劉 昊，余艷芳，吳君欽

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

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

實現(xiàn)OFDM－ROF系統(tǒng)和降低系統(tǒng)成本的關鍵技術是基于OFDM技術產(chǎn)生的光載毫米波信號。文獻［8］中采用載波抑制調(diào)制產(chǎn)生光毫米波，然后將OFDM信號經(jīng)過中頻I/Q調(diào)制后加載到其中一個邊帶上，采用直接檢測接收OFDM信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的簡單設計，但這個系統(tǒng)會受直流偏置的影響，從而引起相位偏移。文獻［9］中用兩個并聯(lián)相位器產(chǎn)生高頻毫米波信號，承載OFDM信號在單模光纖中傳輸，該系統(tǒng)產(chǎn)生的信號穩(wěn)定，可抵抗傳輸中的衰落。文獻［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，并在基站中通過使用直接檢測的方法來實現(xiàn)信號光電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖不復雜，但只實現(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實驗仿真系統(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邊帶上調(diào)制OFDM信號，并通過光電探測器直接進行光電轉(zhuǎn)換得到毫米波信號和OFDM信號。OFDM的調(diào)制和解調(diào)部分使用MATLAB軟件編寫，OFDM－ROF系統(tǒng)實驗仿真平臺基于軟件Optisystem進行搭建，并給出系統(tǒng)的仿真框圖以及仿真實驗結(jié)果。實驗結(jié)果表明，對OFDM－ROF系統(tǒng)進行色散補償后，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，表達式為:Ein(t)=E0exp(jωct)，其中E0為其振幅，ωc為其角頻率。光載波信號進入雙平行的相位調(diào)制器(PM)由相位差180°的10 GHz的正弦信號分別驅(qū)動雙平行的相位調(diào)制器，正弦信號表達式為:V(t)=Vrfsin(ωrft)，其中Vrf為射頻信號振幅，ωrf為其角頻率。則相位調(diào)制器PM_1和PM_2輸出的信號表達式分別為

式中:Δφ為相位偏移量。將式(1)和(2)進行貝塞爾函數(shù)展開，同時忽略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

取實部可得

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

在基站，將光載OFDM信號通過光電檢測器(PD)進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生電信號，將電信號經(jīng)過電放大器(EA)實現(xiàn)功率放大后，與頻率為6 ωrf的本振信號通過混頻器(Electrical Multiplier，EA)混頻后，經(jīng)過帶通濾波器(BPF)實現(xiàn)OFDM信號的恢復。最后在OFDM接收端進行OFDM信號解調(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)生的光波波長為1550 nm(即工作波長為 193.1 THz)，線寬為 10 MHz，功率為－10 dBm;用相位差為180°的10 GHz的正弦信號分別驅(qū)動2個光相位調(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，然后用1個交叉復用器分離2個3階邊帶，將OFDM信號調(diào)制到3階上邊帶上;OFDM信號是由MATLAB程序產(chǎn)生，先產(chǎn)生1個偽隨機碼，其速率是2.5 Gbit/s，用于OFDM調(diào)制，OFDM信號采用4QAM調(diào)制和256點IFFT;然后用OFDM信號驅(qū)動MZM調(diào)制器對3階上邊帶進行調(diào)制，調(diào)制后的信號與3階下邊帶耦合，形成了包含了OFDM信號的光載毫米波信號。

傳輸鏈路部分使用一根單模光纖傳輸，該單模光纖的長度設置為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毫米波信號通過光電探測器(PD)進行光電轉(zhuǎn)換，生成電信號，其中光電探測器(PD)的相應度設置為1 A/M，暗電流為10 nA。圖2為電信號的頻譜圖，由圖2可知，光電轉(zhuǎn)換后生成的電信號包含了基帶信號和60 GHz的毫米波信號，因此證實了仿真結(jié)果與前面的理論分析相符合。

圖2 光電探測后的頻譜圖(截圖)

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

色散會導致系統(tǒng)有效傳輸距離受到限制，必須對系統(tǒng)的色散進行有效的補償。本文使用的導頻信號是在發(fā)射信號中加入了預先確定的信號，根據(jù)接受到的確定信號來對信道進行估計并相位均衡，從而補償信道色散。該方法有利于系統(tǒng)性能的改善，而且不會造成系統(tǒng)硬件成本的增加。

由于本文使用信道估計，補償了光纖色散，因此信號經(jīng)過OFDM解調(diào)后的信號星座圖能得到較大改善。圖5和圖6分別為信號經(jīng)光纖傳輸5 km和15 km時得到的星座圖。由下圖可知，在接收端增加相應的相位均衡技術和信道估計技術，可以使信號恢復，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實驗仿真系統(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信號調(diào)制到其中的一個邊帶上。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)只需要10 GHz的本振射頻信號就能產(chǎn)生60 GHz的高頻毫米波信號，通過在色散補償后該系統(tǒng)傳輸距離得到了提高，由于接收端采用直接檢測技術接收信號，實現(xiàn)基站的簡單設計。

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