基于相位調(diào)制器的40GHzOFDM2ROF系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

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摘要:實(shí)驗(yàn)研究了一種基于相位調(diào)制器（PM）并級聯(lián)強(qiáng)度調(diào)制器（IM）實(shí)現(xiàn)40 GHz毫米波傳輸正交頻分復(fù)用（OFDM）信號的光纖無線通信（ROF）系統(tǒng)。在中心站,采用20GHz的射頻（RF）信號驅(qū)動PM,調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的強(qiáng)度,使輸出的信號經(jīng)光纖布拉格光柵（FBG）濾除中心載波后再送入IM。2.5 Gbit/ s的OFDM信號直接調(diào)制在光毫米波上,經(jīng)過50km標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖（SSMF）傳輸?shù)交?。在基?光調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器（PD）轉(zhuǎn)換成電調(diào)制信號,再與RF信號混頻,恢復(fù)出基帶OFDM信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在無色散補(bǔ)償、誤碼率（BER）為10- 3的條件下,下行鏈路中2.5Gbit/ s的OFDM信號經(jīng)光纖傳輸50km后,其功率代價(jià)小于1dB,而且信號的星座圖依然較好。
關(guān)鍵詞:光纖無線通信（ROF） ; 光毫米波信號; 相位調(diào)制器（PM） ; 正交頻分復(fù)用（OFDM）
中圖分類號:TN929.11;TN761　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A　　文章編號:100520086（2010）0320383204

Experimental researchabouta40GHzorthogonal frequencydivi2 sionmultiplexingradio2over2fiber systembasedonoptical phase modulator
LI Zhi2lan, CAOZi2zheng, DONGZe, CHENLin 33
（KeyLaboratoryof Micro/ NanoOptoelectronicDevicesof EMC,School of Computer andCommunication,HunanUniversity,Changsha,410082,China）
Abstract:Wedemonstratea40 GHzradio2over2fiber systemusinganoptical phasemodulatoralongwith anintensitymodulatortogenerateanoptical millimeter2wavewithOFDMsignals. Inthecentral station,40 GHzoptical millimeter2wavewithOFDMsignals is generatedbyusinganoptical phase modulator
whichis drivenbythe20 GHzRFsignals. Thentheoptical carrierisfilteredout byanFBG.2.5 Gbit/s OFDMsignalsaremodulatedon40 GHzoptical
mm2wavedirectlyandtransmittedtothebasestation  over50kmstandardsingle2modefiber（SSMF）. Inthebasestation,theoptical mm2wavesignalsarecon2 vertedtoelectrical signalsafteroptical2electrical conversion,andthedown2convertedOFDMsignals are detectedafter mixingwiththelocal oscillators. Theexperimental results showthat at the BERof 10 23 andwithout dispersioncompensation,thepowerpenaltyof thedownlinkOFDMsignalstransmittedover 50kmSMF228islessthan1dB,andtheconslationfigureis still good.

Keywords: 

1　引　言
　　光纖無線通信（ROF,radio2over2fiber）不僅能簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),而且能提供性能穩(wěn)定的無線接入。目前,對ROF系統(tǒng)的研究主要集中在高質(zhì)量的全光毫米波產(chǎn)生和傳輸技術(shù)以及如何簡化系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)兩方面[1～5]。在眾多的研究方案中,基于外調(diào)制技術(shù)并結(jié)合光強(qiáng)度調(diào)制器（IM）可以用來產(chǎn)生高頻的毫米波信號,但是卻需要復(fù)雜的控制電路以獲得性能更穩(wěn)定的毫米波信號。與IM不同,相位調(diào)制器（PM）不需要直流偏置控制,能夠避免直流漂移的問題,并且采用PM產(chǎn)生的毫米波信號不僅能夠簡化系統(tǒng)配置,而且產(chǎn)生的光毫米波信號穩(wěn)定可靠[6～9]。

　　目前研究的ROF系統(tǒng)大多是采用開關(guān)鍵控（OOK,on2offkeying）信號傳輸[10],但是它容易受光纖色散的影響,在一定程度上會降低系統(tǒng)的傳輸性能。正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)在無線環(huán)境中具有抗多徑衰落、窄帶干擾能力強(qiáng)、高頻譜利用率和傳輸容量大等特性,已經(jīng)有研究將OFDM技術(shù)引入到ROF系統(tǒng)中[11,12]。OFDM技術(shù)與ROF技術(shù)相結(jié)合組成的OFDM-ROF系統(tǒng)可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢,還可以增加接入帶寬和實(shí)現(xiàn)毫米波遠(yuǎn)距離的傳輸,提高ROF系統(tǒng)抵抗光纖色散的能力。但是目前這方面的研究并不多,大多都是集中在2.4/ 5GHz無線局域網(wǎng)附近的模擬仿真。在實(shí)驗(yàn)中,多是采用
IM,需要引入復(fù)雜的直流控制電路。

　　本文提出并實(shí)驗(yàn)研究了一種基于PM并級聯(lián)IM產(chǎn)生40GHz毫米波ROF系統(tǒng)傳輸OFDM信號的OFDM2ROF方案。在中心站,信號首先經(jīng)PM實(shí)現(xiàn)雙邊帶（DSB）調(diào)制,然后采用光學(xué)濾波的方法將中心載波濾除,再將下行的基帶OFDM信號直接調(diào)制到IM上。調(diào)制后的信號經(jīng)光纖傳輸?shù)交纠?a >高速的光電轉(zhuǎn)換器（PD）轉(zhuǎn)換成電調(diào)制信號后,再與射頻（RF）信號混頻,恢復(fù)出基帶OFDM信號。在實(shí)驗(yàn)中,40 GHz 的OFDM-ROF系統(tǒng)方案采用了PM,避免了直流漂移帶來的問題,也不需要復(fù)雜的外部電路的控制,簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。同時(shí)利用OFDM信號來抵抗光纖色散,在無色散補(bǔ)償?shù)那闆r下,擴(kuò)展了ROF系統(tǒng)的傳輸距離。

2　原　理
　　DFB:分布反饋式激光器;PM:相位調(diào)制器;RF:射頻信號;FBG:光纖布拉格光柵;IM:強(qiáng)度調(diào)制器;Downstreamdata:下行鏈路數(shù)據(jù);SMF:單模光纖;PD:光電轉(zhuǎn)換器;EA:電放大器;Du-plexer:雙工器;Antenna:天線;LO:本地振蕩信號;Mixer:混頻器;User Unit :用戶單元,LPF:低通濾波器。

　　本文提出的基于PM產(chǎn)生40 GHz光毫米波的ROF系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由中心站,下行光纖鏈路、基站和用戶單元4個(gè)部分組成。

　　中心站的分布反饋式激光器（DFB）輸出一路光信號作為光載波輸入PM進(jìn)行DSB調(diào)制,其RF驅(qū)動信號的頻率為f 。調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的強(qiáng)度,使其輸出信號的能量主要集中在中心載波和一階邊帶上。然后將信號送入光學(xué)濾波器光纖布拉格光柵（FBG）將中心載波濾除,則輸出的光信號的2個(gè)邊帶的頻差為2f 。信號經(jīng)過摻En光纖放大器（EDFA）放大后輸入至IM。系統(tǒng)將2.5 Gbit/ s的OFDM信號作為下行基帶信號,通過IM直接調(diào)制成光載OFDM毫米波信號,然后經(jīng)過單模光纖（SMF）傳輸至基站。在基站,信號經(jīng)高速的光電轉(zhuǎn)換器（PD）將邊帶頻差為2f 的光載OFDM毫米波信號轉(zhuǎn)換為頻率為2f 的電毫米波信號即產(chǎn)生40 GHz的電毫米波信號,并通過電放大器（EA）放大后由雙工天線發(fā)射出去。用戶單元通過天線接收由基站發(fā)送過來的40GHz電毫米波信號,首先經(jīng)過放大,再通過混頻器與本地振蕩信號混頻后,進(jìn)行低通濾波,從而完成相干解調(diào)并恢復(fù)出下行鏈路的基帶OFDM信號。     

3　實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果
　　基于PM產(chǎn)生40GHz光毫米波實(shí)現(xiàn)OFDM信號在ROF系統(tǒng)中傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括中心站、光纖鏈路和基站3個(gè)部分。中心站的DFB產(chǎn)生波長為1543.78nm的連續(xù)光波輸入PM,輸出的光譜如（a）所示。實(shí)驗(yàn)采用Ando公司6317的光譜分析儀檢測光譜,其波長范圍為600～1700nm,zui小分辨率為0.01nm。調(diào)節(jié)PM的驅(qū)動信號的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制,使產(chǎn)生信號的能量主要集中在中心載波和一階邊帶上,輸出信號的光譜如（b）所示。由于一階邊帶信號的功率比二階邊帶信號的功率大20dB以上,因而可以忽略二階邊帶信號在光纖中傳輸時(shí)對一階邊帶信號的影響。其中RF
信號發(fā)生器為HPAgilent E8257D模擬信號發(fā)生器,產(chǎn)生信號的頻率范圍為250kHz～20 GHz,此處產(chǎn)生信號的頻率為10GHz,并采用一個(gè)1∶2的倍頻器（FM）將頻率變成20 GHz作為PM的驅(qū)動信號。然后將信號通過環(huán)形器（Cir）和中心波長為1543.78nm、3dB帶寬為0.12nm的FBG濾除2個(gè)一階邊帶信號間的中心載波成分,其載波抑制比可以達(dá)到30dB,其光譜如（c）所示。然后,信號經(jīng)過EDFA放大后輸入強(qiáng)度調(diào)制器IM。

　　實(shí)驗(yàn)采用2.5Gb/ s的OFDM信號作為下行基帶數(shù)據(jù)信號并通過IM調(diào)制到光毫米波上,調(diào)節(jié)IM的偏置電壓為3.9V。此下行2.5 Gb/ s的基于四相相移鍵控（QPSK） I/ Q調(diào)制得到的OFDM基帶數(shù)據(jù)信號由任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生。1個(gè)OFDM信號幀中,包括256個(gè)子載波。其中,200個(gè)子信道用于傳送數(shù)據(jù), 55個(gè)子信道置0用于作保護(hù)間隔。1個(gè)OFDM信號幀中包括32個(gè)符號,然后選擇子載波數(shù)量的1/ 8個(gè)符號用于作循環(huán)前綴。這樣在OFDM信號幀中,他們也相當(dāng)于訓(xùn)練序列,可以避免塊間干擾,并同時(shí)用于同步和信道估計(jì)。

      IM輸出的光載OFDM毫米波信號光譜如（d）所示。經(jīng)50km光纖傳輸后信號的光譜如（e）所示。由于光纖色散的影響,信號的功率有所下降。光載毫米波信號通過3dB帶寬為50GHz的高速光電轉(zhuǎn)換器PD變成頻率為40 GHz的電毫米波信號。在該實(shí)驗(yàn)中,沒有考慮毫米波信號的天線發(fā)射和接收過程,因此生成的毫米波電信號直接用EA放大后,與40 GHz的本振信號混頻進(jìn)行相干解調(diào),然后信號經(jīng)低通濾波后,再送入OFDM解調(diào)模塊進(jìn)行接收解調(diào)。其中,40 GHz本振信號是由10GHz正弦信號四倍頻后得到的。基帶OFDM信號送往Tektronix實(shí)時(shí)數(shù)字示波器中采樣,采樣后的數(shù)據(jù)處理和恢復(fù)在Matlab接收程序中離線完成。

　　圖3是上述基于PM級聯(lián)IM實(shí)現(xiàn)光載OFDM信號的OFDM2ROF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)光纖傳輸0km和50km后接收誤碼率（BER）曲線圖以及相應(yīng)傳輸距離下接收端的信號星座圖。實(shí)驗(yàn)中,采集了105個(gè)點(diǎn)。通過對比40 GHz光載OFDM的毫米波信號經(jīng)光纖傳輸0km和50km誤碼曲線圖發(fā)現(xiàn),在BER為10-3時(shí),采用PM并在沒有色散補(bǔ)償?shù)那闆r下,光載OFDM信號在背靠背傳輸和經(jīng)光纖傳輸50km后的光功率分別為-17.8dBm和- 17dBm,其光功率的代價(jià)小于1dB。插圖是40GHz光載OFDM信號在接收功率為- 17dBm、無任何色散補(bǔ)償?shù)那闆r下背靠背傳輸和經(jīng)光纖傳輸50km后信號的星座圖。實(shí)驗(yàn)中,由于光信噪比的下降,信號的星座圖有些發(fā)散。但是可以看出經(jīng)光纖傳輸50km后,信號的星座圖依然很好。

　 4　結(jié)　論
　　提出了一種采用PM并級聯(lián)IM實(shí)現(xiàn)40 GHz毫米波傳輸OFDM信號的ROF系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,OFDM信號可以克服光纖色散的影響,提高系統(tǒng)的傳輸距離。在無色散補(bǔ)償、BER為10-3的條件下,下行鏈路中2.5 Gbit/ s的OFDM信號經(jīng)光纖傳輸50km后,其功率代價(jià)小于1dB。同時(shí)由于PM不需要直流偏置電壓的控制,可以避免直流漂移的影響,而且對其線性調(diào)制帶寬要求低,省略了控制電路,并且分離出來的中心載波可以作為上行鏈路的載波重新利用,這樣可以進(jìn)一步簡化光無線接入網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。由于不需要進(jìn)行色散補(bǔ)償,系統(tǒng)的靈活性沒有受到影響,而且降低了系統(tǒng)的成本,具有一定的實(shí)際可行性。

 

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