自載波提取相干OFDM系統研究*

劉 皎

（商洛學院電子信息與電氣工程學院 商洛 726000）

1 引言

CO-OFDM系統充分利用了光功率，敏感性較高，且增加了光譜功率，減少了帶寬需求［1～3]，為超長距離的光鏈路傳輸提供了良好的解決方案。但是它還存在一些缺點，如所需要的本地激光器線寬要求較高，造價昂貴；本地載波與光載波之間存在相位噪聲［4～5]和偏振方向差異［6～9]等問題將極大地影響系統的傳輸性能和實際應用價值。

為了減小相位噪聲，提出了采用光自載波提取的方案。在該方案中，光載波從輸入的光OFDM信號中提取。與傳統相干光系統相比，該方案中光載波和光OFDM信號來自同一個信源，因此，盡管輸入信號存在隨機偏振旋轉，但是光載波和光OFDM信號的偏振相同，這樣就不需要進行偏振差異檢測，且簡化了相位估計，達到提升系統性能的目的。

2 傳統CO-OFDM系統

在傳統的相干光傳輸中，通常在接收端使用本地激光器產生連續波來與輸入信號進行相干，如圖1所示。其中，OFDM發射機輸出基帶OFDM信號。隨后利用由一對相差90°的馬赫-曾德調制器（MZM）［10～11]組成的光 I/Q 調制器［12]，上變頻將基帶信號轉換成光信號。在OFDM接收端，下變頻接近直流的OFDM信號首先經模/數轉換器（ADC）采樣后經過精密的3級同步判決輸出接收數據。在該系統中本地激光器需要有窄的線寬，并且對于不同波長的輸入信號來說是可調的。對于更實用的數字相干接收機而言，必須采用數字信號處理（DSP）來實現相位檢測，從而補償輸入信號和本地激光器之間的相位噪聲［13～14]。由于輸入信號偏振方向存在隨機旋轉，還需要采用偏振差異檢測方案，并用DSP進行偏振旋轉估計和信號恢復。這增加了系統的復雜性的同時增加了系統成本。

3 自載波提取的CO-OFDM系統

為了消除相位噪聲，簡化系統，考慮采用光自載波提取的方案，其系統仿真如圖2所示。在接收端，輸入的光OFDM信號由光耦合器分為兩個支路：一路直接進入下一個耦合器做相干干涉，另一路經過一個帶通濾波器來為相干干涉提取光載波成分。該方案要求：1）輸入光OFDM信號有一個光載波成分；2）該載波成分可以和輸入信號頻譜分離。第一個條件一般通過非載波抑制調制實現，第二個條件通過將OFDM基帶信號調制到射頻載波或對其進行補零來實現。

圖1 傳統CO-OFDM系統

圖2 利用自載波提取的CO-OFDM仿真系統

4 系統仿真及分析

系統性能與系統參數有密切關系，合理的參數設置有助于系統表現出較好的性能。

表1 VPI軟件仿真系統參數設置

在VPI軟件中設置的系統參數如表1所示。在仿真過程中，系統在發射端“充零”后，將基帶信號調制到中頻（10GHz）上。該信號經上變頻后進入噪聲信道，得到中心頻率為193.1THz的OFDM信號。該信號中包含了光載波成分，可經過適合的光帶通濾波器（BPF）分離出來。接著光載波與光信號耦合，經兩對平衡接收機進行I/Q調制，可得到其電信號頻譜。最后，在OFDM接收機中解調后得到數據信號。由其星座圖可以看出，整個系統表現出較好的性能。

1）與傳統CO-OFDM系統的對比

對利用自載波提取的CO-OFDM系統和傳統CO-OFDM系統分別進行了仿真。二者的星座圖分別如圖3中（a）、（b）所示。雖然利用自載波提取的CO-OFDM的星座點間距小于傳統CO-OFDM系統，但我們可以明顯地看到，后者的星座點較前者分散得多。顯然，利用自載波提取的CO-OFDM系統的星座圖好于傳統的CO-OFDM系統的星座圖。在相同條件下，利用自載波提取的CO-OFDM系統的性能大大優于傳統CO-OFDM系統。

2）采樣率對系統性能的影響

系統采樣率會影響系統的性能，保持系統其他參數不變，增大系統的采樣率，能夠提升系統性能，其接收星座圖如圖4所示。

同樣，接收機的采樣率對系統性能也會有影響。如圖5所示，采樣率越大，系統性能越好；反之，系統性能越差。

圖3 不同結構CO-OFDM系統的星座圖

圖4 不同系統采樣率的星座圖

3）提取載波線寬對系統性能的影響

圖6給出了不同的提取載波線寬下系統的接收星座圖對比。從圖中可以看出系統性能與提取出的載波線寬密切相關。適當的提取出的載波線寬可使系統獲得較好的星座圖。從帶光載波成分的OFDM信號可以看到，光載波線寬為1GHz，故而，當提取出的載波線寬為1GHz時，恰能完整分離出光載波，系統性能最佳。當線寬低于1GHz時，光載波成分不能完全提取出來，光載波的不完整性使系統性能下降。而提取載波線寬高于1GHz時，多余的信號成分使平衡檢測性能下降，故而系統性能也隨之下降。

圖5 不同接收機采樣率的星座圖

5 結語

本文提出了一種利用自載波提取的CO-OFDM系統，并進行了系統仿真。該系統具有相位噪聲小，成本低，性能好等特點。仿真結果表明，系統性能受比特率、采樣率和提取出的光載波線寬的影響：比特率越小，系統星座圖越好；采樣率（系統采樣率和接收機采樣率）越大，系統性能越好；反之，系統性能越差；當提取出的自載波線寬恰好能完整包含光信號載波時，系統性能最佳。

圖6 不同提取載波線寬系統性能對比