王現(xiàn)彬 ，王 芳 ，楊 潔 ，張 晶

（1.石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 電器安全能效檢驗(yàn)研究所，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

光載無線通信（RoF）系統(tǒng)作為一種無線接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案，它將射頻傳輸和光纖傳輸合二為一，通過光纖信道傳輸微波和毫米波信號(hào)，成為解決“最后一公里”的優(yōu)選技術(shù)，同時(shí)也是無線局域網(wǎng)（WLAN）及未來5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的有力支撐，近年來備受研究者關(guān)注[1-5].RoF系統(tǒng)由中心站（CS）和居于遠(yuǎn)端的基站（BS）構(gòu)成，在中心站處將射頻（RF）信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上，成為光載毫米波信號(hào)，并通過低損耗的光纖介質(zhì)傳輸?shù)交荆诨咎幗?jīng)過光電轉(zhuǎn)換后借助天線將RF信號(hào)發(fā)送到用戶終端.光載毫米波實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要包括直接調(diào)制、外部調(diào)制、光學(xué)外差調(diào)制等，其中基于馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）的外部調(diào)制技術(shù)以其性能穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而在文獻(xiàn)中多有報(bào)道.Zhang等[6]提出了一種單驅(qū)動(dòng)MZM實(shí)現(xiàn)光抑制載波（OCS）的RoF系統(tǒng)，其下行二進(jìn)制開關(guān)鍵控（OOK）數(shù)據(jù)傳輸速率為3.5 Gbit/s.Aldhaibani等[7]分析了差分相移鍵控（DPSK）在基于吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）的RoF系統(tǒng)中的傳輸性能，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以承載32和64路用戶.Ashraf等[8]提出并仿真了一種64相正交振幅調(diào)制（64-QAM）全雙工密集波分復(fù)用-RoF（DWDM-RoF）系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明當(dāng)信號(hào)在光纖中傳輸50 km后，每個(gè)下行信道和上行信道的誤差矢量幅度（EVM）均小于前向糾錯(cuò)限定值.但在現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、頻譜利用率高的光雙二進(jìn)制（OD）調(diào)制格式在RoF系統(tǒng)中性能分析很少.本研究結(jié)合MZM的外調(diào)制技術(shù)，提出了光雙邊帶-OD（DSB-OD）、單邊帶-OD（SSB-OD）和OCS-OD等3種調(diào)制方案，并對(duì)比研究了3種方案的傳輸性能，其結(jié)果可為實(shí)際RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所提出的DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD等3種調(diào)制方案通過兩級(jí)MZM級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)：第1級(jí)MZM1實(shí)現(xiàn)OD，第2級(jí)MZM2通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)分別實(shí)現(xiàn)SSB方案、DSB方案和OCS方案，如圖1所示.在第1級(jí)MZM1中，PRSB代表待傳數(shù)據(jù)，通過異或門和延時(shí)D（1 bit延時(shí)）實(shí)現(xiàn)預(yù)編碼：bk=dk⊕bk-1，隨后將其通過非歸零碼（NRZ）發(fā)生器變成電非歸零碼，最后通過延時(shí)τ（1/比特率）和相加單元變成電雙二進(jìn)制信號(hào).該電雙二進(jìn)制信號(hào)加載到第1級(jí)MZM1的雙臂上，最終實(shí)現(xiàn)基于RoF的OD信號(hào).其中光源中心頻率為193.1 THz，光源線寬忽略不計(jì)；MZM1消光比為50 dB，插入損耗為0 dB.

圖1 基于RoF的OD產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖

本振信號(hào)（由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生）反相加載到第2級(jí)MZM2的雙臂，假定進(jìn)入第2級(jí)MZM的光信號(hào)為：

式中A（t）為OD信號(hào)，ωc為光載波角頻率.則MZM2輸出信號(hào)E（t）為：

式中ωm為本振信號(hào)角頻率，V1、V2分別為MZM2上下臂的射頻偏置電壓，VD1、VD2分別為上下臂的直流偏置電壓，Vπ為半波電壓，α為MZM2的衰減系數(shù)，θ為上下臂射頻信號(hào)相位差.在分析時(shí)一般令VD1=0，兩臂間的相對(duì)直流偏壓為VD=VD2-VD1=VD2，令β=πVD/Vπ，代表由于直流偏置電壓所引起的相位偏轉(zhuǎn)，而λ=πVm1(2)/Vπ，代表MZM2的調(diào)制深度.

通過設(shè)置β、λ及相位差θ的值，結(jié)合第1級(jí)MZM1，可以分別實(shí)現(xiàn)DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD，具體如下：當(dāng) β=2π、θ=0 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn) DSB-OD；設(shè)定 θ=π/2，λ=0.5，可以實(shí)現(xiàn) SSB-OD；若 θ=π，λ=1，則可以實(shí)現(xiàn)OCS-OD.

圖2給出了DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD等3種調(diào)制方案的頻譜圖，在理論分析時(shí)，只考慮一階邊帶載波和主載波，這主要是因?yàn)楫?dāng)λ較小時(shí)，高階邊帶都可以忽略不計(jì).從圖2（a）可以看出，主載波位于193.1 THz處，兩個(gè)一階邊帶載波與主載波的頻差為40 GHz.在圖2（b）中，消除了193.12 THz處的一階邊帶載波，形成了單邊帶形式，主載波與193.06 THz處一階邊帶載波頻差也為40 GHz.在圖2（c）中，193.1 THz處的主載波被抑制，只留下兩個(gè)頻差也為40 GHz的一階邊帶載波，從而形成了OCS-OD格式.

2 結(jié)果分析

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性能仿真.在仿真時(shí)，除了前述相關(guān)參數(shù)外，其他參數(shù)設(shè)置如下：數(shù)據(jù)傳輸速率為 2.5 Gbit/s，隨機(jī)序列長度為 1 024 bit，每 bit抽樣 64點(diǎn)；光纖色散系數(shù)為 16.75 ps·nm-1·km-1，差分群時(shí)延為0.2 ps/km，有效纖芯面積為80μm2，折射指數(shù)n2設(shè)為2.6×10-20m2/W；PIN光電二極管響應(yīng)度為1 A/W，暗電流為10 nA.通過頻譜儀、誤碼率（BER）分析儀、光功率計(jì)等設(shè)備分析相關(guān)系統(tǒng)性能.

圖3為DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD等3種調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值隨光纖傳輸距離的變化曲線，3種方案下的入纖光功率統(tǒng)一設(shè)定為-5.24 dBm.從圖3可以看出，隨著傳輸距離的增大，3種調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值都在降低.當(dāng)光纖長度從10 km增大到70 km時(shí)，DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值分別從190，121和136降低到1.8，2.2和2.4.在光纖長度從10 km增大到29 km過程中，OCS-OD系統(tǒng)Q值一直處于最優(yōu)，DSB-OD次之，而SSB-OD性能最差.這主要是因?yàn)楫?dāng)傳輸距離較短時(shí)，光纖損耗小，光功率較大，非線性效應(yīng)明顯，而OCS-OD頻譜中兩個(gè)一階邊帶等分光功率，功率分布均勻，與另外兩種調(diào)制方案相比抗非線性效應(yīng)較好，故OCS-OD性能最好.

圖 2 （a）DSB-OD、（b）SSB-OD 和（c）OCS-OD 調(diào)制方案的頻譜圖

當(dāng)光纖長度超過29 km后，OCS-OD的系統(tǒng)Q值開始低于DSB-OD；而當(dāng)光纖長度超過36 km后，OCSOD的系統(tǒng)性能變?yōu)樽畈?，此時(shí)DSB-OD調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值最高，SSB-OD性能居中，而這種Q值分布形態(tài)主要與色散有關(guān).隨著傳輸距離的增大，色散影響開始加劇，色散會(huì)導(dǎo)致脈沖展開，進(jìn)而引起符號(hào)間干擾（ISI），導(dǎo)致誤碼率升高，系統(tǒng)Q值降低.由于DSB-OD頻譜最寬（圖2），與另外兩種調(diào)制方案相比其時(shí)域最窄，對(duì)色散有較高的容忍度，故隨著傳輸距離的增大，DSBOD的系統(tǒng)性能最好.當(dāng)Q=6時(shí)（不考慮前向糾錯(cuò)時(shí)光纖通信系統(tǒng)所能承受的最小Q值，其對(duì)應(yīng)的誤碼率為 10-9），DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD調(diào)制方案的傳輸距離分別為 56，54，50.1 km.

圖4為傳輸30 km時(shí)DSB-OD、SSBOD和OCS-OD調(diào)制方案的基帶信號(hào)眼圖，其中各個(gè)插圖為對(duì)應(yīng)的PIN光電二極管輸出端的射頻信號(hào)眼圖.從圖4可以看出，當(dāng)傳輸距離達(dá)到30 km時(shí)，DSB-OD的系統(tǒng)Q值為31.5，而OCS-OD的系統(tǒng)Q值為30.3，表明DSB-OD系統(tǒng)傳輸性能開始好于OCS-OD系統(tǒng).SSB-OD的系統(tǒng)Q值為26.3，遠(yuǎn)高于6，仍可用于光通信.

圖3 3種調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值與傳輸距離的關(guān)系

圖4 （a）DSB-OD、（b）SSB-OD和（c）OCS-OD調(diào)制方案?jìng)鬏?0 km時(shí)系統(tǒng)眼圖

圖5 入纖光功率與系統(tǒng)Q值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 背靠背傳輸時(shí)DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD調(diào)制方案的誤碼率與接收機(jī)光功率對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 給出了傳輸距離為 50 km 時(shí) ，DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值隨入纖光功率變化曲線.從圖5可以看出，在入纖光功率整個(gè)增大的過程中，DSB-OD調(diào)制方案的系統(tǒng)Q值始終最大，約為8.8，且隨著入纖光功率的增大，Q值從8.8升高到了9.4.系統(tǒng)Q值升高的原因可以做如下解釋：隨著入纖光功率的增大，系統(tǒng)信噪比增大，故系統(tǒng)Q值上升.而SSBOD和OCS-OD在入纖光功率的整個(gè)增大過程中，系統(tǒng)Q值幾乎保持在8和6.3不變.系統(tǒng)Q值保持不變可以分析如下：隨著入纖光功率增大，系統(tǒng)信噪比開始升高，但入纖光功率增大的同時(shí)系統(tǒng)非線性效應(yīng)影響加大，抵消了信噪比升高的正面作用，最終導(dǎo)致系統(tǒng)Q值不隨入纖光功率變化.這也進(jìn)一步表明DSB-OD調(diào)制方案與另外兩種調(diào)制方案相比具有更好的抗非線性效應(yīng)能力.

圖 6為 DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD調(diào)制方案各自背靠背傳輸時(shí)接收機(jī)光功率與對(duì)應(yīng)的誤碼率關(guān)系曲線，在圖6中還給出了誤碼率為10-9時(shí)3種調(diào)制方案各自對(duì)應(yīng)的基帶信號(hào)眼圖.從圖6可以看出，當(dāng)誤碼率為10-9時(shí)，DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD各自的接收機(jī)光功率分別為-29.3，-35.1，-32.5 dBm.SSB-OD和OCS-OD的靈敏度相差2.6 dB，而OCS-OD比DSB-OD的靈敏度高3.2 dB.由此可見，SSB-OD調(diào)制方案的靈敏度最高.

3 結(jié)論

提出并理論分析了DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD調(diào)制方案，同時(shí)對(duì)DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD在RoF系統(tǒng)中的傳輸性能進(jìn)行了仿真.結(jié)果表明：1）當(dāng)傳輸距離小于30 km時(shí)，OCS-OD系統(tǒng)傳輸性能最好；當(dāng)傳輸距離超過36 km后，DSB-OD調(diào)制方案的傳輸特性最優(yōu)，故DSB-OD更適于長距離RoF系統(tǒng)傳輸.2）從抗非線性方面分析，DSB-OD調(diào)制方案最佳，OCS-OD調(diào)制方案的傳輸性能最差.3）在接收機(jī)靈敏度方面，SSB-OD調(diào)制方案表現(xiàn)最好.

綜合來看，在較長距離的RoF系統(tǒng)中，更適于采用DSB-OD調(diào)制方案.