基于 MQAM 和 OFDM 调制的直调 RoF 系统的.doc

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1、精品论文推荐基于 MQAM 和 OFDM 调制的直调 RoF 系统的色散研究1朱欣，张民，张治国，邢妍 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) E-mail: zhuxinbupt摘要：直接调制光载无线电系统（直调 RoF 系统）中激光器的 P-I 曲线非线性失真将加剧光纤的色散效应，因此有必要采取色散补偿技术来提高系统性能。本文分析并比较了基于16QAM 和 16QAM-OFDM 调制方式的直调 RoF 系统的传输特性，特别是由激光器非线性失 真导致的色散加剧及其补偿问题，并对色散补偿光纤的补偿方案进行了仿真分析。结果表明， 采用 OFDM 技术的直调 RoF

2、系统具有抗光纤色散的特性，系统性能较采用 QAM 的直调 RoF 系统有所改善；1310nm 波段处，直调 RoF 系统无需进行色散补偿，1552nm 波段时系统性 能较差，在采取负色散光纤补偿措施后性能有所改善。 关键词：光载无线电（RoF）；直接调制；频率啁啾；色散补偿光纤（DCF） 中图分类号：TN929.111. 引言光载无线电（RoF）是一种利用光纤链路传输微波信号的技术。RoF技术支持多种无线 通信方式的接入，将无线通信技术与光纤通信技术结合起来，可充分发挥无线通信的灵活性 和光纤通信的宽带和抗干扰性的优势，近年来正成为人们关注的热点1,2。然而利用光纤传 输高频信号时出现的许多问

3、题，如光纤色散、激光器非线性带来的失真等，将会直接影响 RoF系统的传输带宽和传输距离。为了满足用户对网络宽带及速度的需求，多进制正交幅度调制（MQAM）及正频分复 用（OFDM）成为无线通信系统的主流调制方式，而基于这两种调制方式的RoF系统也将成 为下一代通信技术发展的方向。目前大量文章针对RoF在现有及未来通信系统中的发展及存 在的关键问题进行了研究，这些RoF系统均采用高性能的外调制方式、单边带（SSB）或抑制光载波(OCS)调制技术，有效抑制光纤色散对系统性能的影响，适用于长距离骨干网传输3,4。但是随着无线与有线的融合越来越迫切，短距离接入成为RoF的发展趋势。在短距离接 入范围内

4、，采用双边带(DSB)和直接调制方式可降低系统实现复杂度和成本，但这势必引入 了激光器的频率啁啾等非线性效应，影响系统的整体性能。针对以上RoF系统的研究现状及存在问题，本文研究了基于MQAM和OFDM调制方式的 射频模拟信号在直调RoF系统中的传输性能。直接调制与外调制相比可大大降低系统成本， 但同时引入了激光器非线性等影响，加剧了光纤色散对系统的影响，对此本文主要研究并对 比了负色散补偿光纤对采用不同射频信号系统的补偿效果。2. RoF 系统组成及色散补偿原理RoF系统的基本实现策略是，将数字基带信号用射频副载波RF (Radio Frequency)调制， 然后用光链路传输，在接收端恢复

5、射频信号。图1所示为应用于无线接入网中的直调RoF系 统实现框图。1本课题得到国家自然科学（60507007）、教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-06-0094）、高等学校 学科创新引智计划资助(B07005)和长江学者和创新团队发展计划（IRT0609）的资助。- 6 -图 1 直调 RoF 系统实现框图2.1 基于 MQAM 和 OFDM 调制方式的 RoF 系统组成多种无线射频信号在RoF系统中传输时，二进制随机序列的产生、高频副载波调制、光 链路传输等过程都相同，只是二进制比特流采用的调制解调方式不同。图2所示是基于 MQAM和OFDM调制方式的直调RoF系统实现框图。图 2 采

6、用 MQAM 及 OFDM 调制方式的直调 RoF 系统框图2.2 射频信号的色散补偿RoF系统光链路部分主要由光发射机、光纤和光接收机组成。其中光发射机根据具体情 况可以采用直接调制与外调制两种方式。本文考虑到短距离传输（1020km），故采用实现 简单且费用较低的直接调制方式，该方式将会引入激光器的P-I曲线非线形失真效应，进而 加剧光纤的色散影响，降低系统性能5，因此有必要采取一定的补偿技术抵消光纤色散效应。目前比较常用的色散补偿技术有：负色散光纤补偿（DCF）、预啁啾技术和啁啾光纤光 栅补偿6。预啁啾补偿技术适用于外调制的系统中；虽然啁啾光纤光栅的体积小、补偿效率 高，但对温度敏感、补

7、偿带宽较窄，而且需要价格比较高的环行器；而负色散补偿光纤是目 前比较常用的一种方案，技术比较成熟，铺设简单易行，带宽足够大。分析以上三种补偿技 术及接入范围内的RoF系统低成本、低性能的特点，本文采用DCF技术补偿光纤色散。针对DCF补偿，有普通单模光纤接入侧补偿、接收侧补偿及混合补偿三种方案，其中混 合补偿优于接入侧和接收侧补偿；而接入侧补偿更容易引起光纤的非线性，导致光脉冲严重 展宽，使系统性能恶化，补偿效果较接收侧补偿差7。对于短距离RoF系统，混合补偿方案 不利于安装维护，因此宜采用普通单模光纤接收侧补偿方案。负色散光纤补偿技术可由脉冲传输方程进行推导：Ai2 Ai3 A+z2 2t

8、2= 06 3 t 3(1)32式中A是输出脉冲包络的幅度，三阶色散效应包括在 项中。实际上，当 3时， 项而可以忽略不计，此时输出脉冲包络的幅度 1 ps2/ kmiA( z, t ) = 1 A% (0, ) exp(2 z 2 it )d(2)2 2式（2 ）中 ， A% (0, ) 是 A(0, t ) 的 傅立叶 变换 。色散 使信 号展宽 ，是 由相位 系数2exp(i z 2/ 2) 引起的，它使光脉冲经光纤传输时产生了新的频谱成分8。色散补偿方案就是试图取消该相位系数，以便恢复原来的输入信号。 由于是短距离传输，入射到光纤的平均光功率足够低，光纤的非线性效应可以忽略，此时最简单

9、的方式是在具有正色散值的标准单模光纤之后接入一段在该波长下具有负色散特性的色散补偿光纤。此时色散补偿条件为 L + L = 0 ，因为 D= (2 c / 2 ) ，所以色散补偿条件变为：21 1 22 2D1L1 + D2 L2 = 0j2 j(3)式(3)满足时，光纤输出脉冲形状被恢复到它输入的形状。色散补偿光纤的长度应满足L2 = (D1 / D2 )L1 。从实际考虑， L2 应该尽可能短，所以它的色散值 D2 应尽可能大。3. 仿真模型根据 图 2 所 示 系 统框图， 本文 在 OptiSystem 仿真平 台上 搭建 了 基 于 16QAM 和16QAM-OFDM调制方式的直调R

10、oF试验仿真系统，并结合Malab的强大计算功能得出系统误 码率和映射星座图。2141图 3 直调 RoF 系统仿真图图3所示为采用16QAM及16QAM-OFDM调制方式的直调RoF系统，(a) (b)分别是由 Matlab代码编写的16QAM-OFDM调制和解调模块。由(a) (b) 分别取代图中(a) (b)模块，是 实现16QAM-OFDM调制方式的直调RoF系统。仿真模型的发送部分，原始数据流采用长度为214 1码率为1.25Gbps的二进制伪随机序列；数据编码分别采用16QAM、16QAM-OFDM（256子载波）；射频载波频率取1.25GHz；光源采用分布反馈式激光器（DFB），

11、上行（下行）波长为1310（1552）nm。光纤传输链路采用标准单模光纤（SSMF），上行（下行）方向SSMF的衰减常数a=0.3db/km（0.25db/km），色散常数D=3ps/nm/km（17ps/nm/km），忽略光纤非线性的影响。 根据公式（3），当光纤传输距离在520km之间变化时，为完全抵消普通单模光纤的色散累计，计算采用负色散光纤的情况如下表所示：表 1 下行方向为实现零色散，SSMF 与 DCF 的对应参考长度SSFM 长度/km57.51012.51517.520DCF长度/km01.62.12.73.23.74.3表1中DCF长度是在强度调制-直接检测(IM-DD)情况

12、下计算得到的，而直调RoF系统中由RF信号调制激光器，因此表1中DCF长度为参考值，实际中要取得更长一些。 其中普通单模光纤的色散常数D=17ps/nm/km，负色散光纤的色散常数D=-80ps/nm/km， 对于接收部分，光传输信号被光探测器PD接收检测转换为微波信号，并进行I/Q相干解调。光探测器PD的灵敏度为1A/W，暗电流为10nA。4. 仿真结果及分析在没有加入负色散补偿光纤的情况下，分别运行采用16QAM和16QAM-OFDM调制方式 的系统仿真模型，统计收发端的二进制比特流。计算得到520km传输距离内，上行方向（1310nm ）16QAM_RoF 和16QAM-OFDM_RoF

13、 两组仿真误码个数均为0 ，而下行方向(1552nm)误码率和星座图较1310nm时差，如图4所示。图4 RoF系统误码率曲线及星座图由图4可以看出，下行方向即1552nm波段处，由于光纤色散常数大，色散累积较大。在 直接调制引入频率啁啾的作用下，系统误码率和星座映射随着传输距离的增加急剧恶化，需 要采取补偿措施改善系统性能。而上行方向即1310nm处，由于光纤色散系数较小，引入的 色散影响不大，虽然激光器同样引入了频率啁啾，但对系统整体性能的影响较下行方向小很 多，符合光纤传输系统的性能指标，不需要采用色散补偿技术。基带信号经OFDM调制过程的串并变换降低了符号速率，增大了符号周期。在光纤传

14、输过程中，虽然光脉冲同样由于光纤色散的影响而展宽，但展宽量与脉冲符号周期的比值减小，即展宽程度变小，因此符号间串扰减小，达到抑制光纤色散的作用，因此采用OFDM编码方 式的RoF系统较采用16QAM调制方式系统的传输性能有所改善。由图4可以看出，相同传输 距离时16QAM-OFDM_RoF系统的误码率较16QAM_RoF系统的低，星座映射也更收敛。根据表1中数据，在普通光纤后加入对应长度的负色散光纤补偿后，仿真下行方向（1552nm）的仿真模型，统计得到两种调制方式下系统误码率都为0，可见负色散光纤补偿 后，系统性能有了很大的改善。图5为采用了16QAM-OFDM调制的系统在传输距离为15km

15、时，DCF补偿前后星座映射 图。可以看出，补偿前由于色散的影响导致脉冲展宽，星座图发散使系统出现误码。采用 DCF补偿后，星座发散得到很好的抑制，所有星座点都落在了判决区域内，误码率为0。5. 结论(a)(b) 图 5 补偿前后直调 16QAM-RoF 系统星座图比较 (a) 补偿后星座图 (b) 补偿前星座图短距离RoF系统中采用直接调制以节约成本，但直接调制引入的频率啁啾加剧了光纤色 散的影响，导致系统性能下降。上行方向由于色散常数小，系统性能符合光纤通信系统指标， 无需进行色散补偿。下行方向色散效应较大，系统性能随着传输距离的增加而急剧下降，表 现为误码率增大，星座图发散，为此采用负色散

16、光纤进行补偿。仿真结果表明，采用负色散 光纤补偿技术后，系统误码率和星座图得到了改善，满足光纤传输系统的性能指标。另外， 不同调制方式下直调RoF系统性能也存在差异，采用OFDM技术的直调RoF系统由于具有抑 制色散效应的作用，系统误码率、星座映射较采用16QAM调制的直调RoF系统有所改善。参考文献1 Hamed Al-Raweshidy, Shozo Komaki. Radio over fiber technologies for mobile communications networks J. Norwood: Artech house, 20022 D.Wake. Radio ov

17、er fiber for mobile communicationsJ. Microwave Photonics 2004, IEEE-MWP04, 2004,A-13 Zhensheng Jia, Jianjun Yu, Georgios Ellinas, Gee-Kung Chang. Key Enabling Technologies for Optical- Wireless Networks: Optical Millimeter-Wave Generation, Wavelength Reuse, and ArchitectureJ. Journal of Lightwave Te

18、chnology, VOL.25, NO.11, November 20074 Jianjun Yu, Junqing Hu, Dayou Qian. Transmission of microwave-photonics generated 16Gbit/s super broadband OFDM signals in radio-over-fiber systemA. OFC/NFOEC 20085 赵同刚，吴永刚. 线宽增长因子对光纤色散传输系统的影响J. 光通信研究, 2004(02)6 顾畹仪，李国瑞等. 光纤通信系统M. 北京: 北京邮电大学出版社, 2003: 157-160

19、ISBN7-5635-0387-0,20037 王琛，饶敏，唐勇. 色散补偿光纤传输系统补偿方案的研究与讨论J. 应用科学学报, Vol.21, NO.2 June20038 GOVIND P. AGRAWAL. Nonlinear Fiber OpticsM. The Institute of Optics University of RochesterStudy on Dispersion of Directly Modulated RoF SystemsBased M-ary QAM and OFDMZhu Xin, Zhang Min, Zhang Zhiguo, Xing YanKe

20、y Laboratory of Optical Communication and Lightwave Technologies Ministry of Education, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)AbstractIn short distance RoF systems with directly modulated DFBs, laser nonlinear distortion may enhancechromatic dispersion, thus its necessa

21、ry to compensate for it. In this paper, we analyzes the transmission performance of RoF systems based on M-ary QAM and OFDM considering the impact of the deteriorated chromatic dispersion caused by laser nonlinearity . Then an experimental simulation of RoF system was presented to verify the analysi

22、s, and a DCF is used to compensate for the chromatic dispersion. The simulation result shows that RoF systems with OFDM technology perform better than that with QAM format; For Directly modulated RoF systems at 1552nm, dispersion compensation fiber is needed to improve systems performance.Keywords: Radio over Fiber (RoF); Direct Modulation; Frequency Chirp; Dispersion CompensationFiber（DCF）作者简介：朱欣，女，1983 年生，硕士研究生，主要研究方向为宽带接入与网络融合。