基于宽谱光源OFDM信号传输技术*

李 遥，闻 和，郑小平

（清华大学电子工程系国家集成光电子信息重点实验室 北京 100084）

1 引言

微波光子学是研究光信号与微波、毫米波段电信号相互作用的一门交叉学科。基于微波光子学的光载无线（radio over fiber,ROF）技术将无线通信灵活性和光通信的低损耗、宽带、大容量很好地结合起来，发挥二者的长处，近年来成为国内外研究机构展开研究工作热点。在有效利用光纤带宽资源，实现宽带业务的无线接入的同时，为光纤到家（fiber to the home，FTTH）的最后一公里提供了一个有效方便快捷的解决方案[1]。

现有的同类ROF传输技术中，由于激光器单色性、定向性、高信噪比等优点，ROF传输OFDM信号系统都是基于激光器的传输系统。在北美，美国2005年乔治亚理工学院就报道了光载无线技术与WDM-PON机构融合的实验结果，该方案利用高非线性色散位移光纤产生拉曼相关的四波混频效应，实现了8×2.5 Gbit/s WDM信号的全光上变频，微波副载波信号频率为40 GHz；为了克服色散的影响，采用了单边带滤波技术，进行单边调制并传输，实现了大于20 km的光载无线信号的传输，但是这种技术仅仅实现了简单OOK信号传输，对于矢量号和多载波的OFDM信号传输并没有实现[2]。在欧洲，西班牙瓦伦西亚大学2008年报道了基于激光器的OFDM传输方案，该方案实现了1.25 Gbit/s数据率OFDM信号25 km单模光纤传输[3]；由于激光器的成本和系统复杂度，该方案仅仅局限在实验室级别，离大规模商用还有一段距离。在亚洲，引领ROF技术的台湾交通大学在2008年报道了基于激光器的16QAM在19 GHz载波下4 Gbit/s数据带宽50 km长度传输[4]，但这种方式在信号的产生上需要控制双平行调制器3个偏置点B1、B2和B3，在实际应用中由于偏置点随着时间和温度是漂移的，这对系统的实用性提出了挑战；此外为了降低色散对OFDM信号的影响，在传输的信号前需要对信号做预均衡，大大增加了系统的复杂程度；以激光器为光源，上行系统的成本难于降低，对双工ROF系统的实际应用还有一定距离。

因此，与同类ROF技术相比，传统ROF技术在对微波信号传输、分配、延时处理和定向发射的同时，中心站处需要使用光学方法进行信号的光域调制和传输，避免不了使用激光器等价格偏昂贵的光学器件，提高了系统成本，另外也要求有控制光源中心波长的控制模块和反馈装置，增加了系统结构的复杂度[5]。基站处同样需要有用于上行线路的本振光源，FTTH技术的最大瓶颈就是基站处需要上行光源和调制器，使得成本难以压缩，即使使用下行链路自带本振光的系统结构来降低成本，也是以提高微波信号调制和传输复杂度为代价的[6]。

本文开创性地建立了宽谱光源传输OFDM信号系统理论模型，并通过实验验证了理论的正确性和可行性；突破了国内外用激光器作为光源的光载无线系统的传统理论束缚。本文采用的宽谱光源代替激光器阵列，是无线信号传输和分配的新技术，是未来无线接入实施可选方案之一，也是无线接入相关行业标准备选提案。通过控制基于宽谱光源传输系统的工作偏置点，降低OFDM信号的峰均比，使其工作在和以激光器为光源系统的相似的环境，进而实现低成本高效率的无线信号传输，解决了无线接入系统复杂度高和成本难以压缩的难题，通过引入宽谱光源替代激光器阵列的方案，有效降低ROF传输系统的复杂程度，避免了大量激光器波长控制电路，从而减少系统成本，解决了ROF系统的实际应用——FTTH技术的系统复杂难于维护和用户使用门槛高的关键问题。该方案在实验上实现了 3.0 GHz、1 GHz带宽 16QAM，512个子载波，速率2 Gbit/s的IEEE 802.11b OFDM信号20 km以内无误码传输，并对信号的星座图和误差向量值（EVM）进行了测量，验证了该新型的ROF链路传输OFDM信号的可行性。该实验方案可以广泛应用于现有WLAN和WiMAX协议中，具有很高的商用价值和较好的应用前景。

2 基本理论分析

首先分析讨论传输系统光源问题。宽谱光源即自发辐射光源，作为光通信系统的光源，与传统的基于激光器的光源相比，本质区别在于系统的光噪声[7]，实验组在前期的研究工作表明，通过控制输入光电探测器（PD）的光功率可以有效抑制光噪声大小，实现与基于激光器的ROF链路同等级别光噪声，实现同等信噪比的光信号传输。

其次在信号格式选择上，采用OFDM信号。OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)为正交频分复用技术，将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输。它的优势在于频谱利用率高，窄带带宽下能够发出大量的数据，能够抗频率选择性衰落或窄带干扰，抗多径效应，因此作为多载波矢量信号的OFDM信号在无线通信中广泛使用，如IEEE 802.11协议、Wi-Fi、WiMAX、LTE 等无线通信标准。在未来的无线通信系统中，OFDM信号会是不可或缺的主流传输信号，在基于宽谱光源的ROF系统中传输OFDM信号技术，是衡量该系统未来发展应用前景的重要参考指标。

利用宽谱光源传输OFDM信号，与传输单载波矢量信号相比，一方面OFDM有较宽带宽，系统带宽达到2 GHz，系统调制格式信号普适于BPSK、OQAM、OFDM等信号，因而基于宽谱光源的光副载波系统单从带宽上的考虑能够满足OFDM信号的传输。另一方面，与单载波通信系统相比，OFDM符号是由多个独立的子载波信号叠加合成的信号，有可能产生大峰值功率（peak power），且OFDM有较大的峰均比（peak to average power ratio，PAR）。

OFDM系统时域基带模拟符号有如下表达：

峰均比有如下表达：

图1给出了Matlab仿真下OFDM信号时域图，可见调制信号瞬时幅度可以达到均值的几倍以上。因而在以强度调制为基础的宽谱光源光副载波系统中，如果要调制OFDM信号，信号的调制深度m受限。由此只要解决OFDM信号瞬时幅度较大的矛盾，就能实现基于宽谱光源光副载波系统下OFDM信号的传输。抑制调制OFDM信号的峰均比即可满足基于宽谱光源光副载波系统和延时系统。

对OFDM信号峰均比的抑制已经有很深入的研究[8]，主要抑制方法分为信号预畸变技术、编码方法和加扰序列加权处理。本文采用成熟的信号预畸变技术中的限幅峰值加窗方法抑制峰均比，图2给出了加窗方法OFDM信号峰均比抑制前后时域图，上为原始波形，PAR=7.0 dB，下为抑制峰均比后的波形，PAR=4.2 dB，优化了2.8 dB，将其输入任意波形发生器（AWG）产生的波形，作为实验的OFDM信号源。

可以看出，该方法解决了瞬时峰均比问题，从原理上实现了OFDM在基于宽谱光源的ROF系统中的传输。

3 实验装置及结果讨论

实验装置如图3所示，任意波形发生器为泰克公司生产的AWG 7122B，最高采样率12 GHz，输入数据由Matlab产生，示波器为泰克公司生产DPO72004B，带宽 70 GHz，离线数据处理，得到OFDM信号的基带数据EVM。

信号格式为 3.0 GHz、1 GHz带宽 16QAM，512个载波，信号速率2 Gbit/s，传输距离20.2 km。

图4给出了在调制格深度m=0.15输入条件下，峰均比抑制前后的星座图，未抑制峰均比的信号的EVM为3.0%，抑制峰均比后的信号的EVM为2.6%。

增大调制深度，图5给出了在调制格深度m=0.2输入条件下，峰均比抑制前后的星座图，未抑制峰均比的信号的EVM为5.2%，抑制后的EVM为3.9%。

无论调制深度如何选取，通过有效控制输入调制的OFDM信号峰均比，可以使EVM减小，有效提高OFDM信号的传输质量。

图6所示为不同调制深度m下OFDM信号的EVM，上面曲线为输入原始OFDM信号时的EVM曲线，下面曲线为输入信号经过PAR抑制后的EVM曲线。在调制深度一定时，抑制输入信号的峰均比可以降低信号EVM，降低误码率，提高发射机的动态范围，实现基于宽谱光源光副载波系统OFDM的信号传输。

4 结束语

本文提出的新型的基于宽谱光源的ROF链路系统，适用于OFDM多载波复杂矢量信号，实验上实现了3.0 GHz、1 GHz带宽，16QAM、512个载波、速率2 Gbit/s的OFDM信号20 km以内无误码传输。对于符合IEEE 802.11协议的无线通信信号格式也有类似结果。该系统结构应用于无线信号的传输和基站处信号分配，具有明显的优势：结构简单，避免了波分复用传输各路信号；成本相对低廉，与激光器相比使用了低价位的宽谱光源；性能稳定可靠，无需基于激光器系统所需的波长控制和温度控制电路。

1 Seeds A J.Microwave photonics.IEEE Trans Micro Theory Tech,2002,50(3):877～887

2 Jia Z,Yu J,Boivin D,et al.Bidirectional ROF links using optically up-converted DPSK for downstream and remodulated OOK for upstream.IEEE Photon Technol Lett,2007,19(9)

3 Llorente R,Alves T,Morant M,et al.Ultra-wideband radio signals distribution in FTTH networks. IEEE Photonics Technology Letters,2008,11(20):945～947

4 Chun-Ting Lin,Yu-Min Lin,Jason (Jyehong)Chen,et al.Optical direct-detection OFDM signal generation for radio-over-fiberlink usingfrequencydoublingscheme with carrier suppression.Optics Express,2008,16(9):6 056～6 063

5 Anne V,Jean C.Microwave photonics:from components to applications and systems. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers,2003

6 Kaszubowska-Anandarajah A, Connolly E, Barry L P.Demonstration of wavelength packet switched radio-over-fiber system.IEEE Photonics Technology Letters,2007,19(4)

7 Xue X,Wen H,Zheng X,et al.Noise analysis in photonic true LTE系统中保证CCE分配公平性的算法==内容不完整time delay systems based on broadband optical source and dispersion components.Applied Optics,2009,48(4):658～663

8 Karmakar G C,Dooley L S,Mathew M.Introduction to mobile multimedia communications.Wiley-Interscience,2008