60GHz ROF-OFDM系统的变编码技术性能研究

唐琪

（深圳信息职业技术学院计算机学院， 广东 深圳 518172）

60GHz ROF-OFDM系统的变编码技术性能研究

唐琪

（深圳信息职业技术学院计算机学院， 广东 深圳 518172）

本文提出采用变编码技术提高60GHz ROF-OFDM系统的传输性能。通过对60GHz 毫米波OFDM信号在光纤传输中的色散效应进行理论分析，得到60GHz 毫米波OFDM信号在传输过程中，随着传输带宽的增加以及传输距离的增长，OFDM信号的高频区域子载波会受到频率选择性衰减效应的影响，产生严重的幅度衰减，导致系统误码分布不均的情况出现。为了均衡误码分布，提高系统传输容量，我们提出将变编码技术应用于60GHz ROF-OFDM 系统中。验证分析发现，在60GHz ROF-OFDM系统中使用变编码技术能够有效的提高ROF系统的接收灵敏度，增强系统的传输可靠性。并且在相同冗余度下，变编码技术比固定编码效率的Turbo编码性能更优。

60GHz光载无线通信系统；正交频分复用技术；Turbo 编码；变编码技术；频率选择性衰减效应

ROF（Radio over fiber）技术通过将光纤的高带宽性与无线的移动灵活性融合在一起，提供高带宽无线接入服务。但ROF系统中毫米波信号在传输过程中对色散效应的影响较为敏感。正交频分复用OFDM作为一种可以实现信号在无线与光纤中稳定传输的技术已被多个通信标准所采用。将OFDM技术应用于ROF系统不仅能够增强毫米波信号在光纤传输中的抗色散性能，还能够补偿毫米波信号在无线传输中的多径衰落效应[1-8]。

虽然单边带毫米波系统能够相比双边带ROF系统的性能更优，但其发生端也相应的更为复杂，在接入网体系中使用双边带ROF机制成本更低，也更为实用[9-13]。但是，在双边带ROF-OFDM系统中，接收信号会受到子载波互拍效应(ISMI) 和频率选择性衰减效应(FF)的影响,造成误码分布不均的情况出现，降低了系统传输容量。如何减小ISMI与FF影响， 成为提高ROF-OFDM系统性能的一个关键问题[14-15]。

然而，在通信系统中，对于固定的SNR，信道编码技术是唯一能够使数据传输质量由不能接受到可接受的解决方案。在前向纠错编码中，Turbo编码能够获到接近香农极限的纠错性能。在同一Turbo编码体系下，编码结构的纠错性能越好，通信系统的可靠性就越高，纠错所需要的校验序列也就更长。然而校验序列越长，对系统带宽的消耗就越大。因此，如何在有效长度的校验序列内获得最大的纠错性能，进而提高系统传输可靠性，增加系统传输容量成为关键问题。

本文在60GHz ROF-OFDM系统中采用变编码技术，即根据60GHz 毫米波OFDM信号在ROF系统中受到的频率选择性衰减效应而导致的子载波性能差异，选择不同编码效率的Turbo编码。由于Turbo编码的编码效率由删余速率决定，因此变编码技术只需要改变删余速率就可以实现不同速率的编码，因此变编码技术的硬件实现比较简单，不需要增加额外消耗。通过性能对比分析可以发现，在相同长度的冗余度情况下，变编码技术性能相比于固定编码性能更优，能够有效提高60GHz ROF-OFDM系统接收灵敏度。

1 理论分析

图1 60GHz ROF-OFDM 系统结构框图Fig1 Principle of 60GHz ROF-OFDM system

图1为基于四倍频技术的ROF-OFDM系统结构框图。在不考虑光脉冲线宽的情况下，从激光源输出的连续光波可以表示为：其中为幅度，为角频率。经过双臂马赫增德尔调制器进行四倍频调制，产生双边带毫米波信号，并经过交叉复用器滤除中心载波后，输出信号表达式为：

我们将产生的光毫米波通过第二个用于数据调制的强度调制器进行数据调制。基带电OFDM信号可以表示为：

在接收端，通过平方率光电探测器将光毫米波信号转变为电毫米波信号，得到的电流信号可以表示为：

将式（4）与式（5）进行合并，并对在频率为的模传输常数 通过泰勒展开，可以得到：

由公式（7）中可以看到，在用户端接收到的OFDM信号子载波的幅度变化由FF因子

决定。即，传输OFDM信号的带宽，传输距离都直接影响着接收信号的子载波幅值变化。图2表示60GHz 毫米波OFDM信号在传输距离为20km时，传输带宽分别为1.4GHz，2GH与2.7GHz时，FF效应对子载波幅度的影响及对应的误码分布比率。图3则表示在60GHz 毫米波OFDM信号在相同的传输带宽为2GHz，传输距离分别为10km，20km以及30km时的FF效应对子载波幅度影响以及对应的误码分布比率。从图2与图3中的误码分布图可以看出，在60GHz ROF-OFDM系统中，OFDM信号子载波的频率越高，幅度衰减越大，误码越多。同时，随着传输带宽的增加与传输距离的增长，高频子载波的幅度衰减更加严重，衰减范围也逐渐扩大，误码分布范围也逐渐扩大，系统性能急剧恶化。

图2 传输距离为20km时不同传输带宽的FF效应与误码分布曲线Fig2 FF effects and BER distribution curves of 60GHz MMW-OFDM signal with different bandwidth in the case of 20km SSMF transmission

图3 传输带宽为2GHz时不同传输距离的FF效应与误码分布曲线Fig.3 FF effects and BER distribution curves of 60GHz MMW-OFDM signal with different transmission length in the case of 2GHz bandwidth

2 变编码技术原理

图4 变编码技术结构图Fig.4 Principle of Adaptive coding technique(ACT)

图4为变编码技术与OFDM子载波性能的原理结构图。图4（a）与（b）显示了FF对OFDM子载波幅度衰减的影响，高频区域的子载波幅度衰减相比于其他区域更严重。（b）则说明误码在子载波的分布情况。从上节理论分析可以得知，当给定传输距离与信号带宽时，就可以确定哪些区域的子载波更容易受到来自FF的干扰，在这些区域势必会存在高误码率，其他的子载波的误码分布则相对要小。这样就造成一个误码分布不均的现象。为了改善系统性能，我们提出使用变编码技术。在变编码技术中，我们在高频子载波区域，使用解码性能更好的编码，而由于高性能解码往往伴随着高冗余度，增加了系统的开销。因此，为了提高系统整体容量，在低频子载波区域则使用编码效率高的编码结构。从而均衡误码分布，使系统性能得到最大的优化与改善。

图4(c)为Turbo编码器结构图。 Turbo编码采用的是并行编码方式，在本文中，两个递归系统卷积（Recursive Systematic Convolutional,RSC）编码器的生成多项式为 ，其中，1011为反馈多项式，1101为前馈多项式。两个RSC编码器中，其中一个RSC对输入的原始比特序列进行编码，另一个RSC则对经过伪随机交织器之后的比特序列进行编码。经过两个编码器之后的得到四个比特序列，其中两个为校验比特序列。虽然增加冗余度可以增加编码纠错能力，提高系统传输的可靠性，但长的校验序列在一定程度上增加的系统损耗。删余器的作用就是通过对校验比特按照一定的速率进行删余，从而改变Turbo编码的编码效率。当需要1/2编码效率的Turbo编码时，删余器就需要对每个RSC编码器出来的校验序列删余一半，因此改变删余速率就可以获得不同编码效率的Turbo编码，硬件实现较为简单。将经过删余之后的校验比特序列与原始数据比特进行合并就获得Turbo编码序列。一般而言，低编码效率意味着低冗余度，在解码过程中，系统的纠错能力就会降低。常用的Turbo编码效率有两种，2/3和1/2。在变编码技术中，由于高频区域子载波受到频率选择性衰落的影响，更容易产生误码，因此在该区域使用1/2编码效率的Turbo编码；其他的子载波受到的传输损伤相对而言要比高频区域子载波小，因而使用编码效率更大的2/3Turbo编码。

3 仿真系统与结果分析

60GHz ROF-OFDM系统仿真平台基本框图如图4所示.激光器产生波长为1552.52nm，光功率为10dBm,线宽10MHZ的连续光脉冲信号，与15GHz射频信号一起驱动双臂马赫增德尔调制进行四倍频调制，产生0.4dBm,60GHz光毫米波信号,如图5(a)所示。通过一个带宽为20GHz高斯光滤波器滤除中心载波，产生60GHz双边带光毫米波信号经过光纤放大器进行光放大进入一个强度调制器，调制由MATLAB产生的电OFDM信号，产生60GHz MMWOFDM信号。将 MMW-OFDM信号放大至0dBm之后进入光纤进行传输。本文中，在任何OFDM信号情况下，进入光纤的功率都设置为0dBm。经过20km损耗系数为0.2dB/km,色散系数为16.75ps/(nm·km)的标准单模光纤传输之后，在接收端，通过一个80GHz的矩形滤波器滤除高阶边带噪声，光谱图如图5（d）所示。随后通过一个光放大器将接收60GHz WWM-OFDM信号放大至0dBm,进入光电二极管转变为电毫米波信号，电谱图如图5（e）所示。与入纤功率设置一样，进入PD之前的信号都设置为0dBm，在进行不同光信噪比的分析时，则在放大器之后加上衰减器，再接光电二极管。PD输出的电毫米波信号之中含有60GHz的高频电毫米波OFDM信号，因此需要进行下变频处理。将频率为60GHz，Vp-p=1V的本振射频信号与电毫米波信号进行混频之后通过一个6GHz高斯电低通滤波器得到所需要的基带OFDM信号之后，通过MATLAB对该信号进行相应的线下信号处理。

图5 ROF-OFDM 系统仿真平台框图Fig.5 Simulation platform for 60GHz ROF-OFDM

在本文中，我们将采用两种OFDM信号进行验证，一种为采用固定编码效率的Turbo编码OFDM信号，另一种则为采用变编码的OFDM信号。固定编码效率的Turbo码与不同比率的编码见表格1。采用固定编码效率则是指在所有的OFDM子载波中加载的数据信息都经过同一个编码器进行编码。在变编码技术中，我们采用两种编码效率，0.5编码效率Turbo编码的和0.67编码效率的Turbo编码。定义变编码比率为采用0.5编码效率子载波数与总子载波数的比值。则在变编码比率为1/4的变编码技术中，在OFDM信号的前25%高频子载波中采用0.5编码效率的Turbo编码，另外75% 子载波采用0.67编码效率的Turbo编码。那么，1/4变编码的实际编码效率则为：25%×0.5+75%×0.67=5/8。也就是说1/4变编码与固定编码效率为0.625Turbo编码具有相同的长度的冗余度。因此，其他两种比率的变编码，2/4与3/4变编码的实际编码效率分别为0.58和0.54，分别与固定编码效率为0.58和0.54的Turbo编码具有相同长度的冗余度。

表1 固定编码效率与变编码类型Tab.1 Type of fixed Turbo code and ACT

图6为经过20km光纤传输之后，采用不同比率变编码技术的60GHz 毫米波OFDM信号误码对比曲线图。固定编码效率为0.5的编码可以认为是4/4变编码，而固定编码效率为0.67的编码是0/4变编码，也就是没有使用变编码技术的OFDM信号。相比于0.67固定编码，采用变编码技术的OFDM信号在误码为10-3时，接收灵敏度提高2dB以上。并且随着变编码比率的增加，系统的接收灵敏度进一步提高。

图6 基于不同变编码比率的60GHz MMW-OFDM信号误码曲线图Fig.6 The measured BER curves of 60GHz MMW-OFDM signal encoded with different ACT coding efficiency

图7，图8与图9表示在相同长度的冗余度下，变编码OFDM信号与对应的固定编码效率的OFDM信号的误码曲线图。从这三张图可以看出，在相同长度的冗余度下，变编码技术要比固定编码技术的性能更能提高系统的传输可靠性。在误码为10e-3的时候，1/4变编码技术对系统的优化性能最佳，与0.625固定编码对比发现，其接收灵敏度提高1dB以上。

图7 1/4比率变编码技术与0.625固定编码效率误码对比Fig.7 Measured BER Curves of 1/4 ACT and fixed 0.625 turbo code

图8 2/4比率变编码技术与0.58固定编码效率误码对比Fig.8 Measured BER Curves of 2/4 ACT and fixed 0.58 turbo code

图9 3/4比率变编码技术与0.54固定编码效率误码对比Fig.9 Measured BER Curves of 3/4 ACT and fixed 0.54 turbo code

4 结论

本文对双边带60GHz ROF-OFDM系统进行了理论分析，在此基础上发现随着OFDM毫米波信号传输带宽的增加，传输距离的增强，OFDM信号中高频子载波区域受到了严重的频率选择性衰减效应的影响，导致接收端误码分布不均，系统性能恶化。因此，我们提出在ROF-OFDM系统中使用变编码技术，即根据OFDM信号中子载波性能差异采用不同的turbo编码效率，在高误码率的高频子载波区域，我们使用编码效率为0.5的Turbo编码，在其他的子载波区域则使用0.67编码效率的Turbo编码。我们对不同变编码比率的变编码技术进行了仿真对比分析，研究发现，相比于采用固定编码率0.67的OFDM信号，采用变编码技术的OFDM信号性能改善明显，系统接收灵敏度提高2dB以上。同时，通过对比发现，在相同长度冗余度的情况下，采用变编码的OFDM信号要比采用固定编码的OFDM信号接收灵敏度更高。一系列的研究发现表明，在60GHz ROF-OFDM系统中采用变编码技术能够有效的提高系统接收灵敏度，增强传输可靠性。同时，由于只需要通过改变Turbo编码结构中的删余速率就可以改变Turbo编码效率，因此，变编码技术的硬件实现比较简单，能够更好的实用化。

[1]Fang,W.J.,X.G.Huang,and G.Li,A full duplex radioover-fiber transmission of OFDM signals at 60GHz employing frequency quintupling optical up-conversion[J].Optics Communications,2013.294(0):118-122.

[2]Chia-Chien,W,Chun-Ting Lin,Ming-I Chao and Wen-Jr Jiang,Adaptively Modulated OFDM RoF Signals at 60 GHz Over Long-Reach 100-km Transmission Systems Employing Phase Noise Suppression [J].Photonics Technology Letters,2012.24(1):49-51.

[3]Wen-Jr,J.,Chun-Ting Lin,Anthony Ng'oma,Po-Tsung Shih,Jason(Jyehong) Chen,Michael Sauer,Frank Annunziata,and Sien Chi,Simple 14-Gb/s Short-Range Radio-Over-Fiber System Employing a Single-Electrode MZM for 60-GHz Wireless Applications [J].Journal of Lightwave Technology,2010.28(16):2238-2246.

[4]肖江南，陈林，余建军.基于LDPC-TCMOFDM 的60GHz 光载毫米波传输性能实验研究[J].光电子.激光,2012,(12),2333-2336.Xiao Jiang-nan,Chen Lin,Yu Jian-jun,Experiment study on 60GHz ROF millimeter wave transmission based on LDPC-TCM OFDM[J].Journal of Optoelectronics·Laser,2012,(12),2333-2336.(in Chinese)

[5]Elaine Wong,Next-Generation broadband access networks and technologies [J].Journal of Lightwave technology,2012 30(4):597-608

[6]William Shieh,OFDM for Flexible High-Speed Optical networks[J].Journal of Lightwave technology,2012 29(10):1560-1577

[7]Liang Chen,Brian Krongold and Jamie Evans,Performance analysis for optical OFDM transmission in short-range IM/ DD systems[J].Journal of Lightwave technology,2012 30(7):974-983

[8]陈虹先，李凡，肖江南，曹子峥，余建军，陈罗湘，陈林，基于压扩变换的直接检测O-OFDM系统的实验研究，光电子激光，2011,22（7）：1057-1060 Chen HongXian,Chen Lin,Yu Jianjun,Xiao Jiangnan,Cao Zizheng,Li Fan,Experimental Investigation for 60GHz Radio-Over-Fiber System Employing Orthogonal Frequency Division Multiplexing Format Based On Companding Transform[J].ACTA OPTICA SINICA,2011,22（7）：1057-1060.(in Chinese)

[9]袁燕，秦毅，孙军强.基于级联马赫曾德电光调制器的60GHz光载毫米波传输系统的研究[J].光电子.激光,2011,(11):1646-1649.Yuan Yan,Qin Yi,Sun Junqiang,Research on a 60GHz optical mm-wave over fiber sysem using two cascaded Mach-Zehnder modulators[J].Journal of Optoelectronics·Laser,2011,(11):1646 -1649.(in Chinese)

[10]Tang,Q.Lin Chen,Jiangnan Xiao,and Zizheng Cao,Experiment on 60-GHz MMW transmission performance in an optical fiber andwireless system [J].Chin.Opt.Lett.,2011.9(5):050601.

[11]Cao,Z,Zou L Lin Chen and Jianjun Yu,Impairment Mitigation for a 60GHz OFDM Radio-Over-Fiber System Through an Adaptive Modulation Technique [J].Optical Communications and Networking,IEEE/OSA Journal of,2011.3(9):758-766.

[12]Zizheng,Cao,Jianjun Yu,Hui Zhou,Wenpei Wang,Minmin Xia,Jing Wang,Qi Tang and Lin Chen,WDMRoF-PON Architecture for Flexible Wireless and Wire-Line Layout[J].Optical Communications and Networking,IEEE/OSA Journal of,2010.2(2):117-121.

[13]Cao,Z,Jianjun Yu,Qi Tang,Guanjun Zeng and Lin Chen,Long-reach 60-GHz radio-over-fiber system based on turbo-coded OFDM[J].Chinese Optics Letters,2010.8(11):1024-1027.

[14]Xin Wang,Jianjun Yu,Zizheng Cao J.Xiao and Lin Chen,SSBI mitigation at 60GHz OFDM-ROF system based on optimization of training sequence[J].Opt.Express,2011.19(9):8839-8846.

[15]Li,F Yu,Jianjun;Xiao,Jiangnan;Cao,Zizheng and Chen,Lin,Reduction of frequency fading and imperfect frequency response with pre-emphasis technique in OFDM-ROF systems[J].Optics Communications,2011.284(19):4699-4705

Research on 60GHz ROF-OFDM system based on adaptive code technique

TANG Qi
（School of Institute of information technology,Guangdong Shenzhen 518172,P.R.China）

In this paper, the adaptive code rate technique(ACT) is adopted and investigated in 60GHz ROF-OFDM system.Firstly,we have theoretically analyzed that the existence of frequency selective fading(FF) in the 60GHz ROF-OFDM system will cause an unbalanced bit error distribution and degrade the system performance.Then we propose to employ the adaptive code rate technique(ACT) in 60GHz ROF-OFDM to combat FF.Simulation results show that the receiver sensitivity of the 60GHz ROF-OFDM system employing ACT is improved significantly.And the results also shows that the signals employing ACT perfomance better performance compared with the signals employing fixed rate turbo code in the case of same length redundancy.

60GHz radio over fiber system(ROF);orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);turbo code;adaptive code technique(ACT);frequency selective fading(FF)

TN929.1

A

1672-6332（2015）03-0081-07

【责任编辑：高潮】

2015-09-20

唐琪（1988-），女（汉），湖南人，博士，主要研究方向为：光纤通信技术。E-mail:tangqi777@126.com