光載無線通信系統(tǒng)的傳輸限制與抑制方法摘要：針對光載無線通信(RoF)系統(tǒng)的傳輸限制因素，文章提出并實(shí)驗(yàn)證明兩種傳輸距離長性能高的RoF系統(tǒng)。一種是采用抑制奇數(shù)邊帶的基于外部調(diào)制的40GHz的RoF系統(tǒng)；另一種是采用載波抑制(OCS)的外部調(diào)制的40GHz光正交頻分復(fù)用(OFDM)RoF系統(tǒng)。理論與實(shí)驗(yàn)證明這兩個(gè)系統(tǒng)不僅抗色散能力強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對語音、數(shù)據(jù)、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(shí)，不論何地，不論何人”都可以使用網(wǎng)絡(luò)資源。綜合以上兩種需求，光纖無線電通信系統(tǒng)(RoF)應(yīng)運(yùn)而生。RoF可以將兩種優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種可以滿足多媒體通信需求的最佳通信方式[1]。RoF系統(tǒng)通過合并無線電系統(tǒng)的各項(xiàng)功能于一個(gè)集中的數(shù)據(jù)收發(fā)器，讓所有的基站連接到這個(gè)功能集中的中心站，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。如果整個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)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(gè)系統(tǒng)的成本將大大降低。目前，中國外有大量關(guān)于RoF系統(tǒng)的研究[2-9]，國際上基于40GHz光毫米波的RoF系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)研究階段。受到光電器件的限制，40GHz的毫米波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上利用標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸可以傳輸40km的距離。基于60GHz光毫米波的RoF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究也不完善，關(guān)于60GHz的毫米波系統(tǒng)的研究很少，做出60GHz系統(tǒng)的只有日本，美國的少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室。RoF系統(tǒng)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(tǒng)傳輸?shù)闹饕蛩?，提出兩種增加系統(tǒng)傳輸距離的RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并分析其抵抗色散及非線性效應(yīng)的性能。1抑制RoF系統(tǒng)傳輸?shù)囊蛩豏oF系統(tǒng)傳輸受限的主要原因有色散、光纖的非線性及串?dāng)_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(fā)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(tài)會(huì)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(fā)展，所以PMD色散對高速率的系統(tǒng)來說，是一種嚴(yán)重的影響。目前在考慮單模光纖中色散對系統(tǒng)的影響，也就是色散射。它的產(chǎn)生是由于一個(gè)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(shí)間到達(dá)到鏈路的另一端所引起的。色散會(huì)使系統(tǒng)性能衰退而且會(huì)造成碼間時(shí)移現(xiàn)象。在RoF系統(tǒng)中，色散所引起的衰退現(xiàn)象表現(xiàn)在信號功率沿著光纖的傳輸發(fā)生周期性的變化(類似余弦信號波動(dòng))。碼間時(shí)移會(huì)破壞信號質(zhì)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(dāng)傳輸時(shí)光纖上的光功率很小的時(shí)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(guān)的。但是當(dāng)光纖中的功率很大的時(shí)候，這時(shí)非線性影響很大，就會(huì)對系統(tǒng)特別是高速系統(tǒng)產(chǎn)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(zhì)中光波與聲子相互作用形成了光纖介質(zhì)中的散射效應(yīng)；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(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(CPM)等。在RoF系統(tǒng)中可以通過控制入纖功率來降低第二類非線性。(3)串?dāng)_串?dāng)_是指其他信號對所需要信號的影響。在RoF雙向系統(tǒng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)在單根光纖中沿兩個(gè)方向傳輸，就會(huì)對系統(tǒng)有附加的串?dāng)_。還有由于器件的泄露而造成的信道內(nèi)串?dāng)_都會(huì)抑制系統(tǒng)的傳輸。2兩種通過增加傳輸距離改善RoF系統(tǒng)的方案針對第1部分討論的抑制RoF系統(tǒng)傳輸?shù)囊蛩?，下面介紹兩種改善系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)傳輸距離的方案。文獻(xiàn)[10]分析通過外調(diào)制的方法，在單邊帶(SSB)、雙邊帶(DSB)和載波抑制(OCS)3種調(diào)制方式中，OCS抵抗色散能力最強(qiáng)。但是利用OCS方法產(chǎn)生的40GHz的RoF系統(tǒng)所需要20GHz的射頻(RF)頻率，因此本文提出僅采用10GHz的RF信號產(chǎn)生40GHz的RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，抗色散能力強(qiáng)。最近幾年，光通信朝著大容量長距離方向發(fā)展，因此色散的解決越顯重要，2005年，光正交頻分復(fù)用(OOFDM)技術(shù)作為一種新型的光傳輸技術(shù)被提出。應(yīng)用OOFDM技術(shù)可以做到無色散補(bǔ)償?shù)母咚俟饫w傳輸。2007年日本DKKI研究出可將52.5Gb/s的OFDM信號無色散補(bǔ)償?shù)貍鬏?160km[11]的系統(tǒng)。因此，如果將OFDM信號應(yīng)用在RoF系統(tǒng)中，則將解決色散對系統(tǒng)的影響。下面本文提出了兩種基于外調(diào)制的OFDM-RoF系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.1基于抑制奇數(shù)邊帶的40GHz的RoF全雙工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本文基于奇數(shù)邊帶抑制的方法進(jìn)行了40GHz的RoF的全雙工系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。在中心站，分布反饋式激光器產(chǎn)生連續(xù)的光波，輸入強(qiáng)度調(diào)制器(IM)。2.5Gb/s的下行數(shù)據(jù)與10GHz的射頻信號混頻產(chǎn)生電毫米波，用此電毫米波驅(qū)動(dòng)IM，對光載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)抑制奇數(shù)邊帶調(diào)制格式，得到的頻譜圖如圖2(a)所示，兩個(gè)二階邊帶的頻率差為40GHz。經(jīng)過20km的SMF-28傳輸后，到達(dá)基站。經(jīng)過光纖傳輸前后的下行數(shù)據(jù)眼圖如圖3(a)和圖3(b)。抑制了奇數(shù)邊帶的光信號經(jīng)過級聯(lián)的環(huán)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(gè)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40GHz的本振(LO)信號與接收到的毫米波混頻進(jìn)行相干解調(diào)得到基帶信號，通過低通濾波器(LPF)，進(jìn)入到誤碼測試儀進(jìn)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(huán)形器輸出，頻譜如圖2(c)所示。將2.5Gb/s的上行數(shù)據(jù)調(diào)制到上行載波上，調(diào)制后的光譜如圖2(d)所示，再經(jīng)過20km的SMF-28到達(dá)接收機(jī)解調(diào)測得誤碼。傳輸前后的上行數(shù)據(jù)眼圖如圖3(c)和圖3(d)所示。現(xiàn)在討論此系統(tǒng)的傳輸性能。首先關(guān)于色散的分析，針對本文提出的抑制奇數(shù)邊帶的方案系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過計(jì)算得到最大傳輸距離為74km。如果利用載波抑制方法，利用20GHz的RF信號產(chǎn)生40GHzRoF系統(tǒng)的方案，當(dāng)取色散參數(shù)和光中心波長一樣時(shí)，色散時(shí)間差和本文提出的利用奇數(shù)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(diào)制器的帶寬需求，也降低了系統(tǒng)的成本，是一種成本有效的產(chǎn)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，可以通過控制入纖功率來控制光纖非線性對系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)中控制入纖功率為2dBm。我們測得下行數(shù)據(jù)傳輸不同距離解調(diào)后的眼圖如圖4所示，經(jīng)過40km光纖傳輸后，眼睛仍然張開，證明系統(tǒng)性能良好。而對于上行數(shù)據(jù)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?dāng)_而使得上行數(shù)據(jù)眼圖中包含兩種模式。但是從上行數(shù)據(jù)誤碼率曲線來看，傳輸了20km后功率代價(jià)小于1dB。綜上所述，此系統(tǒng)傳輸性能很好。2.2基于載波抑制的40GHz的OFDM-RoF系統(tǒng)。通過光載波抑制調(diào)制方式產(chǎn)生40GHz光OFDM毫米波信號的RoF系統(tǒng)如圖5所示。在中心站，分布反饋式激光器產(chǎn)生連續(xù)光波，輸入強(qiáng)度調(diào)制器(IM)。10GHz的射頻信號倍頻后得到20GHz的RF信號驅(qū)動(dòng)IM，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器偏置電壓實(shí)現(xiàn)載波抑制調(diào)制方式，光譜如圖5(a)所示，可以看到載波抑制比為22dBm。經(jīng)130km單模光纖傳輸后在基站實(shí)現(xiàn)OOFDM信號的解調(diào)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(fā)現(xiàn)傳輸130km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(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬是由N個(gè)子載波占用，符號速率就相當(dāng)于單載波傳輸模式的1/N。正是因?yàn)檫@種低符號速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗符號間干擾。又由于傳輸?shù)腛FDM信號各個(gè)子載波是正交的，當(dāng)OFDM信號的保護(hù)間隔大于多徑時(shí)延時(shí)，就可以保證在快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生信號的相位跳變，在接收時(shí)，個(gè)別的相位偏移不會(huì)破壞整體OFDM子載波的正交性。如圖6所示，當(dāng)傳輸50km之后，星座圖有些發(fā)散，這是由于某些子載波發(fā)生了相位偏移，但是發(fā)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(diǎn)數(shù)據(jù)的條件下，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)計(jì)算，傳輸了50、110、130km光纖后，其誤碼為10-4時(shí)對應(yīng)的接收功率分別為為-19.5、-18.5、-17.5dBm，其功率代價(jià)分別為0.5、1.5、2.5dB，說明OFDM信號的碼間串?dāng)_小。若傳輸2.5Gb/s的不歸零碼(NRZ)信號代替OFDM信號，得到的解調(diào)眼圖如圖8所示。從圖8可以看出傳輸60km后，眼圖由于色散的影響已經(jīng)發(fā)生畸變，碼間干擾嚴(yán)重。圖9為NRZ信號的誤碼率曲線，傳輸了20km后，在，其誤碼為10-9時(shí)對應(yīng)的接收功率分別為-23dBm，其功率代價(jià)分別為1dB。3結(jié)束語本文針對色散提出了兩種RoF系統(tǒng)，一種是基于外調(diào)制的40GHz的RoF全雙工系統(tǒng)，采用此系統(tǒng)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(shù)據(jù)的串?dāng)_影響較小，上行數(shù)據(jù)的功率代價(jià)小于1dB。另一種方案是基于外調(diào)制的40GHz的OFDM-RoF系統(tǒng)，通過合理設(shè)計(jì)OFDM信號產(chǎn)生高質(zhì)量OFDM信號，由于OFDM信號具有抗衰落和碼間串?dāng)_以及色散的能力，所以經(jīng)過130km光纖傳輸后的星座圖依舊很好，誤碼為10-4時(shí)對應(yīng)的接收功率分別為-17.5dBm，其功率代價(jià)分別為2.5dB，這說明OFDM信號的碼間串?dāng)_小。此系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，并用此系統(tǒng)傳輸了2.5Gb/s的NRZ信號，測得解調(diào)眼圖和誤碼率曲線，比較NRZ和OFDM系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)OFDM-RoF系統(tǒng)抗色散能力更強(qiáng)。4參考文獻(xiàn)[1]FANGZJ,YEQ,LIUF,etal.Progressofmillimeterwavesubcarrieropticalfibercommunicationtechnologies[J].ChineseJournalofLasers,2006,33(4):481-488.

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