CO-OFDM 传输系统调制方式分析
引言
正交频分复用（OFDM）技术是随着数字信号处理技术的成熟而逐渐发展起来的一种数字多载波调制技术，目前主要应用在无线通信系统中，它将高速的数据信号分成多路低速数据信号，并调制的一组正交子载波上进行并行传输，可以有效地抵抗无线信道多径衰落并提高系统频谱利用率[1]。
在光纤通信系统中，光纤的色度色散和偏振模色散严重限制了高速数据信号的传输距离。由于光纤色散的影响和无线信道中多径效应的影响有类似的效果，即色散使不同频率成分的光波具有不同的传播速度，而无线信道中的多径效应使经过不同路径的信号成分到达接收端的时间不同，因此，OFDM 调制技术同样可以用来克服光纤的色度色散和偏振模色散以及多模光纤的模间色散的影响。将OFDM 技术引入到光通信中，使高速的数据信号能够在大色散信道中远距离传输的技术，即光正交频分复用技术（O-OFDM）。
最早将OFDM引入到光通信领域的是Dixon, 他首先提到用多模光纤传输OFDM信号；随后在2005 年以来，O-OFDM 的研究大量涌现。它是集中了数字信号处理和光纤通信技术优点的一种新型的光通信技术，可以有效地抵抗光纤传输链路中色散、偏振模色散等效应[2，3]，并可以提高系统的频谱利用率[4，5]，因而近年来得到了广泛的研究。
为了在光纤通信系统中进一步延长通信距离，提高通信传输容量，可以利用无线电通信中使用的外差接收技术，即相干光通信系统。相干通信系统采用相干调制（CO），还保证了光域信号到射频信号的变换为线性变换，满足了OFDM 系统的线性要求，同时，OFDM技术使线性系统计算效率高、信道简单并可进行相位估值。因此，将相干探测与OFDM 技术相结合，即CO-OFDM 技术，在下一代100Gbps 传输系统的研究中备受青睐。除此之外，CO-OFDM 还具有WDM、OTDM、IO-OFDM 等系统所没有的优势，主要表现在：
1）由于OFDM 的正交性，最大限度的利用了频谱资源，提高了频谱利用率；
2）CO-OFDM 系统在传输过程中不需要色散补偿，在接收端无需色散处理机制。这样既能够实现高速率传输，降低了网络的复杂度，同时也能适应动态变化的网络环境；
3）CO-OFDM 系统与原来的WDM 系统有很好的兼容性，可充分利用WDM 系统在原有网络基础设施方面的巨大投资，只需要在发射端和接收端进行适当的改造即能够很好的完成升级，具有很强的信道容量可扩展性，扩容方便。
1 O-OFDM 系统原理
无线通信系统中的OFDM 信号为电域信号（RF 域），可以直接在电域进行处理，而O-OFDM 需要在发射端将电信号调制到光波上，在光纤中传输，在接收端再将光信号转换为电信号。其原理框图如图1 所示。在系统的发射端，利用成熟的数字信号处理技术对高速码流进行处理，得到电OFDM 信号。在这一过程中首先对需要传输的高速数据码流进行串并变换，将一路高速的数据流转化为多路速率相对较低的数据信号，随后对各路低速信号进行4QAM, 16QAM 或QPSK 等格式的数字调制，再通过IFFT 变换，将各低速数据流加载的相互正交的子载波上，然后依次进行并串变换、添加循环前缀（CP），再进行数模变换，就得到了电OFDM 信号。然后进行对电OFDM 信号进行上变频及电光调制，再经过电光调制，将电OFDM 信号加载到光波上，利用光纤通信技术的优点，可以很容易地通过光纤实现低成本、长距离传输。在信号的接收端，首先进行光电变换及下变频，得到原来的电OFDM基带信号，对电OFDM 信号解调，得到原始的数据。
O-OFDM 研究的重点是E/O 和O/E 转换及光纤传输问题。近几年来，根据接收端收到的光模式种类将光OFDM 解决方案分为两大方面：光强调制和线性光场调制。前者用于多模系统，即多模光纤、POF 或光无线，后者用于单模系统，即单模光纤。
1.1 光强调制—多模系统
在多模光纤、POF 或光无线系统中，接收端有多种光模式，OFDM 信号必须用光强表示（用光强表示时系统是线性的）。也就是说调制信号必须是正极实值信号，然而基带OFDM信号是双极性的。因此，如何产生单路的OFDM 实值信号成为研究重点，目前有两种解决方案，即直流偏置光OFDM（DCO-OFDM）和非对称限幅OFDM（ACO-OFDM）。
DCO-OFDM 系统就是将OFDM 信号的时域波形加一个直流偏置电压，使双极性的信号波形向上平移，变为单极性的。但是，由于加入直流偏置电压，不仅会导致峰均比（PARR）过高，降低系统性能，还降低了光功率利用率。ACO-OFDM 系统是将OFDM 的负值信号削掉，只保留正值信号，这样会导致严重的子载波干扰（ICI），但是如果只保留奇数频段信号，子载波干扰只落在偶数频段，这样就不用外加直流偏置电压，不仅提高了光功率利用率，还能有效改善ICI。
1.2 光场调制—单模系统
根据单模光纤系统特性，只能采用光场调制，不能采用光强调制，根据接收器的接收方式，O-OFDM 大致上可以分为两类：相干光OFDM（CO-OFDM 和直接探测OFDM（DD-OFDM）。
相干光 OFDM （CO-OFDM）：这种形式的OFDM 信号和无线通信中的在OFDM 一样，不过光载波替代RF 载波。由于涉及到相干探测，对发送和接收端的本振激光器要求很高。
如果射频 OFDM 信号经过光调制器调制到光波上，光波中包含光载波和射频信号，在接收端，可以直接利用光电探测器进行探测，光电流中包含射频的OFDM 信号，经过滤波即可提取出所需的射频OFDM 信号。由于CO-OFDM 信号的解调需要本振光源，并且对发射器和接收器的光源带宽要求很高（<100MHz），因此实现成本很高。CO-OFDM 中仍然存在本证信号的频率俘获、跟踪，以及相位的估计校正问题。
直接探测 OFDM(DD-OFDM)：或称非相干光OFDM（IO-OFDM），由于发射端注入到光纤的信号中包含光本振信号，在接收端直接由光电探测器就可以将OFDM 信号恢复到电域，因此接收端比较简单。DD-OFDM 不但使 O-OFDM 信号的O/E 转换大大简化，系统对激光器相位噪声和频偏不敏感，因此可以用于长距离传输，还可以应用于接入网。但是，发射信号的功率中光本振信号占很大比例，光谱利用率也由于本振信号的影响而降低[1]。
综上分析，为了实现高速大容量传输系统，并提高光谱利用率，本文采用基于CO-OFDM的单模光纤传输系统。
2 CO-OFDM 系统原理与实验系统模型
相干光正交频分复用技术（CO-OFDM）技术是一种新型的光复用技术，该技术结合了相干检测和OFDM 的双重优点，在电域到光域上的转换和光域到电域的转换中，相干系统带来了OFDM 所需的线性，OFDM 使线性系统的计算效率高，信道简单并可直接进行相位估值。对下一代100Gbps 的传输系统而言，CO-OFDM 是很好的调制方式。另外，由于单模光纤传输频带宽、容量大、传输距离长，本文选择单模光纤作为传输信道。
2.1 CO-OFDM 系统理论模型
CO-OFDM 系统与同OOFDM 系统原理图类似，如所示，它主要包括五个部分，分别为：射频OFDM(RF OFDM)发送端，电光(RF-To-Optical, RTO)上变频器、光传输链路、光电 (Optical-To-RF, OTR)下变频器和RF OFDM 接收端。
在RF OFDM 发送端，二进制串行数据流经过星座映射，逆傅立叶变换（IFFT），导频符号、训练序列以及循环前缀添加，数模转换，滤波等处理过程后形成基带OFDM 信号，并将其调制到射频上；电光上变频器是利用马赫—曾德调制器（MZM：Mach–ZehnderModulation）将RF OFDM 信号调制到光域上；光传输链路中包括用来传输的光纤和用于补偿链路损耗的EDFA；在光电下变频器中，采用光相干检测，使用两对平衡接收机进行零差检测，将光OFDM 信号还原为射频OFDM 信号，完成光电转换；在RF OFDM 接收端将射频OFDM 信号还原成基带OFDM 信号，之后进行的是RF OFDM 发送端的逆过程，如滤波、数模转换等，将基带OFDM 信号恢复为原始的二进制串行数据流[6]。
2.2 CO-OFDM 实验系统模型
通过上面 CO-OFDM 系统原理分析，我们搭建了10Gbps CO-OFDM 单模光纤系统。为10.7Gb/s 的CO-OFDM 单模光纤系统组成框图。
如示，CO-OFDM 系统的基本理论和信号处理过程与前面所讲述的CO-OFDM 系统是一致的，只是该系统基带OFDM 信号的发送端和接收端由计算机来完成。基带OFDM 信号是由Matlab 程序产生，即将随机二进制序列经过QPSK 或MQAM 调制，再经IFFT 变换，之后插入循环前缀，将数据的实部和虚部分别上传到任意波形发生器（AWG）进行DA 转换，即形成OFDM 射频信号。然后两路信号分别进入一个光学I/Q 调制器的I 和Q 端口，直接将RF OFDM 调制到光域上；光OFDM 信号传入光纤环路进行传输，该光纤环路由单模光纤和EDFA 组成，其中EDFA 用于补偿链路的损耗。
在接收端，调节本地激光器LD2 的频率使其接近发送激光器LD1 的频率，使用两个平衡接收机检测对光OFDM 信号的实部和虚部进行相干光检测，完成光电转换，将光信号转换到射频上，之后利用抽样速率为20 GS/s 的时域抽样观察仪（TDS）对RF 信号进行抽样，采样得到的数据下载到电脑，利用Matlab 来进行信号处理，处理过程包括：利用新的定时同步算法进行IFFT 窗同步；频偏补偿；相位估计和信道估计；每个载波的星座图的建立和误码率的计算。
3 系统调制方式分析
在 CO-OFDM 系统中光纤色散是一个最显著的特点，不同的调制编码方式直接影响着系统的OSNR、光纤色散容限以及非线性效应等因素。面对各种的调制编码方式，在综合考虑其他设计参数的基础上，应主要从传输距离、传输容量、频谱利用率、误码率以及它们之间的平衡等方面进行选择。在CO-OFDM 系统中，可以采用PSK，DPSK，QAM 等调制方式，由于色散等因素会对信号的幅度和相位造成不同程度的影响，对实际系统而言选择最优的调制方式，争取能获得很好的频带利用率，还能降低实现复杂度。
二进制数字调制系统是数字调制系统的最基本的方式，但它的频带利用率较低，所以为了提高频带利用率，通常采用多进制(M 进制)的数字系统，其代价是增加信号功率和实现上的复杂度。对于MPSK 和MQAM 调制，一般用矢量图表示，矢量端点之间的最小距离，说明了系统抗误码率的强弱，直接反映了系统的性能。MPSK 和MQAM 调制方式最小距离满足下式：
由此可见，虽然随着M 的增加，可以增加信息的传输速率，但最小距离逐渐减少，使噪声容限随之减少，误码率也随之减少；而且随着M 的增加，MQAM 调制比MPSK 调制的最小距离小，也就是说MQAM 调制比MPSK(M 大于2)调制抗误码率能力强,所以主要讨论QPSK 和MQAM 调制方式。
在整个仿真系统中，采用Matlab 与Optisystem 相结合的方式，Matlab 进行电域信号的处理，包括比特数据流的串并，并串变换，FFT 和IFFT 运算，同步以及信道估计等，然后光电转换、光纤链路以及电光转换由Optisystem 完成。基带OFDM 符号速率为10Gbps，IFFT长度为 512，并行子载波个数为256，保护间隔（即循环前缀长度为64），每一帧有10 个OFDM 信号，采用块状导频插入法, 一帧插入1 个导频信号，即每10 个OFDM 信号有1 组导频，导频信号用来定时同步和信道估计。光纤色散常数为默认的16 ps /(nm?km)，两个激光器频率均选193.1THZ。当 M取32 及以上时，需要更大的OSNR才能使BER维持在10?3以内，但此时因输入光纤功率太大，光纤的非线性效应加强，造成系统性能恶化。
是2PSK，4QAM 和两种调制方式下系统BER 与传输距离之间的关系。光信噪比为12dB。由图中可以看出，由于系统进行了信道估计及补偿，所以短距离传输时的误码率都很理想，但是随着传输距离的增加，三种调制方式的抗误码率性能都下降，这主要是由于光纤色散使光脉冲在传输过程中展宽了，产生了码间干扰，造成误码，而且光脉冲展宽程度随着传输距离的增加越来越严重，使系统信号的传输距离受到了限制。采用2PSK 调制时，系统的抗BER性能较佳，要使系统误码率维持在103时，传输距离可以达到1800km。采用4QAM调制时，系统误码率维持在103时的传输距离为1600 km，但此时系统的具有较好的频带利用率；而对于16QAM 调制，系统误码率维持在10?3时的传输距离不到800 km，因此不做分析。
由此可见，在 CO-OFDM 系统的调制方式中，传输容量、传输距离以及系统误码率三者之间是相互矛盾的，所以选择调制方式时要结合实际情况与系统要求综合考虑。
4 结论
本文给出了 CO-OFDM 单模光线传输系统的理论模型，并试验分析了不同调制格式对系统性能的影响。综合考虑实现复杂度与系统性能，在搭建100Gbps 长距离传输系统时选择的调制方式是4QAM，因为它的抗误码率能力和频带利用率较高，而且还能保证长距离无需色散补偿传输。
虽然 CO-OFDM 的研究目前还处于实验阶段，但是与传统的光通信相比，它不但最大限度的利用了频谱资源，而且对抗色散能力强，无需色散补偿，同时它在现有的网络基础设施上能很好的升级, 扩容方便，所以在高速率、大容量和长距离传输系统中有广阔的应用前景。
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[参考文献] (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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