李 立, 馮 賀, 趙建周

(1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院 河南 安陽 455000； 2.安陽工學院 計算機科學與信息工程學院 河南 安陽 455000)

基于40 Gbit/s 4QAM-OFDM的RoF相干傳輸系統特性分析

李 立1, 馮 賀2, 趙建周1

(1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院 河南 安陽 455000； 2.安陽工學院 計算機科學與信息工程學院 河南 安陽 455000)

建立了傳輸距離為150 km的40 Gbit/s 4QAM-OFDM單模光纖傳輸模型，并進行了仿真分析.通過光外差法產生60 GHz的毫米波信號，在接收端采用相關解調的方式接收信號.用Matlab和VPI聯合編程仿真，采用DCF和信道估計的方法對色散進行補償，通過對解調后星座圖、色散性能、Q值和誤碼率的分析，在輸入功率為10 dBm時可以得到最好的結果，仿真測試結果清晰地表明了4QAM-OFDM系統在150 km的光纖鏈路中傳輸的可行性.

VPI； 光纖無線電RoF； 正交頻分復用OFDM； 光外差； 正交幅度調制QAM

0 引言

在接入網發展的近二十年中，由于高清晰度視頻傳輸、視頻會議等高帶寬業務的涌現，以及無線傳輸業務接入靈活性的特點，為大數據高速接入和無線傳輸的融合提供了契機.無線網絡不能承載高速發展的多媒體信號，所以高速無線接入已成為一個關鍵問題[1].由于光載無線通信(RoF)技術同時具有光纖系統帶寬和無線系統移動性、靈活性的優勢，是下一代無線光網絡的關鍵部分，利用中心局端(CO)的集中控制單元和低損耗、高帶寬的光纖連接方式，實現了CO側信號和遠程基站(BS)之間高速無損的傳輸.由于載波頻率為60 GHz的無線信號，具有可利用的頻譜范圍寬、強抗干擾性能、免申請等特點，因此，這種無線信號在RoF系統中受到廣泛關注.

光承載射頻信號的方法主要有直接調制法、外部調制法、光外差法、光學鎖相環技術、調制邊帶法[2].我們采用光學鎖相環技術和光外差法產生毫米波信號，其中兩個不同頻率的光信號在光電檢測器內混頻產生所需的毫米波頻率的窄帶光信號.該種傳輸可以通過改變兩激光器的頻率進行信號頻率調整，采用該方案避免了直接調制恢復信號所需的放大器，同時也提高了系統的靈敏度和帶寬利用率.光外差法中，兩個載波信號中只有一個經調制帶有數據，系統色散度會大大降低.因此，光外差方法既可以克服光纖中的色散問題，又可以簡化基站的結構和成本.針對下一代40 Gbit/s的光傳輸系統的要求，高速傳輸速率、低光纖色散的傳輸方式成為光纖網絡中的重要研究對象.文獻[3]和[4]分別提出基于千兆接入的16QAM和M-ASK調制格式，但仍然不能滿足下一代通信網絡對傳輸速率的要求.在OFDM系統中，各子載波可以通過不同類型的多進制調制方式進行調制，如相移鍵控(PSK)和正交幅度調制(QAM)，使OFDM具有更好的頻譜效率.文獻[4]利用相位噪聲抑制來實現OFDM-RoF系統的100 km長距離傳輸，通過調整OFDM信號個別子載波的功率，并進行獨立的色散補償，這個方案結構復雜并且代價昂貴.針對此類問題，本文提出了一種高速低成本高效的DCF補償方案的長距離150 km的4 QAM OFDM-RoF系統，通過Q值和誤碼率等指標驗證方案的可行性[5].

1 基本原理

1.1 系統原理

40 Gbit/s的RoF系統模型如圖1所示.RoF系統中從中心局端到基站的下行鏈路包括3個主要部分，即中心局端、光纖傳輸鏈路和基站.其中中心局端CO的偽隨機比特序列(PRBS)發生器作為OFDM發射機的射頻數據源，其比特序列為2N-1個數據位序列.在CO端設置2個連續波激光器CW1和CW2，分別發出λ1和λ2.其中λ1作為下行OFDM信號的載波，λ2為混頻信號.λ1被分成2部分，分別同OFDM信號的同相分量和正交分量進行強度調制，并進行90度相移，得到的I、Q兩路信號，分別為基帶OFDM信號的實部和虛部信息.調制后的光載波與通過光外差法產生的與CW1有60 GHz頻率差的CW2進行耦合，得到毫米波信號，本方案采用光外差法產生毫米波信號.傳輸鏈路由3個帶有色散補償光纖(DCF)的跨度為50 km單模光纖來實現150 km的傳輸距離.

圖1 RoF系統原理框圖Fig.1 Block diagram of RoF system

在基站中，調制信號通過相干接收方式得到，其中本地振蕩器由與CW1工作相同頻率的激光器作為相干信號.調制器MZM的參數設置為幅度調制，并在V2前加反相器，即V1=-V2=Vinput，可以通過耦合器和光電二極管解調出OFDM信號的I，Q分量.之后信號分別經過帶通高斯濾波器，并通過眼睛圖分析儀來觀察傳輸性質.

1.2 毫米波信號產生

本方案采用光外差法產生毫米波信號，其原理如圖2所示.即在光纖上傳輸兩個頻率差為所需的窄帶光信號，其中只有一路光信號上攜帶了基帶傳輸數據[6].設兩個角頻率為ω1和ω2的光信號，其調制信號為m(t)，則兩路信號可表示為：E1=m(t)E01cos(ω1t)，E2=E02cos(ω2t).

當上述兩路信號進入基站PIN中進行耦合時，PIN的光電流iPD正比于輸入光信號和的平方.

但由于PIN自身的截止響應頻率限制，光電流iPD中2ω1、2ω2和ω1+ω2等頻率分量已經超出了截止響應頻率，因此只能得到頻率為ω1-ω2的射頻信號：iPD=m(t)E01E02cos[(ω1-ω2)t].

在本文VPI模型中，中心局端(CO)的連續波激光器CW1和CW2的頻率分別設為193.2THz和193.14THz，其耦合信號光譜圖如圖3所示.可見在頻譜圖中頻譜的中心頻差為60GHz.

2 仿真結果與討論

在中心局端CO產生一個碼率為40 Gbit/s的偽隨機碼，將該偽隨機碼用OFDM調制，OFDM采用4QAM和128點IFFT.PIN光電二極管的靈敏度為1 A/W，暗電流為10 nA，熱噪聲為10-22W/Hz，MZM調制器的消光比為60 dB，EDFA的噪聲為4.5 dB.連續波激光器頻率分別為193.2 THz和193.14 THz，其耦合信號光譜圖如圖3所示.

圖2 光外差法原理圖Fig.2 Schematic diagram of optical heterodyning

圖3 耦合器輸出信號光譜圖Fig.3 Optical spectrum of output of coupler

圖4表述了在傳輸速率為40 Gbit/s條件下，輸入功率從-10～20 dBm和誤碼率的變化關系，可見非線性閾值點(NLT)在10 dBm處，在其之后非線性占主導地位.光鏈路采用3段50 km單模光纖，其衰減系數為0.2 dB/km，色散系數為16 ps/(km.nm)，非線性系數為1.3 w-1km-1，實現傳輸距離為150 km的傳輸方案.為了實現無差錯傳輸，采用DCF補償方案.50 km單模光纖的色散系數為50×16 ps/(km.nm)=800 ps/(km.nm).因此在我們的方案中，色散系數為-80 ps/(km.nm)的DCF的長度為10 km.在仿真模型中，使用摻鉺光纖放大器(EDFA)補償每一跨度的損耗，其噪聲系數為4.5 dB，增益為10 dB.DCF的衰減系數為0.5 dB/km，色散系數為-80 ps/(km.nm)，非線性系數為4.75 w-1km-1.圖5顯示了150 km傳輸后接收端的OFDM信號4QAM方案的星座圖.由圖可知，星座圖中各點的振幅經過傳輸以后由于色散、衰減等因素沒有完全重合，但落點區域相對集中，同時邊界包絡接近圓形，符合ITU-T的傳輸要求.

圖4 誤碼率-輸入功率關系圖Fig.4 Diagram of BER vs input optical power

圖5 系統傳輸星座圖Fig.5 Diagram of EVM

在基站端，傳輸過來的光信號經過本地諧振器LO進行相干檢測，其諧振頻率與發送端連續波激光器CW1的相同，可得到60 GHz的毫米波信號，本方案是采用193.20 THz-193.14 THz=60 GHz的毫米波信號，其頻譜圖如圖6所示.同時在移動終端內，將此信號與一個頻率為60 GHz的本振信號混頻，然后經過OFDM 解調就可以得到需要的基帶信號.

圖7顯示的是解調出來的毫米波RoF信號的誤碼率和傳輸距離的關系，誤碼率和Q值均隨著接收光功率的增加得到改善.

3 采用導頻插入的色散信道補償

為了避免色散信道對長距離傳輸性能的影響，本方案中綜合考慮色散補償光纖和基于導頻的信道估計的方式來進行色散補償，進而對系統傳輸性能起到極大改善.星座圖誤差矢量值(EVM)作為系統傳輸性能的評定依據，EVM越接近0，表示傳輸質量越優良.在OFDM傳輸過程中由于色散因素會導致不同子載波之間相位疊加和旋轉，因此需要采用導頻插入的信道估計方法來進行補償，即在一個符號的頻域序列中插入已知的導頻，在接收端計算導頻前后相位和幅度變化，并利用插值算法來估計導頻之間的非導頻序列遭受的相位和幅度變化.插值算法主要有線性插值、3次樣條插值和DFT插值.本方案對比分析了3種插值算法，其EVM值隨傳輸距離的結果如圖8所示.結論表明線性插值算法具有實現簡單而且估計特性優良的特點.

可以看到，由于使用了信道估計，通過DCF光纖和信道估計補償，信號的誤碼率降低，傳輸性能得到了很大提高.其傳輸距離和誤碼率BER之間的關系如圖9所示.可以看到，在使用信道估計后，當要求系統誤碼率存在時，系統傳輸距離能達到到150 km.

圖6 相干檢測后的頻譜圖Fig.6 Spectrum of after coherent detection

圖7 誤碼率與RoF系統接收光功率關系圖Fig.7 Diagram of BER vs received power

圖8 傳輸距離和EVM關系圖Fig.8 Diagram of EVM vs transmission distance

本文提出了采用DCF和線性插值算法信道補償方案，實現了150 km無差錯的RoF系統傳輸.可以得到輸入功率為10 dBm、系統誤碼率在10-4以下時，具有良好的傳輸性能.仿真測試結果清晰地表明了本方案4QAM OFDM系統在150 km的光纖鏈路中傳輸的可行性.可見RoF和OFDM相結合是無線接入網絡“最后一公里”的合適解決方案.

[1] GOMES N J, MONTEIRO P P, GAMEIRO A. Next generatio wireless communications using radio over fiber[M].West Sussex：Wiley Press,2012.

[2] 康照遠.OFDM-RoF接入系統的研究與設計[D].山東：山東大學, 2014.

[3] TAO L, YU J, ZHANG J, et al.Reduction of intercarrier interference based on window shaping in OFDM RoF systems[J].Photonics technology letters IEEE, 2013, 25(9):851-854.

[4] KANNO A, INAGAKI K, MOROHASHI I, et al.40 Gb/s W-band(75-110 GHz) 16-QAM radio-over-fiber signal generation and it′s wireless transmission[J].Optics express,2011, 19(26):56-63.

[5] 李立, 張天鵬, 趙建周.CSRZ-DQPSK在長距離WDM-PON系統的性能研究[J].鄭州大學學報(理學版), 2015,47(4):52-57.

[6] HSUEH Y T, LIU C, FAN S H, et al.A novel full-duplex testbed demonstration of converged All-band 60-GHz Radio-over-fiber access architecture[C]//Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference:Los Angeles,2012:1-3.

(責任編輯：方惠敏)

Performance Analysis of RoF Coherent Transmission Based on 40 Gbit/s 4QAM-OFDM System

LI Li1, FENG He2, ZHAO Jianzhou1

(1.DepartmentofElectronicInformationandElectricalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China; 2.DepartmentofComputerScienceandInformationEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang455000,China)

A 4QAM-OFDM single mode optical fiber transmission model with 150 km of transmission distance and 40 Gbit/s of transmission rate was established.Simulation analysis was held with this system.The millimeter-wave signals of 60 GHz through optical heterodyne technique were received by coherent demodulation at the receiving end.The joint programming simulations were made by Matlab and VPI. Chromatic dispersions were compensated by DCF and channel estimation. By analyzing signal constellations, dispersion characteristics,Q value and bit error rate after demodulation,the best result appeared when the input power was 10 dBm. The outcome of simulation test explicitly explained the feasibility of the 4QAM-OFDM system of transmitting signals in 150 km optical fiber link.

VPI; radio over fiber( RoF); orthogonal frequency division multiplexing (OFDM); optical heterodyning; quadrature amplitude modulation(QAM)

2016-09-03

國家自然科學基金河南省人才培養聯合基金(U1204613);河南省教育廳科學技術研究重點項目(15A510017).

李立(1984—)，男，河南安陽人，講師，主要從事光接入網技術研究，E-mail：lilifkb@163.com.

TN929.11

A

1671-6841(2017)02-0116-04

10.13705/j.issn.1671-6841.2016218