李 遙，聞 和，鄭小平

（清華大學(xué)電子工程系國(guó)家集成光電子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

1 引言

微波光子學(xué)是研究光信號(hào)與微波、毫米波段電信號(hào)相互作用的一門交叉學(xué)科?；谖⒉ü庾訉W(xué)的光載無線（radio over fiber,ROF）技術(shù)將無線通信靈活性和光通信的低損耗、寬帶、大容量很好地結(jié)合起來，發(fā)揮二者的長(zhǎng)處，近年來成為國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)展開研究工作熱點(diǎn)。在有效利用光纖帶寬資源，實(shí)現(xiàn)寬帶業(yè)務(wù)的無線接入的同時(shí)，為光纖到家（fiber to the home，F(xiàn)TTH）的最后一公里提供了一個(gè)有效方便快捷的解決方案[1]。

現(xiàn)有的同類ROF傳輸技術(shù)中，由于激光器單色性、定向性、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)，ROF傳輸OFDM信號(hào)系統(tǒng)都是基于激光器的傳輸系統(tǒng)。在北美，美國(guó)2005年喬治亞理工學(xué)院就報(bào)道了光載無線技術(shù)與WDM-PON機(jī)構(gòu)融合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該方案利用高非線性色散位移光纖產(chǎn)生拉曼相關(guān)的四波混頻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了8×2.5 Gbit/s WDM信號(hào)的全光上變頻，微波副載波信號(hào)頻率為40 GHz；為了克服色散的影響，采用了單邊帶濾波技術(shù)，進(jìn)行單邊調(diào)制并傳輸，實(shí)現(xiàn)了大于20 km的光載無線信號(hào)的傳輸，但是這種技術(shù)僅僅實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單OOK信號(hào)傳輸，對(duì)于矢量號(hào)和多載波的OFDM信號(hào)傳輸并沒有實(shí)現(xiàn)[2]。在歐洲，西班牙瓦倫西亞大學(xué)2008年報(bào)道了基于激光器的OFDM傳輸方案，該方案實(shí)現(xiàn)了1.25 Gbit/s數(shù)據(jù)率OFDM信號(hào)25 km單模光纖傳輸[3]；由于激光器的成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，該方案僅僅局限在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別，離大規(guī)模商用還有一段距離。在亞洲，引領(lǐng)ROF技術(shù)的臺(tái)灣交通大學(xué)在2008年報(bào)道了基于激光器的16QAM在19 GHz載波下4 Gbit/s數(shù)據(jù)帶寬50 km長(zhǎng)度傳輸[4]，但這種方式在信號(hào)的產(chǎn)生上需要控制雙平行調(diào)制器3個(gè)偏置點(diǎn)B1、B2和B3，在實(shí)際應(yīng)用中由于偏置點(diǎn)隨著時(shí)間和溫度是漂移的，這對(duì)系統(tǒng)的實(shí)用性提出了挑戰(zhàn)；此外為了降低色散對(duì)OFDM信號(hào)的影響，在傳輸?shù)男盘?hào)前需要對(duì)信號(hào)做預(yù)均衡，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；以激光器為光源，上行系統(tǒng)的成本難于降低，對(duì)雙工ROF系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

因此，與同類ROF技術(shù)相比，傳統(tǒng)ROF技術(shù)在對(duì)微波信號(hào)傳輸、分配、延時(shí)處理和定向發(fā)射的同時(shí)，中心站處需要使用光學(xué)方法進(jìn)行信號(hào)的光域調(diào)制和傳輸，避免不了使用激光器等價(jià)格偏昂貴的光學(xué)器件，提高了系統(tǒng)成本，另外也要求有控制光源中心波長(zhǎng)的控制模塊和反饋裝置，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度[5]?；咎幫瑯有枰杏糜谏闲芯€路的本振光源，F(xiàn)TTH技術(shù)的最大瓶頸就是基站處需要上行光源和調(diào)制器，使得成本難以壓縮，即使使用下行鏈路自帶本振光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來降低成本，也是以提高微波信號(hào)調(diào)制和傳輸復(fù)雜度為代價(jià)的[6]。

本文開創(chuàng)性地建立了寬譜光源傳輸OFDM信號(hào)系統(tǒng)理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性和可行性；突破了國(guó)內(nèi)外用激光器作為光源的光載無線系統(tǒng)的傳統(tǒng)理論束縛。本文采用的寬譜光源代替激光器陣列，是無線信號(hào)傳輸和分配的新技術(shù)，是未來無線接入實(shí)施可選方案之一，也是無線接入相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)備選提案。通過控制基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)的工作偏置點(diǎn)，降低OFDM信號(hào)的峰均比，使其工作在和以激光器為光源系統(tǒng)的相似的環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低成本高效率的無線信號(hào)傳輸，解決了無線接入系統(tǒng)復(fù)雜度高和成本難以壓縮的難題，通過引入寬譜光源替代激光器陣列的方案，有效降低ROF傳輸系統(tǒng)的復(fù)雜程度，避免了大量激光器波長(zhǎng)控制電路，從而減少系統(tǒng)成本，解決了ROF系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用——FTTH技術(shù)的系統(tǒng)復(fù)雜難于維護(hù)和用戶使用門檻高的關(guān)鍵問題。該方案在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了 3.0 GHz、1 GHz帶寬 16QAM，512個(gè)子載波，速率2 Gbit/s的IEEE 802.11b OFDM信號(hào)20 km以內(nèi)無誤碼傳輸，并對(duì)信號(hào)的星座圖和誤差向量值（EVM）進(jìn)行了測(cè)量，驗(yàn)證了該新型的ROF鏈路傳輸OFDM信號(hào)的可行性。該實(shí)驗(yàn)方案可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有WLAN和WiMAX協(xié)議中，具有很高的商用價(jià)值和較好的應(yīng)用前景。

2 基本理論分析

首先分析討論傳輸系統(tǒng)光源問題。寬譜光源即自發(fā)輻射光源，作為光通信系統(tǒng)的光源，與傳統(tǒng)的基于激光器的光源相比，本質(zhì)區(qū)別在于系統(tǒng)的光噪聲[7]，實(shí)驗(yàn)組在前期的研究工作表明，通過控制輸入光電探測(cè)器（PD）的光功率可以有效抑制光噪聲大小，實(shí)現(xiàn)與基于激光器的ROF鏈路同等級(jí)別光噪聲，實(shí)現(xiàn)同等信噪比的光信號(hào)傳輸。

其次在信號(hào)格式選擇上，采用OFDM信號(hào)。OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)為正交頻分復(fù)用技術(shù)，將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。它的優(yōu)勢(shì)在于頻譜利用率高，窄帶帶寬下能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)，能夠抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，抗多徑效應(yīng)，因此作為多載波矢量信號(hào)的OFDM信號(hào)在無線通信中廣泛使用，如IEEE 802.11協(xié)議、Wi-Fi、WiMAX、LTE 等無線通信標(biāo)準(zhǔn)。在未來的無線通信系統(tǒng)中，OFDM信號(hào)會(huì)是不可或缺的主流傳輸信號(hào)，在基于寬譜光源的ROF系統(tǒng)中傳輸OFDM信號(hào)技術(shù)，是衡量該系統(tǒng)未來發(fā)展應(yīng)用前景的重要參考指標(biāo)。

利用寬譜光源傳輸OFDM信號(hào)，與傳輸單載波矢量信號(hào)相比，一方面OFDM有較寬帶寬，系統(tǒng)帶寬達(dá)到2 GHz，系統(tǒng)調(diào)制格式信號(hào)普適于BPSK、OQAM、OFDM等信號(hào)，因而基于寬譜光源的光副載波系統(tǒng)單從帶寬上的考慮能夠滿足OFDM信號(hào)的傳輸。另一方面，與單載波通信系統(tǒng)相比，OFDM符號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的子載波信號(hào)疊加合成的信號(hào)，有可能產(chǎn)生大峰值功率（peak power），且OFDM有較大的峰均比（peak to average power ratio，PAR）。

OFDM系統(tǒng)時(shí)域基帶模擬符號(hào)有如下表達(dá)：

峰均比有如下表達(dá)：

圖1給出了Matlab仿真下OFDM信號(hào)時(shí)域圖，可見調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)幅度可以達(dá)到均值的幾倍以上。因而在以強(qiáng)度調(diào)制為基礎(chǔ)的寬譜光源光副載波系統(tǒng)中，如果要調(diào)制OFDM信號(hào)，信號(hào)的調(diào)制深度m受限。由此只要解決OFDM信號(hào)瞬時(shí)幅度較大的矛盾，就能實(shí)現(xiàn)基于寬譜光源光副載波系統(tǒng)下OFDM信號(hào)的傳輸。抑制調(diào)制OFDM信號(hào)的峰均比即可滿足基于寬譜光源光副載波系統(tǒng)和延時(shí)系統(tǒng)。

對(duì)OFDM信號(hào)峰均比的抑制已經(jīng)有很深入的研究[8]，主要抑制方法分為信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)、編碼方法和加擾序列加權(quán)處理。本文采用成熟的信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)中的限幅峰值加窗方法抑制峰均比，圖2給出了加窗方法OFDM信號(hào)峰均比抑制前后時(shí)域圖，上為原始波形，PAR=7.0 dB，下為抑制峰均比后的波形，PAR=4.2 dB，優(yōu)化了2.8 dB，將其輸入任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生的波形，作為實(shí)驗(yàn)的OFDM信號(hào)源。

可以看出，該方法解決了瞬時(shí)峰均比問題，從原理上實(shí)現(xiàn)了OFDM在基于寬譜光源的ROF系統(tǒng)中的傳輸。

3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果討論

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，任意波形發(fā)生器為泰克公司生產(chǎn)的AWG 7122B，最高采樣率12 GHz，輸入數(shù)據(jù)由Matlab產(chǎn)生，示波器為泰克公司生產(chǎn)DPO72004B，帶寬 70 GHz，離線數(shù)據(jù)處理，得到OFDM信號(hào)的基帶數(shù)據(jù)EVM。

信號(hào)格式為 3.0 GHz、1 GHz帶寬 16QAM，512個(gè)載波，信號(hào)速率2 Gbit/s，傳輸距離20.2 km。

圖4給出了在調(diào)制格深度m=0.15輸入條件下，峰均比抑制前后的星座圖，未抑制峰均比的信號(hào)的EVM為3.0%，抑制峰均比后的信號(hào)的EVM為2.6%。

增大調(diào)制深度，圖5給出了在調(diào)制格深度m=0.2輸入條件下，峰均比抑制前后的星座圖，未抑制峰均比的信號(hào)的EVM為5.2%，抑制后的EVM為3.9%。

無論調(diào)制深度如何選取，通過有效控制輸入調(diào)制的OFDM信號(hào)峰均比，可以使EVM減小，有效提高OFDM信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

圖6所示為不同調(diào)制深度m下OFDM信號(hào)的EVM，上面曲線為輸入原始OFDM信號(hào)時(shí)的EVM曲線，下面曲線為輸入信號(hào)經(jīng)過PAR抑制后的EVM曲線。在調(diào)制深度一定時(shí)，抑制輸入信號(hào)的峰均比可以降低信號(hào)EVM，降低誤碼率，提高發(fā)射機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)基于寬譜光源光副載波系統(tǒng)OFDM的信號(hào)傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的新型的基于寬譜光源的ROF鏈路系統(tǒng)，適用于OFDM多載波復(fù)雜矢量信號(hào)，實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了3.0 GHz、1 GHz帶寬，16QAM、512個(gè)載波、速率2 Gbit/s的OFDM信號(hào)20 km以內(nèi)無誤碼傳輸。對(duì)于符合IEEE 802.11協(xié)議的無線通信信號(hào)格式也有類似結(jié)果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于無線信號(hào)的傳輸和基站處信號(hào)分配，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了波分復(fù)用傳輸各路信號(hào)；成本相對(duì)低廉，與激光器相比使用了低價(jià)位的寬譜光源；性能穩(wěn)定可靠，無需基于激光器系統(tǒng)所需的波長(zhǎng)控制和溫度控制電路。

1 Seeds A J.Microwave photonics.IEEE Trans Micro Theory Tech,2002,50(3):877～887

2 Jia Z,Yu J,Boivin D,et al.Bidirectional ROF links using optically up-converted DPSK for downstream and remodulated OOK for upstream.IEEE Photon Technol Lett,2007,19(9)

3 Llorente R,Alves T,Morant M,et al.Ultra-wideband radio signals distribution in FTTH networks. IEEE Photonics Technology Letters,2008,11(20):945～947

4 Chun-Ting Lin,Yu-Min Lin,Jason (Jyehong)Chen,et al.Optical direct-detection OFDM signal generation for radio-over-fiberlink usingfrequencydoublingscheme with carrier suppression.Optics Express,2008,16(9):6 056～6 063

5 Anne V,Jean C.Microwave photonics:from components to applications and systems. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers,2003

6 Kaszubowska-Anandarajah A, Connolly E, Barry L P.Demonstration of wavelength packet switched radio-over-fiber system.IEEE Photonics Technology Letters,2007,19(4)

7 Xue X,Wen H,Zheng X,et al.Noise analysis in photonic true LTE系統(tǒng)中保證CCE分配公平性的算法==內(nèi)容不完整time delay systems based on broadband optical source and dispersion components.Applied Optics,2009,48(4):658～663

8 Karmakar G C,Dooley L S,Mathew M.Introduction to mobile multimedia communications.Wiley-Interscience,2008