单边带OFDM-ROF 系统中的色散补偿问题研究

席在芳，刘懿，吴笑峰，胡仕刚，唐志军，李劲

(湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201)

OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技术具有较高的频谱效率、对时延扩张免疫、可以抗频率选择性衰落、信道均衡简单等特点，已在宽带数据通信和无线通信等领域中广泛应用[1-2]。OFDM 技术中的信道均衡加上信道编码可以帮助抑制单模色散(CD)和偏振模色散(PMD)[3]。将OFDM 技术融入到ROF 系统中具有较多优势，在传输端可以通过抑制色散效应提高信号传输距离，无线端又可以直接利用OFDM 技术在无线领域的优势。许多研究者研究了OFDM 信号在光纤中传输的问题[2-7]，大部分是采用相干检测技术来接收OFDM 信号，采用直接检测的光OFDM传输系统是为了更好地补偿长距离通信系统中的色散。它们采用的调制频率都比较低，较少涉及高频子载波如毫米波段的研究，大多采用滤波技术实现单边带调制[2-8]。传统的光载波双边带调制方式的ROF(radio-over-fiber)系统中传输色散引起的信号失真很大[9]。经比较，采用相位均衡技术和接入色散补偿光纤模块技术的单边带调制抑制色散的方法具有更好的效果[10-13]。本文研究适应于4G 移动通信系统的OFDM-ROF 光传输系统，建立OFDM-ROF 光纤传输系统的仿真模型。从理论和仿真分析采用直接检测技术接受信号的OFDM-ROF 系统的传输性能，对制约系统传输性能的色散因素进行探讨，并提出色散补偿的有效方法。

1 理论分析

1.1 单边带OFDM-ROF 系统分析

其中：μ 为光电检测器的灵敏度；β ′=β′( wc)wRFL，表示由一阶色散引起的相移。式中忽略了光信号，光电流主要包含直流分量和射频分量。

1.2 色散补偿技术方法分析

图1 基于相位调制的单边带OFDM-ROF 系统Fig.1 Single sideband OFDM-ROF system based on phase modulation

图2 光纤色散补偿链路Fig.2 Fiber link compensated by chromatic dispersion

在两端光纤串接的情况下输出脉冲包络幅度表示为

式中：L = L1+ L2； β2j ( j =1,2)为长 Lj( j=1,2)光纤段的 GVD 参数。 此时， 色散补偿条件为β21L1+β22L2= 0。因为Dj=-(2πc / λ2)β2j，所以，色散补偿条件变成: D1L1+D2L2= 0。从实际考虑，L2应该尽可能地短，所以，它的色散值D2应尽可能大。在本文中，为了减少由于色散而引起的系统性能恶化，提出利用色散补偿光纤(DCF)与标准单模光纤按长度的为1:4 的组合方式构成光纤传输链路的补偿方案。

2 性能分析

2.1 OFDM-ROF 系统仿真实现

图3 单边带光载ROF-OFDM 系统仿真图Fig.3 System simulation of single side band OFDM

图4 相位调制后产生的毫米波频谱图Fig.4 Spectrograph of phase-modulated millimeter-wave

图5 通过BPF 后的单边带频谱图Fig.5 Spectrograph of single sideband after BPF

采用光通信系统仿真软件OptiSystem与数值计算软件MatLab 相结合建立1 个OFDM-ROF 单边带光载传输系统，如图3 所示。在发送模块中，激光二极管(LD)发出线宽很窄的连续光波输入到相位调制器的1 个输入端，传输二进制码元通过OFDM 调制模块形成模拟信号，滤出中心频率为2.5 GHz 的信号，通过与20.0 GHz 的正弦波相乘搬移到22.5 GHz 的频段，输入到相位调制器的另一个输入端，电信号被调制到193.1 THz 的光载波上，通过带通滤波器后剩下中心载波和上下边带，形成OFDM 毫米波信号，如图4 所示。通过带通滤波器(BPF)后只剩下中心载波和上边带，如图5 所示。OFDM 信号由MatLab 程序离线产生，信号速率为2.5 Gb/s 的伪随机码经4-QAM 调制成1.25 Gb/s 的频域数字信号，经过256 点IFFT 生成OFDM基带信号，其中有32 个导频信号，采用梳状分布，保护间隔长度为OFDM 周期的1/4；然后，对基带OFDM信号的实部和虚部进行I/Q 中频调制，中频信号频率为2.5 GHz。在光传输模块中，设置传输链路采用标准单模光纤(SSMF)。SSMF 的色散常数为D=16.75 ps/(nm·km)。在接受模块，光传输信号被光电检测器(PD)接收检测转换为微波信号。PIN 接收到的频谱图见图6。从图6 可以看出：该信号包含了基带信号、中心频率为2.5 GHz 的电信号和中心频率为20.0 GHz的毫米波信号。然后，与频率为20.0 GHz 的正交载波混频实现下变频。采用带通滤波器滤除解调信号中的高频成分，得到的中频OFDM 信号其中心频率也为2.5 GHz，之后进行I/Q 相干解调。然后进入MatLab单元，在每个码元周期处进行信号采样和量化。将量化数据序列除去循环前缀，经过串并变换后进行OFDM 解调，再经过低通滤波器获得一组二进制序列输出。光探测器的灵敏度为1 A/W，暗电流为10 nA。OFDM 解调则采用256 点FFT。解码器利用4-QAM星座进行判决。

2.2 传输系统仿真结果分析

2.2.1 相位均衡对色散的补偿

图7 未均衡时系统接收端的星座图(传输距离为40 km，码元码率为2.5 Gbit/s)Fig.7 Constellation diagram of system without balanced(transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)

在未采用均衡技术时，随着色散度的增加，系统接收到信号的星座图如图7 所示。从图7 可以看出：系统接收到信号的星座图逐渐发散，OFDM-ROF 光传输系统的传输性能随着光纤色散度的增加而降低。为了减小由于色散引起的OFDM-ROF 光传输系统性能的恶化，在OFDM 调制时提出利用信道估计的方法即相位均衡来补偿各个子载波的相位偏转，系统接收到信号的星座图有较明显改善，如图8 所示，从而提高系统对信号接收识别的灵敏度，这也是OFDM 技术可以对色散进行补偿的原因。

2.2.2 接入色散补偿模块对色散的影响

为了减少由于色散引起的OFDM-ROF 光传输系统性能的恶化，通过反复仿真尝试，利用色散补偿光纤(DCF)与标准单模光纤按照长度比为1:4 的组合方式构成光纤传输链路的补偿方案。色散补偿前后星座图如图9 所示，色散补偿后的星座点变紧凑，延长了信号的传输距离。但是，色散补偿模块只能按照一定传输距离色散经验值提供一个补偿范围，而无法精确补偿，且色散补偿对信号的衰减比较大，特别是插入损耗，其非线性效应比较高，因此，色散补偿要根据实际情况而定。

图8 系统均衡后接收端的星座图(传输距离为40km，码元码率为2.5 Gbit/s)Fig.8 Constellation diagram of system for balanced (transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)

图9 色散补偿前后星座图 (色散补偿光线的衰减常数a=0.5 dB/km, 色散常数D=72 ps/(nm·km))Fig.9 Constellation diagram before and after the dispersion compensation(attenuation constant of dispersion compensation light a=0.5dB/km, dispersion constant D=72 ps/(nm·km))

3 结论

1) 建立了1 个采用单个相位调制器加滤波技术产生毫米波，使用直接检测技术接受信号的OFDM-ROF 光传输系统仿真模型。

2) 通过对色散补偿前后系统接受的星座图进行比较分析，采用相位均衡和接入色散模块技术的使用，实现了OFDM-ROF 系统的性能增益，增加了下行链路中信号的传输距离和传输质量。色散补偿模块只能按照一定传输距离色散经验值提供一个补偿范围，而无法精确补偿。若获得更大的色散补偿增益，还需进一步研究。

[1] Chen L, Shao Y, Lei X, et al. A novel radio-over-fiber system with Wavelength reuse for upstream date connection[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(6): 387-389.

[2] Chen L, Wen H, Wen S C. A radio-over-fiber system a novel scheme for millimeter-wave generation and wavelength reuse for up-link connection[J]. IEEE Photon Technol Lett, 2006, 18(19):2056-2058.

[3] Guan R F, Zhu F L, Gan Z Y, et al. Stress birefringence analysis of polarization maintaining optical fibers[J]. Optical Fiber Technology, 2005, 11: 240-254.

[4] MA Jianxin, YU Chongxiu, ZHOU Zhen. Optical mm-wave generation by using external modulator based on optical carrier suppression[J]. Optics Communication, 2006, 268(1): 51-57.

[5] TANG Yan, Shieh W, Yi X W, et al. Optimum design for RF-to-optical up-converter in coherent optical OFDM systems[J].IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(7): 483-485.

[6] JIA Zhensheng, YU Jianjun, QIAN Dayou, et al. Encperimatal demonstration for delivering 1-Gb/s OFDM signal over 80 km SSUF in 40 GHz radio-over-fiber system[C]//Optical Fiber Conmunication/National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC). 2008: 1-3.

[7] YU Jianjun, HU Junqiang, QIAN Dayou. Transmission of microwave-photonics generated 16 Gbit/s super broadband OFDM signals in radio-over-fiber system[C]// Optical Fiber Conmunication/National Fiber Optic Engineers Conference(OFC/NFOEC). 2008: 27-29.

[8] Bao H, Shieh W. Transmission simulation of coherent optical OFDM signals in WDM system[J]. Optical Express, 2007, 15(8):4410-4418.

[9] Shieh W, Yi X, Tang Y. Transmission experiment of multi-gigabit coherent optical OFDM systems over 1000 km SSMF fibre[J]. Electolics Letters, 2007, 43(3): 183-185.

[10] Kim A, Joo Y H, Kim Y S. 60 GHz wireless communication systems with radio-over-fiber links for indoor wireless LANs[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, 50(2):517-520.

[11] 席在芳, 刘懿, 吴笑峰, 等. 单边带光载 LDPC-OFDM 系统的传输性能[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(3):1070-1075.XI Zaifang, LIUYi, WU Xiaofeng, et al. Performances of single sideband modulated LDPC-OFDM signals in optical transmission system[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2013, 44(3): 2013-2017.

[12] Jia Z, Yu J, Chowdhury A, et al. Simultaneous generation of independent wired and wireless services using a single modulator in millimeter-wave-band radio-over-fiber systems[J].IEEE Photon Technol Lett, 2007, 19(20): 1691-1693.

[13] Kamisak T, Kuri T, Kitayama K. Simultaneous modulation and fiber-optic transmission of 10 Gb/s baseband and 60 GHz-band radio signals on a single wavelength[J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 2001, 49(10): 2013-2017.