光載無線通信系統的傳輸限制與抑制方法

盧　嘉　陳　林　文雙春

摘要：針對光載無線通信(RoF)系統的傳輸限制因素，文章提出并實驗證明兩種傳輸距離長性能高的RoF系統。一種是采用抑制奇數邊帶的基于外部調制的40 GHz的RoF“系統；另一種是采用載波抑制(OCS)的外部調制的40 GHz光正交頻分復用(OFDM)RoF系統。理論與實驗證明這兩個系統不僅抗色散能力強，而且可以實現遠距離傳輸。

關鍵詞：光載無線；光毫米波；正交頻分復用；載波抑制

隨著通信技術的不斷發展，人們對語音、數據、圖像、視頻多媒體通信的需求越來越大，這樣就需要更大的帶寬來傳輸更多的信息，來滿足人們的需求；此外，人們希望“不論何時，不論何地，不論何人”都可以使用網絡資源。綜合以上兩種需求，光纖無線電通信系統(RoF)應運而生。RoF可以將兩種優點結合，具有很大的技術優勢，被認為是一種可以滿足多媒體通信需求的最佳通信方式。RoF系統通過合并無線電系統的各項功能于一個集中的數據收發器，讓所有的基站連接到這個功能集中的中心站，來實現系統結構的簡化。如果整個反饋網絡都用低成本的光纖來搭建，利用光纖傳輸特有的低損耗和高帶寬，那么整個系統的成本將大大降低。

目前，中國外有大量關于RoF系統的研究，國際上基于40 GHz光毫米波的RoF系統的研究已趨于成熟。但RoF基站和用戶端的連接(無線)只是處于實驗研究階段。受到光電器件的限制，40 GHz的毫米波系統實驗上利用標準光纖傳輸可以傳輸40 km的距離?；?0 GHz光毫米波的RoF系統實驗研究也不完善，關于60 GHz的毫米波系統的研究很少，做出60 GHz系統的只有日本，美國的少數幾個實驗室。

RoF系統由于色散、非線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系統傳輸的主要因素，提出兩種增加系統傳輸距離的RoF實驗系統，并分析其抵抗色散及非線性效應的性能。

1抑制RoF系統傳輸的因素

ROF系統傳輸受限的主要原因有色散、光纖的非線性及串擾等因素。

(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，不同的偏振態會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展，所以PMD色散對高速率的系統來說，是一種嚴重的影響。目前在考慮單模光纖中色散對系統的影響，也就是色散射。它的產生是由于一個脈沖中不同的頻率分量在光纖中以不同的群速度傳播，并且以不同的時間到達到鏈路的另一端所引起的。色散會使系統性能衰退而且會造成碼間時移現象。在RoF系統中，色散所引起的衰退現象表現在信號功率沿著光纖的傳輸發生周期性的變化(類似余弦信號波動)。碼間時移會破壞信號質量使得信號的眼圖隨著光纖的傳輸而閉合。

(2)光纖非線性

當傳輸時光纖上的光功率很小的時候，光纖可以看作是線性的媒介，這樣光纖的損耗和折射率與信號功率是無關的。但是當光纖中的功率很大的時候，這時非線性影響很大。就會對系統特別是高速系統產生更大影響。對于非線性，本文主要考慮兩類：一類是受激布里淵散射(sBs)和受激拉曼散射(sRS)，這一類是由于二氧化硅介質中光波與聲子相互作用形成了光纖介質中的散射效應；第二類是由于折射率與光功率的依賴性，主要包括四波混頻(FWM)。自相位調制(SPM)和交叉相位調制(cPM)等。在RoF系統中可以通過控制入纖功率來降低第二類非線性。

(3)申擾

串擾是指其他信號對所需要信號的影響。在RoFg向系統中，當數據在單根光纖中沿兩個方向傳輸，就會對系統有附加的串擾。還有由于器件的泄露而造成的信道內申擾都會抑制系統的傳輸。

2兩種通過增加傳輸距離改善RoF系統的方案

針對第1部分討論的抑制RoF系統傳輸的因素，下面介紹兩種改善系統性能，增加系統傳輸距離的方案。文獻[10]分析通過外調制的方法，在單邊帶(ssB)、雙邊帶(DsB)和載波抑制(Ocs)3種調制方式中，OCS抵抗色散能力最強。但是利用OCS方法產生的40 GHz的RoF系統所需要20 GHz的射頻(RF)頻率，因此本文提出僅采用10 GI-Iz的RF信號產生40 GHz的RoF實驗系統，抗色散能力強。最近幾年，光通信朝著大容量長距離方向發展，因此色散的解決越顯重要，2005年，光正交頻分復用(OOFDM)技術作為一種新型的光傳輸技術被提出。應用OOFDM技術可以做到無色散補償的高速光纖傳輸。2007年日本DKKI研究出可將52.5 Gb／s的OFDM信號無色散補償地傳輸4 160 kmlUl的系統。因此，如果將OFDM信號應用在RoF系統中，則將解決色散對系統的影響。下面本文提出了兩種基于外調制的OFDM-RoF系統及實驗結果。

2.1基于抑制奇數邊帶的40 GHz的RoF全雙工實驗系統

本文基于奇數邊帶抑制的方法進行了40 GHz的RoF的全雙工系統的實驗，如圖1所示。在中心站，分布反饋式激光器產生連續的光波，輸入強度調制器(IM)。2.5 Gb／s的下行數據與10 GHz的射頻信號混頻產生電毫米波，用此電毫米波驅動IM，對光載波進行調制，實現抑制奇數邊帶調制格式，得到的頻譜圖如圖2(a)所示，兩個二階邊帶的頻率差為40 GHz。經過20 km的SMF-28傳輸后，到達基站。經過光纖傳輸前后的下行數據眼圖如圖3(a)和圖3(b)。抑制了奇數邊帶的光信號經過級聯的環形器和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二階邊帶的光毫米波再通過高速光電檢測器變成電毫米波。電混頻器將40 GHz的本振(LO)信號與接收到的毫米波混頻進行相干解調得到基帶信號，通過低通濾波器(LPF)，進入到誤碼測試儀進行誤碼檢測。而由FBG反射出來的中心載波作為上行鏈路的載波由環形器輸出，頻譜如圖2(c)所示。將2.5 Gb／s的上行數據調制到上行載波上，調制后的光譜如圖2(d)所示，再經過20 km的SMF-28到達接收機解調測得誤碼。傳輸前后的上行數據眼圖如圖3(c)和圖3fd)所示。

現在討論此系統的傳輸性能。首先關于色散的分析，針對本文提出的抑制奇數邊帶的方案系統進行分析。通過計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信號產生40 GHz RoF系統的方案，當取色散參數和光中心波長一樣時，色散時間差和本文提出的利用奇

數邊帶抑制的方法是相等的。這就表明色散對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只有10GHz，降低了對調制器的帶寬需求，也降低了系統的成本，是一種成本有效的產生高頻毫米波的方案。而對于非線性的影響在這里主要考慮第二類非線性，可以通過控制人纖功率來控制光纖非線性對系統的影響，實驗中控制人纖功率為2 dBm。我們測得下行數據傳輸不同距離解調后的眼圖如圖4所示，經過40 km光纖傳輸后，眼睛仍然張開，證明系統性能良好。而對于上行數據眼圖，由于從FBG反射過來的載波中還有一些二階邊帶成分，即所說的信道間串擾而使得上行數據眼圖中包含兩種模式。但是從上行數據誤碼率曲線來看，傳輸了20 km后功率代價小于1 dB。綜上所述，此系統傳輸性能很好。

2.2基于載波抑制的40 GHz的OFDM-RoF系統。

通過光載波抑制調制方式產生40 GHz光OFDM毫米波信號的RoF系統如圖5所示。在中心站，分布反饋式激光器產生連續光波，輸入強度調制器(IM)。10 GHz的射頻信號倍頻后得到20 GHz的RF信號驅動IM，調節驅動器偏置電壓實現載波抑制調制方式，光譜如圖5(a)所示，可以看到載波抑制比為22 dBm。經130 km單模光纖傳輸后在基站實現OOFDM信號的解調和接收。本文得到傳輸不同距離后的OFDM的星座圖如圖6所示。發現傳輸130 km后的信號接收星座圖效果依舊很好。這是由于在傳輸OFDM信號系統中，系統帶寬是由N個子載波占用，符號速率就相當于單載波傳輸模式的1／N。正是因為這種低符號速率使OFDM系統可以自然地抵抗符號間干擾。又由于傳輸的OFDM信號各個子載波是正交的，當OFDM信號的保護間隔大于多徑時延時，就可以保證在快速傅里葉變換(FFT)運算時間內不會發生信號的相位跳變，在接收時，個別的相位偏移不會破壞整體OFDM子載波的正交性。如圖6所示，當傳輸50 km之后，星座圖有些發散，這是由于某些子載波發生了相位偏移，但是發散不大，總體來說，星座圖效果很好。本文還測量了不同傳輸距離后的誤碼率曲線如圖7所示，與背靠背接收相比，OFDM傳輸1×105點數據的條件下，對采集的數據進行解調計算，傳輸了50、110、130 km光纖后，其誤碼為104時對應的接收功率-分別為為-19.5、-18.5、-17.5 dBm，其功率代價分別為0.5、1.5、2.5 dB，說明OFDM信號的碼間串擾小。若傳輸2.5 Gb／s的不歸零碼(NRz)信號代替OFDM信號，得到的解調眼圖如圖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發生畸變，碼間干擾嚴重。

圖9為NRZ信號的誤碼率曲線，傳輸了20 km后，在，其誤碼為10。時對應的接收功率分別為23 dBm，其功率代價分別為1db。

3結束語

本文針對色散提出了兩種RoF系統，一種是基于外調制的40 GHz的RoF全雙工系統，采用此系統傳輸40km光纖后下行眼圖依舊很好，上行鏈路由于器件泄露而對上行數據的串擾影響較小，上行數據的功率代價小于1 dB。另一種方案是基于外調制的40 GHz的OFDM-RoF系統，通過合理設計OFDM信號產生高質量OFDM信號，由于OFDM信號具有抗衰落和碼間串擾以及色散的能力，所以經過130 km光纖傳輸后的星座圖依舊很好，誤碼為10-4時對應的接收功率分別為-17.5 dBm，其功率代價分別為2.5 dB，這說明OFDM信號的碼間串擾小。此系統可以進行遠距離傳輸，并用此系統傳輸了2.5 Gb／s的NRZ信號，測得解調眼圖和誤碼率曲線，比較NRZ和OFDM系統，發現OFDM-RoF系統抗色散能力更強。