60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)的變編碼技術(shù)性能研究

唐琪

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院， 廣東 深圳 518172）

60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)的變編碼技術(shù)性能研究

唐琪

（深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院， 廣東 深圳 518172）

本文提出采用變編碼技術(shù)提高60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)的傳輸性能。通過對60GHz 毫米波OFDM信號在光纖傳輸中的色散效應(yīng)進(jìn)行理論分析，得到60GHz 毫米波OFDM信號在傳輸過程中，隨著傳輸帶寬的增加以及傳輸距離的增長，OFDM信號的高頻區(qū)域子載波會(huì)受到頻率選擇性衰減效應(yīng)的影響，產(chǎn)生嚴(yán)重的幅度衰減，導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼分布不均的情況出現(xiàn)。為了均衡誤碼分布，提高系統(tǒng)傳輸容量，我們提出將變編碼技術(shù)應(yīng)用于60GHz ROF-OFDM 系統(tǒng)中。驗(yàn)證分析發(fā)現(xiàn)，在60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)中使用變編碼技術(shù)能夠有效的提高ROF系統(tǒng)的接收靈敏度，增強(qiáng)系統(tǒng)的傳輸可靠性。并且在相同冗余度下，變編碼技術(shù)比固定編碼效率的Turbo編碼性能更優(yōu)。

60GHz光載無線通信系統(tǒng)；正交頻分復(fù)用技術(shù)；Turbo 編碼；變編碼技術(shù)；頻率選擇性衰減效應(yīng)

ROF（Radio over fiber）技術(shù)通過將光纖的高帶寬性與無線的移動(dòng)靈活性融合在一起，提供高帶寬無線接入服務(wù)。但ROF系統(tǒng)中毫米波信號在傳輸過程中對色散效應(yīng)的影響較為敏感。正交頻分復(fù)用OFDM作為一種可以實(shí)現(xiàn)信號在無線與光纖中穩(wěn)定傳輸?shù)募夹g(shù)已被多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)所采用。將OFDM技術(shù)應(yīng)用于ROF系統(tǒng)不僅能夠增強(qiáng)毫米波信號在光纖傳輸中的抗色散性能，還能夠補(bǔ)償毫米波信號在無線傳輸中的多徑衰落效應(yīng)[1-8]。

雖然單邊帶毫米波系統(tǒng)能夠相比雙邊帶ROF系統(tǒng)的性能更優(yōu)，但其發(fā)生端也相應(yīng)的更為復(fù)雜，在接入網(wǎng)體系中使用雙邊帶ROF機(jī)制成本更低，也更為實(shí)用[9-13]。但是，在雙邊帶ROF-OFDM系統(tǒng)中，接收信號會(huì)受到子載波互拍效應(yīng)(ISMI) 和頻率選擇性衰減效應(yīng)(FF)的影響,造成誤碼分布不均的情況出現(xiàn)，降低了系統(tǒng)傳輸容量。如何減小ISMI與FF影響， 成為提高ROF-OFDM系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵問題[14-15]。

然而，在通信系統(tǒng)中，對于固定的SNR，信道編碼技術(shù)是唯一能夠使數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量由不能接受到可接受的解決方案。在前向糾錯(cuò)編碼中，Turbo編碼能夠獲到接近香農(nóng)極限的糾錯(cuò)性能。在同一Turbo編碼體系下，編碼結(jié)構(gòu)的糾錯(cuò)性能越好，通信系統(tǒng)的可靠性就越高，糾錯(cuò)所需要的校驗(yàn)序列也就更長。然而校驗(yàn)序列越長，對系統(tǒng)帶寬的消耗就越大。因此，如何在有效長度的校驗(yàn)序列內(nèi)獲得最大的糾錯(cuò)性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)傳輸可靠性，增加系統(tǒng)傳輸容量成為關(guān)鍵問題。

本文在60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)中采用變編碼技術(shù)，即根據(jù)60GHz 毫米波OFDM信號在ROF系統(tǒng)中受到的頻率選擇性衰減效應(yīng)而導(dǎo)致的子載波性能差異，選擇不同編碼效率的Turbo編碼。由于Turbo編碼的編碼效率由刪余速率決定，因此變編碼技術(shù)只需要改變刪余速率就可以實(shí)現(xiàn)不同速率的編碼，因此變編碼技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)比較簡單，不需要增加額外消耗。通過性能對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在相同長度的冗余度情況下，變編碼技術(shù)性能相比于固定編碼性能更優(yōu)，能夠有效提高60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)接收靈敏度。

1 理論分析

圖1 60GHz ROF-OFDM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig1 Principle of 60GHz ROF-OFDM system

圖1為基于四倍頻技術(shù)的ROF-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。在不考慮光脈沖線寬的情況下，從激光源輸出的連續(xù)光波可以表示為：其中為幅度，為角頻率。經(jīng)過雙臂馬赫增德爾調(diào)制器進(jìn)行四倍頻調(diào)制，產(chǎn)生雙邊帶毫米波信號，并經(jīng)過交叉復(fù)用器濾除中心載波后，輸出信號表達(dá)式為：

我們將產(chǎn)生的光毫米波通過第二個(gè)用于數(shù)據(jù)調(diào)制的強(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制。基帶電OFDM信號可以表示為：

在接收端，通過平方率光電探測器將光毫米波信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾撩撞ㄐ盘?，得到的電流信號可以表示為?/p>

將式（4）與式（5）進(jìn)行合并，并對在頻率為的模傳輸常數(shù) 通過泰勒展開，可以得到：

由公式（7）中可以看到，在用戶端接收到的OFDM信號子載波的幅度變化由FF因子

決定。即，傳輸OFDM信號的帶寬，傳輸距離都直接影響著接收信號的子載波幅值變化。圖2表示60GHz 毫米波OFDM信號在傳輸距離為20km時(shí)，傳輸帶寬分別為1.4GHz，2GH與2.7GHz時(shí)，F(xiàn)F效應(yīng)對子載波幅度的影響及對應(yīng)的誤碼分布比率。圖3則表示在60GHz 毫米波OFDM信號在相同的傳輸帶寬為2GHz，傳輸距離分別為10km，20km以及30km時(shí)的FF效應(yīng)對子載波幅度影響以及對應(yīng)的誤碼分布比率。從圖2與圖3中的誤碼分布圖可以看出，在60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)中，OFDM信號子載波的頻率越高，幅度衰減越大，誤碼越多。同時(shí)，隨著傳輸帶寬的增加與傳輸距離的增長，高頻子載波的幅度衰減更加嚴(yán)重，衰減范圍也逐漸擴(kuò)大，誤碼分布范圍也逐漸擴(kuò)大，系統(tǒng)性能急劇惡化。

圖2 傳輸距離為20km時(shí)不同傳輸帶寬的FF效應(yīng)與誤碼分布曲線Fig2 FF effects and BER distribution curves of 60GHz MMW-OFDM signal with different bandwidth in the case of 20km SSMF transmission

圖3 傳輸帶寬為2GHz時(shí)不同傳輸距離的FF效應(yīng)與誤碼分布曲線Fig.3 FF effects and BER distribution curves of 60GHz MMW-OFDM signal with different transmission length in the case of 2GHz bandwidth

2 變編碼技術(shù)原理

圖4 變編碼技術(shù)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Principle of Adaptive coding technique(ACT)

圖4為變編碼技術(shù)與OFDM子載波性能的原理結(jié)構(gòu)圖。圖4（a）與（b）顯示了FF對OFDM子載波幅度衰減的影響，高頻區(qū)域的子載波幅度衰減相比于其他區(qū)域更嚴(yán)重。（b）則說明誤碼在子載波的分布情況。從上節(jié)理論分析可以得知，當(dāng)給定傳輸距離與信號帶寬時(shí)，就可以確定哪些區(qū)域的子載波更容易受到來自FF的干擾，在這些區(qū)域勢必會(huì)存在高誤碼率，其他的子載波的誤碼分布則相對要小。這樣就造成一個(gè)誤碼分布不均的現(xiàn)象。為了改善系統(tǒng)性能，我們提出使用變編碼技術(shù)。在變編碼技術(shù)中，我們在高頻子載波區(qū)域，使用解碼性能更好的編碼，而由于高性能解碼往往伴隨著高冗余度，增加了系統(tǒng)的開銷。因此，為了提高系統(tǒng)整體容量，在低頻子載波區(qū)域則使用編碼效率高的編碼結(jié)構(gòu)。從而均衡誤碼分布，使系統(tǒng)性能得到最大的優(yōu)化與改善。

圖4(c)為Turbo編碼器結(jié)構(gòu)圖。 Turbo編碼采用的是并行編碼方式，在本文中，兩個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積（Recursive Systematic Convolutional,RSC）編碼器的生成多項(xiàng)式為 ，其中，1011為反饋多項(xiàng)式，1101為前饋多項(xiàng)式。兩個(gè)RSC編碼器中，其中一個(gè)RSC對輸入的原始比特序列進(jìn)行編碼，另一個(gè)RSC則對經(jīng)過偽隨機(jī)交織器之后的比特序列進(jìn)行編碼。經(jīng)過兩個(gè)編碼器之后的得到四個(gè)比特序列，其中兩個(gè)為校驗(yàn)比特序列。雖然增加冗余度可以增加編碼糾錯(cuò)能力，提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃裕L的校驗(yàn)序列在一定程度上增加的系統(tǒng)損耗。刪余器的作用就是通過對校驗(yàn)比特按照一定的速率進(jìn)行刪余，從而改變Turbo編碼的編碼效率。當(dāng)需要1/2編碼效率的Turbo編碼時(shí)，刪余器就需要對每個(gè)RSC編碼器出來的校驗(yàn)序列刪余一半，因此改變刪余速率就可以獲得不同編碼效率的Turbo編碼，硬件實(shí)現(xiàn)較為簡單。將經(jīng)過刪余之后的校驗(yàn)比特序列與原始數(shù)據(jù)比特進(jìn)行合并就獲得Turbo編碼序列。一般而言，低編碼效率意味著低冗余度，在解碼過程中，系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力就會(huì)降低。常用的Turbo編碼效率有兩種，2/3和1/2。在變編碼技術(shù)中，由于高頻區(qū)域子載波受到頻率選擇性衰落的影響，更容易產(chǎn)生誤碼，因此在該區(qū)域使用1/2編碼效率的Turbo編碼；其他的子載波受到的傳輸損傷相對而言要比高頻區(qū)域子載波小，因而使用編碼效率更大的2/3Turbo編碼。

3 仿真系統(tǒng)與結(jié)果分析

60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)仿真平臺基本框圖如圖4所示.激光器產(chǎn)生波長為1552.52nm，光功率為10dBm,線寬10MHZ的連續(xù)光脈沖信號，與15GHz射頻信號一起驅(qū)動(dòng)雙臂馬赫增德爾調(diào)制進(jìn)行四倍頻調(diào)制，產(chǎn)生0.4dBm,60GHz光毫米波信號,如圖5(a)所示。通過一個(gè)帶寬為20GHz高斯光濾波器濾除中心載波，產(chǎn)生60GHz雙邊帶光毫米波信號經(jīng)過光纖放大器進(jìn)行光放大進(jìn)入一個(gè)強(qiáng)度調(diào)制器，調(diào)制由MATLAB產(chǎn)生的電OFDM信號，產(chǎn)生60GHz MMWOFDM信號。將 MMW-OFDM信號放大至0dBm之后進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸。本文中，在任何OFDM信號情況下，進(jìn)入光纖的功率都設(shè)置為0dBm。經(jīng)過20km損耗系數(shù)為0.2dB/km,色散系數(shù)為16.75ps/(nm·km)的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸之后，在接收端，通過一個(gè)80GHz的矩形濾波器濾除高階邊帶噪聲，光譜圖如圖5（d）所示。隨后通過一個(gè)光放大器將接收60GHz WWM-OFDM信號放大至0dBm,進(jìn)入光電二極管轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾撩撞ㄐ盘?，電譜圖如圖5（e）所示。與入纖功率設(shè)置一樣，進(jìn)入PD之前的信號都設(shè)置為0dBm，在進(jìn)行不同光信噪比的分析時(shí)，則在放大器之后加上衰減器，再接光電二極管。PD輸出的電毫米波信號之中含有60GHz的高頻電毫米波OFDM信號，因此需要進(jìn)行下變頻處理。將頻率為60GHz，Vp-p=1V的本振射頻信號與電毫米波信號進(jìn)行混頻之后通過一個(gè)6GHz高斯電低通濾波器得到所需要的基帶OFDM信號之后，通過MATLAB對該信號進(jìn)行相應(yīng)的線下信號處理。

圖5 ROF-OFDM 系統(tǒng)仿真平臺框圖Fig.5 Simulation platform for 60GHz ROF-OFDM

在本文中，我們將采用兩種OFDM信號進(jìn)行驗(yàn)證，一種為采用固定編碼效率的Turbo編碼OFDM信號，另一種則為采用變編碼的OFDM信號。固定編碼效率的Turbo碼與不同比率的編碼見表格1。采用固定編碼效率則是指在所有的OFDM子載波中加載的數(shù)據(jù)信息都經(jīng)過同一個(gè)編碼器進(jìn)行編碼。在變編碼技術(shù)中，我們采用兩種編碼效率，0.5編碼效率Turbo編碼的和0.67編碼效率的Turbo編碼。定義變編碼比率為采用0.5編碼效率子載波數(shù)與總子載波數(shù)的比值。則在變編碼比率為1/4的變編碼技術(shù)中，在OFDM信號的前25%高頻子載波中采用0.5編碼效率的Turbo編碼，另外75% 子載波采用0.67編碼效率的Turbo編碼。那么，1/4變編碼的實(shí)際編碼效率則為：25%×0.5+75%×0.67=5/8。也就是說1/4變編碼與固定編碼效率為0.625Turbo編碼具有相同的長度的冗余度。因此，其他兩種比率的變編碼，2/4與3/4變編碼的實(shí)際編碼效率分別為0.58和0.54，分別與固定編碼效率為0.58和0.54的Turbo編碼具有相同長度的冗余度。

表1 固定編碼效率與變編碼類型Tab.1 Type of fixed Turbo code and ACT

圖6為經(jīng)過20km光纖傳輸之后，采用不同比率變編碼技術(shù)的60GHz 毫米波OFDM信號誤碼對比曲線圖。固定編碼效率為0.5的編碼可以認(rèn)為是4/4變編碼，而固定編碼效率為0.67的編碼是0/4變編碼，也就是沒有使用變編碼技術(shù)的OFDM信號。相比于0.67固定編碼，采用變編碼技術(shù)的OFDM信號在誤碼為10-3時(shí)，接收靈敏度提高2dB以上。并且隨著變編碼比率的增加，系統(tǒng)的接收靈敏度進(jìn)一步提高。

圖6 基于不同變編碼比率的60GHz MMW-OFDM信號誤碼曲線圖Fig.6 The measured BER curves of 60GHz MMW-OFDM signal encoded with different ACT coding efficiency

圖7，圖8與圖9表示在相同長度的冗余度下，變編碼OFDM信號與對應(yīng)的固定編碼效率的OFDM信號的誤碼曲線圖。從這三張圖可以看出，在相同長度的冗余度下，變編碼技術(shù)要比固定編碼技術(shù)的性能更能提高系統(tǒng)的傳輸可靠性。在誤碼為10e-3的時(shí)候，1/4變編碼技術(shù)對系統(tǒng)的優(yōu)化性能最佳，與0.625固定編碼對比發(fā)現(xiàn)，其接收靈敏度提高1dB以上。

圖7 1/4比率變編碼技術(shù)與0.625固定編碼效率誤碼對比Fig.7 Measured BER Curves of 1/4 ACT and fixed 0.625 turbo code

圖8 2/4比率變編碼技術(shù)與0.58固定編碼效率誤碼對比Fig.8 Measured BER Curves of 2/4 ACT and fixed 0.58 turbo code

圖9 3/4比率變編碼技術(shù)與0.54固定編碼效率誤碼對比Fig.9 Measured BER Curves of 3/4 ACT and fixed 0.54 turbo code

4 結(jié)論

本文對雙邊帶60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)隨著OFDM毫米波信號傳輸帶寬的增加，傳輸距離的增強(qiáng)，OFDM信號中高頻子載波區(qū)域受到了嚴(yán)重的頻率選擇性衰減效應(yīng)的影響，導(dǎo)致接收端誤碼分布不均，系統(tǒng)性能惡化。因此，我們提出在ROF-OFDM系統(tǒng)中使用變編碼技術(shù)，即根據(jù)OFDM信號中子載波性能差異采用不同的turbo編碼效率，在高誤碼率的高頻子載波區(qū)域，我們使用編碼效率為0.5的Turbo編碼，在其他的子載波區(qū)域則使用0.67編碼效率的Turbo編碼。我們對不同變編碼比率的變編碼技術(shù)進(jìn)行了仿真對比分析，研究發(fā)現(xiàn)，相比于采用固定編碼率0.67的OFDM信號，采用變編碼技術(shù)的OFDM信號性能改善明顯，系統(tǒng)接收靈敏度提高2dB以上。同時(shí)，通過對比發(fā)現(xiàn)，在相同長度冗余度的情況下，采用變編碼的OFDM信號要比采用固定編碼的OFDM信號接收靈敏度更高。一系列的研究發(fā)現(xiàn)表明，在60GHz ROF-OFDM系統(tǒng)中采用變編碼技術(shù)能夠有效的提高系統(tǒng)接收靈敏度，增強(qiáng)傳輸可靠性。同時(shí)，由于只需要通過改變Turbo編碼結(jié)構(gòu)中的刪余速率就可以改變Turbo編碼效率，因此，變編碼技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)比較簡單，能夠更好的實(shí)用化。

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Research on 60GHz ROF-OFDM system based on adaptive code technique

TANG Qi
（School of Institute of information technology,Guangdong Shenzhen 518172,P.R.China）

In this paper, the adaptive code rate technique(ACT) is adopted and investigated in 60GHz ROF-OFDM system.Firstly,we have theoretically analyzed that the existence of frequency selective fading(FF) in the 60GHz ROF-OFDM system will cause an unbalanced bit error distribution and degrade the system performance.Then we propose to employ the adaptive code rate technique(ACT) in 60GHz ROF-OFDM to combat FF.Simulation results show that the receiver sensitivity of the 60GHz ROF-OFDM system employing ACT is improved significantly.And the results also shows that the signals employing ACT perfomance better performance compared with the signals employing fixed rate turbo code in the case of same length redundancy.

60GHz radio over fiber system(ROF);orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);turbo code;adaptive code technique(ACT);frequency selective fading(FF)

TN929.1

A

1672-6332（2015）03-0081-07

【責(zé)任編輯：高潮】

2015-09-20

唐琪（1988-），女（漢），湖南人，博士，主要研究方向?yàn)椋汗饫w通信技術(shù)。E-mail:tangqi777@126.com