光載無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的傳輸限制與抑制方法

盧　嘉　陳　林　文雙春

摘要：針對(duì)光載無(wú)線(xiàn)通信(RoF)系統(tǒng)的傳輸限制因素，文章提出并實(shí)驗(yàn)證明兩種傳輸距離長(zhǎng)性能高的RoF系統(tǒng)。一種是采用抑制奇數(shù)邊帶的基于外部調(diào)制的40 GHz的RoF“系統(tǒng)；另一種是采用載波抑制(OCS)的外部調(diào)制的40 GHz光正交頻分復(fù)用(OFDM)RoF系統(tǒng)。理論與實(shí)驗(yàn)證明這兩個(gè)系統(tǒng)不僅抗色散能力強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

關(guān)鍵詞：光載無(wú)線(xiàn)；光毫米波；正交頻分復(fù)用；載波抑制

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻多媒體通信的需求越來(lái)越大，這樣就需要更大的帶寬來(lái)傳輸更多的信息，來(lái)滿(mǎn)足人們的需求；此外，人們希望“不論何時(shí)，不論何地，不論何人”都可以使用網(wǎng)絡(luò)資源。綜合以上兩種需求，光纖無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)(RoF)應(yīng)運(yùn)而生。RoF可以將兩種優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，具有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是一種可以滿(mǎn)足多媒體通信需求的最佳通信方式。RoF系統(tǒng)通過(guò)合并無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的各項(xiàng)功能于一個(gè)集中的數(shù)據(jù)收發(fā)器，讓所有的基站連接到這個(gè)功能集中的中心站，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。如果整個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)都用低成本的光纖來(lái)搭建，利用光纖傳輸特有的低損耗和高帶寬，那么整個(gè)系統(tǒng)的成本將大大降低。

目前，中國(guó)外有大量關(guān)于RoF系統(tǒng)的研究，國(guó)際上基于40 GHz光毫米波的RoF系統(tǒng)的研究已趨于成熟。但RoF基站和用戶(hù)端的連接(無(wú)線(xiàn))只是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。受到光電器件的限制，40 GHz的毫米波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上利用標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸可以傳輸40 km的距離。基于60 GHz光毫米波的RoF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究也不完善，關(guān)于60 GHz的毫米波系統(tǒng)的研究很少，做出60 GHz系統(tǒng)的只有日本，美國(guó)的少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室。

RoF系統(tǒng)由于色散、非線(xiàn)性等因素的影響使得傳輸距離受到限制。本文將介紹影響RoF系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕蛩兀岢鰞煞N增加系統(tǒng)傳輸距離的RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并分析其抵抗色散及非線(xiàn)性效應(yīng)的性能。

1抑制RoF系統(tǒng)傳輸?shù)囊蛩?/p>

ROF系統(tǒng)傳輸受限的主要原因有色散、光纖的非線(xiàn)性及串?dāng)_等因素。

(1)色散

在光通信中有多種形式的色散，最主要的有模間色散、偏振模色散(PMD)以及色散射。而模間色散一般發(fā)生在多模光纖中。本文這里只考慮單模光纖中的傳輸，而偏振模色散主要是由于光纖芯存在橢圓度，不同的偏振態(tài)會(huì)以不同的群速度傳播。目前光通信正向著高速率高容量方向發(fā)展，所以PMD色散對(duì)高速率的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一種嚴(yán)重的影響。目前在考慮單模光纖中色散對(duì)系統(tǒng)的影響，也就是色散射。它的產(chǎn)生是由于一個(gè)脈沖中不同的頻率分量在光纖中以不同的群速度傳播，并且以不同的時(shí)間到達(dá)到鏈路的另一端所引起的。色散會(huì)使系統(tǒng)性能衰退而且會(huì)造成碼間時(shí)移現(xiàn)象。在RoF系統(tǒng)中，色散所引起的衰退現(xiàn)象表現(xiàn)在信號(hào)功率沿著光纖的傳輸發(fā)生周期性的變化(類(lèi)似余弦信號(hào)波動(dòng))。碼間時(shí)移會(huì)破壞信號(hào)質(zhì)量使得信號(hào)的眼圖隨著光纖的傳輸而閉合。

(2)光纖非線(xiàn)性

當(dāng)傳輸時(shí)光纖上的光功率很小的時(shí)候，光纖可以看作是線(xiàn)性的媒介，這樣光纖的損耗和折射率與信號(hào)功率是無(wú)關(guān)的。但是當(dāng)光纖中的功率很大的時(shí)候，這時(shí)非線(xiàn)性影響很大。就會(huì)對(duì)系統(tǒng)特別是高速系統(tǒng)產(chǎn)生更大影響。對(duì)于非線(xiàn)性，本文主要考慮兩類(lèi)：一類(lèi)是受激布里淵散射(sBs)和受激拉曼散射(sRS)，這一類(lèi)是由于二氧化硅介質(zhì)中光波與聲子相互作用形成了光纖介質(zhì)中的散射效應(yīng)；第二類(lèi)是由于折射率與光功率的依賴(lài)性，主要包括四波混頻(FWM)。自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(cPM)等。在RoF系統(tǒng)中可以通過(guò)控制入纖功率來(lái)降低第二類(lèi)非線(xiàn)性。

(3)申擾

串?dāng)_是指其他信號(hào)對(duì)所需要信號(hào)的影響。在RoFg向系統(tǒng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)在單根光纖中沿兩個(gè)方向傳輸，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)有附加的串?dāng)_。還有由于器件的泄露而造成的信道內(nèi)申擾都會(huì)抑制系統(tǒng)的傳輸。

2兩種通過(guò)增加傳輸距離改善RoF系統(tǒng)的方案

針對(duì)第1部分討論的抑制RoF系統(tǒng)傳輸?shù)囊蛩?，下面介紹兩種改善系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)傳輸距離的方案。文獻(xiàn)[10]分析通過(guò)外調(diào)制的方法，在單邊帶(ssB)、雙邊帶(DsB)和載波抑制(Ocs)3種調(diào)制方式中，OCS抵抗色散能力最強(qiáng)。但是利用OCS方法產(chǎn)生的40 GHz的RoF系統(tǒng)所需要20 GHz的射頻(RF)頻率，因此本文提出僅采用10 GI-Iz的RF信號(hào)產(chǎn)生40 GHz的RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，抗色散能力強(qiáng)。最近幾年，光通信朝著大容量長(zhǎng)距離方向發(fā)展，因此色散的解決越顯重要，2005年，光正交頻分復(fù)用(OOFDM)技術(shù)作為一種新型的光傳輸技術(shù)被提出。應(yīng)用OOFDM技術(shù)可以做到無(wú)色散補(bǔ)償?shù)母咚俟饫w傳輸。2007年日本DKKI研究出可將52.5 Gb／s的OFDM信號(hào)無(wú)色散補(bǔ)償?shù)貍鬏? 160 kmlUl的系統(tǒng)。因此，如果將OFDM信號(hào)應(yīng)用在RoF系統(tǒng)中，則將解決色散對(duì)系統(tǒng)的影響。下面本文提出了兩種基于外調(diào)制的OFDM-RoF系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1基于抑制奇數(shù)邊帶的40 GHz的RoF全雙工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文基于奇數(shù)邊帶抑制的方法進(jìn)行了40 GHz的RoF的全雙工系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。在中心站，分布反饋式激光器產(chǎn)生連續(xù)的光波，輸入強(qiáng)度調(diào)制器(IM)。2.5 Gb／s的下行數(shù)據(jù)與10 GHz的射頻信號(hào)混頻產(chǎn)生電毫米波，用此電毫米波驅(qū)動(dòng)IM，對(duì)光載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)抑制奇數(shù)邊帶調(diào)制格式，得到的頻譜圖如圖2(a)所示，兩個(gè)二階邊帶的頻率差為40 GHz。經(jīng)過(guò)20 km的SMF-28傳輸后，到達(dá)基站。經(jīng)過(guò)光纖傳輸前后的下行數(shù)據(jù)眼圖如圖3(a)和圖3(b)。抑制了奇數(shù)邊帶的光信號(hào)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)的環(huán)形器和FBG濾波器，載波被濾除，頻譜中只含有雙頻二階邊帶，頻譜圖如圖2(b)所示。濾除了中心載波的兩個(gè)二階邊帶的光毫米波再通過(guò)高速光電檢測(cè)器變成電毫米波。電混頻器將40 GHz的本振(LO)信號(hào)與接收到的毫米波混頻進(jìn)行相干解調(diào)得到基帶信號(hào)，通過(guò)低通濾波器(LPF)，進(jìn)入到誤碼測(cè)試儀進(jìn)行誤碼檢測(cè)。而由FBG反射出來(lái)的中心載波作為上行鏈路的載波由環(huán)形器輸出，頻譜如圖2(c)所示。將2.5 Gb／s的上行數(shù)據(jù)調(diào)制到上行載波上，調(diào)制后的光譜如圖2(d)所示，再經(jīng)過(guò)20 km的SMF-28到達(dá)接收機(jī)解調(diào)測(cè)得誤碼。傳輸前后的上行數(shù)據(jù)眼圖如圖3(c)和圖3fd)所示。

現(xiàn)在討論此系統(tǒng)的傳輸性能。首先關(guān)于色散的分析，針對(duì)本文提出的抑制奇數(shù)邊帶的方案系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算得到最大傳輸距離為74 km。如果利用載波抑制方法，利用20 GHz的RF信號(hào)產(chǎn)生40 GHz RoF系統(tǒng)的方案，當(dāng)取色散參數(shù)和光中心波長(zhǎng)一樣時(shí)，色散時(shí)間差和本文提出的利用奇

數(shù)邊帶抑制的方法是相等的。這就表明色散對(duì)這兩種方案性能的影響是相同的。而本文采用的本地振蕩信號(hào)只有10GHz，降低了對(duì)調(diào)制器的帶寬需求，也降低了系統(tǒng)的成本，是一種成本有效的產(chǎn)生高頻毫米波的方案。而對(duì)于非線(xiàn)性的影響在這里主要考慮第二類(lèi)非線(xiàn)性，可以通過(guò)控制人纖功率來(lái)控制光纖非線(xiàn)性對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)中控制人纖功率為2 dBm。我們測(cè)得下行數(shù)據(jù)傳輸不同距離解調(diào)后的眼圖如圖4所示，經(jīng)過(guò)40 km光纖傳輸后，眼睛仍然張開(kāi)，證明系統(tǒng)性能良好。而對(duì)于上行數(shù)據(jù)眼圖，由于從FBG反射過(guò)來(lái)的載波中還有一些二階邊帶成分，即所說(shuō)的信道間串?dāng)_而使得上行數(shù)據(jù)眼圖中包含兩種模式。但是從上行數(shù)據(jù)誤碼率曲線(xiàn)來(lái)看，傳輸了20 km后功率代價(jià)小于1 dB。綜上所述，此系統(tǒng)傳輸性能很好。

2.2基于載波抑制的40 GHz的OFDM-RoF系統(tǒng)。

通過(guò)光載波抑制調(diào)制方式產(chǎn)生40 GHz光OFDM毫米波信號(hào)的RoF系統(tǒng)如圖5所示。在中心站，分布反饋式激光器產(chǎn)生連續(xù)光波，輸入強(qiáng)度調(diào)制器(IM)。10 GHz的射頻信號(hào)倍頻后得到20 GHz的RF信號(hào)驅(qū)動(dòng)IM，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器偏置電壓實(shí)現(xiàn)載波抑制調(diào)制方式，光譜如圖5(a)所示，可以看到載波抑制比為22 dBm。經(jīng)130 km單模光纖傳輸后在基站實(shí)現(xiàn)OOFDM信號(hào)的解調(diào)和接收。本文得到傳輸不同距離后的OFDM的星座圖如圖6所示。發(fā)現(xiàn)傳輸130 km后的信號(hào)接收星座圖效果依舊很好。這是由于在傳輸OFDM信號(hào)系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬是由N個(gè)子載波占用，符號(hào)速率就相當(dāng)于單載波傳輸模式的1／N。正是因?yàn)檫@種低符號(hào)速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗符號(hào)間干擾。又由于傳輸?shù)腛FDM信號(hào)各個(gè)子載波是正交的，當(dāng)OFDM信號(hào)的保護(hù)間隔大于多徑時(shí)延時(shí)，就可以保證在快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生信號(hào)的相位跳變，在接收時(shí)，個(gè)別的相位偏移不會(huì)破壞整體OFDM子載波的正交性。如圖6所示，當(dāng)傳輸50 km之后，星座圖有些發(fā)散，這是由于某些子載波發(fā)生了相位偏移，但是發(fā)散不大，總體來(lái)說(shuō)，星座圖效果很好。本文還測(cè)量了不同傳輸距離后的誤碼率曲線(xiàn)如圖7所示，與背靠背接收相比，OFDM傳輸1×105點(diǎn)數(shù)據(jù)的條件下，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)計(jì)算，傳輸了50、110、130 km光纖后，其誤碼為104時(shí)對(duì)應(yīng)的接收功率-分別為為-19.5、-18.5、-17.5 dBm，其功率代價(jià)分別為0.5、1.5、2.5 dB，說(shuō)明OFDM信號(hào)的碼間串?dāng)_小。若傳輸2.5 Gb／s的不歸零碼(NRz)信號(hào)代替OFDM信號(hào)，得到的解調(diào)眼圖如圖8所示。從圖8可以看出傳輸60 km后，眼圖由于色散的影響已經(jīng)發(fā)生畸變，碼間干擾嚴(yán)重。

圖9為NRZ信號(hào)的誤碼率曲線(xiàn)，傳輸了20 km后，在，其誤碼為10。時(shí)對(duì)應(yīng)的接收功率分別為23 dBm，其功率代價(jià)分別為1db。

3結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)色散提出了兩種RoF系統(tǒng)，一種是基于外調(diào)制的40 GHz的RoF全雙工系統(tǒng)，采用此系統(tǒng)傳輸40km光纖后下行眼圖依舊很好，上行鏈路由于器件泄露而對(duì)上行數(shù)據(jù)的串?dāng)_影響較小，上行數(shù)據(jù)的功率代價(jià)小于1 dB。另一種方案是基于外調(diào)制的40 GHz的OFDM-RoF系統(tǒng)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)OFDM信號(hào)產(chǎn)生高質(zhì)量OFDM信號(hào)，由于OFDM信號(hào)具有抗衰落和碼間串?dāng)_以及色散的能力，所以經(jīng)過(guò)130 km光纖傳輸后的星座圖依舊很好，誤碼為10-4時(shí)對(duì)應(yīng)的接收功率分別為-17.5 dBm，其功率代價(jià)分別為2.5 dB，這說(shuō)明OFDM信號(hào)的碼間串?dāng)_小。此系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，并用此系統(tǒng)傳輸了2.5 Gb／s的NRZ信號(hào)，測(cè)得解調(diào)眼圖和誤碼率曲線(xiàn)，比較NRZ和OFDM系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)OFDM-RoF系統(tǒng)抗色散能力更強(qiáng)。