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【摘要】分析了直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）传输系统中信号在相位偏移补偿的IQ不平衡问题。建立了DDO-OFDM仿真系统，验证了相位偏移特性下IQ不平衡问题，并在此基础上提出了补偿方法。仿真实验表明，在速率为40Gb/s，4-QAM的情况下，不加色散补偿光纤，采用此补偿方法使O-OFDM信号在SSMF中可传输3000Km以上。
【关键词】光通信；光正交频分复用；相位特性；色散管理
1. 引言
（1）正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）是一种多载波调制技术，基本思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。此技术已经在无线数字传输领域得到了广泛的应用。将OFDM技术应用于光通信中，可以构造出高速率、大容量、低成本的光正交频分复用（Optical OFDM， O-OFDM）传输系统。此系统中循环前缀的引入，进一步有效地对抗光通信系统中的色散效应引起的符号间干扰（ISI）。根据光检测方式不同，可分为直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）和相干光正交频分复用（CO-OFDM）。频谱利用率高、吞吐量大、实现简单、易于优化等优点，使O-OFDM系统在光通信网络中有着潜在的应用价值。
（2）O-OFDM系统有上述优点的同时，由于其调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势，主要表现在峰均比较大， IQ不平衡和对相位噪声极为敏感。O-OFDM系统中，引入IQ不平衡主要是由用于频率变换的模拟元件引起的。引入相位噪声的因素有群速率色散、非线性、以及光器件的相位噪声等，其中色散为主要因素。相位噪声会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成信道间干扰。故而在O-OFDM系统中，需要对接收到的信号进行相位补偿。目前对相移的处理方法有最大似然法的相位估计和基于导频的相位均衡等，另有文献对DDO-OFDM系统中的放大器相位噪声做了详细的分析。本文在模拟仿真系统中，通过发送训练序列，学习出色散效应导致O-OFDM信号相位偏移规律和IQ不平衡导致的相位偏移规律，并在此基础上提出了更为简便的相位补偿方法，降低了系统中色散管理的复杂度。
2. O-OFDM信号相移分析
（2）O-OFDM信号经过光纤信道传输后，受到色散等因素的影响，相位发生了一定的偏移。为了延长传输距离和改善信号的质量，我们需要对相位偏移进行补偿，尽可能的使其恢复至光调制前信号的相位值。
3. IQ不平衡分析
I支路和Q支路上的本地振荡器（LO）信号的相位差并不是严格的90°，并且两支路上的总增益也不是严格相等。这些因素会导致I支路和Q支路间的相位和增益不匹配，这就是所谓的“IQ 不平衡”。IQ不平衡主要是由用于频率变换的模拟元件引起的，因为这些模拟元件在制作工艺上存在着不精确性。
3.1接收端/发射端IQ 不平衡的非对称性模型。
（1）在本文中，我们采用上/下变频的LO 信号的相位和幅度差错，来对IQ不平衡进行建模。这种建模既可以是对称性的，也可以是非对称性的。在对称性的建模中，I支路和Q支路均分摊一半的相位和幅度差错。在非对称性的建模中，我们假定I 支路是理想的，而将所有的相位和幅度差错均归结到Q支路上。值得注意的是，很容易证明这两种建模方式是等效的。在本文后续的分析中，我们将采用非对称性的建模方式。
4. 仿真结果分析
本文结合OptiSystem和MATLAB软件，构造了单边带DDO-OFDM仿真系统。系统中的各个参数设置如下：采用4-QAM调制和256点的IFFT变化，子载波数设定为128，其余并行信道采用补零法来降低同频信道的干扰。I/Q调制模块的载波频率取7.5GHz。光源采用DFB半导体激光器。激光器的谱宽为1MHz，光调制频率为193.1THz。光纤采用标准单模光纤，损耗为0.2dB/Km，群速率色散取值16.75ps/nm-Km，三阶色散系数为0.075 ps/nm2-Km。在接收端，PIN光电检测器的响应度设定为1A/W，暗电流为10nA。系统传输速率为40GBits/s。
4.1星座图比较。
5. 结论
分析了O-OFDM系统中信号在相位偏移作用下的IQ不平衡补偿，从模拟仿真系统中得出相移规律，并在此基础上提出了相位补偿方法。通过将该方法应用于仿真系统中，我们得出采用4-QAM，传输速率为40Gb/s的情况下，不加色散补偿光纤，可以在标准单模光纤中传输3000Km以上。相说对于传统的复用技术来说，降低了色散管理的成本，提高了频谱利用率。从此可以看出，O-OFDM技术在未来的高速超长距离的光通信中有着潜在的研究价值和应用前景。
【关键词】光通信；光正交频分复用；相位特性；色散管理
1. 引言
（1）正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM）是一种多载波调制技术，基本思想是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。此技术已经在无线数字传输领域得到了广泛的应用。将OFDM技术应用于光通信中，可以构造出高速率、大容量、低成本的光正交频分复用（Optical OFDM， O-OFDM）传输系统。此系统中循环前缀的引入，进一步有效地对抗光通信系统中的色散效应引起的符号间干扰（ISI）。根据光检测方式不同，可分为直接检测光正交频分复用（DDO-OFDM）和相干光正交频分复用（CO-OFDM）。频谱利用率高、吞吐量大、实现简单、易于优化等优点，使O-OFDM系统在光通信网络中有着潜在的应用价值。
（2）O-OFDM系统有上述优点的同时，由于其调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势，主要表现在峰均比较大， IQ不平衡和对相位噪声极为敏感。O-OFDM系统中，引入IQ不平衡主要是由用于频率变换的模拟元件引起的。引入相位噪声的因素有群速率色散、非线性、以及光器件的相位噪声等，其中色散为主要因素。相位噪声会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成信道间干扰。故而在O-OFDM系统中，需要对接收到的信号进行相位补偿。目前对相移的处理方法有最大似然法的相位估计和基于导频的相位均衡等，另有文献对DDO-OFDM系统中的放大器相位噪声做了详细的分析。本文在模拟仿真系统中，通过发送训练序列，学习出色散效应导致O-OFDM信号相位偏移规律和IQ不平衡导致的相位偏移规律，并在此基础上提出了更为简便的相位补偿方法，降低了系统中色散管理的复杂度。
2. O-OFDM信号相移分析
（2）O-OFDM信号经过光纤信道传输后，受到色散等因素的影响，相位发生了一定的偏移。为了延长传输距离和改善信号的质量，我们需要对相位偏移进行补偿，尽可能的使其恢复至光调制前信号的相位值。
3. IQ不平衡分析
I支路和Q支路上的本地振荡器（LO）信号的相位差并不是严格的90°，并且两支路上的总增益也不是严格相等。这些因素会导致I支路和Q支路间的相位和增益不匹配，这就是所谓的“IQ 不平衡”。IQ不平衡主要是由用于频率变换的模拟元件引起的，因为这些模拟元件在制作工艺上存在着不精确性。
3.1接收端/发射端IQ 不平衡的非对称性模型。
（1）在本文中，我们采用上/下变频的LO 信号的相位和幅度差错，来对IQ不平衡进行建模。这种建模既可以是对称性的，也可以是非对称性的。在对称性的建模中，I支路和Q支路均分摊一半的相位和幅度差错。在非对称性的建模中，我们假定I 支路是理想的，而将所有的相位和幅度差错均归结到Q支路上。值得注意的是，很容易证明这两种建模方式是等效的。在本文后续的分析中，我们将采用非对称性的建模方式。
4. 仿真结果分析
本文结合OptiSystem和MATLAB软件，构造了单边带DDO-OFDM仿真系统。系统中的各个参数设置如下：采用4-QAM调制和256点的IFFT变化，子载波数设定为128，其余并行信道采用补零法来降低同频信道的干扰。I/Q调制模块的载波频率取7.5GHz。光源采用DFB半导体激光器。激光器的谱宽为1MHz，光调制频率为193.1THz。光纤采用标准单模光纤，损耗为0.2dB/Km，群速率色散取值16.75ps/nm-Km，三阶色散系数为0.075 ps/nm2-Km。在接收端，PIN光电检测器的响应度设定为1A/W，暗电流为10nA。系统传输速率为40GBits/s。
4.1星座图比较。
5. 结论
分析了O-OFDM系统中信号在相位偏移作用下的IQ不平衡补偿，从模拟仿真系统中得出相移规律，并在此基础上提出了相位补偿方法。通过将该方法应用于仿真系统中，我们得出采用4-QAM，传输速率为40Gb/s的情况下，不加色散补偿光纤，可以在标准单模光纤中传输3000Km以上。相说对于传统的复用技术来说，降低了色散管理的成本，提高了频谱利用率。从此可以看出，O-OFDM技术在未来的高速超长距离的光通信中有着潜在的研究价值和应用前景。