王現(xiàn)彬，蔡柏成，楊潔，賈英茜，康元元

（1.石家莊學院機電學院，河北石家莊050035；2.河北報業(yè)傳媒集團有限公司印務中心，河北石家莊050011）

基于PSK的SCM-RoF系統(tǒng)傳輸性能

王現(xiàn)彬1，蔡柏成2，楊潔1，賈英茜1，康元元1

（1.石家莊學院機電學院，河北石家莊050035；2.河北報業(yè)傳媒集團有限公司印務中心，河北石家莊050011）

采用相移鍵控（PSK）調制技術設計了副載波復用-光載無線通信（SCM-RoF）系統(tǒng)，分析了SCM-RoF信號的時域和頻域特性，研究了不同用戶的傳輸性能及發(fā)射端和接收端帶通濾波器（BPF）、用戶傳輸速率對SCM-ROF系統(tǒng)的影響.結果表明：不同用戶間傳輸效果略有差異，而發(fā)射端和接收端的BPF也會對系統(tǒng)產生影響，當用戶傳輸速率在2 Gbit/s左右時，系統(tǒng)傳輸性能與系統(tǒng)利用率達到最佳平衡，誤碼率（BER）在10-10數(shù)量級.

副載波復用；光載無線通信；相移鍵控；傳輸性能

0 引言

光載無線通信（RoF）采用光纖來承載射頻（RF）信號，具有損耗衰減低、系統(tǒng)帶寬高、傳輸容量大等特征[1，2]，在無線通信方面具有極高的應用潛力，再結合副載波復用（SCM）技術，可充分提高光纖通信系統(tǒng)帶寬利用率[3，4].SCM區(qū)別于波分復用（WDM）技術，SCM是將基帶信號先調制到射頻上進行復用，再通過光調制器將復用后的射頻信號調制到光上，該過程充分利用了相關電器件，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本，而結合SCM和RoF兩者優(yōu)勢的SCM-RoF系統(tǒng)也受到了研究者的廣泛關注[5-7].采用相移鍵控（PSK）調制技術，設計了SCM-RoF系統(tǒng)，并研究了該系統(tǒng)的傳輸性能，相關結果可以為實際SCM-RoF系統(tǒng)設計提供理論參考.

1 系統(tǒng)結構及SCM-RoF信號的時頻域分析

SCM-RoF系統(tǒng)結構如圖1所示，為分析方便系統(tǒng)設置了5個用戶Usern（n為1-5），PRBS Generater1-PRBS Generater5為偽隨機序列發(fā)生器，也即User1-User5，其所產生的數(shù)據(jù)表示用戶待傳信息，通過PSK調制器將待傳信息調制到RF信號上.RF信號通過一個帶通濾波器（BPF）以降低頻帶寬度，再將5路RF信號通過復用器（Com）進行SCM復用.隨后通過馬赫-曾德爾調制器（MZM）將SCM信號調制到光域上，經過標準單模光纖（SSMF）傳輸?shù)浇邮斩?在接收端通過發(fā)射端的反方向變化，最終通過分析儀（Analyzer）進行系統(tǒng)性能參數(shù)分析.5個用戶的PSK調制器頻率為2n×用戶速率，BPF中心頻率與調制器的頻率對應，帶寬為1.5×用戶速率.SSMF色散為16.75 ps/(nm·km-1)，色散斜率為0.075 ps/(nm2·km-1)，差分群時延為0.2 ps/km，有效纖芯面積為80 μm2，包層折射率指數(shù)為2.6×10-20m2/W.光源中心頻率為193.1 THz，入纖光功率為-4 dBm.光接收機響應度為1 A/W，暗電流為10 nA.

分析時采用Q值和誤碼率（BER）定量地衡量系統(tǒng)傳輸性能，采用眼圖定性地觀察系統(tǒng)特性.Q值由下式決定：

式中P1和P0分別為光脈沖信號“1”碼和“0”碼的功率平均值，而σ1和σ0為“1”碼和“0”碼的標準偏差. BER的表達式為：

圖1 SCM-RoF系統(tǒng)結構

式中Eb為每bit位的能量，而No為噪聲功率密度譜.

BER和Q值的對應關系為：

圖2為電RF信號及光RoF信號波形圖，用戶速率設置為2 Gbit/s.其中圖2（a）為圖1中A、B和C處的RF信號波形圖，即User1、User3和User5 3路用戶信息經過PSK調制后的波形，在圖中給出了6個bit的波形圖，從圖2（a）可以看出3路用戶信息各不相同，相位跳邊表示1、0碼的變化.圖2（b）為RoF信號的光波形圖，即圖1中D處的波形.

圖2 （a）User1、User3和User5的RF信號波形圖；（b）RoF信號的光波形圖

圖3為電RF信號及光RoF信號的功率密度譜.其中圖3（a）為圖2（a）的3個波形圖所對應的功率密度譜，由于用戶速率為2 Gbit/s，故User1的中心頻率為4 GHz，而User3和User5的中心頻率分別為12，20 GHz，同時在圖3（a）中的中心頻率兩端存在一系列旁瓣，分得了中心頻率處主瓣的一些能量.圖3（b）為圖2（b）光信號所對應的功率密度譜，從圖3（b）可以看出，在193.1 THz處存在一個強載波，在載波兩邊分布著5個用戶各自的功率密度譜，即5個用戶功率密度譜中的主瓣圖形，即SCM到RoF其實質就是功率密度譜的搬移.

圖3 （a）User1、User3和User5的RF信號的功率密度譜；（b）RoF信號的功率密度譜

2 結果分析

圖4 5路用戶Q值隨傳輸距離變化關系

圖4給出了5路用戶各自系統(tǒng)Q值隨傳輸距離的變化趨勢，用戶傳輸速率為2 Gbit/s.從圖4可以看出，隨著傳輸距離的增大，5路用戶的系統(tǒng)Q值都在降低，整體來看User4和User5傳輸性能較差，這主要是因為User4和User5的RF信號頻率較高，復用后在光頻域上也處在高頻位置，如圖3（b）所示，旁瓣處的功率密度譜對User4和User5的功率密度譜影響較大，造成這兩路用戶的系統(tǒng)Q值較差.而在后續(xù)分析中主要以User1作為參考來進行相關分析.

圖5給出了傳輸距離為60 km時，5路用戶經PSK調制后通過BPF濾波和沒有BPF濾波時各自系統(tǒng)Q值變化情況，其中左下斜線方框為5路用戶經PSK調制并通過BPF濾波后所對應Q值情況，而右下斜線方框為只經過PSK調制后系統(tǒng)Q值情況.對比圖5可以看出，若通過PSK調制后但不經過BPF濾波，則系統(tǒng)Q值普遍較差，這主要是因為若不經過BPF濾波，則旁瓣較為豐富，如圖3（a）所示，最終會影響到相鄰用戶的功率密度譜，造成頻域混疊，導致系統(tǒng)性能變差，Q值降低.

在圖1接收端也存在BPF，圖6給出了接收端BPF濾波器不同帶寬下User1的系統(tǒng)Q值變化情況，相關參數(shù)與前述相同，只改變接收端BPF帶寬大小.從圖6可以看出，當BPF帶寬從2 GHz變化3 GHz時系統(tǒng)Q值從3.86升高到6.20；而當BPF帶寬從3 GHz增大到4 GHz時，系統(tǒng)Q值則從6.20降低到5.56，總體呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.Q值先增大是因為隨著BPF帶寬的增大，更多的信號頻率分量通過了BPF，從而使輸出信號更接近于原始信號，即有用信號功率隨BPF帶寬的增大而增加，最終引起系統(tǒng)信噪比（SNR）的上升，系統(tǒng)Q值也隨之增大，當BPF的帶寬為3 GHz時系統(tǒng)Q值達到峰值.隨著BPF帶寬的持續(xù)增大，雖然有更多有用信號頻率分量可以通過BPF，但此時這些高頻分量所占據(jù)的能量越來越小，對有用信號功率的貢獻量也逐漸變小，而此時卻有更多的噪聲通過BPF，致使噪聲功率變大，從而引起SNR降低，系統(tǒng)性能下降，Q值降低，故出現(xiàn)了圖6所示的Q值變化趨勢.同時在圖6中給出了BPF帶寬分別為2 GHz和3 GHz時的輸出端波形圖，對比可以看出當BPF帶寬為2 GHz時輸出波形失真嚴重.

圖5 發(fā)射端帶有BPF和無BPF時User1的Q值變化情況

圖7為User1在不同用戶速率下系統(tǒng)BER的變化情況.從圖7可以看出，當用戶速率從1 Gbit/s增大到3 Gbit/s時，系統(tǒng)BER從4.33×10-13增大到4.72×10-9，系統(tǒng)性能有所降低，圖7中插圖為1 Gbit/s和3 Gbit/s時系統(tǒng)眼圖，從眼圖上也可以看出這一變化.當用戶速率較低時，兩個相鄰碼元間隔較大，色散、偏振模色散等導致的脈沖展寬使相鄰碼元影響較小，即符號間干擾（ISI）較弱；隨著用戶速率的提高，兩相鄰碼元間隔變小，ISI影響加強，導致系統(tǒng)性能變差，BER上升.而當系統(tǒng)傳輸速率分別為1.5，2，2.5 Gbit/s時，系統(tǒng)BER基本保持在10-10數(shù)量級上.用戶速率為1 Gbit/s時雖然BER較低，但此時系統(tǒng)用戶速率也較小，并不能使系統(tǒng)利率最大化；而當用戶速率為3 Gbit/s時其系統(tǒng)BER較差，即用戶速率提升是以系統(tǒng)性能變差為代價的.綜合來看當用戶速率維持在2 Gbit/s左右時，傳輸性能與系統(tǒng)利用率之間達到最佳平衡.

圖6 接收端濾波器帶寬和Q值對應關系

圖7 不同用戶速率下BER變化情況

3 結論

結合SCM和RoF的特點，采用PSK調制技術，研究了SCM-RoF光纖通信系統(tǒng)的傳輸性能，結果表明不同用戶間傳輸效果略有差異，用戶在進行PSK調制時，隨著調制頻率的增大，系統(tǒng)傳輸性能稍有變差.同時發(fā)射端和接收端的BPF也會對系統(tǒng)傳輸性能造成影響，在發(fā)射端采用BPF濾波時其性能要比不采用BPF濾波的系統(tǒng)傳輸性能要好，而在接收端當BPF帶寬為用戶速率1.5倍時可實現(xiàn)最佳傳輸，而當用戶傳輸速率保持在2 Gbit/s左右時系統(tǒng)傳輸性能與系統(tǒng)利用率達到最佳平衡.以上結果可以為SCM-RoF系統(tǒng)設計提供理論參考.

[1]ALAVISE，AMIRIIS，KHALILYM，etal.W-BandOFDMforRadio-Over-FiberDirect-DetectionLinkEnabledbyFrequencyNonuplingOpticalUp-Conversion[J].IEEEPhotonicsJournal，2014，6（6）：1-7.

[2]KITAYAMAKI，MARUTAA，YOSHIDAY.DigitalCoherentTechnologyforOpticalFiberandRadio-Over-fiberTransmissionSystems [J].JournalofLightwaveTechnology，2014，32（20）：3411-3420.

[3]LIT，WANGD，ZHANGJ，etal.Demonstrationof6.25GBaudAdvancedModulationFormatswithSubcarrierMultiplexedTechniqueon SiliconMach-ZehnderModulator[J].OpticsExpress，2014，22（16）：19818-19823.

[4]陳錦妮，柯熙政.基于副載波外差檢測的副載波-正交頻分復用系統(tǒng)誤碼性能研究[J].光學學報，2016，（2）：24-32.

[5]VAGIONASC，MITSOLIDOUC，TSIOKOSD，etal.OpticalPhysical-LayerDigitalNetworkCodingfor2.5Gb/sforRof-BasedFiWiNetworks[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2016，28（13）：1442-1445.

[6]CABALLERODV，ALMEIDARP，URBANPJ，etal.SCM/WDM-PONwithIn-ServiceBasebandEmbeddedOTDRMonitoring[J].OpticsCommunications，2015，356：250-255.

[7]SHARMAS，BHATIAKS，KAURH.ImpactofLineWidthandPowerofLaseronRadiooverFiberSystem[J].JournalofOpticalCommunications，2015，36（1）：67-70.

（責任編輯鈕效鹍）

Transmission Performance of SCM-RoF System Based on PSK

WANG Xian-bin1,CAI Bo-cheng2,YANG Jie1,JIA Ying-qian1,KANG Yuan-yuan1
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Printing House,Hebei Newspaper Media Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050011,China)

Subcarrier multiplexing-radio over fiber(SCM-RoF)system based on phase shift keying(PSK)is designed.The time and frequency domain characteristics of SCM-RoF signal are analyzed,and the influence of bandpass filter(BPF)at transmitter end and receiver end and the transmission rate on the SCM-ROF system and the transmission characteristics of different users are studied.The results show that the transmission performance among different users is slightly different,and BPF at transmitter end and receiver end can also affect the system transmission performance.When the user transmission rate is at about 2 Gbit/s,the system performance and transmission efficiency can achieve the best balance,and the bit error rate(BER)is about 10-10.

subcarrier multiplexing;radio over fiber;phase shift keying;transmission performance

TN929.11

A

1673-1972（2017）03-0027-06

2017-03-14

河北省科技計劃（15210606）；河北省高等學?？茖W技術研究項目(Z2017140)；石家莊學院科研項目（16BS004）

王現(xiàn)彬（1981-），男，河北省邢臺人，副教授，博士，主要從事光通信技術研究.