应用于接入网段的低成本OFDM射频信号光传输系统的研究.doc

应用于接入网段的低成本 O FDM 射频信号光传输系统的研究欣 1 ,张民 1 , 王东昱 2朱( 1. 北京邮电大学 光通信与光波技术教育部重点实验室 ,北京100876;2. 北方工业大学 ,北京100041 )摘 要 :应用于接入网段的 O FDM 射频信号光传输系统宜采用直接调制降低成本和技术复杂度 ,但射频信号直接调制方式对激光器性能和光纤色散提出更大的挑战。研究了 O FDM 射频信号直 接调制的光传输系统 (O FDM 直调 RoF系统 )的传输特性 ,定量分析了直接调制激光器性能 、光纤 色散 、载波频率及 O FDM 子载波数等关键参数对 O FDM 直调 RoF 系统性能的影响 , 提出了对O FDM 直调 RoF系统设计及关键参数设置的建议 ,研究结果对低成本和低技术复杂度的 RoF接入 网设计有参考价值和指导意义。关键词 :射频光传输 ( RoF) ; 正交频分复用 (O FDM ) ; 直接调制 ; 频率啁啾 ; 光纤色散中图分类号 : TN929. 11文献标识码 : A文章编号 : 1673 25692 ( 2009 ) 04 2368 204Study on Performance of L ow Co st O FDM 2RoF Sy stem s inAccess Ne tworksZHU X in1 , ZHAN G M in1 , WAN G Dong2yu2( 1. Key L abo ra to ry of Op tica l Comm un ica tion and L igh twave Techno logie s M in istry of Educa tion, B e ijing U n ive rsity of Po sts and Te lecomm un ica tion s, B e ijing 100876 , Ch ina;2. No rth Ch ina U n ive rsity of Techno logy, B e ijing 100041, Ch ina)A b stra c t: In acce ss ne two rk s, d irec t modu la tion can be u sed in O FDM 2RoF system s to reduce the co st.Howeve r, tha t the rad io frequency signa l d irec tly modu la te s the sem iconduc to r m ake s the system mo re sen sitive to la se rs p rop e rty and ch rom a tic d isp e rsion of op tica l link s. Th is p ap e r stud ie s on p rop aga tion p rop e rtie s of d irec tly modu la ted O FDM 2RoF system s. Key p a ram e te rs such a s p rop e rtie s of the d irec tlymodu la ted la se r, ch rom a tic d isp e rsion, ca rrie r frequency and O FDM size a re quan tita tive ly ana lyzed, and sugge stion s on system de sign and se tup of key p a ram e te rs a re p ropo sed. The re su lts a re he lp fu l fo r the de2 sign and p e rfo rm ance ana lysis of low 2co st and low 2comp lexity RoF in acce ss ne two rk s.Key word s: R ad io2ove r2F ibe r ( RoF ) ; O rthogona l F requency D ivision M u ltip lexing ( O FDM ) ; d irec tmodu la tion; frequency ch irp; ch rom a tic d isp e rsion站之间的传输链路 ,直接利用光载波来传输射频信0 引言号 ,近年来成为人们关注的热点 13 。另一方面 ,正交频分复用 (O FDM )因具有高频谱利用率和高抗多应用于接入网的射频光传输 ( RoF)技术将光纤通信和无线通信结合起来 ,以光纤作为基站与中心径衰落特性成为宽带无线通信的主流调制技术 4 。收稿日期 : 2009 206216修订日期 : 2009207 212基金项目 :国家 863计划项目 ( 2009AA01z255、2007AA01Z243 ) ;教育部新世纪优秀人才支持计划 (NCET20620094 ) ;北京市科技新星计划 ( 2007A048) ;高等学校学科创新引智计划 (B07005) ;长江学者和创新团队发展计划 ( IR T0609)ICT专题因此将 O FDM 应用于 RoF 系统对无线和有线融合的接入网技术研究具有重要意义 5 , 6 。目前 ,已有文章研究了长距离 O FDM 射频信号 光传输系统的性能 ,这些研究大都针对骨干链路的 长距离传输 ,采用外调制和光相干检测技术 ,因此传 输距离可以达到几百千米 79 。但是接入网对成本 十分敏感 ,不宜采用昂贵的外调制方式 ,因此可以采 用直接调制技术来减小技术复杂度和降低系统成 本 9 。目前对接入网段的短距离 RoF 系统的研究 很少 ,本文研究了基于直接调制 O FDM 射频信号光 传输系统的性能 ,定量分析了直接调制激光器产生 的频率啁啾和光纤群速度色散 、载波频率及 O FDM 子载波数对 O FDM 直调 RoF系统性能的影响 。是模拟射频信号 , 与传统的 IM 2DD 光纤链路相比 ,其系统对激光器的性能及光纤色散提出了更为苛刻 的要求。因此 , 直接调制 RoF 光传输系统中 , 激光 器的频率啁啾和光纤群速度色散将成为影响系统性 能的关键因素。2 O FDM 直调 RoF系统构成本论文采用了 O FDM 射频信号对 RoF 系统直接调制的方式 ,系统框图如图 2 所示。O FDM 调制 器模块接收二进制随机序列 ,经过串并变换、数据编 码、加循环前缀 、反离散傅里叶变换等过程后 ,输出 基带模拟信号 ,该信号经 I/Q 调制模块得到射频载波后直接调制激光器 。经一段光纤后光电检测器将 光链路传来的光信号变换为电信号 , I/Q 解调得到 基带 O FDM 信号 , 再经 O FDM 解调器 , 最终输出得 到二进制比特流 。其中 , I/Q 调制解调模块包括中 频到上变频 、下变频到中频的处理过程 , O FDM 解调器的处理过程与 O FDM 调制器相反。1 直接调制 RoF系统组成及性能分析应用于接入网的直接调制 RoF 光传输系统的 下行方向传输框图如图 1 所示 。中心局处基带信号 调制到射频后直接调制半导体激光器的驱动电流 , 通过驱动电流的变化来改变输出光波的功率 ,实现 光强度调制。中心局输出的光信号经过光纤传输到 达基站的光电检测器 ,检测得到的射频电信号直接 通过天线发射出去 。这样基站的功能得到弱化 ,频 率变换 、信号再生等都集中在了中心局处。图 1 直接调制 RoF下行方向系统框图图 2 O FDM 直调 RoF系统构成示意图由于传输距离相对较短 ,激光器的光功率较低 ,因此接入网段的 RoF光传输系统中 ,受激拉曼散射( SR S) 、受激布里渊散射 ( SB S) 、自相位调制 ( SPM )等非线性效应的影响可以忽略 。在强度调制 直接检测 ( IM 2DD ) 光通信系统 中 ,带有初始啁啾的高斯脉冲在传输了距离 z后 ,脉 冲展宽如下式 10 3 仿真模型搭建与结果分析针对低成本和直接调制 ,本文采用的 O FDM 直调 RoF系统实现方案如图 3 所示。整个系统由 O FDM 源、光发射端、标准单模光纤、光接收端及 O FDM 接收 端组成。实际系统中 ,要在光发射机的 D FB 激光器后 加入隔离器 ,消除反射光的影响 ,使系统工作稳定。221 / 2C2 z2 zT1=1 +( 1 )为定量地分析直接调制激光器性能、光纤色散 、22T0T0T0载波频率及 O FDM 子载波数等关键参数对 O FDM直调 RoF 系统性能的影响 ,我们建立了系统仿真分 析模型 ,对系统参数的设置见表 1。光发射机侧 ,强度调制激光器采用窄线宽高线性度的分布反馈式激光器 ( D FB ) 。综合考虑蜂窝 移动通信和卫星通信系统 GH z量级的通信频率及式中 , T0 、T1 分别为初始脉宽和传输 z距离后的脉冲宽度; C 是啁啾参数 ;2 是群速度色散 ( GVD )参数 。 根据公式 ( 1 ) ,直接调制激光器引发的频率啁啾和光纤的群速度色散共同作用将加剧脉冲的展宽 ,而 脉冲展宽将限制系统的传输距离和降低系统性能 。同样 ,在 RoF 光传输系统中 , 由于光载波上承载的增大逐渐出现误码。在 B ER 10 - 6的条件下 ,上行传输可达 25 km ,而下行只能达到 15 km。图中所示插 图为传输 25 km 时测得的星座图 ,可见上行方向的传 输性能对光纤色散更不敏感 ,星座点也更收敛。因此 ,在对 O FDM 直调 RoF系统进行设计和预算时 ,色散受限的传输距离预算一般应以下行方向 最大距离为准 ,并给出适当的冗余度。图 3 O FDM 直调 RoF系统的实现方案表 1 O FDM 直调 RoF系统的参数设置参数名称数值图 4 系统误码率与色散常数的关系速率序列长度 调制方式 子载波数 循环前缀 载波频率1 250 M b / s215 - 1 b its16QAM 2O FDM64、128、256、5121 /321. 0 3. 5 GH z1 310 nm (上行 )1 552 nm (下行 )0. 3 dB / km (上行 )0. 25 dB / km (下行 )3 p s / nm / km (上行 )17 p s / nm / km (下行 )10 nA1 A /W载波频率的改变也将影响系统性能 。下行方向 ,设定 O FDM 子载波数为 256 ,为适应现有蜂窝移 动和卫星通信系统的通信频率典型值 , O FDM 直调 RoF系统载波频率取值范围设为 1. 0 3. 5 GHz。射 频载波频率分别取 2. 0 GHz和 3. 5 GH z时 , O FDM 直 调 RoF系统的误码性能如图 5 所示。随着载波频率 的增加 ,当接近激光器张弛振荡频率时 ,波形出现失 真 ,接收机在抽样判决时误码率增加 ,因此 2. 0 GH z 时误码率低于 3. 5 GH z时系统误码率。继续增加载 波频率 ,当超过直调激光器的张弛振荡频率时系统 误码性能将急剧下降 ,因此建议此类系统设计时 ,射 频载波频率应根据实际无线系统的射频要求和激光 器的张弛振荡频率适当选择。波长衰减系数色散常数暗电流PD 灵敏度激光器张弛振荡频率的限制 , 射频载波取1. 0 3. 5 GH z。上下行链路的光波长分别为 1 310 nm 和1 552 nm ,并对应设置衰减系数和色散常数 。由于 系统的传输距离相对较短 ,入射光功率较低 ,这里忽 略光纤 SR S、SB S、SPM 等非线性效应的影响 。因此 仿真系统主要受衰减和色散效应的影响。光纤色散使光脉冲展宽 ,导致相邻脉冲重叠产生码间干扰。随着传输距离的增加 ,色散逐渐累计 , 产生误码的概率增大。上行方向即 1 310 nm 波段 处 ,由于光链路的色散常数 ( 3 p s / nm / km ) 较下行1 552 nm处 ( 17 p s / nm / km ) 小很多 , 色散的影响较 小 ,码间干扰相对小 ,因此相同误码条件下传输距离更长。子载波数取 256 ,载波频率为 2. 0 GH z 时 ,上 下行方向随着传输距离的增加误码率的变化及星座 图情况如图 4 所示。在传输距离小于 10 km 范围 内 ,统计上下行方向误码个数均为零 ,但随着距离的图 5 系统误码率与载波频率的关系O FDM 直调 RoF 系统的误码性能还受到 O FDM子载波数的影响。论文比较分析了 64、128、256、512等多种子载波数情况下的系统性能 。结果表明 , O FDM 子载波数取值越大 ,系统受光纤色散影响 越小。下行方向载波频率为 2. 0 GH z, O FDM 子载波数取 256、512 时系统误码率变化情况如图 6 所示 。相同传输距离下 ,子载波数为 512 时系统误码率低 于子载波数 256时系统误码率 ,原因是 O FDM 将串 行数据变换为并行的多路子载波传输 ,相同输入情 况下子载波数越大 ,映射后符号周期越长 ,光纤色散使光脉冲展宽 ,而符号周期越大 ,相对展宽量越小 , 即受光纤色散的影响就越小。因此建议在此类系统 设计时 O FDM 子载波数应取得适当高一些但不可 过高 ,因为子载波数过高会提高系统复杂度 ,同时子 载波间隔减小使子载波间的正交性更敏感 ,进而易 引起子信道的串扰 。设计中 ,限于下行方向传输距离的限制 ,建议接入距离限定在 15 km 范围内。同时在信号速率一定时 , 可适当增加 O FDM 子载波数并减小射频载波频率 来提高系统性能。研究结果对低成本和低技术复杂度的 RoF 接入网设计具有指导意义 。参考文献 : 1 HAM ED A l2RAW ESH ID Y, SHO ZO KOMA K I. R ad io ove r F ibe r Techno logie s fo r Mob ile Comm un ica tion s N e two rk s M . No rwood: A rtech Hou se, 2002. 2 WA KE D , W EB STER M , W IM PENN Y G, e t a l. R ad io o2ve r F ibe r fo r Mob ile Comm un ica tion s C . M ic rowavePho ton ic s, 2004 , IEEE2MW P04, 2004 , A 21. 3 ZHAN G BO , LU Y IN GHUA , WAN G D EN GW E I, e t a l. A W ire le ss A cce ss A rch itec tu re B a sed on R ad io ove r F ibe r Techno logy fo r Te lem ed ic ine System C . Comp lex M ed i2 ca l Enginee ring, 2007. CM E 2007. IEEE / ICM E In te rna2 tiona l Confe rence, 2007: 3492352. 4 彭木根 , 王文博. 下一代宽带无线通信系统 O FDM &W iMAX M . 北京 :机械工业出版社 , 2007. 5 ZH EN SH EN G J IA , J IANJUN YU , DA YOU Q IAN. Exp e ri2 m en ta l D emon stra tion fo r D e live ring 12Gb / s O FDM Sig2 na ls ove r 802km SSM F in 40 GH z R ad io2ove r2F ive r A c2 ce ss System s C . O FC /N FO EC, 2008. 6 CHUN T IN G L IN , YUM IN L IN , JA SON CH EN , e t a l. 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A H a rcou rt Sc ience and Techno logy Comp a2ny, 2001: s. l. .图 6 系统误码率与 O FDM 子载波数的关系由以上仿真结果可见 , 激光器频率啁啾和光纤色散的共同作用是影响 O FDM 直调 RoF 系统性 能的关键因素 ; 与传统 IM 2DD 系统相比 ,射频光 传输系统对色散更敏感些 ,因而系统的传输距离受 到限制 ,下行方向传输距离一般明显比上行方向短 , 在色散受限的系统设计时应以下行方向为准 ;在接入 网段的 O FDM 直调 RoF 系统设计中 ,建议网络半径 限定在 15 km 范围内 ; 射频载波频率越高系统性 能越差 ,建议射频载波频率的选择要综合考虑无线系 统射频载波频率的典型值和激光器张弛振荡频率的限制 ; O FDM 子载波数也对系统产生一定的影响 , 随着 O FDM 子载波数的增加 ,系统误码性能有所提高 但系统实现复杂度和子信道间串扰也相应增加 ,因此 建议根据实际情况适当增加子载波数 ,但不可过高。4 结语论文定量分析了若干关键参数对 O FDM 直调RoF系统传输特性的影响。研究结果表明 : 激光器 频率啁啾和光纤色散的共同作用是影响直接调制 O FDM 射频信号光传输系统性能的关键因素 ; 射频 载波频率和 O FDM 子载波数也是影响系统性能的 因素。在应用于接入网段的 O FDM 直调 RoF 系统(下转第 384页 )频谱管理是一个比较特殊的行业 ,它是利用信息技术手段来管理因运用信息技术而使用的电磁频谱资 源。频谱管理的技术手段的发展是随着其管理对象 的发展而发展的 ,在未来 ICT技术整体进步发展的 大前提下 ,如何利用其先进的技术来管理其他技术将是一个有力的挑战 。文章从电磁频谱管理的技术 手段出发 ,针对其未来发展而对 ICT的需求进行简单 分析。具体的技术需求模型建立将是未来的工作。 7 KR ISHNAMUR TH Y V , MA SKER Y M , Y IN G. D ecen tra l2 ized A dap tive lte ring A lgo rithm s fo r Sen so r A c tiva tion in an U na ttended Ground Sen so r N e two rk: A Co rre la ted E2 qu ilib rium Gam e Theo re tic A na lysis J . IEEE Tran s. Sig2na l P roce ssing, 2008 , 56 ( 12) : 6 086 26 101. 8 HUAN G S, L IU X, D IN G Z. O n Op tim a l Sen sing andTran sm ission Stra tegie s fo r D ynam ic Sp ec trum A cce ss C . Po ste r Se ssion, th ird IEEE In te rna tiona l Sympo sium on D ynam ic Sp ec trum A cce ss N e two rk s, D ySPAN , 2008. STON E J , MAD IGAN E. Incon sistenc ie s and D isconnec ts: The Gap B e tween the Pe rcep tion and The R ea lity of the Techno logy Sk ills O f F irst2Yea r Co llege Studen ts R a ise s Q ue stion s abou t the Ro le of Sta t Cu rricu lum Standa rd s J . Comm un ica tion s of the ACM , 2007: 50 ( 4) , 76279. HUAN G J , KR ISHNAMUR TH Y V. Tran sm ission Con tro l in Cogn itive R ad io System s w ith L a tency Con stra in ts a s a Sw itch ing Con tro l D ynam ic Gam e C . 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Se lec ted Top ic s in Signa l P roce ssing, 2008 , 2 , ( 1 ) : 74 287.作者简介周世健 ( 1979 - ) ,男 ,安徽来安人 ,工程师 ,硕士 , 主要从事电磁频谱管理 、 信息安全 、军事通信体系等方面研究 , E2m a il: zhou sh ijian sohu. com;王 鹏 ( 1982 - ) ,男 ,安徽蒙城人 ,助理工程师 ,主要从事无线电监测 、系统集成等研究 ;刘贵龙 ( 1982 - ) ,男 ,安徽六安人 ,助理工程师 ,主要从事无线电监测 、电磁兼容等研究 ;(上接第 371页 )作者简介张 民 ( 1974 - ) ,男 ,山西太原人 ,副教授 ,主要从事光通信与宽带接入技术的研究 ;朱 欣 ( 1983 - ) , 女 , 山东泰安人 ,硕士 ,主要从事宽带接入与网络融合的研 究 , E2m a il: zhuxinbup t gm a il. com;王东昱 ( 1974 - ) , 男 , 山西太原人 , 主要从事通信与信息系统方向的研究 。