2017, Vol. 49
2. 安阳工学院 计算机科学与信息工程学院 河南 安阳 455000
2. Department of Computer Science and Information Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China
在接入网发展的近二十年中，由于高清晰度视频传输、视频会议等高带宽业务的涌现，以及无线传输业务接入灵活性的特点，为大数据高速接入和无线传输的融合提供了契机.无线网络不能承载高速发展的多媒体信号，所以高速无线接入已成为一个关键问题[1].由于光载无线通信(RoF)技术同时具有光纤系统带宽和无线系统移动性、灵活性的优势，是下一代无线光网络的关键部分，利用中心局端(CO)的集中控制单元和低损耗、高带宽的光纤连接方式，实现了CO侧信号和远程基站(BS)之间高速无损的传输.由于载波频率为60 GHz的无线信号，具有可利用的频谱范围宽、强抗干扰性能、免申请等特点，因此，这种无线信号在RoF系统中受到广泛关注.
光承载射频信号的方法主要有直接调制法、外部调制法、光外差法、光学锁相环技术、调制边带法[2].我们采用光学锁相环技术和光外差法产生毫米波信号，其中两个不同频率的光信号在光电检测器内混频产生所需的毫米波频率的窄带光信号.该种传输可以通过改变两激光器的频率进行信号频率调整，采用该方案避免了直接调制恢复信号所需的放大器，同时也提高了系统的灵敏度和带宽利用率.光外差法中，两个载波信号中只有一个经调制带有数据，系统色散度会大大降低.因此，光外差方法既可以克服光纤中的色散问题，又可以简化基站的结构和成本.针对下一代40 Gbit/s的光传输系统的要求，高速传输速率、低光纤色散的传输方式成为光纤网络中的重要研究对象.文献[3]和[4]分别提出基于千兆接入的16QAM和M-ASK调制格式，但仍然不能满足下一代通信网络对传输速率的要求.在OFDM系统中，各子载波可以通过不同类型的多进制调制方式进行调制，如相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)，使OFDM具有更好的频谱效率.文献[4]利用相位噪声抑制来实现OFDM-RoF系统的100 km长距离传输，通过调整OFDM信号个别子载波的功率，并进行独立的色散补偿，这个方案结构复杂并且代价昂贵.针对此类问题，本文提出了一种高速低成本高效的DCF补偿方案的长距离150 km的4 QAM OFDM-RoF系统，通过Q值和误码率等指标验证方案的可行性[5].
1 基本原理 1.1 系统原理40 Gbit/s的RoF系统模型如图 1所示.RoF系统中从中心局端到基站的下行链路包括3个主要部分，即中心局端、光纤传输链路和基站.其中中心局端CO的伪随机比特序列(PRBS)发生器作为OFDM发射机的射频数据源，其比特序列为2N-1个数据位序列.在CO端设置2个连续波激光器CW1和CW2，分别发出λ1和λ2.其中λ1作为下行OFDM信号的载波，λ2为混频信号.λ1被分成2部分，分别同OFDM信号的同相分量和正交分量进行强度调制，并进行90度相移，得到的I、Q两路信号，分别为基带OFDM信号的实部和虚部信息.调制后的光载波与通过光外差法产生的与CW1有60 GHz频率差的CW2进行耦合，得到毫米波信号，本方案采用光外差法产生毫米波信号.传输链路由3个带有色散补偿光纤(DCF)的跨度为50 km单模光纤来实现150 km的传输距离.
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图 1 RoF系统原理框图 Figure 1 Block diagram of RoF system |
在基站中，调制信号通过相干接收方式得到，其中本地振荡器由与CW1工作相同频率的激光器作为相干信号.调制器MZM的参数设置为幅度调制，并在V2前加反相器，即V1=-V2=Vinput，可以通过耦合器和光电二极管解调出OFDM信号的I，Q分量.之后信号分别经过带通高斯滤波器，并通过眼睛图分析仪来观察传输性质.
1.2 毫米波信号产生本方案采用光外差法产生毫米波信号，其原理如图 2所示.即在光纤上传输两个频率差为所需的窄带光信号，其中只有一路光信号上携带了基带传输数据[6].设两个角频率为ω1和ω2的光信号，其调制信号为m(t)，则两路信号可表示为：E1=m(t)E01 cos(ω1t)，E2=E02 cos(ω2t).
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图 2 光外差法原理图 Figure 2 Schematic diagram of optical heterodyning |
当上述两路信号进入基站PIN中进行耦合时，PIN的光电流iPD正比于输入光信号和的平方.
| $\begin{array}{l} {i_{{\rm{PD}}}} = {({E_1} + {E_2})^2} = \frac{{{{(m\left( t \right){E_{01}})}^2}}}{2}(1 + {\rm{cos}}2{\omega _1}t) + \frac{{{{[{E_{02}}]}^2}}}{2}[1 + {\rm{cos}}2{\omega _2}t] + \\ m\left( t \right){E_{01}}{E_{02}}{\rm{cos}}[({\omega _1} + {\omega _2})t] + m\left( t \right){E_{01}}{E_{02}}{\rm{cos}}[({\omega _1} - {\omega _2})t]. \end{array}$ |
但由于PIN自身的截止响应频率限制，光电流iPD中2ω1、2ω2和ω1+ω2等频率分量已经超出了截止响应频率，因此只能得到频率为ω1-ω2的射频信号：iPD=m(t)E01E02 cos[(ω1-ω2)t].
在本文VPI模型中，中心局端(CO)的连续波激光器CW1和CW2的频率分别设为193.2 THz和193.14 THz，其耦合信号光谱图如图 3所示.可见在频谱图中频谱的中心频差为60 GHz.
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图 3 耦合器输出信号光谱图 Figure 3 Optical spectrum of output of coupler |
在中心局端CO产生一个码率为40 Gbit/s的伪随机码，将该伪随机码用OFDM调制，OFDM采用4QAM和128点IFFT.PIN光电二极管的灵敏度为1 A/W，暗电流为10 nA，热噪声为10-22 W/Hz，MZM调制器的消光比为60 dB，EDFA的噪声为4.5 dB.连续波激光器频率分别为193.2 THz和193.14 THz，其耦合信号光谱图如图 3所示.
图 4表述了在传输速率为40 Gbit/s条件下，输入功率从-10~20 dBm和误码率的变化关系，可见非线性阈值点(NLT)在10 dBm处，在其之后非线性占主导地位.光链路采用3段50 km单模光纤，其衰减系数为0.2 dB/km，色散系数为16 ps/(km.nm)，非线性系数为1.3 w-1km-1，实现传输距离为150 km的传输方案.为了实现无差错传输，采用DCF补偿方案.50 km单模光纤的色散系数为50×16 ps/(km.nm)=800 ps/(km.nm).因此在我们的方案中，色散系数为-80 ps/(km.nm)的DCF的长度为10 km.在仿真模型中，使用掺铒光纤放大器(EDFA)补偿每一跨度的损耗，其噪声系数为4.5 dB，增益为10 dB.DCF的衰减系数为0.5 dB/km，色散系数为-80 ps/(km.nm)，非线性系数为4.75 w-1km-1.图 5显示了150 km传输后接收端的OFDM信号4QAM方案的星座图.由图可知，星座图中各点的振幅经过传输以后由于色散、衰减等因素没有完全重合，但落点区域相对集中，同时边界包络接近圆形，符合ITU-T的传输要求.
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图 4 误码率-输入功率关系图 Figure 4 Diagram of BER vs input optical power |
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图 5 系统传输星座图 Figure 5 Diagram of EVM |
在基站端，传输过来的光信号经过本地谐振器LO进行相干检测，其谐振频率与发送端连续波激光器CW1的相同，可得到60 GHz的毫米波信号，本方案是采用193.20 THz-193.14 THz=60 GHz的毫米波信号，其频谱图如图 6所示.同时在移动终端内，将此信号与一个频率为60 GHz的本振信号混频，然后经过OFDM解调就可以得到需要的基带信号.
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图 6 相干检测后的频谱图 Figure 6 Spectrum of after coherent detection |
图 7显示的是解调出来的毫米波RoF信号的误码率和传输距离的关系，误码率和Q值均随着接收光功率的增加得到改善.
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图 7 误码率与RoF系统接收光功率关系图 Figure 7 Diagram of BER vs received power |
为了避免色散信道对长距离传输性能的影响，本方案中综合考虑色散补偿光纤和基于导频的信道估计的方式来进行色散补偿，进而对系统传输性能起到极大改善.星座图误差矢量值(EVM)作为系统传输性能的评定依据，EVM越接近0，表示传输质量越优良.在OFDM传输过程中由于色散因素会导致不同子载波之间相位叠加和旋转，因此需要采用导频插入的信道估计方法来进行补偿，即在一个符号的频域序列中插入已知的导频，在接收端计算导频前后相位和幅度变化，并利用插值算法来估计导频之间的非导频序列遭受的相位和幅度变化.插值算法主要有线性插值、3次样条插值和DFT插值.本方案对比分析了3种插值算法，其EVM值随传输距离的结果如图 8所示.结论表明线性插值算法具有实现简单而且估计特性优良的特点.
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图 8 传输距离和EVM关系图 Figure 8 Diagram of EVM vs transmission distance |
可以看到，由于使用了信道估计，通过DCF光纤和信道估计补偿，信号的误码率降低，传输性能得到了很大提高.其传输距离和误码率BER之间的关系如图 9所示.可以看到，在使用信道估计后，当要求系统误码率存在时，系统传输距离能达到到150 km.
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图 9 误码率与信道补偿关系图 Figure 9 Diagram of BER vs channel estimation |
本文提出了采用DCF和线性插值算法信道补偿方案，实现了150 km无差错的RoF系统传输.可以得到输入功率为10 dBm、系统误码率在10-4以下时，具有良好的传输性能.仿真测试结果清晰地表明了本方案4QAM OFDM系统在150 km的光纤链路中传输的可行性.可见RoF和OFDM相结合是无线接入网络“最后一公里”的合适解决方案.
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