基于MB－OFDM UWB信號(hào)的MMF系統(tǒng)性能分析與仿真

李 莉，康 睿，韓 珊，黃文祥，胡貴軍

(吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

多模光纖(MMF)目前作為光信號(hào)傳導(dǎo)媒質(zhì)廣泛應(yīng)用在局域網(wǎng)和存儲(chǔ)區(qū)間網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。目前，許多已經(jīng)鋪設(shè)的骨干以太網(wǎng)都是以多模光纖為基礎(chǔ)的，一般能支持1 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率［1］。近年來(lái)，如何在已有的骨干網(wǎng)基礎(chǔ)上使原有的1 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10 Gb/s是業(yè)界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。而在多模光纖中引用高數(shù)據(jù)傳輸速率的新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)原骨干以太網(wǎng)升級(jí)的一個(gè)重要研究方向。超寬帶(UWB)技術(shù)具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多徑和易數(shù)字化等諸多優(yōu)勢(shì)，在眾多的高數(shù)據(jù)傳輸速率技術(shù)方案中脫穎而出。近幾年，UWB技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。就UWB傳輸技術(shù)方案而言，目前存在兩大主流方案:多帶正交頻分復(fù)用(MB－OFDM)技術(shù)方案和直接序列碼分多址(DS－CDMA)技術(shù)方案［2］。但在高速數(shù)據(jù)傳輸方面，MB－OFDM UWB技術(shù)方案具有一定的優(yōu)勢(shì)，并獲得越來(lái)越多的支持。

本文將MB－OFDM UWB技術(shù)應(yīng)用在MMF通信系統(tǒng)中，重點(diǎn)研究了MB－OFDM UWB技術(shù)是否能很好抵抗MMF模式色散的影響與采用PAPR減小方法改善MB－OFDM UWB MMF系統(tǒng)非線性問(wèn)題。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了MB－OFDM UWB技術(shù)在多模光纖中應(yīng)用的可行性。

1 基于MB－OFDM UWB信號(hào)的多模光纖通信系統(tǒng)

1.1 MB-OFDM UWB MMF系統(tǒng)

MB－OFDM UWB MMF系統(tǒng)由MB OFDM UWB調(diào)制模塊、MB OFDM UWB信號(hào)解調(diào)模塊、光發(fā)送模塊及光接收模塊四個(gè)部分構(gòu)成。在發(fā)送端二進(jìn)制數(shù)據(jù)經(jīng)星座映射，轉(zhuǎn)換成適于系統(tǒng)傳輸?shù)腝PSK、16QAM等調(diào)制方式。這樣的一個(gè)高速數(shù)據(jù)流經(jīng)S/P轉(zhuǎn)換后，信息速率降低，碼元寬度增大，成為多載波并行傳輸數(shù)據(jù)，再依次經(jīng)過(guò)IFFT，并加入循環(huán)前綴，得到了數(shù)字信息序列OFDM信號(hào)。這個(gè)OFDM信號(hào)對(duì)時(shí)頻載波進(jìn)行調(diào)制，得到MB－OFDM UWB信號(hào)。MB－OFDM UWB信號(hào)進(jìn)入光發(fā)送模塊，直接控制半導(dǎo)體激光器(LD)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，之后注入MMF進(jìn)行傳輸。在接收端光接收模塊中，經(jīng)光電二極管(PD)檢測(cè)MMF傳輸?shù)墓庑盘?hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。MB OFDM UWB解調(diào)模塊與調(diào)制模塊功能相反，將MB OFDM UWB信號(hào)攜帶的數(shù)據(jù)恢復(fù)。

1.2 多模光纖信道模型

影響多模光纖傳輸特性的最主要因素是多模光纖的模式色散，因此，想要很好地在模型中描述出多模光纖的傳輸特性，就要求模型能夠很好描述出多模光纖的模式色散，也就是要在模型中表現(xiàn)出多模光纖各導(dǎo)模之間的時(shí)延差異。多模光纖模式色散對(duì)信號(hào)的影響，非常類似無(wú)線通信中的多徑傳輸［3－5］，因此，可借助對(duì)多徑衰落信道建模的方法，對(duì)多模光纖信道建模。本文采用了一種基于傳輸模式時(shí)延的多模光纖函數(shù)模型。該模型的傳遞函數(shù)為

式中:N為多模光纖傳輸種類數(shù)td，n是第n個(gè)導(dǎo)模的時(shí)延，這是由于多個(gè)模式在多模光纖中傳播產(chǎn)生了模式色散的緣故。對(duì)式(1)進(jìn)行傅立葉變換可得模式數(shù)為N的多模光纖的頻率響應(yīng)函數(shù)

式(3)中，td，n差異很大，它與光纖的種類和長(zhǎng)度及光纖外部環(huán)境有關(guān)。可以假設(shè)td，n服從均勻分布，設(shè)其方差為μ，標(biāo)準(zhǔn)差為σ。由此可得td，n的概率密度函數(shù)為

式中:μ、σ與光纖的長(zhǎng)度L、導(dǎo)模數(shù)N及光纖的折射率分布有關(guān)。經(jīng)過(guò)仿真可得這種模型下的多模光纖傳輸特性(見(jiàn)圖1)。

圖1 多模光纖傳輸特性曲線Fig.1 Transm ission characteristic ofmultimode fiber

從圖1仿真結(jié)果可以看出，多模光纖信道具有很強(qiáng)的頻率選擇性。在仿真頻率范圍(0—6 GHz)內(nèi)，多模光纖信道的頻率特性是由一系列帶通區(qū)域組成，并且隨頻率的增加信道幅頻特性沒(méi)有明顯的衰減趨勢(shì)，這說(shuō)明多模光纖信道的高頻率端也是可利用的。

2 MB－OFDM UWB MMF系統(tǒng)性能分析

2.1 MB-OFDM UWB技術(shù)克服模式色散作用機(jī)理

目前，普遍采用的MB－OFDM UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案是基于時(shí)頻交織的OFDM(TFI－OFDM)方案。此方案是由美國(guó)德州儀器(Texas instrument，TI)公司率先提出的，經(jīng)反復(fù)多次的修改整合最終成型。MB－OFDM UWB系統(tǒng)將3.1 GHz～10.6 GHz的頻寬以528 MHz為標(biāo)準(zhǔn)劃分成了14個(gè)子頻段。

由圖1可知，MMF信道是頻率選擇性信道，這個(gè)頻率選擇性是由模式色散帶來(lái)的。當(dāng)將高速率信號(hào)注入MMF信道傳輸時(shí)，由于高速數(shù)據(jù)流的帶寬很寬，因此，受到MMF信道頻率選擇性的影響，就會(huì)帶來(lái)碼間干擾(ISI)。MB－OFDM UWB技術(shù)將寬帶的頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換為若干個(gè)窄帶的平衰落信道，因而將高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為若干個(gè)低速的數(shù)據(jù)流分別在窄帶的平衰落的子信道上傳輸。由于在子信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率較低，因而可克服模式色散的影響。

2.2 MB-OFDM UWB系統(tǒng)PAPR減小方法研究

當(dāng)MB－OFDM UWB MMF系統(tǒng)工作在較高的速率時(shí)，在發(fā)送端要利用馬赫－曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)進(jìn)行光調(diào)制。由于MB－OFDM UWB信號(hào)是多載波調(diào)制，存在峰值平均功率(PAPR)比較高的問(wèn)題，減小MB－OFDM UWB信號(hào)的PAPR，可使信號(hào)工作在MZM的線性區(qū)域。選擇性映射(SLM)技術(shù)是使OFDM信號(hào)PAPR減小的有效方法［6－7］。將 SLM方法應(yīng)用于 MB－OFDM UWB MMF系統(tǒng)，可以減小信號(hào)的PAPR，從而減小系統(tǒng)非線性的影響。

SLM MB－OFDM UWB系統(tǒng)發(fā)送端框圖如圖2所示。

圖2 CSLM-OFDM系統(tǒng)發(fā)送端示意圖Fig.2 The illustration of CSLM－OFDM system at transmit end

假設(shè)存在M個(gè)不同的、長(zhǎng)度為N的隨機(jī)相位序列矢量

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果分析

本文采用Optisystem與Matlab仿真軟件對(duì)MB－OFDM UWB多模光纖通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真中子帶寬度為528 MHz，子載波為128個(gè)，子載波間隔為4.125 MHz，載波頻率為3.432 GHz，IFFT周期為 242.4 ns，OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度為312.5 ns，調(diào)制方式為QPSK。多模光纖信道采用前文提到的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，其中纖芯折射率為1.5、包層折射率為1.485、相對(duì)折射率為0.01、數(shù)值孔徑NA為0.212、光纖長(zhǎng)度為300 m。

3.1 MB-OFDM UWB MM F系統(tǒng)抗模式色散仿真

首先產(chǎn)生一個(gè)中心頻率為3.432 GHz的第一子頻帶上MB－OFDM UWB信號(hào)，將生成的MBOFDM UWB信號(hào)加載到多模光纖數(shù)學(xué)模型中，再通過(guò)接收端的接收和解調(diào)，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。仿真過(guò)程中分別作了兩組不同的實(shí)驗(yàn)仿真。兩組實(shí)驗(yàn)仿真條件基本相同，唯一不同之處在于傳輸信號(hào)的調(diào)制方式不同。圖3(a)是QPSK調(diào)制信號(hào)接收端仿真星座圖，圖3(b)則為MB－OFDM UWB調(diào)制信號(hào)接收端仿真星座圖。

分析接收端星座圖可知，相對(duì)于QPSK調(diào)制信號(hào)，MB－OFDM UWB調(diào)制信號(hào)在接收端完成了OFDM解調(diào)后，分別在四個(gè)星座映射點(diǎn)處集中，且集中程度更高。由此可見(jiàn)，MB－OFDM UWB系統(tǒng)的誤碼率性能明顯好于QPSK調(diào)制系統(tǒng)。也就是說(shuō)，MB－OFDM UWB信號(hào)能更好地在多模光纖中傳播，且在多模光纖模式色散的影響下能使整個(gè)系統(tǒng)保持更好的誤碼率性能，這也說(shuō)明了MBOFDM UWB技術(shù)能很好克服多模光纖的模式色散。因此，將MB－OFDM UWB技術(shù)應(yīng)用于多模光纖中是切實(shí)可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

圖3 MB-OFDM UWB系統(tǒng)接收端星座圖對(duì)比Fig.3 Constellation chart com pares the receiver and transm itter

3.2 采用SLM抗MB-OFDM UWB MM F非線性性能仿真

圖4為用Optisystem仿真軟件搭建的采用SLM抗系統(tǒng)非線性仿真平臺(tái)。其中激光器光波長(zhǎng)為850 nm，MZM的最大線性變換幅值為1 V。仿真中的MATLAB模塊有兩種情況，一種情況僅實(shí)現(xiàn)MB－OFDM UWB信號(hào)的產(chǎn)生，另一種情況產(chǎn)生MB－OFDM UWB信號(hào)，并經(jīng)過(guò)SLM產(chǎn)生PAPR較小的MB－OFDM UWB信號(hào)。將兩者進(jìn)行比較，觀察PAPR減小算法對(duì)MZM帶來(lái)的非線性改善。圖5為未加SLM方法和加SLM的MZM輸出光信號(hào)仿真圖比較。

圖5(a)是未加SLM算法時(shí)MZM輸出光信號(hào)。由圖可見(jiàn)，因MB－OFDM UWB信號(hào)PAPR較大，產(chǎn)生峰值失真。圖5(b)是經(jīng)過(guò)SLM算法處理后的MB－OFDM UWB信號(hào)，此時(shí)信號(hào)完全工作在MZM的線性區(qū)間內(nèi)，不會(huì)使MZM產(chǎn)生非線性效應(yīng)。由此可見(jiàn)，在MB－OFDM UWB多模光纖系統(tǒng)中應(yīng)用SLM算法處理信號(hào)的PAPR，可達(dá)到改善MZM非線性失真的目的。

圖4 用Optisystem軟件搭建仿真平臺(tái)Fig.4 Simulation platform by optisystem soft

圖5 有無(wú)SLM仿真結(jié)果比較Fig.5 Comparison of simulation results

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，MB－OFDM UWB技術(shù)確實(shí)可很好克服多模光纖通信系統(tǒng)中模式色散的影響。應(yīng)用SLM映射算法也可很有效地消除因PAPR大帶來(lái)的MZM的非線性。采用MB－OFDM UWB技術(shù)的多模光纖通信系統(tǒng)，不僅能有望實(shí)現(xiàn)10 Gb/s的高數(shù)據(jù)傳輸速率傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，而且還能拓寬光纖中高頻頻帶資源的利用，提高多模光纖的頻譜利用率。目前，MB－OFDM UWB與多模光纖相結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域還屬于起步探索階段，對(duì)其中的一些作用機(jī)理和關(guān)鍵問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。

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