盧　嘉　陳　林　文雙春

摘要：針對光載無線通信(RoF)系統(tǒng)的傳輸限制因素，文章提出并實(shí)驗(yàn)證明兩種傳輸距離長性能高的RoF系統(tǒng)。一種是采用抑制奇數(shù)邊帶的基于外部調(diào)制的40 GHz的RoF“系統(tǒng)；另一種是采用載波抑制(OCS)的外部調(diào)制的40 GHz光正交頻分復(fù)用(OFDM)RoF系統(tǒng)。理論與實(shí)驗(yàn)證明這兩個系統(tǒng)不僅抗色散能力強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

關(guān)鍵詞：光載無線；光毫米波；正交頻分復(fù)用；載波抑制

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻多媒體通信的需求越來越大，這樣就需要更大的帶寬來傳輸更多的信息，來滿足人們的需求；此外，人們希望“不論何時，不論何地，不論何人”都可以使用網(wǎng)絡(luò)資源。綜合以上兩種需求，光纖無線電通信系統(tǒng)(RoF)應(yīng)運(yùn)而生。RoF可以將兩種優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種可以滿足多媒體通信需求的最佳通信方式。RoF系統(tǒng)通過合并無線電系統(tǒng)的各項(xiàng)功能于一個集中的數(shù)據(jù)收發(fā)器，讓所有的基站連接到這個功能集中的中心站，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。如果整個反饋網(wǎng)絡(luò)都用低成本的光纖來搭建，利用光纖傳輸特有的低損耗和高帶寬，那么整個系統(tǒng)的成本將大大降低。

目前，中國外有大量關(guān)于RoF系統(tǒng)的研究，國際上基于40 GHz光毫米波的RoF系統(tǒng)的研究已趨于成熟。但RoF基站和用戶端的連接(無線)只是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。受到光電器件的限制，40 GHz的毫米波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)上利用標(biāo)準(zhǔn)光纖傳輸可以傳輸40 km的距離?；?0 GHz光毫米波的RoF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究也不完善，關(guān)于60 GHz的毫米波系統(tǒng)的研究很少，做出60 GHz系統(tǒng)的只有日本，美國的少數(shù)幾個實(shí)驗(yàn)室。

RoF系統(tǒng)由于色散、非線性等因素的影響使得傳輸距離受到限制。本文將介紹影響RoF系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕蛩?，提出兩種增加系統(tǒng)傳輸距離的RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并分析其抵抗色散及非線性效應(yīng)的性能。

1抑制RoF系統(tǒng)傳輸?shù)囊蛩?/p>

ROF系統(tǒng)傳輸受限的主要原因有色散、光纖的非線性及串?dāng)_等因素。

(1)色散

在光通信中有多種形式的色散，最主要的有模間色散、偏振模色散(PMD)以及色散射。而模間色散一般發(fā)生在多模光纖中。本文這里只考慮單模光纖中的傳輸，而偏振模色散主要是由于光纖芯存在橢圓度，不同的偏振態(tài)會以不同的群速度傳播。目前光通信正向著高速率高容量方向發(fā)展，所以PMD色散對高速率的系統(tǒng)來說，是一種嚴(yán)重的影響。目前在考慮單模光纖中色散對系統(tǒng)的影響，也就是色散射。它的產(chǎn)生是由于一個脈沖中不同的頻率分量在光纖中以不同的群速度傳播，并且以不同的時間到達(dá)到鏈路的另一端所引起的。色散會使系統(tǒng)性能衰退而且會造成碼間時移現(xiàn)象。在RoF系統(tǒng)中，色散所引起的衰退現(xiàn)象表現(xiàn)在信號功率沿著光纖的傳輸發(fā)生周期性的變化(類似余弦信號波動)。碼間時移會破壞信號質(zhì)量使得信號的眼圖隨著光纖的傳輸而閉合。

(2)光纖非線性

當(dāng)傳輸時光纖上的光功率很小的時候，光纖可以看作是線性的媒介，這樣光纖的損耗和折射率與信號功率是無關(guān)的。但是當(dāng)光纖中的功率很大的時候，這時非線性影響很大。就會對系統(tǒng)特別是高速系統(tǒng)產(chǎn)生更大影響。對于非線性，本文主要考慮兩類：一類是受激布里淵散射(sBs)和受激拉曼散射(sRS)，這一類是由于二氧化硅介質(zhì)中光波與聲子相互作用形成了光纖介質(zhì)中的散射效應(yīng)；第二類是由于折射率與光功率的依賴性，主要包括四波混頻(FWM)。自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(cPM)等。在RoF系統(tǒng)中可以通過控制入纖功率來降低第二類非線性。

(3)申擾

串?dāng)_是指其他信號對所需要信號的影響。在RoFg向系統(tǒng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)在單根光纖中沿兩個方向傳輸，就會對系統(tǒng)有附加的串?dāng)_。還有由于器件的泄露而造成的信道內(nèi)申擾都會抑制系統(tǒng)的傳輸。

2兩種通過增加傳輸距離改善RoF系統(tǒng)的方案

針對第1部分討論的抑制RoF系統(tǒng)傳輸?shù)囊蛩兀旅娼榻B兩種改善系統(tǒng)性能，增加系統(tǒng)傳輸距離的方案。文獻(xiàn)[10]分析通過外調(diào)制的方法，在單邊帶(ssB)、雙邊帶(DsB)和載波抑制(Ocs)3種調(diào)制方式中，OCS抵抗色散能力最強(qiáng)。但是利用OCS方法產(chǎn)生的40 GHz的RoF系統(tǒng)所需要20 GHz的射頻(RF)頻率，因此本文提出僅采用10 GI-Iz的RF信號產(chǎn)生40 GHz的RoF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，抗色散能力強(qiáng)。最近幾年，光通信朝著大容量長距離方向發(fā)展，因此色散的解決越顯重要，2005年，光正交頻分復(fù)用(OOFDM)技術(shù)作為一種新型的光傳輸技術(shù)被提出。應(yīng)用OOFDM技術(shù)可以做到無色散補(bǔ)償?shù)母咚俟饫w傳輸。2007年日本DKKI研究出可將52.5 Gb／s的OFDM信號無色散補(bǔ)償?shù)貍鬏? 160 kmlUl的系統(tǒng)。因此，如果將OFDM信號應(yīng)用在RoF系統(tǒng)中，則將解決色散對系統(tǒng)的影響。下面本文提出了兩種基于外調(diào)制的OFDM-RoF系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.1基于抑制奇數(shù)邊帶的40 GHz的RoF全雙工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文基于奇數(shù)邊帶抑制的方法進(jìn)行了40 GHz的RoF的全雙工系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。在中心站，分布反饋式激光器產(chǎn)生連續(xù)的光波，輸入強(qiáng)度調(diào)制器(IM)。2.5 Gb／s的下行數(shù)據(jù)與10 GHz的射頻信號混頻產(chǎn)生電毫米波，用此電毫米波驅(qū)動IM，對光載波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)抑制奇數(shù)邊帶調(diào)制格式，得到的頻譜圖如圖2(a)所示，兩個二階邊帶的頻率差為40 GHz。經(jīng)過20 km的SMF-28傳輸后，到達(dá)基站。經(jīng)過光纖傳輸前后的下行數(shù)據(jù)眼圖如圖3(a)和圖3(b)。抑制了奇數(shù)邊帶的光信號經(jīng)過級聯(lián)的環(huán)形器和FBG濾波器，載波被濾除，頻譜中只含有雙頻二階邊帶，頻譜圖如圖2(b)所示。濾除了中心載波的兩個二階邊帶的光毫米波再通過高速光電檢測器變成電毫米波。電混頻器將40 GHz的本振(LO)信號與接收到的毫米波混頻進(jìn)行相干解調(diào)得到基帶信號，通過低通濾波器(LPF)，進(jìn)入到誤碼測試儀進(jìn)行誤碼檢測。而由FBG反射出來的中心載波作為上行鏈路的載波由環(huán)形器輸出，頻譜如圖2(c)所示。將2.5 Gb／s的上行數(shù)據(jù)調(diào)制到上行載波上，調(diào)制后的光譜如圖2(d)所示，再經(jīng)過20 km的SMF-28到達(dá)接收機(jī)解調(diào)測得誤碼。傳輸前后的上行數(shù)據(jù)眼圖如圖3(c)和圖3fd)所示。

現(xiàn)在討論此系統(tǒng)的傳輸性能。首先關(guān)于色散的分析，針對本文提出的抑制奇數(shù)邊帶的方案系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過計算得到最大傳輸距離為74 km。如果利用載波抑制方法，利用20 GHz的RF信號產(chǎn)生40 GHz RoF系統(tǒng)的方案，當(dāng)取色散參數(shù)和光中心波長一樣時，色散時間差和本文提出的利用奇

數(shù)邊帶抑制的方法是相等的。這就表明色散對這兩種方案性能的影響是相同的。而本文采用的本地振蕩信號只有10GHz，降低了對調(diào)制器的帶寬需求，也降低了系統(tǒng)的成本，是一種成本有效的產(chǎn)生高頻毫米波的方案。而對于非線性的影響在這里主要考慮第二類非線性，可以通過控制人纖功率來控制光纖非線性對系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)中控制人纖功率為2 dBm。我們測得下行數(shù)據(jù)傳輸不同距離解調(diào)后的眼圖如圖4所示，經(jīng)過40 km光纖傳輸后，眼睛仍然張開，證明系統(tǒng)性能良好。而對于上行數(shù)據(jù)眼圖，由于從FBG反射過來的載波中還有一些二階邊帶成分，即所說的信道間串?dāng)_而使得上行數(shù)據(jù)眼圖中包含兩種模式。但是從上行數(shù)據(jù)誤碼率曲線來看，傳輸了20 km后功率代價小于1 dB。綜上所述，此系統(tǒng)傳輸性能很好。

2.2基于載波抑制的40 GHz的OFDM-RoF系統(tǒng)。

通過光載波抑制調(diào)制方式產(chǎn)生40 GHz光OFDM毫米波信號的RoF系統(tǒng)如圖5所示。在中心站，分布反饋式激光器產(chǎn)生連續(xù)光波，輸入強(qiáng)度調(diào)制器(IM)。10 GHz的射頻信號倍頻后得到20 GHz的RF信號驅(qū)動IM，調(diào)節(jié)驅(qū)動器偏置電壓實(shí)現(xiàn)載波抑制調(diào)制方式，光譜如圖5(a)所示，可以看到載波抑制比為22 dBm。經(jīng)130 km單模光纖傳輸后在基站實(shí)現(xiàn)OOFDM信號的解調(diào)和接收。本文得到傳輸不同距離后的OFDM的星座圖如圖6所示。發(fā)現(xiàn)傳輸130 km后的信號接收星座圖效果依舊很好。這是由于在傳輸OFDM信號系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬是由N個子載波占用，符號速率就相當(dāng)于單載波傳輸模式的1／N。正是因?yàn)檫@種低符號速率使OFDM系統(tǒng)可以自然地抵抗符號間干擾。又由于傳輸?shù)腛FDM信號各個子載波是正交的，當(dāng)OFDM信號的保護(hù)間隔大于多徑時延時，就可以保證在快速傅里葉變換(FFT)運(yùn)算時間內(nèi)不會發(fā)生信號的相位跳變，在接收時，個別的相位偏移不會破壞整體OFDM子載波的正交性。如圖6所示，當(dāng)傳輸50 km之后，星座圖有些發(fā)散，這是由于某些子載波發(fā)生了相位偏移，但是發(fā)散不大，總體來說，星座圖效果很好。本文還測量了不同傳輸距離后的誤碼率曲線如圖7所示，與背靠背接收相比，OFDM傳輸1×105點(diǎn)數(shù)據(jù)的條件下，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)計算，傳輸了50、110、130 km光纖后，其誤碼為104時對應(yīng)的接收功率-分別為為-19.5、-18.5、-17.5 dBm，其功率代價分別為0.5、1.5、2.5 dB，說明OFDM信號的碼間串?dāng)_小。若傳輸2.5 Gb／s的不歸零碼(NRz)信號代替OFDM信號，得到的解調(diào)眼圖如圖8所示。從圖8可以看出傳輸60 km后，眼圖由于色散的影響已經(jīng)發(fā)生畸變，碼間干擾嚴(yán)重。

圖9為NRZ信號的誤碼率曲線，傳輸了20 km后，在，其誤碼為10。時對應(yīng)的接收功率分別為23 dBm，其功率代價分別為1db。

3結(jié)束語

本文針對色散提出了兩種RoF系統(tǒng)，一種是基于外調(diào)制的40 GHz的RoF全雙工系統(tǒng)，采用此系統(tǒng)傳輸40km光纖后下行眼圖依舊很好，上行鏈路由于器件泄露而對上行數(shù)據(jù)的串?dāng)_影響較小，上行數(shù)據(jù)的功率代價小于1 dB。另一種方案是基于外調(diào)制的40 GHz的OFDM-RoF系統(tǒng)，通過合理設(shè)計OFDM信號產(chǎn)生高質(zhì)量OFDM信號，由于OFDM信號具有抗衰落和碼間串?dāng)_以及色散的能力，所以經(jīng)過130 km光纖傳輸后的星座圖依舊很好，誤碼為10-4時對應(yīng)的接收功率分別為-17.5 dBm，其功率代價分別為2.5 dB，這說明OFDM信號的碼間串?dāng)_小。此系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，并用此系統(tǒng)傳輸了2.5 Gb／s的NRZ信號，測得解調(diào)眼圖和誤碼率曲線，比較NRZ和OFDM系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)OFDM-RoF系統(tǒng)抗色散能力更強(qiáng)。