單邊帶光載LDPC-OFDM系統(tǒng)的傳輸性能

席在芳，劉懿，吳笑峰，胡仕剛

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭，411201)

單邊帶光載LDPC-OFDM系統(tǒng)的傳輸性能

席在芳，劉懿，吳笑峰，胡仕剛

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭，411201)

對LDPC-OFDM信號在單邊帶光調制系統(tǒng)中的傳輸性能進行研究，介紹OFDM單邊帶調制系統(tǒng)原理，建立FDM單邊帶調制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，仿真、分析并比較原始OFDM信號和LDPC-OFDM信號在單邊帶調制系統(tǒng)中的誤碼性能和星座圖。研究結果表明：在傳輸距離相同的條件下，LDPC-OFDM信號的誤碼性能比原始OFDM信號的誤碼性能好；LDPC編碼具有較強的糾錯能力，前向糾錯編碼技術的使用彌補了光纖鏈路中色散對傳輸信號質量的影響；在OFDM信號的基礎上采用LDPC編碼能獲得較好的編碼性能增益。

單邊帶調制；OFDM信號；LDPC信號

OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技術具有抗多經衰落和抗窄帶干擾等特點，由于光纖信道中的色散與無線信道中的多徑效應很相似，所以，將 OFDM 技術引入到光纖傳輸系統(tǒng)中是目前研究熱點之一[1?7]。OFDM 的基本原理是把高速數(shù)據(jù)流分散到多個正交的子載波上傳輸，從而使各個子載波上的符號速率大大降低。但在多徑衰落較嚴重的傳播條件下，信道呈現(xiàn)較嚴重的頻率選擇性衰落特性，OFDM系統(tǒng)的個別子載波容易被噪聲淹沒，而且隨著傳輸距離的增大，色散效應越嚴重，碼間串擾(ISI)也會越嚴重。使用前向糾錯編碼可以對系統(tǒng)的色散進行補償，提高系統(tǒng)的BER(basic encoding rules)性能。LDPC(low density parity check code)糾錯編碼是一種性能較優(yōu)的前向糾錯(FEC)技術[8?10]。在相同碼率下，LDPC碼能獲得比RS碼更高的編碼增益[11]。FEC技術是在傳輸碼列中填入糾錯碼，降低了信號傳輸速率和接收端光信噪比(OSNR)容限，獲得編碼增益，提高了系統(tǒng)的傳輸性能。本文主要研究LDPC-OFDM信號在單邊帶光載系統(tǒng)中的傳輸性能；在相同條件下，對同碼率的LDPC-OFDM 信號和原始 OFDM 信號的傳輸性能進行比較，這2種信號分別經過50 km和 200 km的SMF(single-mode fiber，單模光纖)后，比較LDPC-OFDM 信號和原始 OFDM 信號的編碼增益以及接收到的星座圖。

1 理論分析

基于 OFDM 信號的單邊帶調制系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。激光源(LD)產生連續(xù)光波，其波形為

式中：E0(t)為連續(xù)光波表達式；p0為光載波功率；0為角頻率。信號s(t)與射頻信號幅度混頻后通過相位調制器(PM)調制到光載波上(其中，v0m為射頻信號幅度)。PM輸出為

式中： 為調制器的調制深度，當 很小時，可以忽略高階邊帶。式(2)的貝塞爾展開式為

其中：Jk(k=0，1)表示第1類k階貝塞爾函數(shù)。調制器的輸出信號經過光濾波器過濾掉下一階邊帶后為

該信號傳輸長度為z的單模光纖后，可表示為：

式中：u為光電檢測器的靈敏度。光電流包含多個頻率成分，經過中心頻率為wRF的帶通濾波器(BPF)后得到的射頻信號為

射頻信號經過混頻器進行混頻，混頻后信號通過低通濾波器(LPF)得到的基帶信號為

圖1 OFDM單邊帶調制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Single sideband modulation system schematic diagram of OFDM

2 性能分析

2.1 OFDM單邊帶系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

采用光通信系統(tǒng)仿真軟件OptiSystem與數(shù)值計算軟件 MatLab相結合建立一個 OFDM 單邊帶傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。整個系統(tǒng)由OFDM基帶傳輸系統(tǒng)結合ROF光纖系統(tǒng)組成，其中包括OFDM信號的產生、光調制發(fā)送、光纖信道、光信號接收、解調、OFDM信號恢復幾部分。原始數(shù)據(jù)流采用長度為 216?1的偽隨機序列，串并變換將串行序列轉換為1 024路并行序列；OFDM基帶信號發(fā)送速率為0.5 Gb/s，采用碼率為1/2的LDPC編碼映射到1 024個進行64QAM調制的子載波上，正交射頻信號為 10 GHz，LDPC-OFDM信號的I/Q分量分別調制在相位為0°和90°的10 GHz射頻載波上，其光譜圖如圖3所示。激光器(LD)產生中心波長為1 554 nm，線寬為10 MHz，入纖光功率設定為0 dBm的連續(xù)激光作為光載波。光載波的中心頻率為193.1 THz，與10 GHz RF信號混頻后通過PM調制到光載波上，形成LDPC-OFDM光信號。光載波的光譜圖如圖4所示，LDPC-OFDM信號調制到光載波上的光譜圖如圖5所示。光譜包含光載波分量、上一階分量、下一階邊帶和其他低階分量，但低階分量能量較弱，之后它與下一階邊帶被光濾波器濾除。光濾波器采用理想的矩形濾波器，中心頻率為193.11 THz，帶寬為30 GHz。信號通過光濾波器后的光譜只含中心載波和上一階邊帶，如圖6所示。信號傳輸采用衰減速率為0.2 dB/km，色散常數(shù)為16.75 ps/(nm·km)的單模光纖(SMF)。光電檢測器的靈敏度為1 A/W，暗電流為10 nA。在信號的接收解調模塊中，光信號被光電探測器接收轉換為電信號，經過電信號放大以及I/Q相干解調，然后，通過低通濾波器后得到基帶信號?；鶐盘栴l譜見圖 7，發(fā)送信號的頻譜見圖8。比較圖7和圖8可以看出：解調后的基帶信號保留了原始基帶信號所包含主要能量的低頻部分。

圖2 單邊帶OFDM系統(tǒng)仿真圖Fig.2 OFDM system simulation of single side band

圖3 調制后OFDM信號光譜Fig.3 Optical spectrum of modulated OFDM signal

圖4 光載波光譜Fig.4 Spectral figure of optical carrier

圖5 OFDM信號調制到光載波上光譜Fig.5 Optical spectrum of OFDM signal modulated

圖6 經過矩形濾波器后光譜Fig.6 Filter spectrum through rectangular

圖7 接收的基帶信號頻譜Fig.7 Frequency spectrum of received base-band signal

圖8 發(fā)送信號的頻譜Fig.8 Spectrum optical of sending signal

2.2 傳輸系統(tǒng)仿真結果分析

在光通信系統(tǒng)結構和參數(shù)一致即射頻載波為 10 GHz，速率為0.5 Gbit/s的OFDM信號，單模光纖色散系數(shù)D=16.75 ps/(nm·km)時，對OFDM系統(tǒng)仿真分析基于LDPC糾錯編碼和不使用糾錯編碼在64QAM調制下系統(tǒng)的傳輸性能。圖9所示為LDPC-OFDM信號與原始 OFDM 信號在單邊帶光載系統(tǒng)的誤碼率與傳輸距離的關系曲線。從圖9可以看出：使用LDPC編碼的OFDM信號傳輸150 km后的誤碼為1×10?2，傳輸200 km的誤碼小于0.015，優(yōu)于未使用LDPC編碼的OFDM信號的傳輸性能。其主要原因是FEC技術的使用降低了信號傳輸速率，降低了接收端OSNR容限，同時獲得了編碼增益，提高了系統(tǒng)的傳輸性能。圖10所示為使用LDPC編碼和不使用LDPC編碼的系統(tǒng)傳輸效果的星座圖。從圖 10也可以看出：經過64QAM調制后，LDPC-OFDM信號在傳輸50 km和200 km SMF后的星座圖比傳輸同樣距離的原始OFDM信號更清晰。經過仿真結果分析，在傳輸相同距離下，LDPC-OFDM信號的誤碼性能比原始OFDM信號好，說明LDPC糾錯編碼具有較強的糾錯能力，彌補了光纖鏈路中色散對信號造成的影響，提高了信號的傳輸質量，可以廣泛應用于OFDM系統(tǒng)。

圖9 誤碼性能比較Fig.9 Comparison of BER performance

圖10 原始OFDM信號和LDPC-OFDM信號傳輸后的星座圖Fig.10 Constellation diagram of original and LDPC-OFDM signal transmission of OFDM signal

3 結論

(1) 設計了一種基于單邊帶光載LDPC-OFDM傳輸系統(tǒng)。

(2) LDPC編碼具有較強的糾錯能力，前向糾錯編碼的使用彌補了光纖鏈路中色散對傳輸信號質量的影響。在OFDM信號的基礎上采用LDPC編碼能獲得較好的編碼性能增益和更緊湊、清晰的星座圖。但是，LDPC編碼的碼率限制了信號的發(fā)送速率，需進一步完善LDPC的編碼和譯碼過程，提高信號的傳輸速率和系統(tǒng)的編碼增益。

[1] Chen L, Shao Y, Lei X, et al. A novel radio-over-fiber system with Wavelength reuse for upstream date connection[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(6): 387?389.

[2] Chen L,Wen H,Wen S C. A Radio-over-fiber system with a novel scheme for millimeter-wave generation and wavelength reuse for up-link connection[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2006, 18(19):2056?2058.

[3] Ma J,Yu J, Yu C, et al. Fiber dispersion on the code form of the optical mm-wave signal generated by single sideband intensity-modulation[J]. Optics Communications, 2006, 271(2):392?403.

[4] 楊春萍, 王鍵, 李道本. MIMO?OFDM 系統(tǒng)的同步算法[J].中南大學學報: 自然科學版, 2010, 41(2): 578?584.

YANG Chunping, WANG Jian, LI Daoben, Synchronization algorithm for MIMO-OFDM system[J]. Journal of Central South University :Science and Technology, 2010, 41(2): 578?584.

[5] Chen L, Lei X, Wen S C. A novel radio over fiber system with DWDM mm-wave signal generation and wavelength reuse for upstream data connection[J]. Optics Express, 2007, 15(9):5853?5857.

[6] Yu J, Huang M, Qian D, et al. Centralized lightwave WDM-PON employing 16-QAM intensity modulated OFDM downstream and OOK modulated upstream signals[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2008, 20(18): 1545?1547.

[7] 董澤, 曹子崢, 陳林, 等. 60 GHz全雙工OFDM-ROF系統(tǒng)的實驗研究[J]. 通信學報, 2011, 32(2): 72?76.

DONG Ze, CAO Zizheng, CHEN Lin, et al. Experiment on a full-duplex OFDM radio-over-fiber system with 60 GHz opticalmillimeter wave[J]. Journal on Communications, 2011,32(2): 72?76.

[8] Chung S Y. Onthe design of low density parity check codes within 0.0045dB of the shannon limit[J]. IEEE Communication Letters, 2001(5): 58?60.

[9] Dong Z, Lu J, Pi Y, et al. Optical millimeter-wave signal generation and wavelength reuse for upstream connection in radio-over-fiber systems[J]. Journal of Optical Networking, 2008,7(8): 1?7.

[10] Bao H, Shieh W. Transmission simulation of coherent optical OFDM signals in WDM system[J]. Optical Wxpress, 2007,15(8): 4410?4418.

[11] 許渤, 丁宏. 一種 LDPC碼在光纖通信系統(tǒng)中的性能分析[J].光通信研究, 2007(5): 123.

XU Bo, DING Hong. Performance analysis of LDPC code in fiber optic communication systems[J]. Study on Optical Communications, 2007(5): 123.

[12] Luby M G. Improved low density parity check codes using irregular graphs[J]. IEEE Trans On Inform Theory, 2001, 47(2):585?598.

[13] 陳林, 董澤, 李瑛, 等. 采用電光調制器產生毫米波的全雙工通信光纖無線通信系統(tǒng)[J]. 通信學報, 2007, 28(9): 85?90.

CHEN Lin, DONG Ze, LI Ying, et al. Full-duplex radio-over-fiber system with a novel scheme for millimeter-wave generation by single arm modulator[J]. Journal on Communications, 2007, 28(9): 85?90.

[14] Lowery J, Du L, Armstrong J. Performance of optical OFDM inultralong-haul WDM lightwave system[J]. Journal of Lightwave Technology, 2007, 25(1): 131?138.

[15] Wu Y, Caron B. Digital television terrestrial broadcasting[J].IEEE Commun Mag, 1994, 32(5): 46?52.

(編輯 陳燦華)

Performances of single sideband modulated LDPC-OFDM signals in optical transmission system

XI Zaifang, LIU Yi, WU Xiaofeng, HU Shigang

(School of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

The LDPC-OFDM signal in single sideband optical modulation system of transmission performance was studied. The principle of OFDM single sideband modulation system was introduced and the simulation system of the OFDM single sideband modulation was established. The performance of the original OFDM signal and LDPC-OFDM signal with the single modulation system was simulated, analyzed and compared. The results show that the BER performance and constellation chart of the LDPC-OFDM signal are better than those of the original OFDM signal under the same conditions and good encoding gain can be achieved by using LDPC code in OFDM system.

single sideband modulation; OFDM signal; LDPC signal

TN914

A

1672?7207(2013)03?1070?06

2012?05?20；

2012?07?21

國家自然科學基金資助項目(61074051，61274026)；湖南省科技計劃項目(2011GK3058)；湖南省教育廳資助項目(10C0709)

席在芳(1974?)，男，湖南安鄉(xiāng)人，副教授，從事通信系統(tǒng)與信號處理研究；電話：15273278500；E-mail: zfxi@hnust.edu.cn