论文研究-基于单边带调制的直接探测光OFDM-RoF系统研究 .pdf

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基于单边带调制的直接探测光OFDM-RoF系统研究,王照,马健新,本文研究基于单边带调制的直接探测光OFDM-RoF系统结构。10-Gb/s的二进制数据信号经过4QAM符号映射和OFDM调制后,与10GHz射频信号混频并驱��
国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 调制器,并由相移器调节两电极之间的相对相位θ。加在LN-MZM两臂上的射频信弓分别 表示为 V1(+)=Vpci +nA(t)cos(@nt+o(t)) V2(t)=Ipc2+m A(t)cos(@nt t o(t)+8) 式中Ic!、Vc2为加到两臂的直沇偏置电压。LN-MZM输出的光信号可衣示为: Fou (o) 10/20 yexpljv1(1)-(1-)ex/ph2( 式中y为分光比,a为插入损耗,V为 LN-MZM的半波电压。通常 LN-MZM分路器的 分光比例为1:1,且插入损耗足够小。当施加在LN-MZM上的两直流偏压相差0.5Vx,两路 射频信号有90°的相移,即VDc2-VDc1=Vn2,-m2。式(7)贝塞尔展开后得: jopie jm sin(o, (+ o(0))jmcoslon (+p(D) /k(m)+ k=-0 其中,J(x)表示第一类k阶 Bessel函数,m=πVm()x为调制深度。从式(8)中可以看 出,第一阶下边带被抑制,而高阶成分的幅度较小,所以产生的光载射频信号主要包括中心 载波和一阶上边带,可简化为 2N2.J0(mn)a+z4)+2.(mlet+an+()+x/2 Eo SSB 式中第一项表示光载波分量,第二项表示光边带分量,即基带光OHDM信号。光边带 分量和光载波分量的功率差异主要由贝塞尔函数的阶数差异(0(m)和J1(m)引起。光边带功率 P和光载波功率P之比(简称边载比,SCR)为 SCR=101/ (10) 式(9)得知,Ps和Pc分别表示为 P:=E0J1(m) (12) 光SSB-OFDM信号在光电探测器PD(平方率器件)上拍频可恢复出亳米波OFDM信号 在背靠背系统中,上述光信号在PD上光转换(OE)后恢复出毫米波OFDM信号 IsSB(+) √2E0(m)J1(m) cos巴mt+q()+ 转换后的电信号经过一个射频电放大器放大后通过天线发送给客户端,经无线传输后的 信号被一个冋样性能的天线接收,紧接着与射频信号混频,下变频变换出基带OFDM信 号,基带OFDM信号最后送往OFDM接收机进行解调接收 仿真结果及分析 利用 Optisystem仿真软件,本文搭建了单边带调制的直接探测光 OFDM-ROF链路,其框 105架图如图2所示。其中基带OFDM信号的产生过程如下:2048个伪随机序列经过4QAM进 行符号映射,再通过OFDM调制(本系统共使用128个子载波,其中64个用于数据传输), 并通过DAC转化得到I、Q两路实时信号。I、Q信号分别携有基带OFDM信号的实部和虚 3 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 部信息,其中Ⅰ支路信号频谱图如图3所示。Ⅰ、Q两路信号通过IQ调制器与10GHz射频信 号混频得到射频OFDM信号。激光器输出的中心波长为193.1IHz、线宽为2MHz的连续波 10激光作为光载波,注入到铌酸锂马赫-曾德尔调制器( LN-MZM,射频OFDM信号分成两路 路信号不变,另外一路信号经过90度相移,等幅驱动 LN-MZM的两电极。LN-MZM的 半波电压为Vx=4V,调节其偏置电压VDc1=0,VDc=2V,输出光载射频OFDM信号频谱如 图4所示。从频谱图可以看到光载射频OFDM信号功率主要集中在中心载波和一阶上边带 上,其他边带信号与一阶上边带信号的功率差大于20dB,所以其它边带可以忽略不计,从而 115实现射频OFDM信号的单边带调制。为了克服其他边带引起的干扰,光 SSB-OFDM信号经 过光带通滤波器OBPF)进行滤波,然后通过50km标准单模光纤(SSMF)传输到基站。在基 站,光SSB-OFDM信号经过光电二极管直接探测得到电信号,其频谱图如图5所示。然后 通过个中心频率为10GHz的带通滤波器(BPF),得到射频OFDM信号。本仿貞系统不经 过无线传输,射频OFDM信号与10GHz射频信号混频,下变频得到基带OHDM信号,其 120频谱图如图6所示。基带OFDM信号再通过一系列与产生OFDM信号相反的步骤,恢复出 进制数据信号。 发送端 接收端」 光纤链络 号几几 换|射变缀换 本 射挨 图2基于单边带调制的直接探测光 FDM-Rol系统仿真图 125 Fig 2 Simulation setup of the dircct detection optical OFDM-RoF systcm bascd on SSB modulation 1的eym1r12n 图3基带OFDM电或频谱图 图4单边带调制光载射频OFDM频谱图 Fig. 3 RF spectrum of baseband OFDM signal Fig 4 Optical spectrum of SSB-OFDM signal 130 图5 PIN-PD探测后电信号频谱图 图6接收端基带OFDM电域频谱图 Fig 5 RF spectrum of detected OFDM signal Fig 6 RF spectrum of received baseband Ofdm signal 星座图分析 135 图7(a-d是上述单边带调制 OFDM-ROF系统产生的10GHz光载OFDM信号在光背靠背 和经过25km、50km和100km标准单模光纤传输后的接收端星座图,可以看出,随着光纤 4 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 距离的增加,星座图会发生不同程度的扩散,同时产生·定的旋转,这主要是因为光纤色散 和非线性效应引起的相位噪声和强度噪声。但对4QAM调制信号米说,只要发散角度不超 过45°,在接收端利用相应的相位均衡技术就可以将其复原。 140 (d) 图7光载射频OFDM信号在经过不同长度光纤传输后的星座图(a)0km(b)25km(c)50km(d)100km Fig. 7 The constellation diagrams of the optical SSB-OFDM signal at the(a) back-to-back (BTB)case and after(b) 145 25km(c) 50km(d)100km fiber transmissions 调制指数影响分析 SCR随调制指数m=π MaMey变化的情况如图8所示,这里Amn是基带OFDM信号幅 度A(1)的均方根值。文献指出m=0.1,1.0,1.7时分别代表低、中、高调制指数,所以图 1508中调制指数m的范围选在了0-2之间。cR的变化趋势说明,当调制指数较小时,SCR近 似直线卜降,光边带的功率远小于光载波分量的功率,当m逐渐增大时两者功率的差距遂 渐缩小。 15 45 图8SCR与调訇指数m的关系图 Fig. SCR versus modulation index 图9给出了20GHz和60GHz光载毫米波OFDM信号在背靠背和经过25km光纤传输 后,EVM和调制指数的对应关系,可以看出,在调制指数小于0.1时,随着m的减小,EⅥM 急剧壇加,系统性能急剧下降。m在0.2-0.6区间,EⅥM变化幅度缓慢,而m大于0.6时, 160EⅥM开始上升。图10给出20GHz光载毫米波OFDM信号经过25km光纤传输后,误差矢 量幅度在不同PRPA条件下随调制指数变化的曲线佟,EVM随调制指数的变化趋势与图(9) 相似。从而在实饯应用中,我们可以得到一个最优调制指数使系统的接收性能达到最佳,而 这个最优值与光纤长度、射频本振频率以及PAPR无关 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 1m9n Modulation Index(m) 图9EⅧM在不同光纤长度和射频载波频率下随调制指数变化的曲线图 Fig 9 EVM versus modulation index for different fiber length and RF frequency PAPR-9 f9E 4121mn Modulation index m 图10EWM在不同PAPR条件下随调制指数变化的曲线图 Fig 10 EVM versus modulation index for different PAPR 170 分析 图11是SSB调制的光载OFDM信号在0km和25km光纤链路传输后不经过无线传输, 接受光功率与误码率关系曲线图。通过对比单边带调制光载OFDM信号光纤背靠背传输和 经过25km光纤传输后,功率代价低于0.3dB。 01到0器 175 产P群 图11BTB和25km光纤传输下的BER性能 Fig II BER versus rcccivcd optical powcr at btb casc and aftcr 25km SMF 结论 本文提出一种单边带调制的直接探测光OFDM-RoF系统结构。此方案充分发挥了 OHDM和RoE技术的优势,利用OHDM的抗色散特性来延长ROF系统的传输距离。在本 文的仿真中发现,单边带调制后的光载射频OFDM信号,在经过50km甚至100km标准单 模光纤传输后,虽然光纤色散会降低信号信噪比,恶化信号性能,使接收星座图发散和相位 偏转,但发散角远远小于45°,所以很容易进行恢复。同时还发现,存在一个最佳的调制指 185数可以使信号传输性能达到最佳,其与光纤长度,射频本振频率以及PAPR无关。在25km光 纤传输后,系统功率代价低于0.3dB 国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 参考文献 [1 Li T, J. 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