基于雙平行相位調(diào)制器的OFDM－ROF系統(tǒng)仿真

劉 昊，余艷芳，吳君欽

(1.廣州寬帶主干網(wǎng)絡(luò)有限公司，廣東 廣州 510663;2.江西理工大學(xué)，信息工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著無線接入、多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)語音、圖像以及高速無線通信的容量及服務(wù)的要求正逐步提高。光纖無線通信(ROF)技術(shù)利用了光纖的低損耗、超大帶寬及抗干擾等特性進(jìn)行無線信號(hào)的傳輸，在未來寬帶無線通信中將具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?－5］。正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種多載波調(diào)制傳輸技術(shù)，具有大傳輸容量和高頻譜效率等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于高速寬帶無線通信領(lǐng)域。據(jù)最新研究成果顯示，OFDM技術(shù)在光纖通信領(lǐng)域中具有抵抗色散和偏振模色散的功能。因此，ROF技術(shù)與OFDM技術(shù)融合組成OFDM－ROF系統(tǒng)可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，成為光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［6－7］。

實(shí)現(xiàn)OFDM－ROF系統(tǒng)和降低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵技術(shù)是基于OFDM技術(shù)產(chǎn)生的光載毫米波信號(hào)。文獻(xiàn)［8］中采用載波抑制調(diào)制產(chǎn)生光毫米波，然后將OFDM信號(hào)經(jīng)過中頻I/Q調(diào)制后加載到其中一個(gè)邊帶上，采用直接檢測(cè)接收OFDM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，但這個(gè)系統(tǒng)會(huì)受直流偏置的影響，從而引起相位偏移。文獻(xiàn)［9］中用兩個(gè)并聯(lián)相位器產(chǎn)生高頻毫米波信號(hào)，承載OFDM信號(hào)在單模光纖中傳輸，該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定，可抵抗傳輸中的衰落。文獻(xiàn)［10］采用相位調(diào)制器和光濾波器的方法產(chǎn)生載波抑制的雙邊帶光載毫米波信號(hào)，并在基站中通過使用直接檢測(cè)的方法來實(shí)現(xiàn)信號(hào)光電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖不復(fù)雜，但只實(shí)現(xiàn)了兩倍頻的光載毫米波。

本文基于雙平行相位調(diào)制器建立了OFDM－ROF實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，首先采用雙平行相位調(diào)制器(PM)產(chǎn)生雙邊帶的光載毫米波，其次選擇在其中一個(gè)邊帶上調(diào)制OFDM信號(hào)，并通過光電探測(cè)器直接進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到毫米波信號(hào)和OFDM信號(hào)。OFDM的調(diào)制和解調(diào)部分使用MATLAB軟件編寫，OFDM－ROF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)基于軟件Optisystem進(jìn)行搭建，并給出系統(tǒng)的仿真框圖以及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)OFDM－ROF系統(tǒng)進(jìn)行色散補(bǔ)償后，可以有效地克服光纖色散的影響，并提高系統(tǒng)的傳輸距離。

1 理論分析

圖1為基于雙平行相位調(diào)制器(PM)建立的OFDMROF系統(tǒng)原理圖。

圖1 基于PM調(diào)制的OFDM－ROF系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)包括中心站、光纖鏈路和基站3個(gè)部分。在中心站，由分布反饋式激光器(DFB－LD)產(chǎn)生恒定的光載波信號(hào)，表達(dá)式為:Ein(t)=E0exp(jωct)，其中E0為其振幅，ωc為其角頻率。光載波信號(hào)進(jìn)入雙平行的相位調(diào)制器(PM)由相位差180°的10 GHz的正弦信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)雙平行的相位調(diào)制器，正弦信號(hào)表達(dá)式為:V(t)=Vrfsin(ωrft)，其中Vrf為射頻信號(hào)振幅，ωrf為其角頻率。則相位調(diào)制器PM_1和PM_2輸出的信號(hào)表達(dá)式分別為

式中:Δφ為相位偏移量。將式(1)和(2)進(jìn)行貝塞爾函數(shù)展開，同時(shí)忽略3階以上的高階邊帶，則可得到

光耦合器(OC)耦合后，并通過調(diào)節(jié)相位偏移量使得J1(VrfΔφ)=0 ，則可得到

取實(shí)部可得

式(6)表明輸出的信號(hào)為3階雙邊帶信號(hào)。此時(shí)，通過光交錯(cuò)復(fù)用器(IL)將輸出的雙邊帶信號(hào)的上邊帶和下邊帶進(jìn)行分離，然后利用馬赫曾德爾調(diào)制器(MZM)將OFDM信號(hào)調(diào)制到對(duì)所分離出來的上邊帶上，再通過光耦合器(OC)將已加載了OFDM信號(hào)的上邊帶信號(hào)和未經(jīng)處理的下邊帶信號(hào)進(jìn)行耦合，得到的光載OFDM信號(hào)經(jīng)單模光纖鏈路傳送到基站。

在基站，將光載OFDM信號(hào)通過光電檢測(cè)器(PD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電信號(hào)，將電信號(hào)經(jīng)過電放大器(EA)實(shí)現(xiàn)功率放大后，與頻率為6 ωrf的本振信號(hào)通過混頻器(Electrical Multiplier，EA)混頻后，經(jīng)過帶通濾波器(BPF)實(shí)現(xiàn)OFDM信號(hào)的恢復(fù)。最后在OFDM接收端進(jìn)行OFDM信號(hào)解調(diào)。

2 仿真及結(jié)果分析

基于上述的理論分析，在Optisystem7.0中建立如圖1所示的仿真系統(tǒng)。

在中心站，由連續(xù)激光器產(chǎn)生的光波波長(zhǎng)為1550 nm(即工作波長(zhǎng)為 193.1 THz)，線寬為 10 MHz，功率為－10 dBm;用相位差為180°的10 GHz的正弦信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)光相位調(diào)制器，調(diào)節(jié)光相位調(diào)制器的相位偏移量Δφ=439 rad，使得J1(VrfΔφ)=0，耦合相減后得到只有3階雙邊帶信號(hào)，然后用1個(gè)交叉復(fù)用器分離2個(gè)3階邊帶，將OFDM信號(hào)調(diào)制到3階上邊帶上;OFDM信號(hào)是由MATLAB程序產(chǎn)生，先產(chǎn)生1個(gè)偽隨機(jī)碼，其速率是2.5 Gbit/s，用于OFDM調(diào)制，OFDM信號(hào)采用4QAM調(diào)制和256點(diǎn)IFFT;然后用OFDM信號(hào)驅(qū)動(dòng)MZM調(diào)制器對(duì)3階上邊帶進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)與3階下邊帶耦合，形成了包含了OFDM信號(hào)的光載毫米波信號(hào)。

傳輸鏈路部分使用一根單模光纖傳輸，該單模光纖的長(zhǎng)度設(shè)置為10 km，其衰減系數(shù)和色散系數(shù)分別為0.2 dB/km和17 ps/(nm·km－1)。

在基站，將從中心站傳輸過來的光載OFDM毫米波信號(hào)通過光電探測(cè)器(PD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，生成電信號(hào)，其中光電探測(cè)器(PD)的相應(yīng)度設(shè)置為1 A/M，暗電流為10 nA。圖2為電信號(hào)的頻譜圖，由圖2可知，光電轉(zhuǎn)換后生成的電信號(hào)包含了基帶信號(hào)和60 GHz的毫米波信號(hào)，因此證實(shí)了仿真結(jié)果與前面的理論分析相符合。

圖2 光電探測(cè)后的頻譜圖(截圖)

最后在移動(dòng)終端，將生成的電信號(hào)與一個(gè)本振信號(hào)混頻(其中該本振信號(hào)頻率為60 GHz)，混頻的信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器后(帶通濾波器的帶寬設(shè)置為1.25 GHz)，得到OFDM信號(hào)，最后經(jīng)過OFDM解調(diào)就可以得到需要的基帶信號(hào)。圖3為接收端恢復(fù)出來的原始基帶信號(hào)的頻譜圖，圖4為恢復(fù)出來的原始基帶信號(hào)的眼圖，可以看到，恢復(fù)出的基帶信號(hào)恢復(fù)得很好，眼圖展開清晰，由此則說明基帶信號(hào)雖經(jīng)過5 km的單模光纖傳輸，仍能在移動(dòng)終端很好地恢復(fù)出來。

色散會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)有效傳輸距離受到限制，必須對(duì)系統(tǒng)的色散進(jìn)行有效的補(bǔ)償。本文使用的導(dǎo)頻信號(hào)是在發(fā)射信號(hào)中加入了預(yù)先確定的信號(hào)，根據(jù)接受到的確定信號(hào)來對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)并相位均衡，從而補(bǔ)償信道色散。該方法有利于系統(tǒng)性能的改善，而且不會(huì)造成系統(tǒng)硬件成本的增加。

由于本文使用信道估計(jì)，補(bǔ)償了光纖色散，因此信號(hào)經(jīng)過OFDM解調(diào)后的信號(hào)星座圖能得到較大改善。圖5和圖6分別為信號(hào)經(jīng)光纖傳輸5 km和15 km時(shí)得到的星座圖。由下圖可知，在接收端增加相應(yīng)的相位均衡技術(shù)和信道估計(jì)技術(shù)，可以使信號(hào)恢復(fù)，光纖鏈路的頻譜資源得到最大限度的利用，以及提高系統(tǒng)的傳輸距離。

3 結(jié)論

本文研究了一種基于雙平行相位調(diào)制器的OFDMROF實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用雙平行光相位調(diào)制器結(jié)合光減法器產(chǎn)生雙邊帶光毫米波，并將OFDM信號(hào)調(diào)制到其中的一個(gè)邊帶上。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)只需要10 GHz的本振射頻信號(hào)就能產(chǎn)生60 GHz的高頻毫米波信號(hào)，通過在色散補(bǔ)償后該系統(tǒng)傳輸距離得到了提高，由于接收端采用直接檢測(cè)技術(shù)接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基站的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。

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