張森，郭娟

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安710121）

DD-OOFDM系統(tǒng)中一種高頻譜效率的BICR

張森，郭娟

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安710121）

基于單邊帶調(diào)制的直接探測(cè)光正交頻分復(fù)用(D D-SSB-O O FD M)系統(tǒng)，提出了一種由光梳狀濾波器、2×2光耦合器和平衡探測(cè)器組成的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的拍頻干擾消除接收機(jī) (BICR)方案，通過消除SSB-O O FD M信號(hào)在光電探測(cè)過程中產(chǎn)生的信號(hào)間拍頻干擾(SSBI)，使光載波和O O FD M邊帶之間的頻率保護(hù)間隔(G B)減小，從而提高系統(tǒng)頻譜效率。建立了一個(gè)基于40G b/s 16-Q A M的D D-SSB-O O FD M仿真系統(tǒng)，通過與傳統(tǒng)D D接收機(jī)對(duì)比，驗(yàn)證BICR消除SSBI的可行性。

拍頻干擾消除接收機(jī)；D D-SSB-O O FD M系統(tǒng)；保護(hù)頻帶間隔

0　引言

近年來，隨著信號(hào)速率的不斷提高，使得光通信網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)和擴(kuò)容面臨巨大挑戰(zhàn)[1]。在光纖通信系統(tǒng)中，光正交頻分復(fù)用(OOFDM)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸速率的平滑升級(jí)[2]，根據(jù)接收端的不同可以分為相關(guān)探測(cè)OFDM(CO-OFDM)和直接探測(cè)OFDM(DD-OFDM)。CO-OFDM技術(shù)[3]的優(yōu)勢(shì)在于接收機(jī)靈敏度、高頻譜效率和對(duì)色散的魯棒性，但它對(duì)頻率和相位偏移噪聲敏感，使得收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。而DD-OOFDM系統(tǒng)[4]結(jié)構(gòu)簡單、成本低，接收端僅有一個(gè)平方率光電二極管(PD)，且無須對(duì)頻率和相位偏移進(jìn)行估計(jì)。因此，DD-OOFDM技術(shù)受到了科研人員的關(guān)注，但其有限的接收機(jī)靈敏度、色散容忍度和信號(hào)間拍頻干擾(SSBI)引入的基帶噪聲等因素嚴(yán)重影響了系統(tǒng)性能。

將DD-OOFDM系統(tǒng)與單邊帶(SSB)調(diào)制結(jié)合起來可以有效克服雙邊帶信號(hào)的色散衰落效應(yīng)[5]，但DDSSB-OOFDM系統(tǒng)的固有特點(diǎn)決定了接收的 RFOFDM信號(hào)會(huì)受到SSBI的影響。由于SSBI的最高頻率項(xiàng)是OOFDM邊帶里頻率最高的子載波與頻率最低的子載波拍頻產(chǎn)生，SSBI所占帶寬可看成是基帶OFDM信號(hào)的帶寬WS。因此，當(dāng)光載波和OOFDM邊帶之間插入頻率保護(hù)間隔 (GB)的帶寬WG小于WS時(shí)，SSBI頻譜會(huì)與RF-OFDM頻譜發(fā)生重疊，且重疊部分無法濾除。為了避免SSBI，最直接的做法就是在光載波和OOFDM邊帶之間插入GB的帶寬WG大于或等于WS，但這同時(shí)也降低了DD-OOFDM系統(tǒng)的頻譜效率，增加了對(duì)收發(fā)機(jī)的帶寬負(fù)擔(dān)和設(shè)備成本[7]。研究人員提出了很多方案來降低SSBI對(duì)DD-OOFDM系統(tǒng)性能的惡化[8～10]。本文基于新型平衡探測(cè)器[11]提出了一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、頻譜效率高的信號(hào)間拍頻干擾消除接收機(jī)(BICR)，并基于40Gb/s 16-QAM的SSBOOFDM信號(hào)建立了理論分析模型和DD-OOFDM系統(tǒng)仿真鏈路。

1　理論分析

本文基于新型平衡探測(cè)器提出了一種高頻譜效率的BICR結(jié)構(gòu)，僅由1個(gè)光梳狀濾波器(IL)、1個(gè)2×2光耦合器(OC)、2個(gè)PD和1個(gè)減法器構(gòu)成。通常，接收端輸入的SSB-OOFDM信號(hào)可以表示為：

其中，EO和 fo分別是光載波的幅度和頻率；ES是OOFDM邊帶的幅度；N是基帶OFDM信號(hào)子載波的數(shù)目；cni是調(diào)制在第n個(gè)子載波上的第i個(gè)OFDM符號(hào)，-N/2≤n＜N/2；Π (t)是序列脈沖函數(shù)；T是一個(gè)OFDM符號(hào)周期；fRF是RF-OFDM信號(hào)的頻率；fn=n/T是基帶OFDM信號(hào)第n個(gè)子載波的頻率。若基帶OFDM信號(hào)的帶寬為WS=N/T，則GB的帶寬可以表示為WG=fRF-WS/2。用E(t)=EO(t)+ES(t)表示SSB-OOFDM信號(hào)，輸入的SSB-OOFDM信號(hào)首先被IL分離成光載波EO(t)和OOFDM邊帶ES(t)兩個(gè)光頻成分，然后這兩個(gè)光頻成分分別作為上、下支路輸入到2×2 OC中。此時(shí)，SSB-OOFDM信號(hào)E(t)可以用矩陣形式表示為：

在理想情況下，3dB 2×2 OC的轉(zhuǎn)移函數(shù)T可以表示為：

用Eout1(t)和Eout2(t)分別表示2×2 OC上、下支路的輸出光電場(chǎng)，則有：

光載波EO(t)和OOFDM邊帶ES(t)經(jīng)過2×2 OC的耦合后，輸出的光信號(hào)被2個(gè)PD組成的新型平衡探測(cè)器接收，探測(cè)到的光電流為：

式（5）中，μ是PD的靈敏度；Iout1(t)和Iout2(t)均由三部分組成，第一項(xiàng)為光載波與光載波自身拍頻產(chǎn)生的直流分量，第三項(xiàng)為光載波與OOFDM邊帶拍頻產(chǎn)生的RF-OFDM信號(hào)分量，而第二項(xiàng)為OOFDM邊帶各子載波之間相互拍頻產(chǎn)生的二階非線性項(xiàng)，即SSBI分量。將Iout1(t)和Iout2(t)相減，得到的光電流I(t)為：

從式（6）可以看出，上、下支路的直流分量和SSBI分量被相互抵消，僅剩下所需的RF-OFDM信號(hào)分量且幅度大小變成原來的兩倍，光載波和OOFDM邊帶之間將不需要插入GB來避免SSBI與RF-OFDM的頻譜重疊，頻譜效率也將比傳統(tǒng)的DD-OOFDM系統(tǒng)提高一倍。因此，本文提出的BICR不僅結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，而且能夠有效消除SSBI，大大提高傳統(tǒng)DDOOFDM系統(tǒng)的頻譜效率，對(duì)研究性能更加良好的DD-OOFDM系統(tǒng)具有重要意義。

2　仿真結(jié)果及分析

本文利用仿真軟件Optisystem7.0和MATLAB的混合平臺(tái)，搭建了基于新型BICR的40Gb/s 16-QAM的DD-SSB-OOFDM仿真系統(tǒng)，其鏈路框圖如圖1所示。

在發(fā)射端，由基帶OFDM調(diào)制模塊產(chǎn)生40Gb/s的16-QAM基帶OFDM信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)后，I、Q兩路信號(hào)通過I/Q調(diào)制器與射頻本振混頻，頻率上變換為RF-OFDM信號(hào)，其中心頻率為10GHz的頻譜圖如圖2(a)所示。將激光器輸出的中心波長為193.1THz、線寬為1MHz的連續(xù)光波作為光載波，并注入到馬赫-曾德爾調(diào)制器中，頻譜圖如圖2(b)所示。當(dāng)RF-OFDM信號(hào)的調(diào)制電壓被偏置在0.5Vπ（Vπ是半波電壓）時(shí)，可有效抑制二階邊帶以及更高階的邊帶。經(jīng)過光帶通濾波器濾除負(fù)一階邊帶，同時(shí)降低其它階邊帶的干擾，僅留下光載波和正一階邊帶。圖2(c)是GB為5GHz、光功率為3dBm的SSB-OOFDM信號(hào)的頻譜圖。從頻譜圖可以明顯看出，SSB-OOFDM信號(hào)功率主要集中在光載波和OOFDM一階邊帶上，與一階邊帶的信號(hào)功率相比，其它邊帶的功率抑制比大于20dB，可以忽略不計(jì)。

圖1　基于新型BICR的DD-SSB-OOFDM仿真系統(tǒng)鏈路框圖

在接收端，SSB-OOFDM信號(hào)經(jīng)過BICR探測(cè)得到RF-OFDM信號(hào)，其頻譜圖如圖2(d)所示。在BICR中，SSB-OOFDM信號(hào)被帶寬為25/50GHz的光IL分離成光載波和OOFDM邊帶，經(jīng)過3dB 2×2 OC被重新組合成兩個(gè)新的SSB-OOFDM信號(hào)，通過靈敏度均為1mA/mW的平衡探測(cè)PD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的兩個(gè)光電流在減法器中經(jīng)過相減運(yùn)算除去SSBI分量，再通過一系列與產(chǎn)生OFDM信號(hào)相反的解調(diào)步驟，恢復(fù)出二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)。基于該仿真平臺(tái)，傳統(tǒng)DD接收機(jī)探測(cè)到的RF-OFDM信號(hào)的頻譜圖如圖2(e)所示。對(duì)比圖2(d)和圖2(e)發(fā)現(xiàn)，BICR探測(cè)到的光電流中SSBI和直流分量基本被消除，僅留下所需的RF-OFDM信號(hào)分量；而傳統(tǒng)DD接收機(jī)探測(cè)到的光電流中SSBI無法消除，并且與RF-OFDM頻譜重疊。

為了驗(yàn)證BICR提高系統(tǒng)頻譜效率的性能，在背靠背(BTB)情況下，分析了SSBOOFDM信號(hào)在不同GB下的誤差矢量幅度(EVM)曲線圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，對(duì)于傳統(tǒng)DD接收機(jī)，隨著GB的減小，EVM值逐漸增加，系統(tǒng)性能不斷下降；僅當(dāng)GB等于RFOFDM信號(hào)的帶寬10GHz時(shí)，傳統(tǒng)DD接收機(jī)才能達(dá)到與BICR相似的性能。而對(duì)于BICR，隨著GB的減小，EVM值變化緩慢且都低于FEC上限值16.3%，僅當(dāng)GB為1GHz時(shí)，EVM值有相對(duì)明顯地增大。這是因?yàn)槭転V波性能的限制IL不能將光載波和OOFDM邊帶完美的分離，仍需在光載波和OOFDM邊帶之間插入GB來避免殘留的少量SSBI與RF-OFDM的頻譜重疊。但與傳統(tǒng)的DD接收機(jī)相比，基于BICR的DDOFDM系統(tǒng)所需GB的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基帶OFDM信號(hào)的帶寬。在不影響系統(tǒng)性能的前提下，基于BICR的DD-SSB-OOFDM系統(tǒng)中GB的帶寬可以從10GHz減小到1GHz，這樣不僅能夠降低對(duì)收發(fā)端電子器件的帶寬負(fù)擔(dān)和設(shè)備成本，而且還能大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。

為了驗(yàn)證BICR在光纖鏈路中的傳輸性能，分析了SSB-OOFDM信號(hào)在傳輸不同光纖長度下的EVM曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看出，對(duì)于GB為2GHz的BICR和GB為10GHz的傳統(tǒng)DD接收機(jī)系統(tǒng)，兩者EVM曲線的變化趨勢(shì)基本一致，即隨著光纖長度的增加，當(dāng)光纖長度小于120km時(shí)，EVM值幅度變化平穩(wěn)，趨近于9%；當(dāng)光纖長度大于120km且小于160km時(shí)，EVM值上升較為緩慢；當(dāng)光纖長度大于160km時(shí)，EVM值急劇上升，系統(tǒng)性能急劇下降。這是因?yàn)殡S著光纖長度的增長，SSB-OOFDM信號(hào)的循環(huán)前綴不再能有效地抵制光纖色散和非線性效應(yīng)，SSBOOFDM信號(hào)的衰落效應(yīng)嚴(yán)重，系統(tǒng)性能急劇下降。但在分別經(jīng)過200km和240km光纖傳輸后，BICR的EVM值分別為15.7%和34%，而傳統(tǒng)DD接收機(jī)的EVM值分別為25.8%和70%。這是由于GB越大，光纖色散和非線性效應(yīng)對(duì)SSB-OOFDM信號(hào)造成的衰落效應(yīng)越嚴(yán)重。因此，在相同的光纖長度下，GB為2GHz的BICR比GB為10GHz的傳統(tǒng)DD接收機(jī)系統(tǒng)有更高的頻譜效率和更好傳輸性能。

圖3　BICR和傳統(tǒng)DD接收機(jī)在不同GB下的EVM曲線圖

圖4　BICR和傳統(tǒng)DD接收機(jī)在不同光纖長度下的EVM曲線圖

圖5給出了在GB為2GHz的BICR和GB為10GHz的傳統(tǒng)DD接收機(jī)系統(tǒng)中，SSB-OOFDM信號(hào)分別經(jīng)過120km和200km光纖傳輸后的星座圖。從圖5(a)和圖5(b)可以看出，經(jīng)過120km光纖傳輸后，兩者星座點(diǎn)都發(fā)生了類似程度的彌散；而從圖5(c)和圖5 (d)可以看出，經(jīng)過200km光纖傳輸后，兩者星座點(diǎn)的彌散程度都發(fā)生了進(jìn)一步的擴(kuò)張，但BICR中星座點(diǎn)的擴(kuò)張程度相對(duì)更小。

圖5　SSB-OOFDM信號(hào)分別經(jīng)過120km和200km光纖傳輸后的星座圖

3　結(jié)束語

本文提出了一種DD-SSB-OOFDM系統(tǒng)中高頻譜效率的BICR結(jié)構(gòu)，本BICR通過有效地消除SSBOOFDM信號(hào)在光電探測(cè)過程中產(chǎn)生的SSBI，從而減小傳輸信號(hào)的GB來提高系統(tǒng)頻譜效率。基于40Gb/s 16-QAM的SSB-OOFDM信號(hào)，我們對(duì)本BICR進(jìn)行了理論分析和鏈路仿真，通過與傳統(tǒng)DD接收機(jī)對(duì)比，驗(yàn)證了我們提出的BICR消除SSBI的有效性，且在不影響系統(tǒng)性能的前提下，SSB-OOFDM信號(hào)中GB的帶寬可以從10GHz減小到1GHz，大大提高了DDOOFDM系統(tǒng)的頻譜效率。

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High spectrum-efficiency BICR for the DD-OOFDM system

ZHANG Sen，GUO Juan
（Xi'an University of Posts and Telecommunications，College of Communication and Information Technology，Xi'an 710121，China）

A new beat interference cancellation receiver(BICR)for single-sideband optical orthogonal frequency division multiplexing(SSB-OOFDM)signals is proposed,which improves the spectral efficiency by reducing the guard band(GB)between the optical carrier and the OOFDM signal while mitigating signal-signal beat interference(SSBI)during the opto-electrical conversion of the SSB-OOFDM signal.The BICR structure is relatively simple using only an optical interleaver,a 2×2 optical coupler and a balanced detector.A system simulation for the 40Gbit/s 16-QAM SSB-OOFDM signals with the reduced GB is carried out to prove the feasibility of the new BICR.The simulation results show that the proposed method has a better performance to suppress SSBI and a higher SE thanthe conventional direct-detection(DD)receiver with reduced GB.

beat interference cancellation receiver,DD-SSB-OOFDM system,guard band

TN248

A

1002-5561（2016）05-0039-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.05.012

2015-12-08。

陜西省國際科技合作項(xiàng)目（2014KW02-02）資助；陜西省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（2014K09-14）資助。

張森（1990-），男，碩士研究生，主要從事寬帶通信網(wǎng)的研究。