CO—OFDM系统不同调制方式下的性能分析与仿真

摘 要本论文对相干光正交频分复用技术进行了仿真模拟与性能分析。实验中系统发射端通过2PSK、4QAM、8QAM和16QAM等不同调制方式对同一组信息码元进行编码，并在完全相同的信道环境下进行传输，通过误码率参量来反映不同调制方式下，CO-OFDM系统对光信噪比、光纤传输距离等因素的适应性及性能表现，实现了对四种不同调制方式下系统抗误码性能的横向比较。并最终对几种编码方式存在性能差异的原因做出分析说明。

【关键词】相干光正交频分复用 数字调制方式 误码率

随着无线通信系统在传输容量和传输距离等方面日趋饱和，光波通信已然成为近年来通信领域的研究热点。相干光正交频分复用（CO-OFDM）技术凭借其接收端灵敏度高、可有效对抗光纤中的偏振模色散、频谱利用率高等优点，已经成为未来光纤通信领域的主流研究方向之一。

1 调制方式选择

CO-OFDM系统当中常用的两种数字调制方式：MPSK和MQAM，都是通过将码元信息映射成为对应星座图当中的矢量坐标来完成编码。在上述两种调制方式中，矢量点之间的最小距离d是一个非常重要的参量，它表征着不同矢量坐标之间发生串扰的难易程度，矢量点之间的最小距离越大，表明这种调制方式的抗误码性能越好。MPSK和MQAM的最小距离分别满足下式：

分析发现，随着M的增加，信息的传输速率会得到提高，但最小距离会随之减小，导致误码率上升，即多进制调制方式的抗误码性能往往低于二进制调制。并且，随着M的增加，dMQAM往往大于对应的dMPSK，这表明在多进制调制当中QAM的抗误码性能要好于PSK调制。综上，本次实验选取2PSK、4QAM、8QAM和16QAM这四种调制方式来完成对并行数据的编码。

2 系统仿真模型的搭建

2.1 射频发射机

射频发射机通过Matlab程序实现仿真。首先编码产生一组120×200的并行数据，并利用四种调制方式分别对并行数据进行编码。之后，插入5个经过相同调制的导频符号，用于后期OFDM符号的相位和幅度校准。对上述并行数据进行IFFT变换即可完成数据到对应OFDM子载波Cki的映射，得到一个初级OFDM符号群。在符号群的前面插入5个训练序列，用于接收端子载波同步。之后为每个OFDM符号插入循环前缀作为保护间隔，在此循环前缀的长度选为16。此时即可得到一组完整的OFDM符号群，通过reshape函数完成数据的并串变化，即得到基带OFDM信号，由于是一个复值信号，因此它的实部和虚部将被分别保存在两个文档当中，用于之后的光路传输。

2.2 光电上变频器

光电上变频器由Optisystem软件仿真实现，首先将发射机产生的基带OFDM信号实部和虚部数据分别导入Optisystem仿真模型，之后使用AM调制器来实现信号的中频调制，由于两个调制载波之间存在90°相移，因此I、Q两路数据经中频调制之后可以合并为一路，送入马赫-增德尔调制器，与一个中心频率为193.1THz的光载波发生调制，即可完成中频OFDM信号至光域OFDM信号的上调。其中激光器产生载波的波长为1550nm，线宽为100kHz。仿真电路Samples per bit设置为8，即通过8倍采样率来采集基带信号，并在电路中引入多处电域和光域滤波器，提高数据传输效果。

2.3 光纤传输链路

在实际的光纤通信系统架构中，光纤链路的中继长度通常為80km，故在仿真实验中，同样设置光纤的中继长度为80km，偏振模色散指数为16.75ps/km。通过一个循环控制器来控制传输数据通过光纤的次数，以此来改变在一次实验当中信号传输的距离。为了补偿信号在光纤当中传输所产生的损耗，在光纤之后设置了一个增益为16dB，噪声指数为4dB的光放大器，使得光OFDM信号在每次循环经过光纤链路之后，都会在光放大器当中得到补偿和放大。

2.4 光电下变频器

利用一个中心频率位于193.1THz的连续波激光器产生一个与发射端载波相干的本振光信号，通过一个光耦合器完成本振光信号与信息光信号的相干耦合，之后利用光电探测器对耦合光信号进行光电转换，得到光信号中加载的电信号，即解调出中频OFDM信号，对其进行放大等简单处理之后，用一个信号拆分器分离出中频OFDM信号的实部和虚部数据，对这两路数据分别进行与上变频器相对应的解调制，此处的解调器之间仍旧存在90°相位差。在完成中频信号的解调之后，即可得到基带OFDM信号。将其实部、虚部数据分别存放，以便在之后的接收机仿真当中导入Matlab作为接收信号。

2.5 射频接收机

射频接收机由Matlab 编程实现。将下变频器输出的数据导入Matlab软件。在此首先需要对接收数据进行定时同步来确定DFT积分窗口，在此采用峰值分析的方法来实现定时同步。之后利用Complex函数将实部和虚部数据合并成为一个复值信息码流。经过串并变化即可得到一个接收OFDM符号群。去掉循环前缀和过采样点。通过FFT变换完成OFDM符号解调，得到初级的并行数据流。相应的解调操作完成之后，即可与发射端原始的串行数据流进行比较，计算出误码个数，以及误码率等参量，以便分析和比较信号在相同传输条件，不同调制方式下的抗误码性能。

3 实验数据统计与分析

在一次实验当中，传输24000个信息码字。

3.1 不同调制方式下抗误码性能与系统光信噪比之间的关系

在该组实验进行过程中，统一设置光纤传输长度为800km。

图1为不同调制方式下，改变系统光信噪比之后，系统接收端的误码率表现：

通过对上述数据进行分析，发现在当前实验环境下2PSK调制的抗误码性能是最好的。而在MQAM调制中，随着M的增大，抗误码性能下降明显，这种现象是由于随着M的增大，调制星座图越趋复杂，星座点之间的最小距离不断减小所致。由此可以看出，在多进制调制当中，M的数值越大，其对传输环境的要求越苛刻。这与前面做出的理论推导是完全相符的。

3.2 不同调制方式下抗误码性能与传输距离之间的关系

实验中设置仿真系统的光信噪比OSNR为13dB。

如图2为系统在不同调制方式下，接收端误码率与传输距离之间的对应关系：

通过观察发现，2PSK调制方式的抗误码性能仍旧表现最佳，在短距离传输范围内基本不会产生错码，即使在960km的远距离传输当中，系统也可以满足1×10-3量级的标准要求。其次就是4QAM调制方式的抗误码性能较为理想，在880km范围内，系统可以达到1×10-3量级的误码率标准。之后是8QAM和16QAM两种调制方式，他们的抗误码性能表现都不甚理想，尤其在远距离传输之后，误码率远高于4QAM和2PSK，这无疑限制了8QAM和16QAM在远距离光纤传输系统当中的应用。

4 结束语

通过对传输距离和系统OSNR等变量的单一控制实验，明显体会到在CO-OFDM系统当中，传输距离、传输容量以及系统抗误码性能三者之间是相互矛盾的，他们综合地影响了系统发射端对调制方式的选择。实验数据表明：2PSK调制方式对以上三种因素的融合最为理想，2PSK以其简单的矢量分布结构，有效地避免了码字扰变，提供了良好的抗误码性能。另外，4QAM同样是一种较为理想的调制方式，虽然其抗误码性能略低于2PSK，但作为一种多进制数字调制方式，在频带利用率和码元信息量等方面相较于2PSK都具有明显优势。而8QAM和16QAM，其复杂的星座分布结构无疑降低了信号扰变的门檻，使得系统的抗误码性能难以满足远距离光纤通信系统的要求。

参考文献

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[2]丁么明，宋立新，余华清等.光波导与光纤通信基础[M].北京：高等教育出版社，2005.

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[4]W.Shieh and C.Athaudage，Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing [J].Electron. Letters，2006（42）.

作者单位

天津市东丽区滨海国际机场民航天津空管分局 天津市 300000

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