DD-OOFDM系統(tǒng)中一種高頻譜效率的BICR

張森，郭娟

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安710121）

DD-OOFDM系統(tǒng)中一種高頻譜效率的BICR

張森，郭娟

（西安郵電大學 通信與信息工程學院，西安710121）

基于單邊帶調制的直接探測光正交頻分復用(D D-SSB-O O FD M)系統(tǒng)，提出了一種由光梳狀濾波器、2×2光耦合器和平衡探測器組成的結構相對簡單的拍頻干擾消除接收機 (BICR)方案，通過消除SSB-O O FD M信號在光電探測過程中產生的信號間拍頻干擾(SSBI)，使光載波和O O FD M邊帶之間的頻率保護間隔(G B)減小，從而提高系統(tǒng)頻譜效率。建立了一個基于40G b/s 16-Q A M的D D-SSB-O O FD M仿真系統(tǒng)，通過與傳統(tǒng)D D接收機對比，驗證BICR消除SSBI的可行性。

拍頻干擾消除接收機；D D-SSB-O O FD M系統(tǒng)；保護頻帶間隔

0　引言

近年來，隨著信號速率的不斷提高，使得光通信網(wǎng)絡的升級和擴容面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。在光纖通信系統(tǒng)中，光正交頻分復用(OOFDM)技術能夠實現(xiàn)傳輸速率的平滑升級[2]，根據(jù)接收端的不同可以分為相關探測OFDM(CO-OFDM)和直接探測OFDM(DD-OFDM)。CO-OFDM技術[3]的優(yōu)勢在于接收機靈敏度、高頻譜效率和對色散的魯棒性，但它對頻率和相位偏移噪聲敏感，使得收發(fā)機結構復雜、成本高。而DD-OOFDM系統(tǒng)[4]結構簡單、成本低，接收端僅有一個平方率光電二極管(PD)，且無須對頻率和相位偏移進行估計。因此，DD-OOFDM技術受到了科研人員的關注，但其有限的接收機靈敏度、色散容忍度和信號間拍頻干擾(SSBI)引入的基帶噪聲等因素嚴重影響了系統(tǒng)性能。

將DD-OOFDM系統(tǒng)與單邊帶(SSB)調制結合起來可以有效克服雙邊帶信號的色散衰落效應[5]，但DDSSB-OOFDM系統(tǒng)的固有特點決定了接收的 RFOFDM信號會受到SSBI的影響。由于SSBI的最高頻率項是OOFDM邊帶里頻率最高的子載波與頻率最低的子載波拍頻產生，SSBI所占帶寬可看成是基帶OFDM信號的帶寬WS。因此，當光載波和OOFDM邊帶之間插入頻率保護間隔 (GB)的帶寬WG小于WS時，SSBI頻譜會與RF-OFDM頻譜發(fā)生重疊，且重疊部分無法濾除。為了避免SSBI，最直接的做法就是在光載波和OOFDM邊帶之間插入GB的帶寬WG大于或等于WS，但這同時也降低了DD-OOFDM系統(tǒng)的頻譜效率，增加了對收發(fā)機的帶寬負擔和設備成本[7]。研究人員提出了很多方案來降低SSBI對DD-OOFDM系統(tǒng)性能的惡化[8～10]。本文基于新型平衡探測器[11]提出了一種結構相對簡單、頻譜效率高的信號間拍頻干擾消除接收機(BICR)，并基于40Gb/s 16-QAM的SSBOOFDM信號建立了理論分析模型和DD-OOFDM系統(tǒng)仿真鏈路。

1　理論分析

本文基于新型平衡探測器提出了一種高頻譜效率的BICR結構，僅由1個光梳狀濾波器(IL)、1個2×2光耦合器(OC)、2個PD和1個減法器構成。通常，接收端輸入的SSB-OOFDM信號可以表示為：

其中，EO和 fo分別是光載波的幅度和頻率；ES是OOFDM邊帶的幅度；N是基帶OFDM信號子載波的數(shù)目；cni是調制在第n個子載波上的第i個OFDM符號，-N/2≤n＜N/2；Π (t)是序列脈沖函數(shù)；T是一個OFDM符號周期；fRF是RF-OFDM信號的頻率；fn=n/T是基帶OFDM信號第n個子載波的頻率。若基帶OFDM信號的帶寬為WS=N/T，則GB的帶寬可以表示為WG=fRF-WS/2。用E(t)=EO(t)+ES(t)表示SSB-OOFDM信號，輸入的SSB-OOFDM信號首先被IL分離成光載波EO(t)和OOFDM邊帶ES(t)兩個光頻成分，然后這兩個光頻成分分別作為上、下支路輸入到2×2 OC中。此時，SSB-OOFDM信號E(t)可以用矩陣形式表示為：

在理想情況下，3dB 2×2 OC的轉移函數(shù)T可以表示為：

用Eout1(t)和Eout2(t)分別表示2×2 OC上、下支路的輸出光電場，則有：

光載波EO(t)和OOFDM邊帶ES(t)經(jīng)過2×2 OC的耦合后，輸出的光信號被2個PD組成的新型平衡探測器接收，探測到的光電流為：

式（5）中，μ是PD的靈敏度；Iout1(t)和Iout2(t)均由三部分組成，第一項為光載波與光載波自身拍頻產生的直流分量，第三項為光載波與OOFDM邊帶拍頻產生的RF-OFDM信號分量，而第二項為OOFDM邊帶各子載波之間相互拍頻產生的二階非線性項，即SSBI分量。將Iout1(t)和Iout2(t)相減，得到的光電流I(t)為：

從式（6）可以看出，上、下支路的直流分量和SSBI分量被相互抵消，僅剩下所需的RF-OFDM信號分量且幅度大小變成原來的兩倍，光載波和OOFDM邊帶之間將不需要插入GB來避免SSBI與RF-OFDM的頻譜重疊，頻譜效率也將比傳統(tǒng)的DD-OOFDM系統(tǒng)提高一倍。因此，本文提出的BICR不僅結構相對簡單，而且能夠有效消除SSBI，大大提高傳統(tǒng)DDOOFDM系統(tǒng)的頻譜效率，對研究性能更加良好的DD-OOFDM系統(tǒng)具有重要意義。

2　仿真結果及分析

本文利用仿真軟件Optisystem7.0和MATLAB的混合平臺，搭建了基于新型BICR的40Gb/s 16-QAM的DD-SSB-OOFDM仿真系統(tǒng)，其鏈路框圖如圖1所示。

在發(fā)射端，由基帶OFDM調制模塊產生40Gb/s的16-QAM基帶OFDM信號經(jīng)數(shù)模轉換(DAC)后，I、Q兩路信號通過I/Q調制器與射頻本振混頻，頻率上變換為RF-OFDM信號，其中心頻率為10GHz的頻譜圖如圖2(a)所示。將激光器輸出的中心波長為193.1THz、線寬為1MHz的連續(xù)光波作為光載波，并注入到馬赫-曾德爾調制器中，頻譜圖如圖2(b)所示。當RF-OFDM信號的調制電壓被偏置在0.5Vπ（Vπ是半波電壓）時，可有效抑制二階邊帶以及更高階的邊帶。經(jīng)過光帶通濾波器濾除負一階邊帶，同時降低其它階邊帶的干擾，僅留下光載波和正一階邊帶。圖2(c)是GB為5GHz、光功率為3dBm的SSB-OOFDM信號的頻譜圖。從頻譜圖可以明顯看出，SSB-OOFDM信號功率主要集中在光載波和OOFDM一階邊帶上，與一階邊帶的信號功率相比，其它邊帶的功率抑制比大于20dB，可以忽略不計。

圖1　基于新型BICR的DD-SSB-OOFDM仿真系統(tǒng)鏈路框圖

在接收端，SSB-OOFDM信號經(jīng)過BICR探測得到RF-OFDM信號，其頻譜圖如圖2(d)所示。在BICR中，SSB-OOFDM信號被帶寬為25/50GHz的光IL分離成光載波和OOFDM邊帶，經(jīng)過3dB 2×2 OC被重新組合成兩個新的SSB-OOFDM信號，通過靈敏度均為1mA/mW的平衡探測PD進行光電轉換，產生的兩個光電流在減法器中經(jīng)過相減運算除去SSBI分量，再通過一系列與產生OFDM信號相反的解調步驟，恢復出二進制數(shù)據(jù)信號?；谠摲抡嫫脚_，傳統(tǒng)DD接收機探測到的RF-OFDM信號的頻譜圖如圖2(e)所示。對比圖2(d)和圖2(e)發(fā)現(xiàn)，BICR探測到的光電流中SSBI和直流分量基本被消除，僅留下所需的RF-OFDM信號分量；而傳統(tǒng)DD接收機探測到的光電流中SSBI無法消除，并且與RF-OFDM頻譜重疊。

為了驗證BICR提高系統(tǒng)頻譜效率的性能，在背靠背(BTB)情況下，分析了SSBOOFDM信號在不同GB下的誤差矢量幅度(EVM)曲線圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，對于傳統(tǒng)DD接收機，隨著GB的減小，EVM值逐漸增加，系統(tǒng)性能不斷下降；僅當GB等于RFOFDM信號的帶寬10GHz時，傳統(tǒng)DD接收機才能達到與BICR相似的性能。而對于BICR，隨著GB的減小，EVM值變化緩慢且都低于FEC上限值16.3%，僅當GB為1GHz時，EVM值有相對明顯地增大。這是因為受濾波性能的限制IL不能將光載波和OOFDM邊帶完美的分離，仍需在光載波和OOFDM邊帶之間插入GB來避免殘留的少量SSBI與RF-OFDM的頻譜重疊。但與傳統(tǒng)的DD接收機相比，基于BICR的DDOFDM系統(tǒng)所需GB的帶寬遠遠小于基帶OFDM信號的帶寬。在不影響系統(tǒng)性能的前提下，基于BICR的DD-SSB-OOFDM系統(tǒng)中GB的帶寬可以從10GHz減小到1GHz，這樣不僅能夠降低對收發(fā)端電子器件的帶寬負擔和設備成本，而且還能大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。

為了驗證BICR在光纖鏈路中的傳輸性能，分析了SSB-OOFDM信號在傳輸不同光纖長度下的EVM曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，對于GB為2GHz的BICR和GB為10GHz的傳統(tǒng)DD接收機系統(tǒng)，兩者EVM曲線的變化趨勢基本一致，即隨著光纖長度的增加，當光纖長度小于120km時，EVM值幅度變化平穩(wěn)，趨近于9%；當光纖長度大于120km且小于160km時，EVM值上升較為緩慢；當光纖長度大于160km時，EVM值急劇上升，系統(tǒng)性能急劇下降。這是因為隨著光纖長度的增長，SSB-OOFDM信號的循環(huán)前綴不再能有效地抵制光纖色散和非線性效應，SSBOOFDM信號的衰落效應嚴重，系統(tǒng)性能急劇下降。但在分別經(jīng)過200km和240km光纖傳輸后，BICR的EVM值分別為15.7%和34%，而傳統(tǒng)DD接收機的EVM值分別為25.8%和70%。這是由于GB越大，光纖色散和非線性效應對SSB-OOFDM信號造成的衰落效應越嚴重。因此，在相同的光纖長度下，GB為2GHz的BICR比GB為10GHz的傳統(tǒng)DD接收機系統(tǒng)有更高的頻譜效率和更好傳輸性能。

圖3　BICR和傳統(tǒng)DD接收機在不同GB下的EVM曲線圖

圖4　BICR和傳統(tǒng)DD接收機在不同光纖長度下的EVM曲線圖

圖5給出了在GB為2GHz的BICR和GB為10GHz的傳統(tǒng)DD接收機系統(tǒng)中，SSB-OOFDM信號分別經(jīng)過120km和200km光纖傳輸后的星座圖。從圖5(a)和圖5(b)可以看出，經(jīng)過120km光纖傳輸后，兩者星座點都發(fā)生了類似程度的彌散；而從圖5(c)和圖5 (d)可以看出，經(jīng)過200km光纖傳輸后，兩者星座點的彌散程度都發(fā)生了進一步的擴張，但BICR中星座點的擴張程度相對更小。

圖5　SSB-OOFDM信號分別經(jīng)過120km和200km光纖傳輸后的星座圖

3　結束語

本文提出了一種DD-SSB-OOFDM系統(tǒng)中高頻譜效率的BICR結構，本BICR通過有效地消除SSBOOFDM信號在光電探測過程中產生的SSBI，從而減小傳輸信號的GB來提高系統(tǒng)頻譜效率?；?0Gb/s 16-QAM的SSB-OOFDM信號，我們對本BICR進行了理論分析和鏈路仿真，通過與傳統(tǒng)DD接收機對比，驗證了我們提出的BICR消除SSBI的有效性，且在不影響系統(tǒng)性能的前提下，SSB-OOFDM信號中GB的帶寬可以從10GHz減小到1GHz，大大提高了DDOOFDM系統(tǒng)的頻譜效率。

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High spectrum-efficiency BICR for the DD-OOFDM system

ZHANG Sen，GUO Juan
（Xi'an University of Posts and Telecommunications，College of Communication and Information Technology，Xi'an 710121，China）

A new beat interference cancellation receiver(BICR)for single-sideband optical orthogonal frequency division multiplexing(SSB-OOFDM)signals is proposed,which improves the spectral efficiency by reducing the guard band(GB)between the optical carrier and the OOFDM signal while mitigating signal-signal beat interference(SSBI)during the opto-electrical conversion of the SSB-OOFDM signal.The BICR structure is relatively simple using only an optical interleaver,a 2×2 optical coupler and a balanced detector.A system simulation for the 40Gbit/s 16-QAM SSB-OOFDM signals with the reduced GB is carried out to prove the feasibility of the new BICR.The simulation results show that the proposed method has a better performance to suppress SSBI and a higher SE thanthe conventional direct-detection(DD)receiver with reduced GB.

beat interference cancellation receiver,DD-SSB-OOFDM system,guard band

TN248

A

1002-5561（2016）05-0039-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.012

2015-12-08。

陜西省國際科技合作項目（2014KW02-02）資助；陜西省工業(yè)攻關項目（2014K09-14）資助。

張森（1990-），男，碩士研究生，主要從事寬帶通信網(wǎng)的研究。