QPSK信號的相干光檢測的EVM值分析

王小燕

(三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004)

0 引言

FTTH(Fiber to the Home)以及移動通信的普及、迅速膨脹的通信需求使得光通信網絡的大容量化、低成本化迫在眉睫.近些年來得益于光調制解調技術的革新，光網絡的信息傳輸能力得到了大幅度的提高.傳統光信號檢測的主流是僅利用光的通、斷實現強度調制直接檢波(IM/DD)系統，調制技術主要要求能夠快速地實現光的“通-斷”開關能力.而在無線電通信系統中，除了信號的強度，信號的相位、頻率、偏振等量也被廣泛使用到復雜的調制技術中，實現了在有限信道帶寬下通信容量的大幅度擴大.光與電同屬于電磁波，因此原理上光通信系統也可采用與無線電通信系統相同的解調技術[1-3].然而，與無線電網絡中使用的毫米波、微波振蕩器相比，光網絡中使用的激光光源的可控性較差，在信道發送端和接收端的不同激光光源很難實現光波之間的相位同步，這使得在光通信中運用光的相干性進行解調變得困難.

近些年來，數字信號處理技術突飛猛進，通信系統的發送端和接收端的相位差、頻率差等可以通過接收端的數字信號處理器(DSP)的數值計算進行補償.這種通過數字信號處理，有效利用光相干性的方法被稱為數字相干法，近年國內外對此進行了大量的研究[4-6].將數字相干技術應用于各種復雜光調制技術中，可使在無線通信網絡中使用的大多數調制方式在光域實現.在通信高速化的基礎上，復雜的調制技術對高精度控制設備等也提出了新的要求.本文以近年來備受關注的4相正交相移鍵控(QPSK)信號為例，介紹了多值調制技術的基本原理和實驗實現方法，分析了相干光檢測原理以及數字相干處理技術.實驗驗證了10 Gbit/s的QPSK信號的back-to-back相干檢測結果.

1 QPSK光信號調制技術

光相位調制器，是利用電光材料的波導結構，通過改變材料兩端的電壓控制光相位變化的調制設備，如圖1所示.

圖1 光相位調制器原理

調制器輸出的光相位與施加在材料電極兩端的電壓成正比，圖2(a)是180o相位差的二進制相移鍵控信號(BPSK)，通過調節電壓可得到圖2(b)中的90o相位差的二進制相移鍵控信號.在多值信號傳輸系統中，符號間的距離越大，信號間的相互干擾程度就越低，越有利于實現大容量遠距離的信號傳輸.為了得到180o相位差的BPSK信號，就需要對施加在電光材料兩端的電壓值進行精確的控制.

圖2 關于施加電壓的光相位響應

圖3給出了由2個相位調制器構成的馬赫曾德(MZ)調制器示意圖.上下兩路光信號經過相應的相位控制，在輸出端發生干涉.通過控制兩路信號的相位差，可以實現輸出信號的強度調制：當兩路信號相位差為0時，干涉輸出光強最大；當相位差為180o時，干涉輸出光強最弱.通過精確控制兩個狀態之間的過渡狀態，即可實現光信號的不同強度調制.

圖3 兩個相位調制器組成強度調制器

4相QPSK信號調制，通常使用矢量調制來獲得復平面上不同的光波狀態，可以通過分別獨立控制光信號的強度和相位，或者在光信號的復平面上分別控制實部分量和虛部分量來實現.本研究中使用的IQ信號調制器( In-phase Quadrature Modulator)基于后一種方法實現QPSK信號的生成.如圖4所示，未調制光經過分波器分成I、Q上下兩路，給予90o相位差(即生成復平面)，分別對兩路信號進行2相強度調制，再通過矢量合波，即可在復平面上生成4相QPSK調制信號.

圖4 兩個強度調制器組成QPSK調制器

2 相干光檢測原理

傳統光通信系統中數字信號的“1”和“0”分別與光信號的“開”和“關”相對應，在光接收端一般通過對光信號強度的檢測實現直接檢波(On-Off Keying，OOK)，這種檢波方式運用到100 Gbit/s光通信系統中，光纖中會出現各種信號劣化現象，使得傳輸距離被限制在幾千米范圍之內.而在數字相干技術中，由于同時利用了光的強度、相位、偏振態等性質，可以實現高效穩定的1 000 km以上的長距離傳輸.

調制得到的QPSK信號到達光接收端，經過相干光檢測光回路(90o光學混波器(Optical Hybrid)),使信號激光和本振激光(Local Ocillator，LO)產生干涉，實現對QPSK信號的相位和幅度信息的提取.圖5給出了數字相干檢測的實驗框架圖.相干光的檢測主要由光檢測回路實現，如圖5中90o光學混波器所示原理圖.

圖5 QPSK信號的相干檢測實驗框架圖

假設信號光與本振光偏振方向一致，頻率相同.QPSK信號為Es(t)，本振光為ELO(t)，則90o光學混波器中一階光分波器的輸出為

(1a)

(1b)

同理可得二階光分波器的輸出：

(2a)

(2b)

假設信號光的頻率與本振光頻率一致，并略去二者的初始相位差，則可得

(3a)

(3b)

其中，R是二極管的光電感度，Ps(t)、PLO分別是信號光和本振光的強度，θs(t)是信號光的相位調制，θn(t)是相位噪聲.這樣，即可恢復再生得到發送端的QPSK信號如下式所示：

(4)

3 相干光相位恢復

由相干檢測回路檢測得到的復平面上的光振幅，同時含有信號光與本振光的相位噪聲，因此在信號解調時必須追蹤相位變化，去除相位噪聲.數字相干檢測的最大特點就是，可以摒除OPLL等不穩定因素，在數字領域進行信號處理，恢復相位.對于4相QPSK信號，可以通過對信號復振幅4次方運算的前饋載波相位估計法[7-8]進行相位恢復，如圖6所示.

圖6 相干光前饋載波相位估計

首先通過時鐘抽取，得到符號與樣本一一對應的數字信號，令采樣編碼為i，采樣樣本間間隔為T，式(4)中的相位噪聲θn(t)是隨機變量，與相位調制θs(t)比變化非常緩慢.要實現信號的相位恢復，必須要將相位噪聲θn(t)去除.具體步驟如下.

(1)對再生得到的復信號expj{θs(t)+θn(t)}進行4次方運算，由于QPSK信號具有4相：±π/4、±3π/4，4次方運算后，信號的相位變為π、3π，可以通過數值換算直接略去.即得到expj{4θn(t)}.

(2)為了提高信噪比SN(Signal-to-Noise)的值，要將取樣后的信號經過移動平均濾波器進行平滑處理,則載波中的相位誤差可表示為：

(3)將再生的復信號減去相位誤差θe(i).

(4)運用數字信號處理對每4相相位進行辨別，解調得到QPSK信號.

4 相干檢測得到QPSK信號的EVM分析

由于QPSK信號是一種非恒包絡調制，信號在相位和幅度上都會出現誤差，因此恒包絡調制中的指標——相位誤差和頻差，就不足以反映調制精度.誤差矢量幅度(Error Vector Magnitude,EVM)通過比較測量信號矢量S和參考信號矢量R，得到二者間的誤差矢量E，可以在星座圖上清楚地反映非恒包絡信號的劣化程度[9-10].EVM值與誤碼率成正比，測試速度優于眼圖及BER測試，算法簡單、且能夠提供更多觀察信息.

對于解調得到的QPSK信號，其EVM的計算式可定義為：

(5)

圖7 QPSK信號的光通信(Back-to-Back)實驗框架圖

其中，I0、Q0是發送端發出的理想信號的I相、Q相成分，It、Qt是采樣點t得到的實測信號的I相、Q相成分，T是采樣周期.

(a)發送端光信號5.95 dBm，本振光信號強度-9.9 dBm，EVM=16.819%

QPSK信號的光通信實驗(Back-to-Back)框架系統如圖7所示.光發送端的激光器將光輸入IQ調制器，在信號發生器的作用下，被調制成為QPSK光信號.QPSK光信號經過光纖傳輸到達光接收端，經過90o光學混波器解調，由平衡二極管檢測光信號輸出為電信號，再由計算器提取電信號進行數字相干信號處理.解調得到的QPSK信號如圖8所示.圖8(a)、(b)分別給出了不同強度激光下得到的QPSK信號.其中圖8(b)的信號光強度與LO本振光強度分別比圖8(a)低3.5 dB.其中，圖8的第一排分別給出了光接收機接收到的生QPSK信號、以及經數字相干處理后得到的QPSK信號的星座圖，可以看到經處理后的QPSK信號的相位分別為±π/4、±3π/4；圖8的第二排分別還原了I相信號和Q相信號的波形圖，其中虛線是生信號，實線是經數字相干處理后得到的信號.經計算分析得到圖8(a)、(b)的信號EVM值分別為16.819%和27.028%，可以看到在降低光強度后，EVM的值變大.EVM值越大說明信號劣化程度越高，恢復出的信號誤差越大；反之則劣化程度越低，信號誤差越小.根據星座圖顯示，由于輸入光強減小，信號的信噪比降低，信號的抗干擾能力變小.從EVM角度來看，EVM值增大會導致不同相位符號間出現重疊狀態而導致誤碼(如圖8(b)的星座圖所示).

5 結束語

文章詳細介紹了IQ信號調制器的原理、相干光檢測技術的原理，以及數字相干處理技術.實驗運用IQ信號調制器生成QPSK信號，運用90o光學混波器和平衡二極管對接收到的QPSK信號進行相干檢波，并通過數字相干信號處理技術還原得到QPSK原始信號.經過對信號的EVM值分析，驗證得到光信號的質量隨著輸入光強度的減弱而降低.這是由于輸入光強度減弱，信號的信噪比降低，使得信號在光通道中傳輸時的抗干擾能力減小而導致誤碼率增加.從QPSK信號的星座圖中，可以發現隨著EVM值的增加，不同相位符號間出現了重疊狀態，這將導致系統傳輸的誤碼率增加.