單邊帶OFDM-ROF 系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償問(wèn)題研究

席在芳，劉懿，吳笑峰，胡仕剛，唐志軍，李勁

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技術(shù)具有較高的頻譜效率、對(duì)時(shí)延擴(kuò)張免疫、可以抗頻率選擇性衰落、信道均衡簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，已在寬帶數(shù)據(jù)通信和無(wú)線通信等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1-2]。OFDM 技術(shù)中的信道均衡加上信道編碼可以幫助抑制單模色散(CD)和偏振模色散(PMD)[3]。將OFDM 技術(shù)融入到ROF 系統(tǒng)中具有較多優(yōu)勢(shì)，在傳輸端可以通過(guò)抑制色散效應(yīng)提高信號(hào)傳輸距離，無(wú)線端又可以直接利用OFDM 技術(shù)在無(wú)線領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。許多研究者研究了OFDM 信號(hào)在光纖中傳輸?shù)膯?wèn)題[2-7]，大部分是采用相干檢測(cè)技術(shù)來(lái)接收OFDM 信號(hào)，采用直接檢測(cè)的光OFDM傳輸系統(tǒng)是為了更好地補(bǔ)償長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中的色散。它們采用的調(diào)制頻率都比較低，較少涉及高頻子載波如毫米波段的研究，大多采用濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制[2-8]。傳統(tǒng)的光載波雙邊帶調(diào)制方式的ROF(radio-over-fiber)系統(tǒng)中傳輸色散引起的信號(hào)失真很大[9]。經(jīng)比較，采用相位均衡技術(shù)和接入色散補(bǔ)償光纖模塊技術(shù)的單邊帶調(diào)制抑制色散的方法具有更好的效果[10-13]。本文研究適應(yīng)于4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)，建立OFDM-ROF 光纖傳輸系統(tǒng)的仿真模型。從理論和仿真分析采用直接檢測(cè)技術(shù)接受信號(hào)的OFDM-ROF 系統(tǒng)的傳輸性能，對(duì)制約系統(tǒng)傳輸性能的色散因素進(jìn)行探討，并提出色散補(bǔ)償?shù)挠行Х椒ā?/p>

1 理論分析

1.1 單邊帶OFDM-ROF 系統(tǒng)分析

其中：μ 為光電檢測(cè)器的靈敏度；β ′=β′( wc)wRFL，表示由一階色散引起的相移。式中忽略了光信號(hào)，光電流主要包含直流分量和射頻分量。

1.2 色散補(bǔ)償技術(shù)方法分析

圖1 基于相位調(diào)制的單邊帶OFDM-ROF 系統(tǒng)Fig.1 Single sideband OFDM-ROF system based on phase modulation

圖2 光纖色散補(bǔ)償鏈路Fig.2 Fiber link compensated by chromatic dispersion

在兩端光纖串接的情況下輸出脈沖包絡(luò)幅度表示為

式中：L = L1+ L2； β2j ( j =1,2)為長(zhǎng) Lj( j=1,2)光纖段的 GVD 參數(shù)。 此時(shí)， 色散補(bǔ)償條件為β21L1+β22L2= 0。因?yàn)镈j=-(2πc / λ2)β2j，所以，色散補(bǔ)償條件變成: D1L1+D2L2= 0。從實(shí)際考慮，L2應(yīng)該盡可能地短，所以，它的色散值D2應(yīng)盡可能大。在本文中，為了減少由于色散而引起的系統(tǒng)性能惡化，提出利用色散補(bǔ)償光纖(DCF)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖按長(zhǎng)度的為1:4 的組合方式構(gòu)成光纖傳輸鏈路的補(bǔ)償方案。

2 性能分析

2.1 OFDM-ROF 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

圖3 單邊帶光載ROF-OFDM 系統(tǒng)仿真圖Fig.3 System simulation of single side band OFDM

圖4 相位調(diào)制后產(chǎn)生的毫米波頻譜圖Fig.4 Spectrograph of phase-modulated millimeter-wave

圖5 通過(guò)BPF 后的單邊帶頻譜圖Fig.5 Spectrograph of single sideband after BPF

采用光通信系統(tǒng)仿真軟件OptiSystem與數(shù)值計(jì)算軟件MatLab 相結(jié)合建立1 個(gè)OFDM-ROF 單邊帶光載傳輸系統(tǒng)，如圖3 所示。在發(fā)送模塊中，激光二極管(LD)發(fā)出線寬很窄的連續(xù)光波輸入到相位調(diào)制器的1 個(gè)輸入端，傳輸二進(jìn)制碼元通過(guò)OFDM 調(diào)制模塊形成模擬信號(hào)，濾出中心頻率為2.5 GHz 的信號(hào)，通過(guò)與20.0 GHz 的正弦波相乘搬移到22.5 GHz 的頻段，輸入到相位調(diào)制器的另一個(gè)輸入端，電信號(hào)被調(diào)制到193.1 THz 的光載波上，通過(guò)帶通濾波器后剩下中心載波和上下邊帶，形成OFDM 毫米波信號(hào)，如圖4 所示。通過(guò)帶通濾波器(BPF)后只剩下中心載波和上邊帶，如圖5 所示。OFDM 信號(hào)由MatLab 程序離線產(chǎn)生，信號(hào)速率為2.5 Gb/s 的偽隨機(jī)碼經(jīng)4-QAM 調(diào)制成1.25 Gb/s 的頻域數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)256 點(diǎn)IFFT 生成OFDM基帶信號(hào)，其中有32 個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)，采用梳狀分布，保護(hù)間隔長(zhǎng)度為OFDM 周期的1/4；然后，對(duì)基帶OFDM信號(hào)的實(shí)部和虛部進(jìn)行I/Q 中頻調(diào)制，中頻信號(hào)頻率為2.5 GHz。在光傳輸模塊中，設(shè)置傳輸鏈路采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)。SSMF 的色散常數(shù)為D=16.75 ps/(nm·km)。在接受模塊，光傳輸信號(hào)被光電檢測(cè)器(PD)接收檢測(cè)轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)。PIN 接收到的頻譜圖見(jiàn)圖6。從圖6 可以看出：該信號(hào)包含了基帶信號(hào)、中心頻率為2.5 GHz 的電信號(hào)和中心頻率為20.0 GHz的毫米波信號(hào)。然后，與頻率為20.0 GHz 的正交載波混頻實(shí)現(xiàn)下變頻。采用帶通濾波器濾除解調(diào)信號(hào)中的高頻成分，得到的中頻OFDM 信號(hào)其中心頻率也為2.5 GHz，之后進(jìn)行I/Q 相干解調(diào)。然后進(jìn)入MatLab單元，在每個(gè)碼元周期處進(jìn)行信號(hào)采樣和量化。將量化數(shù)據(jù)序列除去循環(huán)前綴，經(jīng)過(guò)串并變換后進(jìn)行OFDM 解調(diào)，再經(jīng)過(guò)低通濾波器獲得一組二進(jìn)制序列輸出。光探測(cè)器的靈敏度為1 A/W，暗電流為10 nA。OFDM 解調(diào)則采用256 點(diǎn)FFT。解碼器利用4-QAM星座進(jìn)行判決。

2.2 傳輸系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

2.2.1 相位均衡對(duì)色散的補(bǔ)償

圖7 未均衡時(shí)系統(tǒng)接收端的星座圖(傳輸距離為40 km，碼元碼率為2.5 Gbit/s)Fig.7 Constellation diagram of system without balanced(transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)

在未采用均衡技術(shù)時(shí)，隨著色散度的增加，系統(tǒng)接收到信號(hào)的星座圖如圖7 所示。從圖7 可以看出：系統(tǒng)接收到信號(hào)的星座圖逐漸發(fā)散，OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)的傳輸性能隨著光纖色散度的增加而降低。為了減小由于色散引起的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)性能的惡化，在OFDM 調(diào)制時(shí)提出利用信道估計(jì)的方法即相位均衡來(lái)補(bǔ)償各個(gè)子載波的相位偏轉(zhuǎn)，系統(tǒng)接收到信號(hào)的星座圖有較明顯改善，如圖8 所示，從而提高系統(tǒng)對(duì)信號(hào)接收識(shí)別的靈敏度，這也是OFDM 技術(shù)可以對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑颉?/p>

2.2.2 接入色散補(bǔ)償模塊對(duì)色散的影響

為了減少由于色散引起的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)性能的惡化，通過(guò)反復(fù)仿真嘗試，利用色散補(bǔ)償光纖(DCF)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖按照長(zhǎng)度比為1:4 的組合方式構(gòu)成光纖傳輸鏈路的補(bǔ)償方案。色散補(bǔ)償前后星座圖如圖9 所示，色散補(bǔ)償后的星座點(diǎn)變緊湊，延長(zhǎng)了信號(hào)的傳輸距離。但是，色散補(bǔ)償模塊只能按照一定傳輸距離色散經(jīng)驗(yàn)值提供一個(gè)補(bǔ)償范圍，而無(wú)法精確補(bǔ)償，且色散補(bǔ)償對(duì)信號(hào)的衰減比較大，特別是插入損耗，其非線性效應(yīng)比較高，因此，色散補(bǔ)償要根據(jù)實(shí)際情況而定。

圖8 系統(tǒng)均衡后接收端的星座圖(傳輸距離為40km，碼元碼率為2.5 Gbit/s)Fig.8 Constellation diagram of system for balanced (transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)

圖9 色散補(bǔ)償前后星座圖 (色散補(bǔ)償光線的衰減常數(shù)a=0.5 dB/km, 色散常數(shù)D=72 ps/(nm·km))Fig.9 Constellation diagram before and after the dispersion compensation(attenuation constant of dispersion compensation light a=0.5dB/km, dispersion constant D=72 ps/(nm·km))

3 結(jié)論

1) 建立了1 個(gè)采用單個(gè)相位調(diào)制器加濾波技術(shù)產(chǎn)生毫米波，使用直接檢測(cè)技術(shù)接受信號(hào)的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)仿真模型。

2) 通過(guò)對(duì)色散補(bǔ)償前后系統(tǒng)接受的星座圖進(jìn)行比較分析，采用相位均衡和接入色散模塊技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了OFDM-ROF 系統(tǒng)的性能增益，增加了下行鏈路中信號(hào)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。色散補(bǔ)償模塊只能按照一定傳輸距離色散經(jīng)驗(yàn)值提供一個(gè)補(bǔ)償范圍，而無(wú)法精確補(bǔ)償。若獲得更大的色散補(bǔ)償增益，還需進(jìn)一步研究。

[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 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] Guan R F, Zhu F L, Gan Z Y, et al. Stress birefringence analysis of polarization maintaining optical fibers[J]. Optical Fiber Technology, 2005, 11: 240-254.

[4] MA Jianxin, YU Chongxiu, ZHOU Zhen. Optical mm-wave generation by using external modulator based on optical carrier suppression[J]. Optics Communication, 2006, 268(1): 51-57.

[5] TANG Yan, Shieh W, Yi X W, et al. Optimum design for RF-to-optical up-converter in coherent optical OFDM systems[J].IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(7): 483-485.

[6] JIA Zhensheng, YU Jianjun, QIAN Dayou, et al. Encperimatal demonstration for delivering 1-Gb/s OFDM signal over 80 km SSUF in 40 GHz radio-over-fiber system[C]//Optical Fiber Conmunication/National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC). 2008: 1-3.

[7] YU Jianjun, HU Junqiang, QIAN Dayou. Transmission of microwave-photonics generated 16 Gbit/s super broadband OFDM signals in radio-over-fiber system[C]// Optical Fiber Conmunication/National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC). 2008: 27-29.

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

[9] Shieh W, Yi X, Tang Y. Transmission experiment of multi-gigabit coherent optical OFDM systems over 1000 km SSMF fibre[J]. Electolics Letters, 2007, 43(3): 183-185.

[10] Kim A, Joo Y H, Kim Y S. 60 GHz wireless communication systems with radio-over-fiber links for indoor wireless LANs[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, 50(2):517-520.

[11] 席在芳, 劉懿, 吳笑峰, 等. 單邊帶光載 LDPC-OFDM 系統(tǒng)的傳輸性能[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 44(3):1070-1075.XI Zaifang, LIUYi, WU Xiaofeng, et al. Performances of single sideband modulated LDPC-OFDM signals in optical transmission system[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2013, 44(3): 2013-2017.

[12] Jia Z, Yu J, Chowdhury A, et al. Simultaneous generation of independent wired and wireless services using a single modulator in millimeter-wave-band radio-over-fiber systems[J].IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(20): 1691-1693.

[13] Kamisak T, Kuri T, Kitayama K. Simultaneous modulation and fiber-optic transmission of 10 Gb/s baseband and 60 GHz-band radio signals on a single wavelength[J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 2001, 49(10): 2013-2017.