周勝源　梁國(guó)富

(1　桂林電子科技大學(xué)　海洋信息工程學(xué)院，廣西　桂林　541004；2　桂林航天工業(yè)學(xué)院　學(xué)生工作處，廣西　桂林　541004)

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基于OFDM技術(shù)的RoF系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

周勝源*1梁國(guó)富2

(1桂林電子科技大學(xué)海洋信息工程學(xué)院，廣西桂林541004；2桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)生工作處，廣西桂林541004)

光載無(wú)線通信(radio-over-fiber, RoF)技術(shù)是為適應(yīng)高速大容量無(wú)線通信而發(fā)展起來(lái)的，是將光纖通信和無(wú)線通信結(jié)合起來(lái)的無(wú)線接入技術(shù)。在RoF中使用傳統(tǒng)的無(wú)線調(diào)制技術(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸效率低，無(wú)法滿足用戶高速、寬帶、高效的數(shù)據(jù)傳輸需求。把正交頻分復(fù)用技術(shù) (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)應(yīng)用于RoF系統(tǒng)，可以解決RoF系統(tǒng)傳輸效率低、數(shù)據(jù)速率低的缺陷，同時(shí)，還提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。論文搭建了基于OFDM 的RoF系統(tǒng)，并仿真驗(yàn)證了OFDM技術(shù)在RoF系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)速率高、信道利用率高和抗干擾的特性，論證了將用戶端光有線信號(hào)接入到OFDM方案的可行性，實(shí)現(xiàn)了有線、無(wú)線靈活接入用戶的目標(biāo)。

正交頻分復(fù)用；光載無(wú)線通信；OFDM-RoF

隨著信息化、大數(shù)據(jù)發(fā)展的需求，互聯(lián)網(wǎng)對(duì)帶寬的需求將長(zhǎng)期保持高速增長(zhǎng)，骨干光網(wǎng)已解決了長(zhǎng)距離信息傳輸?shù)膯栴}，但在滿足信息數(shù)據(jù)量大、有線無(wú)線并存、移動(dòng)通信需求多等用戶終端問題上，僅僅利用光纖傳輸媒介難以滿足當(dāng)前通信用戶終端的需求。因此，如何解決“最后一公里”的瓶頸問題正成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在骨干光網(wǎng)上，傳輸媒介選擇光纖不僅效率高、速度快，而且系統(tǒng)帶寬寬裕，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線接入技術(shù)是寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵，RoF技術(shù)是無(wú)線接入的首選技術(shù)之一，它正成為歐美、日本等許多國(guó)家研究的熱點(diǎn)[1-3]。國(guó)內(nèi)北大、清華等高校在高頻信號(hào)的光纖無(wú)線傳輸技術(shù)研究上也都取得了一定進(jìn)展[4-6]。但在RoF系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)，難以滿足用戶日益增強(qiáng)的對(duì)系統(tǒng)在寬帶、高效、高速、抗干擾等性能方面的要求。

OFDM技術(shù)已經(jīng)在3G、4G移動(dòng)通信系統(tǒng)得到了大規(guī)模應(yīng)用，而且性能優(yōu)越性已經(jīng)得到了證實(shí)[6]，若把OFDM調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到RoF系統(tǒng)，不僅解決了無(wú)線接入問題，而且能提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和效率，增強(qiáng)了無(wú)線傳輸?shù)目垢蓴_能力。本文搭建了基于OFDM技術(shù)的RoF系統(tǒng)，并仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能，證明了OFDM調(diào)制技術(shù)運(yùn)用于RoF系統(tǒng)的可行性與有效性。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組建

基于OFDM技術(shù)的RoF系統(tǒng)由激光器LD、調(diào)制器(LZ-MZM)、OFDM發(fā)生器、I/Q調(diào)制器、低通濾波器LPF組成了發(fā)射器部分，產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)通過光纖傳輸?shù)浇邮斩?，接收器則通過相反的過程獲取OFDM信號(hào)。

激光二極管LD發(fā)出的連續(xù)光波經(jīng)頻率為ωRF的射頻信號(hào)(RF)通過載波抑制調(diào)制的方式產(chǎn)生重復(fù)頻率為20 GHz的毫米光載波。信號(hào)經(jīng)頻率為ωRF的中頻信號(hào)I/Q調(diào)制成OFDM基帶信號(hào)。接著運(yùn)用光多路交叉復(fù)用器，對(duì)光載毫米波信號(hào)進(jìn)行雙邊帶分離，通過載波抑制的方式，將調(diào)制后OFDM格式信號(hào)復(fù)合到其中一個(gè)邊帶上，然后經(jīng)過光耦合器，將其與另一個(gè)邊帶耦合，形成的光載OFDM毫米波信號(hào)進(jìn)入光纖進(jìn)行傳送。光纖通過PD將耦合后的OFDM毫米波信號(hào)傳送到基站。在基站里，通過可調(diào)諧光濾波器完成對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波，獲得OFDM光毫米波信號(hào)；然后再通過高速光-電轉(zhuǎn)換器，將OFDM光毫米波轉(zhuǎn)換為OFDM電信號(hào)，其頻率為2ωRF±ωIF，之后再與頻率為ωRF本振混頻并進(jìn)行帶通濾波，從中獲得ωIF中頻OFDM信號(hào)，最后通過中頻I /Q解調(diào)，獲得原始的OFDM基帶信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)室搭建的OFDM-RoF系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　OFDM-RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真與結(jié)果分析

2.1OFDM光毫米波信號(hào)發(fā)生模塊

首先由激光二極管(LD)連續(xù)產(chǎn)生窄線寬的光波，連續(xù)的窄線寬光波被馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)通過載波抑制的方式調(diào)制成兩個(gè)一階邊帶縱模，MZM偏置電壓為半波電壓，由2×109Hz射頻信號(hào)電壓驅(qū)動(dòng)。

圖2是OCS光毫米波的頻譜，在圖2可看到，中心載波(193.1×1012Hz)被剔除掉了，只剩下間隔為2×109Hz的兩個(gè)一階邊帶，然后用中心頻率不同的兩個(gè)帶通濾波器分別單獨(dú)產(chǎn)生兩個(gè)一階邊帶。OFDM信號(hào)通過Matlab仿真程序產(chǎn)生。速率2.5×109比特/秒偽隨機(jī)碼在QAM里被調(diào)制成頻率1.25×109比特/秒的數(shù)字信號(hào)，再通過256點(diǎn)IFFT，將其生成OFDM基帶信號(hào)，該信號(hào)擁有32個(gè)導(dǎo)頻信息，間隔保護(hù)長(zhǎng)度為T/4，其中T為基帶信號(hào)周期。

圖2　載波抑制方式產(chǎn)生光毫米波頻譜圖

通過2.5×109Hz中頻信號(hào)I/Q對(duì)OFDM基帶信號(hào)實(shí)部與虛部進(jìn)行調(diào)制。將該中頻OFDM信號(hào)調(diào)制到一階邊帶縱模。然后再用中頻OFDM信號(hào)驅(qū)動(dòng)另一個(gè)馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)，使其對(duì)上邊帶幅度調(diào)制并與下邊帶耦合，這樣就生成了OFDM光毫米波信號(hào)。如圖3所示是經(jīng)過調(diào)制處理后的射頻信號(hào)頻譜圖，該信號(hào)可用于光傳輸。

圖3　OCS方式產(chǎn)生的用于傳輸OFDM光毫米波頻譜圖

2.2信號(hào)光纖傳輸模塊

傳輸距離設(shè)置為10 km，通過衰減器實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸。按設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件，采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)作為傳輸介質(zhì)，SSMF色散常數(shù)D=16.75 ps/(nm.km)。在實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)境下，可以通過技術(shù)手段使得SSMF光纖的三階色散系數(shù)、自相位調(diào)制、四波混頻以及受激布里淵散射等物理特性參數(shù)都不予考慮，也不考慮偏振膜色散的影響。

2.3信號(hào)用戶端接收模塊

在實(shí)驗(yàn)仿真中，由光探測(cè)器(PD)完成信號(hào)接收檢測(cè)工作，并將其轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)。通過頻譜儀觀察接收到的信號(hào)的頻譜圖。該信號(hào)由基帶信號(hào)、5×109Hz中頻電信號(hào)和40×109Hz毫米載波信號(hào)組成。通過I/Q同頻相干解調(diào)和高頻濾波，就得到了2.5×109Hz中頻OFDM信號(hào)，如圖4所示，橫軸為頻率軸，縱軸為功率軸。對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行碼元半周期信號(hào)采樣、量化，并對(duì)量化數(shù)據(jù)序列進(jìn)行串并交換，最后，經(jīng)低通濾波器，輸出一組二進(jìn)制序列，就得到了原始信號(hào)。

圖4　接收中頻OFDM頻譜圖

本環(huán)節(jié)仿真設(shè)置中，采用的光探測(cè)器PD，其靈敏度為1 A/W、暗電流為10 nA，BPF的帶寬為0.6比特率，中心頻率為2.5×109Hz，高斯低通濾波器的帶寬為0.75比特率，同時(shí)采用了 256點(diǎn)FFT 的OFDM解調(diào)器和4-QAM星座圖判決的解碼器。圖5是OCS調(diào)制方式下接收的星座圖，從圖中可以看出：四個(gè)星座點(diǎn)可以明顯的區(qū)分，沒有混疊現(xiàn)象,說明本試驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確的接收。

圖5　OCS調(diào)制方式下接收的星座圖

3　結(jié)論

從整個(gè)仿真過程和結(jié)果看，原始信號(hào)被調(diào)制成OFDM格式的信號(hào)后，經(jīng)過一系列調(diào)制、倍頻形成了適合光纖傳輸?shù)腞oF毫米波信號(hào)，并經(jīng)過10 km的遠(yuǎn)距離光纖傳輸后，再經(jīng)過接收端的解調(diào)、降頻，最終正確獲得原始仿真信號(hào)，由此證明 OFDM技術(shù)與RoF系統(tǒng)結(jié)合，既能夠發(fā)揮光纖傳輸系統(tǒng)寬帶、高速的優(yōu)勢(shì)，也發(fā)揮了OFDM無(wú)線傳輸?shù)撵`活性和抗干擾能力，達(dá)到了有線、無(wú)線互補(bǔ)，提高了系統(tǒng)的整體效能，比較適合當(dāng)今多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

仿真實(shí)驗(yàn)成功接收到了無(wú)線信號(hào)，并經(jīng)相位均衡后得到了非常清晰的星座圖，證明了基于OFDM技術(shù)的RoF毫米波能夠有效抵消色散影響。本實(shí)驗(yàn)方案中，基于OFDM的RoF光信號(hào)能夠直接進(jìn)行接收端的光電檢測(cè)，與采用相干光方式相比，遠(yuǎn)程基站不再需要相干光源，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲得簡(jiǎn)化，光學(xué)器件使用也較之前方案減少了。

但是該系統(tǒng)存在光纖色散等固有物理特性影響，在實(shí)驗(yàn)室仿真環(huán)節(jié)被人為忽略。一方面受光纖信道中固有損耗、噪聲以及各種線性效應(yīng)影響；另一方面RoF信號(hào)峰值光功率大，將會(huì)引發(fā)光纖諸多非線性效應(yīng)，產(chǎn)生信號(hào)波形失真、系統(tǒng)性能急劇下降等指標(biāo)連鎖反應(yīng)，從而降低傳輸?shù)挠行阅?。同時(shí)仿真系統(tǒng)中自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻等環(huán)節(jié)，也受光纖非線性的影響。在實(shí)際應(yīng)用中需要從工程化角度考慮，加入更多的系統(tǒng)余量。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以看到：在光通信領(lǐng)域，正交頻分復(fù)用(OFDM)同樣具有抗干擾特性好、信道利用率高的特點(diǎn)，同時(shí)還能夠降低光信號(hào)傳輸損耗，對(duì)光纖傳輸?shù)纳⒑推衲Ｉ⒁灿幸种谱饔?，同時(shí)本仿真方案還采用了OCS技術(shù)，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)抗色散、噪聲的性能，使基站不需要相干光源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用光學(xué)器件較少，總體上具有較好的實(shí)用推廣價(jià)值。

[1]BEJOT P，KI BLER B，H ERTZ E，et al. General Approach to Spatial temporal Modulation Instability Processes[J]．Phys Rev A，2011，83(1)：0138300.

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(責(zé)任編輯陳葵晞)

周勝源，男，廣西梧州人。教授。研究方向：無(wú)線通信、寬帶通信網(wǎng)絡(luò)。

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2095-4859(2016)02-0145-04