基于寬譜光源OFDM信號傳輸技術*

李 遙，聞 和，鄭小平

（清華大學電子工程系國家集成光電子信息重點實驗室 北京 100084）

1 引言

微波光子學是研究光信號與微波、毫米波段電信號相互作用的一門交叉學科?；谖⒉ü庾訉W的光載無線（radio over fiber,ROF）技術將無線通信靈活性和光通信的低損耗、寬帶、大容量很好地結合起來，發揮二者的長處，近年來成為國內外研究機構展開研究工作熱點。在有效利用光纖帶寬資源，實現寬帶業務的無線接入的同時，為光纖到家（fiber to the home，FTTH）的最后一公里提供了一個有效方便快捷的解決方案[1]。

現有的同類ROF傳輸技術中，由于激光器單色性、定向性、高信噪比等優點，ROF傳輸OFDM信號系統都是基于激光器的傳輸系統。在北美，美國2005年喬治亞理工學院就報道了光載無線技術與WDM-PON機構融合的實驗結果，該方案利用高非線性色散位移光纖產生拉曼相關的四波混頻效應，實現了8×2.5 Gbit/s WDM信號的全光上變頻，微波副載波信號頻率為40 GHz；為了克服色散的影響，采用了單邊帶濾波技術，進行單邊調制并傳輸，實現了大于20 km的光載無線信號的傳輸，但是這種技術僅僅實現了簡單OOK信號傳輸，對于矢量號和多載波的OFDM信號傳輸并沒有實現[2]。在歐洲，西班牙瓦倫西亞大學2008年報道了基于激光器的OFDM傳輸方案，該方案實現了1.25 Gbit/s數據率OFDM信號25 km單模光纖傳輸[3]；由于激光器的成本和系統復雜度，該方案僅僅局限在實驗室級別，離大規模商用還有一段距離。在亞洲，引領ROF技術的臺灣交通大學在2008年報道了基于激光器的16QAM在19 GHz載波下4 Gbit/s數據帶寬50 km長度傳輸[4]，但這種方式在信號的產生上需要控制雙平行調制器3個偏置點B1、B2和B3，在實際應用中由于偏置點隨著時間和溫度是漂移的，這對系統的實用性提出了挑戰；此外為了降低色散對OFDM信號的影響，在傳輸的信號前需要對信號做預均衡，大大增加了系統的復雜程度；以激光器為光源，上行系統的成本難于降低，對雙工ROF系統的實際應用還有一定距離。

因此，與同類ROF技術相比，傳統ROF技術在對微波信號傳輸、分配、延時處理和定向發射的同時，中心站處需要使用光學方法進行信號的光域調制和傳輸，避免不了使用激光器等價格偏昂貴的光學器件，提高了系統成本，另外也要求有控制光源中心波長的控制模塊和反饋裝置，增加了系統結構的復雜度[5]?；咎幫瑯有枰杏糜谏闲芯€路的本振光源，FTTH技術的最大瓶頸就是基站處需要上行光源和調制器，使得成本難以壓縮，即使使用下行鏈路自帶本振光的系統結構來降低成本，也是以提高微波信號調制和傳輸復雜度為代價的[6]。

本文開創性地建立了寬譜光源傳輸OFDM信號系統理論模型，并通過實驗驗證了理論的正確性和可行性；突破了國內外用激光器作為光源的光載無線系統的傳統理論束縛。本文采用的寬譜光源代替激光器陣列，是無線信號傳輸和分配的新技術，是未來無線接入實施可選方案之一，也是無線接入相關行業標準備選提案。通過控制基于寬譜光源傳輸系統的工作偏置點，降低OFDM信號的峰均比，使其工作在和以激光器為光源系統的相似的環境，進而實現低成本高效率的無線信號傳輸，解決了無線接入系統復雜度高和成本難以壓縮的難題，通過引入寬譜光源替代激光器陣列的方案，有效降低ROF傳輸系統的復雜程度，避免了大量激光器波長控制電路，從而減少系統成本，解決了ROF系統的實際應用——FTTH技術的系統復雜難于維護和用戶使用門檻高的關鍵問題。該方案在實驗上實現了 3.0 GHz、1 GHz帶寬 16QAM，512個子載波，速率2 Gbit/s的IEEE 802.11b OFDM信號20 km以內無誤碼傳輸，并對信號的星座圖和誤差向量值（EVM）進行了測量，驗證了該新型的ROF鏈路傳輸OFDM信號的可行性。該實驗方案可以廣泛應用于現有WLAN和WiMAX協議中，具有很高的商用價值和較好的應用前景。

2 基本理論分析

首先分析討論傳輸系統光源問題。寬譜光源即自發輻射光源，作為光通信系統的光源，與傳統的基于激光器的光源相比，本質區別在于系統的光噪聲[7]，實驗組在前期的研究工作表明，通過控制輸入光電探測器（PD）的光功率可以有效抑制光噪聲大小，實現與基于激光器的ROF鏈路同等級別光噪聲，實現同等信噪比的光信號傳輸。

其次在信號格式選擇上，采用OFDM信號。OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)為正交頻分復用技術，將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到每個子信道上進行傳輸。它的優勢在于頻譜利用率高，窄帶帶寬下能夠發出大量的數據，能夠抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，抗多徑效應，因此作為多載波矢量信號的OFDM信號在無線通信中廣泛使用，如IEEE 802.11協議、Wi-Fi、WiMAX、LTE 等無線通信標準。在未來的無線通信系統中，OFDM信號會是不可或缺的主流傳輸信號，在基于寬譜光源的ROF系統中傳輸OFDM信號技術，是衡量該系統未來發展應用前景的重要參考指標。

利用寬譜光源傳輸OFDM信號，與傳輸單載波矢量信號相比，一方面OFDM有較寬帶寬，系統帶寬達到2 GHz，系統調制格式信號普適于BPSK、OQAM、OFDM等信號，因而基于寬譜光源的光副載波系統單從帶寬上的考慮能夠滿足OFDM信號的傳輸。另一方面，與單載波通信系統相比，OFDM符號是由多個獨立的子載波信號疊加合成的信號，有可能產生大峰值功率（peak power），且OFDM有較大的峰均比（peak to average power ratio，PAR）。

OFDM系統時域基帶模擬符號有如下表達：

峰均比有如下表達：

圖1給出了Matlab仿真下OFDM信號時域圖，可見調制信號瞬時幅度可以達到均值的幾倍以上。因而在以強度調制為基礎的寬譜光源光副載波系統中，如果要調制OFDM信號，信號的調制深度m受限。由此只要解決OFDM信號瞬時幅度較大的矛盾，就能實現基于寬譜光源光副載波系統下OFDM信號的傳輸。抑制調制OFDM信號的峰均比即可滿足基于寬譜光源光副載波系統和延時系統。

對OFDM信號峰均比的抑制已經有很深入的研究[8]，主要抑制方法分為信號預畸變技術、編碼方法和加擾序列加權處理。本文采用成熟的信號預畸變技術中的限幅峰值加窗方法抑制峰均比，圖2給出了加窗方法OFDM信號峰均比抑制前后時域圖，上為原始波形，PAR=7.0 dB，下為抑制峰均比后的波形，PAR=4.2 dB，優化了2.8 dB，將其輸入任意波形發生器（AWG）產生的波形，作為實驗的OFDM信號源。

可以看出，該方法解決了瞬時峰均比問題，從原理上實現了OFDM在基于寬譜光源的ROF系統中的傳輸。

3 實驗裝置及結果討論

實驗裝置如圖3所示，任意波形發生器為泰克公司生產的AWG 7122B，最高采樣率12 GHz，輸入數據由Matlab產生，示波器為泰克公司生產DPO72004B，帶寬 70 GHz，離線數據處理，得到OFDM信號的基帶數據EVM。

信號格式為 3.0 GHz、1 GHz帶寬 16QAM，512個載波，信號速率2 Gbit/s，傳輸距離20.2 km。

圖4給出了在調制格深度m=0.15輸入條件下，峰均比抑制前后的星座圖，未抑制峰均比的信號的EVM為3.0%，抑制峰均比后的信號的EVM為2.6%。

增大調制深度，圖5給出了在調制格深度m=0.2輸入條件下，峰均比抑制前后的星座圖，未抑制峰均比的信號的EVM為5.2%，抑制后的EVM為3.9%。

無論調制深度如何選取，通過有效控制輸入調制的OFDM信號峰均比，可以使EVM減小，有效提高OFDM信號的傳輸質量。

圖6所示為不同調制深度m下OFDM信號的EVM，上面曲線為輸入原始OFDM信號時的EVM曲線，下面曲線為輸入信號經過PAR抑制后的EVM曲線。在調制深度一定時，抑制輸入信號的峰均比可以降低信號EVM，降低誤碼率，提高發射機的動態范圍，實現基于寬譜光源光副載波系統OFDM的信號傳輸。

4 結束語

本文提出的新型的基于寬譜光源的ROF鏈路系統，適用于OFDM多載波復雜矢量信號，實驗上實現了3.0 GHz、1 GHz帶寬，16QAM、512個載波、速率2 Gbit/s的OFDM信號20 km以內無誤碼傳輸。對于符合IEEE 802.11協議的無線通信信號格式也有類似結果。該系統結構應用于無線信號的傳輸和基站處信號分配，具有明顯的優勢：結構簡單，避免了波分復用傳輸各路信號；成本相對低廉，與激光器相比使用了低價位的寬譜光源；性能穩定可靠，無需基于激光器系統所需的波長控制和溫度控制電路。

1 Seeds A J.Microwave photonics.IEEE Trans Micro Theory Tech,2002,50(3):877～887

2 Jia Z,Yu J,Boivin D,et al.Bidirectional ROF links using optically up-converted DPSK for downstream and remodulated OOK for upstream.IEEE Photon Technol Lett,2007,19(9)

3 Llorente R,Alves T,Morant M,et al.Ultra-wideband radio signals distribution in FTTH networks. IEEE Photonics Technology Letters,2008,11(20):945～947

4 Chun-Ting Lin,Yu-Min Lin,Jason (Jyehong)Chen,et al.Optical direct-detection OFDM signal generation for radio-over-fiberlink usingfrequencydoublingscheme with carrier suppression.Optics Express,2008,16(9):6 056～6 063

5 Anne V,Jean C.Microwave photonics:from components to applications and systems. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers,2003

6 Kaszubowska-Anandarajah A, Connolly E, Barry L P.Demonstration of wavelength packet switched radio-over-fiber system.IEEE Photonics Technology Letters,2007,19(4)

7 Xue X,Wen H,Zheng X,et al.Noise analysis in photonic true LTE系統中保證CCE分配公平性的算法==內容不完整time delay systems based on broadband optical source and dispersion components.Applied Optics,2009,48(4):658～663

8 Karmakar G C,Dooley L S,Mathew M.Introduction to mobile multimedia communications.Wiley-Interscience,2008