自载波提取相干OFDM系统研究*

刘 皎

（商洛学院电子信息与电气工程学院 商洛 726000）

1 引言

CO-OFDM系统充分利用了光功率，敏感性较高，且增加了光谱功率，减少了带宽需求［1～3]，为超长距离的光链路传输提供了良好的解决方案。但是它还存在一些缺点，如所需要的本地激光器线宽要求较高，造价昂贵；本地载波与光载波之间存在相位噪声［4～5]和偏振方向差异［6～9]等问题将极大地影响系统的传输性能和实际应用价值。

为了减小相位噪声，提出了采用光自载波提取的方案。在该方案中，光载波从输入的光OFDM信号中提取。与传统相干光系统相比，该方案中光载波和光OFDM信号来自同一个信源，因此，尽管输入信号存在随机偏振旋转，但是光载波和光OFDM信号的偏振相同，这样就不需要进行偏振差异检测，且简化了相位估计，达到提升系统性能的目的。

2 传统CO-OFDM系统

在传统的相干光传输中，通常在接收端使用本地激光器产生连续波来与输入信号进行相干，如图1所示。其中，OFDM发射机输出基带OFDM信号。随后利用由一对相差90°的马赫-曾德调制器（MZM）［10～11]组成的光 I/Q 调制器［12]，上变频将基带信号转换成光信号。在OFDM接收端，下变频接近直流的OFDM信号首先经模/数转换器（ADC）采样后经过精密的3级同步判决输出接收数据。在该系统中本地激光器需要有窄的线宽，并且对于不同波长的输入信号来说是可调的。对于更实用的数字相干接收机而言，必须采用数字信号处理（DSP）来实现相位检测，从而补偿输入信号和本地激光器之间的相位噪声［13～14]。由于输入信号偏振方向存在随机旋转，还需要采用偏振差异检测方案，并用DSP进行偏振旋转估计和信号恢复。这增加了系统的复杂性的同时增加了系统成本。

3 自载波提取的CO-OFDM系统

为了消除相位噪声，简化系统，考虑采用光自载波提取的方案，其系统仿真如图2所示。在接收端，输入的光OFDM信号由光耦合器分为两个支路：一路直接进入下一个耦合器做相干干涉，另一路经过一个带通滤波器来为相干干涉提取光载波成分。该方案要求：1）输入光OFDM信号有一个光载波成分；2）该载波成分可以和输入信号频谱分离。第一个条件一般通过非载波抑制调制实现，第二个条件通过将OFDM基带信号调制到射频载波或对其进行补零来实现。

图1 传统CO-OFDM系统

图2 利用自载波提取的CO-OFDM仿真系统

4 系统仿真及分析

系统性能与系统参数有密切关系，合理的参数设置有助于系统表现出较好的性能。

表1 VPI软件仿真系统参数设置

在VPI软件中设置的系统参数如表1所示。在仿真过程中，系统在发射端“充零”后，将基带信号调制到中频（10GHz）上。该信号经上变频后进入噪声信道，得到中心频率为193.1THz的OFDM信号。该信号中包含了光载波成分，可经过适合的光带通滤波器（BPF）分离出来。接着光载波与光信号耦合，经两对平衡接收机进行I/Q调制，可得到其电信号频谱。最后，在OFDM接收机中解调后得到数据信号。由其星座图可以看出，整个系统表现出较好的性能。

1）与传统CO-OFDM系统的对比

对利用自载波提取的CO-OFDM系统和传统CO-OFDM系统分别进行了仿真。二者的星座图分别如图3中（a）、（b）所示。虽然利用自载波提取的CO-OFDM的星座点间距小于传统CO-OFDM系统，但我们可以明显地看到，后者的星座点较前者分散得多。显然，利用自载波提取的CO-OFDM系统的星座图好于传统的CO-OFDM系统的星座图。在相同条件下，利用自载波提取的CO-OFDM系统的性能大大优于传统CO-OFDM系统。

2）采样率对系统性能的影响

系统采样率会影响系统的性能，保持系统其他参数不变，增大系统的采样率，能够提升系统性能，其接收星座图如图4所示。

同样，接收机的采样率对系统性能也会有影响。如图5所示，采样率越大，系统性能越好；反之，系统性能越差。

图3 不同结构CO-OFDM系统的星座图

图4 不同系统采样率的星座图

3）提取载波线宽对系统性能的影响

图6给出了不同的提取载波线宽下系统的接收星座图对比。从图中可以看出系统性能与提取出的载波线宽密切相关。适当的提取出的载波线宽可使系统获得较好的星座图。从带光载波成分的OFDM信号可以看到，光载波线宽为1GHz，故而，当提取出的载波线宽为1GHz时，恰能完整分离出光载波，系统性能最佳。当线宽低于1GHz时，光载波成分不能完全提取出来，光载波的不完整性使系统性能下降。而提取载波线宽高于1GHz时，多余的信号成分使平衡检测性能下降，故而系统性能也随之下降。

图5 不同接收机采样率的星座图

5 结语

本文提出了一种利用自载波提取的CO-OFDM系统，并进行了系统仿真。该系统具有相位噪声小，成本低，性能好等特点。仿真结果表明，系统性能受比特率、采样率和提取出的光载波线宽的影响：比特率越小，系统星座图越好；采样率（系统采样率和接收机采样率）越大，系统性能越好；反之，系统性能越差；当提取出的自载波线宽恰好能完整包含光信号载波时，系统性能最佳。

图6 不同提取载波线宽系统性能对比