劉戰(zhàn)勝，吳慶典，程吉喆，薛 康，王洪金

（江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

多載波調(diào)制（MCM）技術(shù)由于其高頻譜效率（SE）而適用于無線和有線應用的高數(shù)據(jù)速率傳輸。正交頻分復用（OFDM）是多載波調(diào)制技術(shù)之一，已廣泛應用于當前的移動通信系統(tǒng)，并在下一代無源光網(wǎng)絡中進行了研究[1-2]。由于使用循環(huán)前綴（CP），OFDM的頻譜效率受到了限制。此外，OFDM調(diào)制方案呈現(xiàn)出正弦形頻率響應，導致相鄰信道泄漏（ACL）[3]，需要大的保護間隔以避免符號間干擾（ISI）。然而，保護間隔在數(shù)據(jù)傳輸中是純?nèi)哂?，減少了頻譜利用率。因此，使用了旁瓣抑制技術(shù)[4-5]，但限制了OFDM的傳輸性能。為了實現(xiàn)更好的頻譜效率，基于偏移正交幅度調(diào)制（OQAM）的濾波器組多載波（FBMC-OQAM）是用于下一代無線通信系統(tǒng)[6-9]以及相干光通信系統(tǒng)的替代調(diào)制方案[10-11]。FBMC能夠克服上述OFDM的缺點。與OFDM相比，F(xiàn)BMC的使用實現(xiàn)了更好的頻譜利用率，并且由于缺少CP和更低的信道泄露而增加了系統(tǒng)容量。

本文中，F(xiàn)BMC被用作無源光網(wǎng)絡（PON）傳輸鏈路中的多載波調(diào)制方案，比較OFDM和FBMC的性能，證明了FBMC調(diào)制方案在光傳輸鏈路中的適合程度。

1 OFDM與FBMC調(diào)制原理

1.1 OFDM調(diào)制原理

復雜的基帶OFDM信號可以寫為：

其中N是總的子載波數(shù)，Ts是子載波的符號持續(xù)時間，{Xi}是用于調(diào)制發(fā)送的子載波的符號序列。

OFDM信號的第k個樣本為：

這是逆離散傅立葉變換。

圖1中描繪了簡單的OFDM傳輸方案。在串行到并行（S/P）轉(zhuǎn)換后，將輸入隨機序列映射到具有正交幅度調(diào)制（QAM）映射的符號，通過逆快速傅里葉變換（IFFT）將符號加載到子載波。IFFT后，循環(huán)前綴（CP）被用作連續(xù)OFDM符號之間的保護間隔，以便防止碼間干擾（ISI）。OFDM信號在并行到串行（P/S）轉(zhuǎn)換后生成，并通過信道到達接收器，在接收器處執(zhí)行反向操作。在去除CP后，執(zhí)行快速傅里葉變換（FFT）和QAM解映射，即可獲得接收的序列。

圖1 OFDM調(diào)制結(jié)構(gòu)

1.2 FBMC調(diào)制原理

如前所述，F(xiàn)BMC中不需要CP。FBMC-OQAM調(diào)制方案如圖2所示。代替CP，分別在發(fā)射機和接收機處使用合成濾波器組（SFB）和分析濾波器組（AFB）。SFB和AFB可以通過使用快速傅里葉逆變換（IFFT）/FFT和多相網(wǎng)絡（PPN）來實現(xiàn)[12-13]。PPN的每個部分都需要K次乘法。例如，當重疊因子為4時，有4次乘法，如圖3所示。

圖2 FBMC調(diào)制結(jié)構(gòu)

圖3 K=4時發(fā)射機端的PPN部分

考慮到FBMC-OQAM系統(tǒng)[13]，在發(fā)射端其中M個復數(shù)輸入符號需要在N個子載波上傳輸，可以寫為：

在第m個數(shù)據(jù)塊中的輸入符號可以被分組為：

使用OQAM調(diào)制，復數(shù)符號的實部和虛部以半符號持續(xù)時間的時間偏移發(fā)送。符號的實部和虛部由時間T/2交錯，其中T是FBMC-OQAM符號周期。對于相鄰的兩個子載波，在前一個符號的實部上引入T/2的定時偏移，在后一個符號的虛部上引入T/2的定時偏移。將這些符號組合成濾波器，用N個子載波調(diào)制，其中每兩個子載波之間的間隔為1/T[14]。一個具有M個符號的FBMC-OQAM調(diào)制信號可寫為：

其中，am′,n是從復數(shù)Cm,n映射的實符號；n從m變化到M-1，如下所示：

其中δ∈{0,1}，h(t)是原型濾波器的脈沖響應。這個時間交錯規(guī)則的數(shù)學意義在于它有一個相位項φm′,n，被設定。

原型濾波器的離散脈沖響應h[i]由式（7）給出[12]：

其中Hk是原型濾波器的頻率系數(shù)，K是重疊因子。對于K=4，H1、H2和H3分別為 0.971 96、

2 2和0.235 147[8]。脈沖響應如圖4所示，重疊因子K=4，子信道數(shù)M=512。圖5顯示了OFDM和FBMC頻率響應的比較。為了與OFDM進行比較，F(xiàn)BMC方案具有較低的相鄰信道泄露，可以降低碼間干擾。

圖4 K=4且M=512的原型濾波器的脈沖響應

圖5 K=4時對比OFDM和FBMC的頻率響應

2 實驗方法

Optisystem是一款光通信系統(tǒng)仿真設計軟件，可以幫助用戶規(guī)劃、測試和模擬傳輸層所有的光線系統(tǒng)，也提供了從組件到系統(tǒng)各個層面的傳輸層光通信系統(tǒng)設計與規(guī)劃。Optisystem本身沒有提供相應的語言接口，并不支持新算法和協(xié)議仿真，所以必須借助Matlab編程構(gòu)造新組件來實現(xiàn)。設計光通信系統(tǒng)時，Optisystem利用Matlab的開放、可拓展架構(gòu)進行聯(lián)合仿真、分析、后處理和信息優(yōu)化。

本文在Optisystem中使用Matlab協(xié)同仿真進行仿真，聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。OFDM或FBMC信號由Matlab生成，設置相應的系統(tǒng)參數(shù)，并通過Matlab協(xié)同仿真接口加載到Optisystem中。OFDM或FBMC信號在光學載波上用光學調(diào)制器調(diào)制，該光學調(diào)制器由分布反饋激光器接種。調(diào)制光信號通過數(shù)十公里的單模光纖（SMF），在接收器處，光電探測器用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。另一個Matlab協(xié)同仿真接口用于在光電探測器后實現(xiàn)OFDM或FBMC解調(diào)。

圖6 聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果

比較PON鏈路中OFDM和FBMC的傳輸性能。對于OFDM和FBMC信號，傳輸數(shù)據(jù)速率從21 Gb/s掃描到30 Gb/s，固定傳輸距離為20 km，誤碼率（BER）作為主要性能因素。在4QAM/16QAM和4OQAM/16OQAM的不同調(diào)制格式下分別應用于OFDM和FBMC，具有固定距離的傳輸性能如圖7所示。FMBC的BER低于OFDM的BER。較低數(shù)據(jù)速率下的缺失點意味著沒有錯誤位，因此BER的對數(shù)在這些點處為負無窮大。與25 Gb/s的OFDM信號相比，F(xiàn)BMC信號的BER提高約1 dB。隨著數(shù)據(jù)速率的增加，由于光纖的分散，傳輸性能變差。

圖7 傳輸距離為20 km時OFDM和FBMC的BER性能

使用20 Gb/s的固定信號數(shù)據(jù)速率進行進一步的傳輸性能比較。掃描傳輸距離，圖8顯示了BER與傳輸距離的關系。可以清楚看出，F(xiàn)MBC的傳輸性能優(yōu)于OFDM，特別是對于高階調(diào)制格式。此外，隨著傳輸距離的增加，性能也會變差。

圖8 比特率為20 Gb/s時OFDM和FBMC的BER性能

4 結(jié) 語

比較PON鏈路中OFDM和FBMC的傳輸性能。結(jié)果表明，F(xiàn)BMC調(diào)制方案由于相鄰信道泄露較低，可以提高鏈路傳輸性能。FBMC通過20 km光纖以25 Gb/s獲得了大約1 dB的誤碼率改善。從另一個觀點來看，與OFDM調(diào)制方案相比，F(xiàn)BMC調(diào)制方案不需要循環(huán)前綴，所以在PON傳輸鏈路中利用FBMC調(diào)制方案可以實現(xiàn)更高的頻譜效率傳輸系統(tǒng)。