據信號能夠在大色散信道中遠距離傳輸的技術，即光正交頻分復用技術（O-OFDM）。
最早將OFDM引入到光通信領域的是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。它是集中了數字信號處理和光纖通信技術優點的一種新型的光通信技術，可以有效地抵抗光纖傳輸鏈路中色散、偏振模色散等效應[2，3]，并可以提高系統的頻譜利用率[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，即相干光通信系統。相干通信系統采用相干調制（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 系統的線性要求，同時，OFDM技術使線性系統計算效率高、信道簡單并可進行相位估值。因此，將相干探測與OFDM 技術相結合，即CO-OFDM 技術，在下一代100Gbps 傳輸系統的研究中備受青睞。除此之外，CO-OFDM 還具有WDM、OTDM、IO-OFDM 等系統所沒有的優勢，主要表現在：
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。這樣既能夠實現高速率傳輸，降低了網絡的復雜度，同時也能適應動態變化的網絡環境；
3）CO-OFDM 系統與原來的WDM 系統有很好的兼容性，可充分利用WDM 系統在原有網絡基礎設施方面的巨大投資，只需要在發射端和接收端進行適當的改造即能夠很好的完成升級，具有很強的信道容量可擴展性，擴容方便。
1 O-OFDM 系統原理
無線通信系統中的OFDM 信號為電域信號（RF 域），可以直接在電域進行處理，而O-OFDM 需要在發射端將電信號調制到光波上，在光纖中傳輸，在接收端再將光信號轉換為電信號。其原理框圖如圖1 所示。在系統的發射端，利用成熟的數字信號處理技術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的高速數據碼流進行串并變換，將一路高速的數據流轉化為多路速率相對較低的數據信號，隨后對各路低速信號進行4QAM, 16QAM 或QPSK 等格式的數字調制，再通過IFFT 變換，將各低速數據流加載的相互正交的子載波上，然后依次進行并串變換、添加循環前綴（CP），再進行數模變換，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制，再經過電光調制，將電OFDM 信號加載到光波上，利用光纖通信技術的優點，可以很容易地通過光纖實現低成本、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，得到原始的數據。
O-OFDM 研究的重點是E/O 和O/E 轉換及光纖傳輸問題。近幾年來，根據接收端收到的光模式種類將光OFDM 解決方案分為兩大方面：光強調制和線性光場調制。前者用于多模系統，即多模光纖、POF 或光無線，后者用于單模系統，即單模光纖。
1.1 光強調制—多模系統
在多模光纖、POF 或光無線系統中，接收端有多種光模式，OFDM 信號必須用光強表示（用光強表示時系統是線性的）。也就是說調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，變為單極性的。但是，由于加入直流偏置電壓，不僅會導致峰均比（PARR）過高，降低系統性能，還降低了光功率利用率。ACO-OFDM 系統是將OFDM 的負值信號削掉，只保留正值信號，這樣會導致嚴重的子載波干擾（ICI），但是如果只保留奇數頻段信號，子載波干擾只落在偶數頻段，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 光場調制—單模系統
根據單模光纖系統特性，只能采用光場調制，不能采用光強調制，根據接收器的接收方式，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，對發送和接收端的本振激光器要求很高。
如果射頻 OFDM 信號經過光調制器調制到光波上，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 信號的解調需要本振光源，并且對發射器和接收器的光源帶寬要求很高（<100MHz），因此實現成本很高。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 轉換大大簡化，系統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，還可以應用于接入網。但是，發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，為了實現高速大容量傳輸系統，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。
2 CO-OFDM 系統原理與實驗系統模型
相干光正交頻分復用技術（CO-OFDM）技術是一種新型的光復用技術，該技術結合了相干檢測和OFDM 的雙重優點，在電域到光域上的轉換和光域到電域的轉換中，相干系統帶來了OFDM 所需的線性，OFDM 使線性系統的計算效率高，信道簡單并可直接進行相位估值。對下一代100Gbps 的傳輸系統而言，CO-OFDM 是很好的調制方式。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 系統理論模型
CO-OFDM 系統與同OOFDM 系統原理圖類似，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 發送端，二進制串行數據流經過星座映射，逆傅立葉變換（IFFT），導頻符號、訓練序列以及循環前綴添加，數模轉換，濾波等處理過程后形成基帶OFDM 信號，并將其調制到射頻上；電光上變頻器是利用馬赫—曾德調制器（MZM：Mach–ZehnderModulation）將RF OFDM 信號調制到光域上；光傳輸鏈路中包括用來傳輸的光纖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 發送端的逆過程，如濾波、數模轉換等，將基帶OFDM 信號恢復為原始的二進制串行數據流[6]。
2.2 CO-OFDM 實驗系統模型
通過上面 CO-OFDM 系統原理分析，我們搭建了10Gbps CO-OFDM 單模光纖系統。為10.7Gb/s 的CO-OFDM 單模光纖系統組成框圖。
如示，CO-OFDM 系統的基本理論和信號處理過程與前面所講述的CO-OFDM 系統是一致的，只是該系統基帶OFDM 信號的發送端和接收端由計算機來完成�；鶐FDM 信號是由Matlab 程序產生，即將隨機二進制序列經過QPSK 或MQAM 調制，再經IFFT 變換，之后插入循環前綴，將數據的實部和虛部分別上傳到任意波形發生器（AWG）進行DA 轉換，即形成OFDM 射頻信號。然后兩路信號分別進入一個光學I/Q 調制器的I 和Q 端口，直接將RF OFDM 調制到光域上；光OFDM 信號傳入光纖環路進行傳輸，該光纖環路由單模光纖和EDFA 組成，其中EDFA 用于補償鏈路的損耗。
在接收端，調節本地激光器LD2 的頻率使其接近發送激光器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，完成光電轉換，將光信號轉換到射頻上，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，采樣得到的數據下載到電腦，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 系統調制方式分析
在 CO-OFDM 系統中光纖色散是一個最顯著的特點，不同的調制編碼方式直接影響著系統的OSNR、光纖色散容限以及非線性效應等因素。面對各種的調制編碼方式，在綜合考慮其他設計參數的基礎上，應主要從傳輸距離、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 系統中，可以采用PSK，DPSK，QAM 等調制方式，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，對實際系統而言選擇最優的調制方式，爭取能獲得很好的頻帶利用率，還能降低實現復雜度。
二進制數字調制系統是數字調制系統的最基本的方式，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)的數字系統，其代價是增加信號功率和實現上的復雜度。對于MPSK 和MQAM 調制，一般用矢量圖表示，矢量端點之間的最小距離，說明了系統抗誤碼率的強弱，直接反映了系統的性能。MPSK 和MQAM 調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 調制比MPSK 調制的最小距離小，也就是說MQAM 調制比MPSK(M 大于2)調制抗誤碼率能力強,所以主要討論QPSK 和MQAM 調制方式。
在整個仿真系統中，采用Matlab 與Optisystem 相結合的方式，Matlab 進行電域信號的處理，包括比特數據流的串并，并串變換，FFT 和IFFT 運算，同步以及信道估計等，然后光電轉換、光纖鏈路以及電光轉換由Optisystem 完成�；鶐FDM 符號速率為10Gbps，IFFT長度為 512，并行子載波個數為256，保護間隔（即循環前綴長度為64），每一幀有10 個OFDM 信號，采用塊狀導頻插入法, 一幀插入1 個導頻信號，即每10 個OFDM 信號有1 組導頻，導頻信號用來定時同步和信道估計。光纖色散常數為默認的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，但此時因輸入光纖功率太大，光纖的非線性效應加強，造成系統性能惡化。
是2PSK，4QAM 和兩種調制方式下系統BER 與傳輸距離之間的關系。光信噪比為12dB。由圖中可以看出，由于系統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，使系統信號的傳輸距離受到了限制。采用2PSK 調制時，系統的抗BER性能較佳，要使系統誤碼率維持在103時，傳輸距離可以達到1800km。采用4QAM調制時，系統誤碼率維持在103時的傳輸距離為1600 km，但此時系統的具有較好的頻帶利用率；而對于16QAM 調制，系統誤碼率維持在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 系統的調制方式中，傳輸容量、傳輸距離以及系統誤碼率三者之間是相互矛盾的，所以選擇調制方式時要結合實際情況與系統要求綜合考慮。
4 結論
本文給出了 CO-OFDM 單模光線傳輸系統的理論模型，并試驗分析了不同調制格式對系統性能的影響。綜合考慮實現復雜度與系統性能，在搭建100Gbps 長距離傳輸系統時選擇的調制方式是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，同時它在現有的網絡基礎設施上能很好的升級, 擴容方便，所以在高速率、大容量和長距離傳輸系統中有廣闊的應用前景。
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[參考文獻] (References)
[1] Jean Armstrong. OFDM for Optical Communications . JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.27, NO.3,FEBRUARY 1,2012.
[2] S. J. Savory. “Digital signal processing options in long haul transmission,” presented at the Proc. OFC2012.
[3] S. L. Jansen. “Optical OFDM, a hype or is it for real” , presented at the ECOC, 2012.
[4] W. Shieh, X. Yi, and Y. Tang, “Transmission experiment of multi-gigabit coherent optical OFDM systemsover 1000 km SSMF fiber,” Electron. Lett., vol. 43, pp. 183–185, 2007
[5] J. Armstrong and A. J. Lowery."Power efficient optical OFDM," Electronics Letters, 2006.
[6] W. Shieh and C. Athaudage, “Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing,” ElectronicsLetters,2006
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