基于双平行相位调制器的OFDM－ROF系统仿真

刘 昊，余艳芳，吴君钦

(1.广州宽带主干网络有限公司，广东 广州 510663;2.江西理工大学，信息工程学院，江西 赣州 341000)

随着无线接入、多媒体技术的发展，人们对语音、图像以及高速无线通信的容量及服务的要求正逐步提高。光纤无线通信(ROF)技术利用了光纤的低损耗、超大带宽及抗干扰等特性进行无线信号的传输，在未来宽带无线通信中将具有巨大的发展潜力［1－5］。正交频分复用(OFDM)是一种多载波调制传输技术，具有大传输容量和高频谱效率等优势，被广泛应用于高速宽带无线通信领域。据最新研究成果显示，OFDM技术在光纤通信领域中具有抵抗色散和偏振模色散的功能。因此，ROF技术与OFDM技术融合组成OFDM－ROF系统可以充分发挥两者的优势，成为光通信领域的研究热点［6－7］。

实现OFDM－ROF系统和降低系统成本的关键技术是基于OFDM技术产生的光载毫米波信号。文献［8］中采用载波抑制调制产生光毫米波，然后将OFDM信号经过中频I/Q调制后加载到其中一个边带上，采用直接检测接收OFDM信号，实现系统的简单设计，但这个系统会受直流偏置的影响，从而引起相位偏移。文献［9］中用两个并联相位器产生高频毫米波信号，承载OFDM信号在单模光纤中传输，该系统产生的信号稳定，可抵抗传输中的衰落。文献［10］采用相位调制器和光滤波器的方法产生载波抑制的双边带光载毫米波信号，并在基站中通过使用直接检测的方法来实现信号光电转换，系统结构虽不复杂，但只实现了两倍频的光载毫米波。

本文基于双平行相位调制器建立了OFDM－ROF实验仿真系统，首先采用双平行相位调制器(PM)产生双边带的光载毫米波，其次选择在其中一个边带上调制OFDM信号，并通过光电探测器直接进行光电转换得到毫米波信号和OFDM信号。OFDM的调制和解调部分使用MATLAB软件编写，OFDM－ROF系统实验仿真平台基于软件Optisystem进行搭建，并给出系统的仿真框图以及仿真实验结果。实验结果表明，对OFDM－ROF系统进行色散补偿后，可以有效地克服光纤色散的影响，并提高系统的传输距离。

1 理论分析

图1为基于双平行相位调制器(PM)建立的OFDMROF系统原理图。

图1 基于PM调制的OFDM－ROF系统原理图

该系统包括中心站、光纤链路和基站3个部分。在中心站，由分布反馈式激光器(DFB－LD)产生恒定的光载波信号，表达式为:Ein(t)=E0exp(jωct)，其中E0为其振幅，ωc为其角频率。光载波信号进入双平行的相位调制器(PM)由相位差180°的10 GHz的正弦信号分别驱动双平行的相位调制器，正弦信号表达式为:V(t)=Vrfsin(ωrft)，其中Vrf为射频信号振幅，ωrf为其角频率。则相位调制器PM_1和PM_2输出的信号表达式分别为

式中:Δφ为相位偏移量。将式(1)和(2)进行贝塞尔函数展开，同时忽略3阶以上的高阶边带，则可得到

光耦合器(OC)耦合后，并通过调节相位偏移量使得J1(VrfΔφ)=0 ，则可得到

取实部可得

式(6)表明输出的信号为3阶双边带信号。此时，通过光交错复用器(IL)将输出的双边带信号的上边带和下边带进行分离，然后利用马赫曾德尔调制器(MZM)将OFDM信号调制到对所分离出来的上边带上，再通过光耦合器(OC)将已加载了OFDM信号的上边带信号和未经处理的下边带信号进行耦合，得到的光载OFDM信号经单模光纤链路传送到基站。

在基站，将光载OFDM信号通过光电检测器(PD)进行光电转换，转换后产生电信号，将电信号经过电放大器(EA)实现功率放大后，与频率为6 ωrf的本振信号通过混频器(Electrical Multiplier，EA)混频后，经过带通滤波器(BPF)实现OFDM信号的恢复。最后在OFDM接收端进行OFDM信号解调。

2 仿真及结果分析

基于上述的理论分析，在Optisystem7.0中建立如图1所示的仿真系统。

在中心站，由连续激光器产生的光波波长为1550 nm(即工作波长为 193.1 THz)，线宽为 10 MHz，功率为－10 dBm;用相位差为180°的10 GHz的正弦信号分别驱动2个光相位调制器，调节光相位调制器的相位偏移量Δφ=439 rad，使得J1(VrfΔφ)=0，耦合相减后得到只有3阶双边带信号，然后用1个交叉复用器分离2个3阶边带，将OFDM信号调制到3阶上边带上;OFDM信号是由MATLAB程序产生，先产生1个伪随机码，其速率是2.5 Gbit/s，用于OFDM调制，OFDM信号采用4QAM调制和256点IFFT;然后用OFDM信号驱动MZM调制器对3阶上边带进行调制，调制后的信号与3阶下边带耦合，形成了包含了OFDM信号的光载毫米波信号。

传输链路部分使用一根单模光纤传输，该单模光纤的长度设置为10 km，其衰减系数和色散系数分别为0.2 dB/km和17 ps/(nm·km－1)。

在基站，将从中心站传输过来的光载OFDM毫米波信号通过光电探测器(PD)进行光电转换，生成电信号，其中光电探测器(PD)的相应度设置为1 A/M，暗电流为10 nA。图2为电信号的频谱图，由图2可知，光电转换后生成的电信号包含了基带信号和60 GHz的毫米波信号，因此证实了仿真结果与前面的理论分析相符合。

图2 光电探测后的频谱图(截图)

最后在移动终端，将生成的电信号与一个本振信号混频(其中该本振信号频率为60 GHz)，混频的信号经过带通滤波器后(带通滤波器的带宽设置为1.25 GHz)，得到OFDM信号，最后经过OFDM解调就可以得到需要的基带信号。图3为接收端恢复出来的原始基带信号的频谱图，图4为恢复出来的原始基带信号的眼图，可以看到，恢复出的基带信号恢复得很好，眼图展开清晰，由此则说明基带信号虽经过5 km的单模光纤传输，仍能在移动终端很好地恢复出来。

色散会导致系统有效传输距离受到限制，必须对系统的色散进行有效的补偿。本文使用的导频信号是在发射信号中加入了预先确定的信号，根据接受到的确定信号来对信道进行估计并相位均衡，从而补偿信道色散。该方法有利于系统性能的改善，而且不会造成系统硬件成本的增加。

由于本文使用信道估计，补偿了光纤色散，因此信号经过OFDM解调后的信号星座图能得到较大改善。图5和图6分别为信号经光纤传输5 km和15 km时得到的星座图。由下图可知，在接收端增加相应的相位均衡技术和信道估计技术，可以使信号恢复，光纤链路的频谱资源得到最大限度的利用，以及提高系统的传输距离。

3 结论

本文研究了一种基于双平行相位调制器的OFDMROF实验仿真系统。该系统采用双平行光相位调制器结合光减法器产生双边带光毫米波，并将OFDM信号调制到其中的一个边带上。仿真结果表明，该系统只需要10 GHz的本振射频信号就能产生60 GHz的高频毫米波信号，通过在色散补偿后该系统传输距离得到了提高，由于接收端采用直接检测技术接收信号，实现基站的简单设计。

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