基于OFDM技術的毫米波產生方案研究

摘要:該文提出了一個基于正交頻分復用(OFDM)技術的毫米波產生方案。理論分析了OFDM毫米波的色散性能，研究發現雖然由于色散的影響，每個OFDM子載波都有一個相移，但是經過相位均衡后，可以很清晰的得到接收星座圖。該方案較之采用相干接收的OFDM光纖無線通信系統(ROF)具有結構簡單，使用光學器件少的優點，并且該方案同樣具有抗色散的性能。

關鍵詞:正交頻分復用(OFDM);光纖無線通信(ROF);色散;相位均衡

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)14-3797-03

The Research on the Optical Millimeter Wave Producing Scheme Based on the OFDM Technology

LONG Hai1， HUANG Cheng2

(1. Computer Department， Hunan Institute of Humanities， Science and Technology， Loudi 417000， China; 2.Department of Communication， School of Computer and Communication， Hunan University， Changsha 410082， China)

Abstract: A scheme of optical millimeter (mm) wave based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) generation have been proposed with theoretics and simulation in this paper. The dispersion performance of OFDM mm-wave was analyzed theoretically. According to the result， although every sub-carrier of OFDM signals after transmission had a phase shift caused by dispersion， we can obtain a clear received constellation after phase equalization. The system with this scheme can simplify the system configuration compared over coherence optical OFDM-ROF system.The mm-wave generation by this scheme also can resist the fiber dispersion.

Key words: orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); radio-over-fiber(ROF); dispersion; phase equalization

1 引言

光纖無線通信(ROF:Radio-Over-Fibre)作為未來解決寬帶無線接入最有前景的技術之一，近年來得到了廣泛研究。它利用光纖低損耗，超大帶寬以及抗電磁干擾等特性來傳輸無線信號，滿足用戶對無線接入網帶寬的需求[1-6]。正交頻分復用(OFDM)技術成為高速寬帶無線通信的優選方案， OFDM技術在無線環境中抗多徑衰落和窄帶干擾特性明顯，而最近的研究成果表明，在光通信領域，OFDM技術可以抵抗色散和偏振模色散的影響，因而也成為光通信領域的研究熱點[3-6]。OFDM技術與ROF技術相結合組成OFDM-ROF系統可以發揮各自的優勢，提高接入帶寬和實現毫米波遠距離傳輸。基于OFDM技術的毫米波產生是實現OFDM-ROF系統以及降低系統造價的關鍵技術。近年來，有許多文獻研究了OFDM信號在光纖中傳輸的問題[3-6]，大部分都是采用相干檢測技術來接收OFDM信號[6]。同樣也有采用直接檢測的光OFDM傳輸系統，但是采用的頻率只有7.5GHz，采用單邊帶調制技術，并且沒有涉及到毫米波通信技術[4-5]。

本文提出了一種基于OFDM技術的毫米波產生方案，先采用載波抑制調制產生光毫米波，然后在其中一個邊帶上加載經過中頻I/Q調制后的OFDM信號，采用直接檢測接收毫米波信號，理論結合仿真研究了色散對OFDM子載波相位的影響。

2 理論分析

OCS:載波抑制調制;LD:半導體激光器;IL:光交叉復用器;OC:光耦合器; TOF:可調諧光濾波器;PD:光電檢測器;BPF:帶通濾波器

如圖1所示，數字基帶信號經過OFDM調制后可以得到:

(1)

其中N為子載波數，為4-QAM數據，tS為符號周期;然后對基帶OFDM信號的實部I(t)和虛部Q(t)進行中頻I/Q調制，得到中頻OFDM信號，可以表示成:

(2)

RE(.)表示取實部。(2)式可以表示成三角函數:

(3)

其中，。

激光二極管(LD)發出的連續光波(CW)，表示為，其中P0為光功率，ωc為光角頻率，輸入到直流偏置電壓為vπ的MZM調制器中實現載波抑制調制，可以表示為:

(4)

然后使用一個交叉復用器分離兩個一階邊帶。中頻OFDM信號驅動直流偏置電壓為vπ的MZM調制器調制一階上邊帶，將vIF的幅值設置在一階Bessel函數的近似線形區，然后與一階下邊帶耦合成一路信號，該信號經過色散光纖傳輸到基站可以表示成:

(5)

其中，表示各個頻率分量的相移，其中ωi表示頻率分量相對于光中心載波ωc的頻偏，L為傳輸距離。該信號進行光電檢測得到中心頻率為2ωRF的電毫米波信號為:

(6)

最后經過毫米波相干解調和中頻I/Q解調后，得到OFDM基帶信號為:

(7)

可以看到，雖然信號由兩個具有不同相移的OFDM信號組成，且每個OFDM子載波都有不同的相位偏移，但是OFDM接收機可以通過信道均衡來補償各個子載波的相位偏轉，實現信號的正確接收。

3 仿真結果及分析

在Optsys3.0中建立如圖1的仿真系統，激光二極管(LD)發出線寬很窄的連續光波輸入到偏置電壓為半波電壓，驅動電壓為20GHz射頻信號的MZM調制器中實現載波抑制調制產生兩個一階邊帶縱模，然后用一個交叉復用器分離兩個一階邊帶縱模，將中頻OFDM信號調制到一階上邊帶縱模;其中OFDM信號由Matlab程序產生，速率為2.5Gbps的偽隨機碼經QAM調制成1.25Gbps的頻域數字信號，該頻域數據再經過256點IFFT生成OFDM基帶信號，其中有32個導頻信號，采用梳狀分布，保護間隔長度為OFDM周期的1/4;然后對基帶OFDN信號的實部和虛部進行中頻I/Q調制，中頻信號的頻率為2.5GHz，圖2表示中頻OFDM信號的頻譜，即圖1中(a)處的頻譜，可以看到其中心頻率為2.5GHz，帶寬為1.25GHz;然后用中頻OFDM信號驅動直流偏置電壓為半波電壓的MZM調制器對上邊帶縱模進行調制后與一階下邊帶耦合，形成光OFDM毫米波信號，圖3表示光OFDM毫米波信號的光譜圖，即圖1中(b)點的光譜圖;光OFDM毫米波信號經過色散光纖傳輸到基站，經過光電檢測器得到電信號，其頻譜如圖4所示，可以看到，電信號包括基帶信號，中心頻率為5GHz的電信號，以及中心頻率為40GHz的毫米波信號，其兩個邊帶距離中心頻率2.5GHz;40GHz的毫米波信號與40GHz的本地震蕩混頻經過中心頻率為2.5GHz，帶寬為1.25GHz的帶通濾波器后得到2.5GHz中頻OFDM信號，如圖5所示;最后中頻OFDM信號經過中頻I/Q解調，并經過OFDM解調后得到基帶信號。圖6和圖7分別表示背靠背(B-T-B)和傳輸80km后的接收星座圖，其中紅點表示沒有經過相位均衡的接收星座，而黑點表示相位均衡后的星座圖，可以看到經過80km傳輸后接收星座圖相位偏轉明顯，影響信號的正確接受，而經過信道估計得到均衡后的星座圖非常清晰，可以對信號正確接收，這也是OFDM技術可以對色散和偏振模色散進行補償的原因所在。

圖2 中頻OFDM信號頻譜圖圖3 光OFDM毫米波信號光譜圖圖4 接收機產生的電信號頻譜圖

圖5 接收的中頻OFDM頻譜圖圖6 B-T-B下接收星座圖圖7 傳輸80-km后接收星座圖

4 結論

該文設計了一個光纖無線通信系統中基于OFDM技術的毫米波產生方案，理論結合仿真分析了色散對光OFDM毫米波的傳輸影響。研究發現雖然色散引起了OFDM信號中各個子載波的相位偏轉，但是OFDM信號接收時經過相位均衡后得到的接收星座圖非常清晰。該方案采用直接檢測技術接收OFDM信號，與采用相干光OFDM技術相比，基站不需要相干光源，實現基站的簡單設計，并且該方案產生的OFDM毫米波能夠抵抗色散影響，在光纖無線通信系統中遠距離傳輸。

參考文獻:

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[2] Lin Chen， Hong Wen， and Shuangchun Wen. A Radio-Over-Fiber System with a Novel Scheme for Millimeter-Wave Generation and Wavelength Reuse for Up-Link Connection [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.，2006，19(18):2056-2058.

[3] James Lowery， Jean Armstrong. Orthogonal-frequency-division multiplexing for dispersion compensation of long-haul optical systems[J]. Optics Express， 2006，14(6):2079-2084.

[4] James Lowery， Jean Armstrong. 10 Gbit/s multimode fiber link using powerefficient orthogonal-frequency-division Multiplexing[J]. Optics Express， 2005，13(25):10003-10009.

[5] James Lowery， Liang Bangyuan Du，，Jean Armstrong. Performance of Optical OFDM in Ultralong-Haul WDM Lightwave Systems[J]. Journal of Lightwave Tech.， 2007，25(1):131-138.

[6] W. Shieh， X. Yi and Y. Tang. Transmission experiment of multi-gigabit coherent optical OFDM systems over 1000km SSMF fibre[J]. Electolics Letters， 2007，43(3).