陳 靜, 徐梓元, 陳 琳

(上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

第五代(5G)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)目前正在全球范圍內(nèi)推廣,其目標(biāo)是提供增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、大規(guī)模機(jī)器通信(Machine Type Communication,MTC),以及超可靠低延遲(Ulter Reliable and Low Latenly,URLL)實(shí)時(shí)服務(wù)。為了滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延和海量連接的要求,無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network,PON)被認(rèn)為是最有前途的無(wú)縫融合策略之一?？紤]到5G初始階段應(yīng)該對(duì)4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有足夠的透明性,正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)仍然是一種重要的5G信號(hào)調(diào)制技術(shù)[1]。OFDM技術(shù)將高速數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到多個(gè)子載波上并行傳輸,從而降低各個(gè)子載波的信號(hào)速率,有效消除了符號(hào)間干擾(Inter Symble Interference,ISI),提高了頻譜利用率[2]和抗多徑衰落能力[3-5]。

隨著OFDM技術(shù)的發(fā)展,人們考慮將其應(yīng)用于光通信領(lǐng)域中,形成了光正交頻分復(fù)用(Optical OFDM,OOFDM)技術(shù)。OOFDM是集數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing,DSP)技術(shù)和光纖通信技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一身的一種新型的光通信技術(shù),通過(guò)將光纖的頻帶劃分為若干重疊且相互正交的子頻帶,可以有效抵抗光纖傳輸鏈路中的色散和偏振膜色散給系統(tǒng)帶來(lái)的損傷,提高系統(tǒng)的頻帶利用率[6-7],在降低光器件的性能要求和下一代光接入網(wǎng)等方面有著重要的發(fā)展應(yīng)用前景[8]。本文對(duì)背對(duì)背OOFDM系統(tǒng)展開(kāi)研究,結(jié)合強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(Intensity Modulated/Direct Detection,IMDD)[9],仿真研究了OOFDM系統(tǒng)的性能。

1 基帶OFDM收發(fā)機(jī)模塊

基帶OFDM發(fā)射機(jī)主要的DSP功能包括:數(shù)字調(diào)制、串并(S/P)轉(zhuǎn)換、逆快速傅里葉變換(Inverse Fast Fourier Transfrom,IFFT)、插入循環(huán)前綴、并串(P/S)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC),具體如圖1(a)所示。接收機(jī)的各個(gè)功能單元完成與發(fā)送機(jī)相反的變換,從光接收機(jī)輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),經(jīng)由S/P轉(zhuǎn)換、移除循環(huán)前綴,快速傅里葉變換(Fast Fourier Transfrom,FFT)、P/S轉(zhuǎn)換、均衡和數(shù)字解調(diào)恢復(fù)原始的輸入二進(jìn)制數(shù)據(jù),具體如圖1(b)所示。

圖1 基帶OFDM收發(fā)機(jī)框圖

1.1 數(shù)字調(diào)制與解調(diào)

數(shù)字調(diào)制模塊可以采用不同的星座映射方式,如相移鍵控(QPSK,8PSK)和正交幅度調(diào)制(16QAM)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制方式?jīng)Q定了編碼過(guò)程中一個(gè)碼元所需的比特?cái)?shù)n。該參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能評(píng)估很重要。數(shù)字解調(diào)時(shí),按照發(fā)送端中所選擇的調(diào)制方式采用相應(yīng)的解調(diào)方式,將復(fù)值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的比特流[10]。

1.2 IFFT/FFT

1.3 循環(huán)前綴

OOFDM系統(tǒng)采用了循環(huán)前綴(Cyclic Prefix,CP)技術(shù)。由于OFDM對(duì)信號(hào)色散具有很高的容忍度,因此會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的擴(kuò)展和碼間干擾,干擾主要集中在OFDM符號(hào)的邊緣。因此,為了減少I(mǎi)SI的影響,在發(fā)送端,通過(guò)從OFDM符號(hào)的末端復(fù)制一些樣本并將其放在同一符號(hào)的開(kāi)頭使用。在接收端,相應(yīng)去除循環(huán)前綴,恢復(fù)承載有用信息的OFDM符號(hào)。若一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為Nsp,插入CP,則將該OFDM符號(hào)最后的若干離散Ncp復(fù)制到最前面,形成新的OFDM符號(hào),長(zhǎng)度為Nsp+Ncp。插入循環(huán)前綴示意如圖2所示。

圖2 插入循環(huán)前綴示意

1.4 DAC/ADC

由于OFDM信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)相加而成,這樣的合成信號(hào)很可能產(chǎn)生比較大的峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR),導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真。因此,需要在數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換(DAC/ADC)中對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行限幅,以降低其高峰值信號(hào)的出現(xiàn)。限幅的閾值定義為

(1)

式中:ε——限幅比;

Pm——信號(hào)的功率。

限幅可以使OFDM信號(hào)幅度在[-Λ,Λ]范圍內(nèi)變化,具體如圖3所示。但是限幅率過(guò)低會(huì)引入限幅噪聲,導(dǎo)致信號(hào)失真。因此,需要選取合適的限幅率,既能改善PAPR性能,也不會(huì)造成信號(hào)的失真。

圖3 限幅示意

限幅后的信號(hào)將進(jìn)行量化處理。量化精度取決于量化比特?cái)?shù)。量化比特?cái)?shù)越大,量化噪聲越小,但同時(shí)提高了設(shè)備的復(fù)雜性和成本。因此,需要合理選擇量化比特?cái)?shù)。若設(shè)定量化比特為Q,則在動(dòng)態(tài)范圍[-Λ,Λ]內(nèi)有2Q個(gè)量化級(jí),例如設(shè)Q=3,則量化級(jí)為8,范圍在[-8,8]內(nèi)。當(dāng)比特誤差率(Bit Error Rate,BER)達(dá)到最小值時(shí),可以獲取最優(yōu)的量化比特值。若進(jìn)一步增大量化比特值,BER能保持最小值,但是增加了DAC/ADC的計(jì)算復(fù)雜度。因此,在考慮量化比特的取值時(shí),需要同時(shí)考慮BER性能和計(jì)算復(fù)雜度。

1.5 均 衡

在實(shí)際傳輸信道中,頻率響應(yīng)會(huì)對(duì)子載波的幅度和相位產(chǎn)生影響。為了克服因這種情況引起的子載波失真,需在FFT變換后進(jìn)行信道均衡。即通過(guò)在發(fā)送端數(shù)據(jù)中周期性地插入隨機(jī)訓(xùn)練序列(Training Sequence,TS):在OFDM信號(hào)開(kāi)始處插入第一個(gè)TS之后,每隔N個(gè)符號(hào)周期性地插入下一個(gè)TS。在接收端,第k個(gè)子載波的估計(jì)系統(tǒng)頻率響應(yīng)可以表示為

(2)

式中:∝s,k——信道均衡系數(shù);

Ys,k,Xs,k——第k個(gè)子載波的接收端和發(fā)送端對(duì)應(yīng)的TS。

為了進(jìn)一步降低信道噪聲的影響,可以在多個(gè)TS上估計(jì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng),即均衡系數(shù)取多個(gè)∝s,k的平均值。均衡過(guò)程是將第k個(gè)子載波的接收數(shù)據(jù)yk除以其相應(yīng)的均衡系數(shù)來(lái)校正接收數(shù)據(jù),公式為

(3)

式中:y′k——第k個(gè)子載波均衡后的復(fù)值數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)信道特性的準(zhǔn)確估計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的信道均衡,改善誤碼率性能。

2 電光/光電轉(zhuǎn)換

在IMDD OOFDM傳輸系統(tǒng)中[11-12],電到光模塊通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制(Intensity Modulation,IM)將電OFDM信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào),而光到電模塊通過(guò)直接檢測(cè)(Direct Detection,DD)過(guò)程將OOFDM轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 電光/光電轉(zhuǎn)換框圖

2.1 電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)

在電光轉(zhuǎn)換中,假設(shè)是理想強(qiáng)度調(diào)制,經(jīng)過(guò)OFDM發(fā)送端后,輸出的OFDM電信號(hào)為se(t),考慮到光信號(hào)只能為正值的單極性實(shí)數(shù)信號(hào),對(duì)雙極性實(shí)數(shù)電信號(hào)做以下處理[8],即

(4)

其中,偏移量DC是為了保證se(t)+DC>0。DC定義為

DC=|min(se(t))|+Δ

(5)

式中:Δ>0用于保證不等式的嚴(yán)格性。

然后,對(duì)光信號(hào)進(jìn)行歸一化處理,為

(6)

式中:Popt——光發(fā)射功率,由光強(qiáng)度調(diào)制器產(chǎn)生。

2.2 光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

接收機(jī)中,光電探測(cè)器檢測(cè)到傳輸?shù)墓庑盘?hào)后,將入射光功率轉(zhuǎn)換為電流。R為光電探測(cè)器的響應(yīng)度,Pin為光電探測(cè)器檢測(cè)到的光信號(hào),產(chǎn)生的光電流Ip為

Ip=RPin

(7)

實(shí)際上,光電探測(cè)器本身就與散粒噪聲和熱噪聲兩種噪聲相關(guān)聯(lián),即使在入射光信號(hào)具有恒定功率時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電流波動(dòng)。在光傳輸系統(tǒng)中,常用的光電探測(cè)器有PIN光電二極管和雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode,APD)兩種。在本文中,我們選擇了PIN光電探測(cè)器。PIN光電探測(cè)器主要包括散粒噪聲和熱噪聲。

散粒噪聲源于當(dāng)光信號(hào)入射到光電探測(cè)器上時(shí)產(chǎn)生光電電子的統(tǒng)計(jì)特性。散粒噪聲方差與光電流成正比,定義為

(8)

式中:q——電子的電荷;

Δf——接收器帶寬作為接收機(jī)的靈敏度。

熱噪聲源于在有限溫度下,電子在任何導(dǎo)體中隨機(jī)運(yùn)動(dòng);電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為波動(dòng)電流,將這種波動(dòng)添加到光電流中。熱噪聲方差定義為

(9)

式中:Q——質(zhì)量因子,值為6;

W——接收光功率;

f——通濾波器的帶寬。

若用Is和It分別表示由散粒噪聲和熱噪聲引起的電流波動(dòng),則產(chǎn)生的總電流為

I=Ip+Is+It

(10)

其中,Is和It都是具有高斯統(tǒng)計(jì)的獨(dú)立隨機(jī)過(guò)程變量。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證16QAM-OOFDM的傳輸性能,搭建基于強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)的背對(duì)背OOFDM系統(tǒng),分別研究加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道和背對(duì)背(BTB)IMDD PON系統(tǒng)中的OFDM信號(hào)特性。發(fā)送端的核心模塊包含:16QAM星座映射、插入訓(xùn)練序列、IFFT、循環(huán)序列插入、DAC和電光轉(zhuǎn)換;接收端的核心模塊包含:光電轉(zhuǎn)換、ADC、循環(huán)序列移除、FFT、信道估計(jì)和均衡、16QAM星座逆映射。仿真所涉及的參數(shù)如表1所示。

表1 OOFDM收發(fā)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

3.1 AWGN信道中的BER性能

在AWGN信道中,調(diào)制方式能夠影響OFDM系統(tǒng)的誤碼率。低階星座映射方式由于在星座點(diǎn)之間具有較大的歐氏距離,因此在較低的信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)下,可以實(shí)現(xiàn)較低的誤碼率;而高階星座映射方式則相反,在誤碼率為1.0×10-3時(shí),與8PSK和QPSK相比,16QAM星座映射造成的功率損失分別為2.4 dB和8.1 dB。具體的BER曲線(xiàn)和16QAM星座圖如圖5和圖6所示。

圖5 AWGN中16QAM、8PSK和QPSK對(duì)應(yīng)的BER曲線(xiàn)

由圖6可知:在信噪比高的情況下,噪聲的影響很小,16QAM星座點(diǎn)很清晰;但隨著信噪比的降低,噪聲的影響就會(huì)增大,16QAM星座點(diǎn)逐漸出現(xiàn)重疊混合,無(wú)法正確譯碼。

圖6 AWGN信道中16QAM星座圖

3.2 背對(duì)背OOFDM系統(tǒng)性能

圖7為在光背對(duì)背(Optical Back-to-Back,OBTB)情況下,系統(tǒng)的誤碼率性能與接收光功率的關(guān)系曲線(xiàn),其中發(fā)送光功率設(shè)置為5 dBm。由圖7可以看出,接收光功率的增加能夠使系統(tǒng)的誤碼率性能得到改善。在誤碼率為1.0×10-3時(shí),與8PSK和QPSK相比,16QAM星座映射造成的功率損失分別為1.1 dB和3.6 dB。

圖7 比特誤碼率與接收光功率關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié) 語(yǔ)

OOFDM作為一種重要的5G信號(hào)調(diào)制方式,具有頻譜利用率高、色散容忍度強(qiáng)和頻譜擴(kuò)展靈活等特點(diǎn),能夠與空分復(fù)用、偏振復(fù)用、高階調(diào)制格式相結(jié)合,進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的傳輸速率。本文從理論上研究了OOFDM收發(fā)端的核心模塊,搭建了基于MATLAB的背對(duì)背IMDD PON仿真系統(tǒng),仿真分析了不同調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響以及光接收功率與誤碼率性能,為實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)用推廣提供了重要參考。