基于PSK的SCM-RoF系統(tǒng)傳輸性能

王現(xiàn)彬，蔡柏成，楊潔，賈英茜，康元元

（1.石家莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北報(bào)業(yè)傳媒集團(tuán)有限公司印務(wù)中心，河北石家莊050011）

基于PSK的SCM-RoF系統(tǒng)傳輸性能

王現(xiàn)彬1，蔡柏成2，楊潔1，賈英茜1，康元元1

（1.石家莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北報(bào)業(yè)傳媒集團(tuán)有限公司印務(wù)中心，河北石家莊050011）

采用相移鍵控（PSK）調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)了副載波復(fù)用-光載無線通信（SCM-RoF）系統(tǒng)，分析了SCM-RoF信號(hào)的時(shí)域和頻域特性，研究了不同用戶的傳輸性能及發(fā)射端和接收端帶通濾波器（BPF）、用戶傳輸速率對(duì)SCM-ROF系統(tǒng)的影響.結(jié)果表明：不同用戶間傳輸效果略有差異，而發(fā)射端和接收端的BPF也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，當(dāng)用戶傳輸速率在2 Gbit/s左右時(shí)，系統(tǒng)傳輸性能與系統(tǒng)利用率達(dá)到最佳平衡，誤碼率（BER）在10-10數(shù)量級(jí).

副載波復(fù)用；光載無線通信；相移鍵控；傳輸性能

0 引言

光載無線通信（RoF）采用光纖來承載射頻（RF）信號(hào)，具有損耗衰減低、系統(tǒng)帶寬高、傳輸容量大等特征[1，2]，在無線通信方面具有極高的應(yīng)用潛力，再結(jié)合副載波復(fù)用（SCM）技術(shù)，可充分提高光纖通信系統(tǒng)帶寬利用率[3，4].SCM區(qū)別于波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，SCM是將基帶信號(hào)先調(diào)制到射頻上進(jìn)行復(fù)用，再通過光調(diào)制器將復(fù)用后的射頻信號(hào)調(diào)制到光上，該過程充分利用了相關(guān)電器件，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本，而結(jié)合SCM和RoF兩者優(yōu)勢(shì)的SCM-RoF系統(tǒng)也受到了研究者的廣泛關(guān)注[5-7].采用相移鍵控（PSK）調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)了SCM-RoF系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的傳輸性能，相關(guān)結(jié)果可以為實(shí)際SCM-RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及SCM-RoF信號(hào)的時(shí)頻域分析

SCM-RoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，為分析方便系統(tǒng)設(shè)置了5個(gè)用戶Usern（n為1-5），PRBS Generater1-PRBS Generater5為偽隨機(jī)序列發(fā)生器，也即User1-User5，其所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表示用戶待傳信息，通過PSK調(diào)制器將待傳信息調(diào)制到RF信號(hào)上.RF信號(hào)通過一個(gè)帶通濾波器（BPF）以降低頻帶寬度，再將5路RF信號(hào)通過復(fù)用器（Com）進(jìn)行SCM復(fù)用.隨后通過馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）將SCM信號(hào)調(diào)制到光域上，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（SSMF）傳輸?shù)浇邮斩?在接收端通過發(fā)射端的反方向變化，最終通過分析儀（Analyzer）進(jìn)行系統(tǒng)性能參數(shù)分析.5個(gè)用戶的PSK調(diào)制器頻率為2n×用戶速率，BPF中心頻率與調(diào)制器的頻率對(duì)應(yīng)，帶寬為1.5×用戶速率.SSMF色散為16.75 ps/(nm·km-1)，色散斜率為0.075 ps/(nm2·km-1)，差分群時(shí)延為0.2 ps/km，有效纖芯面積為80 μm2，包層折射率指數(shù)為2.6×10-20m2/W.光源中心頻率為193.1 THz，入纖光功率為-4 dBm.光接收機(jī)響應(yīng)度為1 A/W，暗電流為10 nA.

分析時(shí)采用Q值和誤碼率（BER）定量地衡量系統(tǒng)傳輸性能，采用眼圖定性地觀察系統(tǒng)特性.Q值由下式?jīng)Q定：

式中P1和P0分別為光脈沖信號(hào)“1”碼和“0”碼的功率平均值，而σ1和σ0為“1”碼和“0”碼的標(biāo)準(zhǔn)偏差. BER的表達(dá)式為：

圖1 SCM-RoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中Eb為每bit位的能量，而No為噪聲功率密度譜.

BER和Q值的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

圖2為電RF信號(hào)及光RoF信號(hào)波形圖，用戶速率設(shè)置為2 Gbit/s.其中圖2（a）為圖1中A、B和C處的RF信號(hào)波形圖，即User1、User3和User5 3路用戶信息經(jīng)過PSK調(diào)制后的波形，在圖中給出了6個(gè)bit的波形圖，從圖2（a）可以看出3路用戶信息各不相同，相位跳邊表示1、0碼的變化.圖2（b）為RoF信號(hào)的光波形圖，即圖1中D處的波形.

圖2 （a）User1、User3和User5的RF信號(hào)波形圖；（b）RoF信號(hào)的光波形圖

圖3為電RF信號(hào)及光RoF信號(hào)的功率密度譜.其中圖3（a）為圖2（a）的3個(gè)波形圖所對(duì)應(yīng)的功率密度譜，由于用戶速率為2 Gbit/s，故User1的中心頻率為4 GHz，而User3和User5的中心頻率分別為12，20 GHz，同時(shí)在圖3（a）中的中心頻率兩端存在一系列旁瓣，分得了中心頻率處主瓣的一些能量.圖3（b）為圖2（b）光信號(hào)所對(duì)應(yīng)的功率密度譜，從圖3（b）可以看出，在193.1 THz處存在一個(gè)強(qiáng)載波，在載波兩邊分布著5個(gè)用戶各自的功率密度譜，即5個(gè)用戶功率密度譜中的主瓣圖形，即SCM到RoF其實(shí)質(zhì)就是功率密度譜的搬移.

圖3 （a）User1、User3和User5的RF信號(hào)的功率密度譜；（b）RoF信號(hào)的功率密度譜

2 結(jié)果分析

圖4 5路用戶Q值隨傳輸距離變化關(guān)系

圖4給出了5路用戶各自系統(tǒng)Q值隨傳輸距離的變化趨勢(shì)，用戶傳輸速率為2 Gbit/s.從圖4可以看出，隨著傳輸距離的增大，5路用戶的系統(tǒng)Q值都在降低，整體來看User4和User5傳輸性能較差，這主要是因?yàn)閁ser4和User5的RF信號(hào)頻率較高，復(fù)用后在光頻域上也處在高頻位置，如圖3（b）所示，旁瓣處的功率密度譜對(duì)User4和User5的功率密度譜影響較大，造成這兩路用戶的系統(tǒng)Q值較差.而在后續(xù)分析中主要以User1作為參考來進(jìn)行相關(guān)分析.

圖5給出了傳輸距離為60 km時(shí)，5路用戶經(jīng)PSK調(diào)制后通過BPF濾波和沒有BPF濾波時(shí)各自系統(tǒng)Q值變化情況，其中左下斜線方框?yàn)?路用戶經(jīng)PSK調(diào)制并通過BPF濾波后所對(duì)應(yīng)Q值情況，而右下斜線方框?yàn)橹唤?jīng)過PSK調(diào)制后系統(tǒng)Q值情況.對(duì)比圖5可以看出，若通過PSK調(diào)制后但不經(jīng)過BPF濾波，則系統(tǒng)Q值普遍較差，這主要是因?yàn)槿舨唤?jīng)過BPF濾波，則旁瓣較為豐富，如圖3（a）所示，最終會(huì)影響到相鄰用戶的功率密度譜，造成頻域混疊，導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差，Q值降低.

在圖1接收端也存在BPF，圖6給出了接收端BPF濾波器不同帶寬下User1的系統(tǒng)Q值變化情況，相關(guān)參數(shù)與前述相同，只改變接收端BPF帶寬大小.從圖6可以看出，當(dāng)BPF帶寬從2 GHz變化3 GHz時(shí)系統(tǒng)Q值從3.86升高到6.20；而當(dāng)BPF帶寬從3 GHz增大到4 GHz時(shí)，系統(tǒng)Q值則從6.20降低到5.56，總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).Q值先增大是因?yàn)殡S著BPF帶寬的增大，更多的信號(hào)頻率分量通過了BPF，從而使輸出信號(hào)更接近于原始信號(hào)，即有用信號(hào)功率隨BPF帶寬的增大而增加，最終引起系統(tǒng)信噪比（SNR）的上升，系統(tǒng)Q值也隨之增大，當(dāng)BPF的帶寬為3 GHz時(shí)系統(tǒng)Q值達(dá)到峰值.隨著BPF帶寬的持續(xù)增大，雖然有更多有用信號(hào)頻率分量可以通過BPF，但此時(shí)這些高頻分量所占據(jù)的能量越來越小，對(duì)有用信號(hào)功率的貢獻(xiàn)量也逐漸變小，而此時(shí)卻有更多的噪聲通過BPF，致使噪聲功率變大，從而引起SNR降低，系統(tǒng)性能下降，Q值降低，故出現(xiàn)了圖6所示的Q值變化趨勢(shì).同時(shí)在圖6中給出了BPF帶寬分別為2 GHz和3 GHz時(shí)的輸出端波形圖，對(duì)比可以看出當(dāng)BPF帶寬為2 GHz時(shí)輸出波形失真嚴(yán)重.

圖5 發(fā)射端帶有BPF和無BPF時(shí)User1的Q值變化情況

圖7為User1在不同用戶速率下系統(tǒng)BER的變化情況.從圖7可以看出，當(dāng)用戶速率從1 Gbit/s增大到3 Gbit/s時(shí)，系統(tǒng)BER從4.33×10-13增大到4.72×10-9，系統(tǒng)性能有所降低，圖7中插圖為1 Gbit/s和3 Gbit/s時(shí)系統(tǒng)眼圖，從眼圖上也可以看出這一變化.當(dāng)用戶速率較低時(shí)，兩個(gè)相鄰碼元間隔較大，色散、偏振模色散等導(dǎo)致的脈沖展寬使相鄰碼元影響較小，即符號(hào)間干擾（ISI）較弱；隨著用戶速率的提高，兩相鄰碼元間隔變小，ISI影響加強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差，BER上升.而當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率分別為1.5，2，2.5 Gbit/s時(shí)，系統(tǒng)BER基本保持在10-10數(shù)量級(jí)上.用戶速率為1 Gbit/s時(shí)雖然BER較低，但此時(shí)系統(tǒng)用戶速率也較小，并不能使系統(tǒng)利率最大化；而當(dāng)用戶速率為3 Gbit/s時(shí)其系統(tǒng)BER較差，即用戶速率提升是以系統(tǒng)性能變差為代價(jià)的.綜合來看當(dāng)用戶速率維持在2 Gbit/s左右時(shí)，傳輸性能與系統(tǒng)利用率之間達(dá)到最佳平衡.

圖6 接收端濾波器帶寬和Q值對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7 不同用戶速率下BER變化情況

3 結(jié)論

結(jié)合SCM和RoF的特點(diǎn)，采用PSK調(diào)制技術(shù)，研究了SCM-RoF光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能，結(jié)果表明不同用戶間傳輸效果略有差異，用戶在進(jìn)行PSK調(diào)制時(shí)，隨著調(diào)制頻率的增大，系統(tǒng)傳輸性能稍有變差.同時(shí)發(fā)射端和接收端的BPF也會(huì)對(duì)系統(tǒng)傳輸性能造成影響，在發(fā)射端采用BPF濾波時(shí)其性能要比不采用BPF濾波的系統(tǒng)傳輸性能要好，而在接收端當(dāng)BPF帶寬為用戶速率1.5倍時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳傳輸，而當(dāng)用戶傳輸速率保持在2 Gbit/s左右時(shí)系統(tǒng)傳輸性能與系統(tǒng)利用率達(dá)到最佳平衡.以上結(jié)果可以為SCM-RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論參考.

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（責(zé)任編輯鈕效鹍）

Transmission Performance of SCM-RoF System Based on PSK

WANG Xian-bin1,CAI Bo-cheng2,YANG Jie1,JIA Ying-qian1,KANG Yuan-yuan1
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Printing House,Hebei Newspaper Media Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050011,China)

Subcarrier multiplexing-radio over fiber(SCM-RoF)system based on phase shift keying(PSK)is designed.The time and frequency domain characteristics of SCM-RoF signal are analyzed,and the influence of bandpass filter(BPF)at transmitter end and receiver end and the transmission rate on the SCM-ROF system and the transmission characteristics of different users are studied.The results show that the transmission performance among different users is slightly different,and BPF at transmitter end and receiver end can also affect the system transmission performance.When the user transmission rate is at about 2 Gbit/s,the system performance and transmission efficiency can achieve the best balance,and the bit error rate(BER)is about 10-10.

subcarrier multiplexing;radio over fiber;phase shift keying;transmission performance

TN929.11

A

1673-1972（2017）03-0027-06

2017-03-14

河北省科技計(jì)劃（15210606）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Z2017140)；石家莊學(xué)院科研項(xiàng)目（16BS004）

王現(xiàn)彬（1981-），男，河北省邢臺(tái)人，副教授，博士，主要從事光通信技術(shù)研究.