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    單邊帶OFDM-ROF 系統(tǒng)中的色散補(bǔ)償問(wèn)題研究

    2014-04-01 00:57:10席在芳劉懿吳笑峰胡仕剛唐志軍李勁
    關(guān)鍵詞:星座圖色散載波

    席在芳,劉懿,吳笑峰,胡仕剛,唐志軍,李勁

    (湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,湖南 湘潭,411201)

    OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技術(shù)具有較高的頻譜效率、對(duì)時(shí)延擴(kuò)張免疫、可以抗頻率選擇性衰落、信道均衡簡(jiǎn)單等特點(diǎn),已在寬帶數(shù)據(jù)通信和無(wú)線通信等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1-2]。OFDM 技術(shù)中的信道均衡加上信道編碼可以幫助抑制單模色散(CD)和偏振模色散(PMD)[3]。將OFDM 技術(shù)融入到ROF 系統(tǒng)中具有較多優(yōu)勢(shì),在傳輸端可以通過(guò)抑制色散效應(yīng)提高信號(hào)傳輸距離,無(wú)線端又可以直接利用OFDM 技術(shù)在無(wú)線領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。許多研究者研究了OFDM 信號(hào)在光纖中傳輸?shù)膯?wèn)題[2-7],大部分是采用相干檢測(cè)技術(shù)來(lái)接收OFDM 信號(hào),采用直接檢測(cè)的光OFDM傳輸系統(tǒng)是為了更好地補(bǔ)償長(zhǎng)距離通信系統(tǒng)中的色散。它們采用的調(diào)制頻率都比較低,較少涉及高頻子載波如毫米波段的研究,大多采用濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制[2-8]。傳統(tǒng)的光載波雙邊帶調(diào)制方式的ROF(radio-over-fiber)系統(tǒng)中傳輸色散引起的信號(hào)失真很大[9]。經(jīng)比較,采用相位均衡技術(shù)和接入色散補(bǔ)償光纖模塊技術(shù)的單邊帶調(diào)制抑制色散的方法具有更好的效果[10-13]。本文研究適應(yīng)于4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng),建立OFDM-ROF 光纖傳輸系統(tǒng)的仿真模型。從理論和仿真分析采用直接檢測(cè)技術(shù)接受信號(hào)的OFDM-ROF 系統(tǒng)的傳輸性能,對(duì)制約系統(tǒng)傳輸性能的色散因素進(jìn)行探討,并提出色散補(bǔ)償?shù)挠行Х椒ā?/p>

    1 理論分析

    1.1 單邊帶OFDM-ROF 系統(tǒng)分析

    其中:μ 為光電檢測(cè)器的靈敏度;β ′=β′( wc)wRFL,表示由一階色散引起的相移。式中忽略了光信號(hào),光電流主要包含直流分量和射頻分量。

    1.2 色散補(bǔ)償技術(shù)方法分析

    圖1 基于相位調(diào)制的單邊帶OFDM-ROF 系統(tǒng)Fig.1 Single sideband OFDM-ROF system based on phase modulation

    圖2 光纖色散補(bǔ)償鏈路Fig.2 Fiber link compensated by chromatic dispersion

    在兩端光纖串接的情況下輸出脈沖包絡(luò)幅度表示為

    式中:L = L1+ L2; β2j ( j =1,2)為長(zhǎng) Lj( j=1,2)光纖段的 GVD 參數(shù)。 此時(shí), 色散補(bǔ)償條件為β21L1+β22L2= 0。因?yàn)镈j=-(2πc / λ2)β2j,所以,色散補(bǔ)償條件變成: D1L1+D2L2= 0。從實(shí)際考慮,L2應(yīng)該盡可能地短,所以,它的色散值D2應(yīng)盡可能大。在本文中,為了減少由于色散而引起的系統(tǒng)性能惡化,提出利用色散補(bǔ)償光纖(DCF)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖按長(zhǎng)度的為1:4 的組合方式構(gòu)成光纖傳輸鏈路的補(bǔ)償方案。

    2 性能分析

    2.1 OFDM-ROF 系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

    圖3 單邊帶光載ROF-OFDM 系統(tǒng)仿真圖Fig.3 System simulation of single side band OFDM

    圖4 相位調(diào)制后產(chǎn)生的毫米波頻譜圖Fig.4 Spectrograph of phase-modulated millimeter-wave

    圖5 通過(guò)BPF 后的單邊帶頻譜圖Fig.5 Spectrograph of single sideband after BPF

    采用光通信系統(tǒng)仿真軟件OptiSystem與數(shù)值計(jì)算軟件MatLab 相結(jié)合建立1 個(gè)OFDM-ROF 單邊帶光載傳輸系統(tǒng),如圖3 所示。在發(fā)送模塊中,激光二極管(LD)發(fā)出線寬很窄的連續(xù)光波輸入到相位調(diào)制器的1 個(gè)輸入端,傳輸二進(jìn)制碼元通過(guò)OFDM 調(diào)制模塊形成模擬信號(hào),濾出中心頻率為2.5 GHz 的信號(hào),通過(guò)與20.0 GHz 的正弦波相乘搬移到22.5 GHz 的頻段,輸入到相位調(diào)制器的另一個(gè)輸入端,電信號(hào)被調(diào)制到193.1 THz 的光載波上,通過(guò)帶通濾波器后剩下中心載波和上下邊帶,形成OFDM 毫米波信號(hào),如圖4 所示。通過(guò)帶通濾波器(BPF)后只剩下中心載波和上邊帶,如圖5 所示。OFDM 信號(hào)由MatLab 程序離線產(chǎn)生,信號(hào)速率為2.5 Gb/s 的偽隨機(jī)碼經(jīng)4-QAM 調(diào)制成1.25 Gb/s 的頻域數(shù)字信號(hào),經(jīng)過(guò)256 點(diǎn)IFFT 生成OFDM基帶信號(hào),其中有32 個(gè)導(dǎo)頻信號(hào),采用梳狀分布,保護(hù)間隔長(zhǎng)度為OFDM 周期的1/4;然后,對(duì)基帶OFDM信號(hào)的實(shí)部和虛部進(jìn)行I/Q 中頻調(diào)制,中頻信號(hào)頻率為2.5 GHz。在光傳輸模塊中,設(shè)置傳輸鏈路采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(SSMF)。SSMF 的色散常數(shù)為D=16.75 ps/(nm·km)。在接受模塊,光傳輸信號(hào)被光電檢測(cè)器(PD)接收檢測(cè)轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)。PIN 接收到的頻譜圖見(jiàn)圖6。從圖6 可以看出:該信號(hào)包含了基帶信號(hào)、中心頻率為2.5 GHz 的電信號(hào)和中心頻率為20.0 GHz的毫米波信號(hào)。然后,與頻率為20.0 GHz 的正交載波混頻實(shí)現(xiàn)下變頻。采用帶通濾波器濾除解調(diào)信號(hào)中的高頻成分,得到的中頻OFDM 信號(hào)其中心頻率也為2.5 GHz,之后進(jìn)行I/Q 相干解調(diào)。然后進(jìn)入MatLab單元,在每個(gè)碼元周期處進(jìn)行信號(hào)采樣和量化。將量化數(shù)據(jù)序列除去循環(huán)前綴,經(jīng)過(guò)串并變換后進(jìn)行OFDM 解調(diào),再經(jīng)過(guò)低通濾波器獲得一組二進(jìn)制序列輸出。光探測(cè)器的靈敏度為1 A/W,暗電流為10 nA。OFDM 解調(diào)則采用256 點(diǎn)FFT。解碼器利用4-QAM星座進(jìn)行判決。

    2.2 傳輸系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

    2.2.1 相位均衡對(duì)色散的補(bǔ)償

    圖7 未均衡時(shí)系統(tǒng)接收端的星座圖(傳輸距離為40 km,碼元碼率為2.5 Gbit/s)Fig.7 Constellation diagram of system without balanced(transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)

    在未采用均衡技術(shù)時(shí),隨著色散度的增加,系統(tǒng)接收到信號(hào)的星座圖如圖7 所示。從圖7 可以看出:系統(tǒng)接收到信號(hào)的星座圖逐漸發(fā)散,OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)的傳輸性能隨著光纖色散度的增加而降低。為了減小由于色散引起的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)性能的惡化,在OFDM 調(diào)制時(shí)提出利用信道估計(jì)的方法即相位均衡來(lái)補(bǔ)償各個(gè)子載波的相位偏轉(zhuǎn),系統(tǒng)接收到信號(hào)的星座圖有較明顯改善,如圖8 所示,從而提高系統(tǒng)對(duì)信號(hào)接收識(shí)別的靈敏度,這也是OFDM 技術(shù)可以對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑颉?/p>

    2.2.2 接入色散補(bǔ)償模塊對(duì)色散的影響

    為了減少由于色散引起的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)性能的惡化,通過(guò)反復(fù)仿真嘗試,利用色散補(bǔ)償光纖(DCF)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖按照長(zhǎng)度比為1:4 的組合方式構(gòu)成光纖傳輸鏈路的補(bǔ)償方案。色散補(bǔ)償前后星座圖如圖9 所示,色散補(bǔ)償后的星座點(diǎn)變緊湊,延長(zhǎng)了信號(hào)的傳輸距離。但是,色散補(bǔ)償模塊只能按照一定傳輸距離色散經(jīng)驗(yàn)值提供一個(gè)補(bǔ)償范圍,而無(wú)法精確補(bǔ)償,且色散補(bǔ)償對(duì)信號(hào)的衰減比較大,特別是插入損耗,其非線性效應(yīng)比較高,因此,色散補(bǔ)償要根據(jù)實(shí)際情況而定。

    圖8 系統(tǒng)均衡后接收端的星座圖(傳輸距離為40km,碼元碼率為2.5 Gbit/s)Fig.8 Constellation diagram of system for balanced (transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)

    圖9 色散補(bǔ)償前后星座圖 (色散補(bǔ)償光線的衰減常數(shù)a=0.5 dB/km, 色散常數(shù)D=72 ps/(nm·km))Fig.9 Constellation diagram before and after the dispersion compensation(attenuation constant of dispersion compensation light a=0.5dB/km, dispersion constant D=72 ps/(nm·km))

    3 結(jié)論

    1) 建立了1 個(gè)采用單個(gè)相位調(diào)制器加濾波技術(shù)產(chǎn)生毫米波,使用直接檢測(cè)技術(shù)接受信號(hào)的OFDM-ROF 光傳輸系統(tǒng)仿真模型。

    2) 通過(guò)對(duì)色散補(bǔ)償前后系統(tǒng)接受的星座圖進(jìn)行比較分析,采用相位均衡和接入色散模塊技術(shù)的使用,實(shí)現(xiàn)了OFDM-ROF 系統(tǒng)的性能增益,增加了下行鏈路中信號(hào)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。色散補(bǔ)償模塊只能按照一定傳輸距離色散經(jīng)驗(yàn)值提供一個(gè)補(bǔ)償范圍,而無(wú)法精確補(bǔ)償。若獲得更大的色散補(bǔ)償增益,還需進(jìn)一步研究。

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