RoF系统中光DSB、SSB和OCS双二进制传输特性

王现彬 ，王 芳 ，杨 洁 ，张 晶

（1.石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035；2.山东省产品质量检验研究院 电器安全能效检验研究所，山东 济南 250100）

0 引言

光载无线通信（RoF）系统作为一种无线接入网实现方案，它将射频传输和光纤传输合二为一，通过光纤信道传输微波和毫米波信号，成为解决“最后一公里”的优选技术，同时也是无线局域网（WLAN）及未来5G移动网络的有力支撑，近年来备受研究者关注[1-5].RoF系统由中心站（CS）和居于远端的基站（BS）构成，在中心站处将射频（RF）信号调制到光信号上，成为光载毫米波信号，并通过低损耗的光纤介质传输到基站，在基站处经过光电转换后借助天线将RF信号发送到用户终端.光载毫米波实现技术主要包括直接调制、外部调制、光学外差调制等，其中基于马赫-曾德尔调制器（MZM）的外部调制技术以其性能稳定、实现简单而在文献中多有报道.Zhang等[6]提出了一种单驱动MZM实现光抑制载波（OCS）的RoF系统，其下行二进制开关键控（OOK）数据传输速率为3.5 Gbit/s.Aldhaibani等[7]分析了差分相移键控（DPSK）在基于吉比特无源光网络（GPON）的RoF系统中的传输性能，仿真结果表明该系统可以承载32和64路用户.Ashraf等[8]提出并仿真了一种64相正交振幅调制（64-QAM）全双工密集波分复用-RoF（DWDM-RoF）系统，仿真结果表明当信号在光纤中传输50 km后，每个下行信道和上行信道的误差矢量幅度（EVM）均小于前向纠错限定值.但在现有文献报道中，对于实现简单、频谱利用率高的光双二进制（OD）调制格式在RoF系统中性能分析很少.本研究结合MZM的外调制技术，提出了光双边带-OD（DSB-OD）、单边带-OD（SSB-OD）和OCS-OD等3种调制方案，并对比研究了3种方案的传输性能，其结果可为实际RoF系统设计提供相关参考.

1 系统结构

所提出的DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD等3种调制方案通过两级MZM级联实现：第1级MZM1实现OD，第2级MZM2通过设置相关参数分别实现SSB方案、DSB方案和OCS方案，如图1所示.在第1级MZM1中，PRSB代表待传数据，通过异或门和延时D（1 bit延时）实现预编码：bk=dk⊕bk-1，随后将其通过非归零码（NRZ）发生器变成电非归零码，最后通过延时τ（1/比特率）和相加单元变成电双二进制信号.该电双二进制信号加载到第1级MZM1的双臂上，最终实现基于RoF的OD信号.其中光源中心频率为193.1 THz，光源线宽忽略不计；MZM1消光比为50 dB，插入损耗为0 dB.

图1 基于RoF的OD产生结构图

本振信号（由正弦波发生器产生）反相加载到第2级MZM2的双臂，假定进入第2级MZM的光信号为：

式中A（t）为OD信号，ωc为光载波角频率.则MZM2输出信号E（t）为：

式中ωm为本振信号角频率，V1、V2分别为MZM2上下臂的射频偏置电压，VD1、VD2分别为上下臂的直流偏置电压，Vπ为半波电压，α为MZM2的衰减系数，θ为上下臂射频信号相位差.在分析时一般令VD1=0，两臂间的相对直流偏压为VD=VD2-VD1=VD2，令β=πVD/Vπ，代表由于直流偏置电压所引起的相位偏转，而λ=πVm1(2)/Vπ，代表MZM2的调制深度.

通过设置β、λ及相位差θ的值，结合第1级MZM1，可以分别实现DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD，具体如下：当 β=2π、θ=0 时，可以实现 DSB-OD；设定 θ=π/2，λ=0.5，可以实现 SSB-OD；若 θ=π，λ=1，则可以实现OCS-OD.

图2给出了DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD等3种调制方案的频谱图，在理论分析时，只考虑一阶边带载波和主载波，这主要是因为当λ较小时，高阶边带都可以忽略不计.从图2（a）可以看出，主载波位于193.1 THz处，两个一阶边带载波与主载波的频差为40 GHz.在图2（b）中，消除了193.12 THz处的一阶边带载波，形成了单边带形式，主载波与193.06 THz处一阶边带载波频差也为40 GHz.在图2（c）中，193.1 THz处的主载波被抑制，只留下两个频差也为40 GHz的一阶边带载波，从而形成了OCS-OD格式.

2 结果分析

根据图1所示结构进行了系统性能仿真.在仿真时，除了前述相关参数外，其他参数设置如下：数据传输速率为 2.5 Gbit/s，随机序列长度为 1 024 bit，每 bit抽样 64点；光纤色散系数为 16.75 ps·nm-1·km-1，差分群时延为0.2 ps/km，有效纤芯面积为80μm2，折射指数n2设为2.6×10-20m2/W；PIN光电二极管响应度为1 A/W，暗电流为10 nA.通过频谱仪、误码率（BER）分析仪、光功率计等设备分析相关系统性能.

图3为DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD等3种调制方案的系统Q值随光纤传输距离的变化曲线，3种方案下的入纤光功率统一设定为-5.24 dBm.从图3可以看出，随着传输距离的增大，3种调制方案的系统Q值都在降低.当光纤长度从10 km增大到70 km时，DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD调制方案的系统Q值分别从190，121和136降低到1.8，2.2和2.4.在光纤长度从10 km增大到29 km过程中，OCS-OD系统Q值一直处于最优，DSB-OD次之，而SSB-OD性能最差.这主要是因为当传输距离较短时，光纤损耗小，光功率较大，非线性效应明显，而OCS-OD频谱中两个一阶边带等分光功率，功率分布均匀，与另外两种调制方案相比抗非线性效应较好，故OCS-OD性能最好.

图 2 （a）DSB-OD、（b）SSB-OD 和（c）OCS-OD 调制方案的频谱图

当光纤长度超过29 km后，OCS-OD的系统Q值开始低于DSB-OD；而当光纤长度超过36 km后，OCSOD的系统性能变为最差，此时DSB-OD调制方案的系统Q值最高，SSB-OD性能居中，而这种Q值分布形态主要与色散有关.随着传输距离的增大，色散影响开始加剧，色散会导致脉冲展开，进而引起符号间干扰（ISI），导致误码率升高，系统Q值降低.由于DSB-OD频谱最宽（图2），与另外两种调制方案相比其时域最窄，对色散有较高的容忍度，故随着传输距离的增大，DSBOD的系统性能最好.当Q=6时（不考虑前向纠错时光纤通信系统所能承受的最小Q值，其对应的误码率为 10-9），DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD调制方案的传输距离分别为 56，54，50.1 km.

图4为传输30 km时DSB-OD、SSBOD和OCS-OD调制方案的基带信号眼图，其中各个插图为对应的PIN光电二极管输出端的射频信号眼图.从图4可以看出，当传输距离达到30 km时，DSB-OD的系统Q值为31.5，而OCS-OD的系统Q值为30.3，表明DSB-OD系统传输性能开始好于OCS-OD系统.SSB-OD的系统Q值为26.3，远高于6，仍可用于光通信.

图3 3种调制方案的系统Q值与传输距离的关系

图4 （a）DSB-OD、（b）SSB-OD和（c）OCS-OD调制方案传输30 km时系统眼图

图5 入纤光功率与系统Q值的对应关系

图6 背靠背传输时DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD调制方案的误码率与接收机光功率对应关系

图5 给出了传输距离为 50 km 时 ，DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD调制方案的系统Q值随入纤光功率变化曲线.从图5可以看出，在入纤光功率整个增大的过程中，DSB-OD调制方案的系统Q值始终最大，约为8.8，且随着入纤光功率的增大，Q值从8.8升高到了9.4.系统Q值升高的原因可以做如下解释：随着入纤光功率的增大，系统信噪比增大，故系统Q值上升.而SSBOD和OCS-OD在入纤光功率的整个增大过程中，系统Q值几乎保持在8和6.3不变.系统Q值保持不变可以分析如下：随着入纤光功率增大，系统信噪比开始升高，但入纤光功率增大的同时系统非线性效应影响加大，抵消了信噪比升高的正面作用，最终导致系统Q值不随入纤光功率变化.这也进一步表明DSB-OD调制方案与另外两种调制方案相比具有更好的抗非线性效应能力.

图 6为 DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD调制方案各自背靠背传输时接收机光功率与对应的误码率关系曲线，在图6中还给出了误码率为10-9时3种调制方案各自对应的基带信号眼图.从图6可以看出，当误码率为10-9时，DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD各自的接收机光功率分别为-29.3，-35.1，-32.5 dBm.SSB-OD和OCS-OD的灵敏度相差2.6 dB，而OCS-OD比DSB-OD的灵敏度高3.2 dB.由此可见，SSB-OD调制方案的灵敏度最高.

3 结论

提出并理论分析了DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD调制方案，同时对DSB-OD、SSB-OD和OCS-OD在RoF系统中的传输性能进行了仿真.结果表明：1）当传输距离小于30 km时，OCS-OD系统传输性能最好；当传输距离超过36 km后，DSB-OD调制方案的传输特性最优，故DSB-OD更适于长距离RoF系统传输.2）从抗非线性方面分析，DSB-OD调制方案最佳，OCS-OD调制方案的传输性能最差.3）在接收机灵敏度方面，SSB-OD调制方案表现最好.

综合来看，在较长距离的RoF系统中，更适于采用DSB-OD调制方案.