基于相位调制器的40GHzOFDM2ROF系统实验

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摘要:实验研究了一种基于相位调制器（PM）并级联强度调制器（IM）实现40GHz毫米波传输正交频分复用（OFDM）信号的光纤无线通信（ROF）系统。在ZX站,采用20GHz的射频（RF）信号驱动PM,调节驱动信号的强度,使输出的信号经光纤布拉格光栅（FBG）滤除ZX载波后再送入IM。2.5Gbit/s的OFDM信号直接调制在光毫米波上,经过50km标准的单模光纤（SSMF）传输到基站。在基站,光调制信号经光电转换器（PD）转换成电调制信号,再与RF信号混频,恢复出基带OFDM信号。实验结果表明,在无色散补偿、误码率（BER）为10-3的条件下,下行链路中2.5Gbit/s的OFDM信号经光纤传输50km后,其功率代价小于1dB,而且信号的星座图依然较好。
关键词:光纤无线通信（ROF）;光毫米波信号;相位调制器（PM）;正交频分复用（OFDM）
中图分类号:TN929.11;TN761　　文献标识码:A　　文章编号:100520086（2010）0320383204

Experimentalresearchabouta40GHzorthogonalfrequencydivi2sionmultiplexingradio2over2fibersystembasedonopticalphasemodulator
LIZhi2lan,CAOZi2zheng,DONGZe,CHENLin33
（KeyLaboratoryofMicro/NanoOptoelectronicDevicesofEMC,SchoolofComputerandCommunication,HunanUniversity,Changsha,410082,China）
Abstract:Wedemonstratea40GHzradio2over2fibersystemusinganopticalphasemodulatoralongwithanintensitymodulatortogenerateanopticalmillimeter2wavewithOFDMsignals.Inthecentralstation,40GHzopticalmillimeter2wavewithOFDMsignalsisgeneratedbyusinganopticalphasemodulator
whichisdrivenbythe20GHzRFsignals.ThentheopticalcarrierisfilteredoutbyanFBG.2.5Gbit/sOFDMsignalsaremodulatedon40GHzoptical
mm2wavedirectlyandtransmittedtothebasestationover50kmstandardsingle2modefiber（SSMF）.Inthebasestation,theopticalmm2wavesignalsarecon2vertedtoelectricalsignalsafteroptical2electricalconversion,andthedown2convertedOFDMsignalsaredetectedaftermixingwiththelocaloscillators.TheexperimentalresultsshowthatattheBERof1023andwithoutdispersioncompensation,thepowerpenaltyofthedownlinkOFDMsignalstransmittedover50kmSMF228islessthan1dB,andtheconstellationfigureisstillgood.

Keywords:

1　引　言
　　光纤无线通信（ROF,radio2over2fiber）不仅能简化系统的结构,而且能提供性能稳定的无线接入。目前,对ROF系统的研究主要集中在高质量的全光毫米波产生和传输技术以及如何简化系统和结构两方面[1～5]。在众多的研究方案中,基于外调制技术并结合光强度调制器（IM）可以用来产生高频的毫米波信号,但是却需要复杂的控制电路以获得性能更稳定的毫米波信号。与IM不同,相位调制器（PM）不需要直流偏置控制,能够避免直流漂移的问题,并且采用PM产生的毫米波信号不仅能够简化系统配置,而且产生的光毫米波信号稳定可靠[6～9]。

　　目前研究的ROF系统大多是采用开关键控（OOK,on2offkeying）信号传输[10],但是它容易受光纤色散的影响,在一定程度上会降低系统的传输性能。正交频分复用（OFDM）调制技术在无线环境中具有抗多径衰落、窄带干扰能力强、高频谱利用率和传输容量大等特性,已经有研究将OFDM技术引入到ROF系统中[11,12]。OFDM技术与ROF技术相结合组成的OFDM-ROF系统可以充分发挥两者的优势,还可以增加接入带宽和实现毫米波远距离的传输,提高ROF系统抵抗光纤色散的能力。但是目前这方面的研究并不多,大多都是集中在2.4/5GHz无线局域网附近的模拟仿真。在实验中,多是采用
IM,需要引入复杂的直流控制电路。

　　本文提出并实验研究了一种基于PM并级联IM产生40GHz毫米波ROF系统传输OFDM信号的OFDM2ROF方案。在ZX站,信号首先经PM实现双边带（DSB）调制,然后采用光学滤波的方法将ZX载波滤除,再将下行的基带OFDM信号直接调制到IM上。调制后的信号经光纤传输到基站利用高速的光电转换器（PD）转换成电调制信号后,再与射频（RF）信号混频,恢复出基带OFDM信号。在实验中,40GHz的OFDM-ROF系统方案采用了PM,避免了直流漂移带来的问题,也不需要复杂的外部电路的控制,简化了系统的结构。同时利用OFDM信号来抵抗光纤色散,在无色散补偿的情况下,扩展了ROF系统的传输距离。

2　原　理
　　DFB:分布反馈式激光器;PM:相位调制器;RF:射频信号;FBG:光纤布拉格光栅;IM:强度调制器;Downstreamdata:下行链路数据;SMF:单模光纤;PD:光电转换器;EA:电放大器;Du-plexer:双工器;Antenna:天线;LO:本地振荡信号;Mixer:混频器;UserUnit:用户单元,LPF:低通滤波器。

　　本文提出的基于PM产生40GHz光毫米波的ROF系统如图1所示。系统由ZX站,下行光纤链路、基站和用户单元4个部分组成。

　　ZX站的分布反馈式激光器（DFB）输出一路光信号作为光载波输入PM进行DSB调制,其RF驱动信号的频率为f。调节驱动信号的强度,使其输出信号的能量主要集中在ZX载波和一阶边带上。然后将信号送入光学滤波器光纤布拉格光栅（FBG）将ZX载波滤除,则输出的光信号的2个边带的频差为2f。信号经过掺En光纤放大器（EDFA）放大后输入至IM。系统将2.5Gbit/s的OFDM信号作为下行基带信号,通过IM直接调制成光载OFDM毫米波信号,然后经过单模光纤（SMF）传输至基站。在基站,信号经高速的光电转换器（PD）将边带频差为2f的光载OFDM毫米波信号转换为频率为2f的电毫米波信号即产生40GHz的电毫米波信号,并通过电放大器（EA）放大后由双工天线发射出去。用户单元通过天线接收由基站发送过来的40GHz电毫米波信号,首先经过放大,再通过混频器与本地振荡信号混频后,进行低通滤波,从而完成相干解调并恢复出下行链路的基带OFDM信号。

3　实验装置及结果
　　基于PM产生40GHz光毫米波实现OFDM信号在ROF系统中传输的实验装置如图2所示。实验系统包括ZX站、光纤链路和基站3个部分。ZX站的DFB产生波长为1543.78nm的连续光波输入PM,输出的光谱如（a）所示。实验采用Ando公司6317的光谱分析仪检测光谱,其波长范围为600～1700nm,Z小分辨率为0.01nm。调节PM的驱动信号的强度实现DSB调制,使产生信号的能量主要集中在ZX载波和一阶边带上,输出信号的光谱如（b）所示。由于一阶边带信号的功率比二阶边带信号的功率大20dB以上,因而可以忽略二阶边带信号在光纤中传输时对一阶边带信号的影响。其中RF
信号发生器为HPAgilentE8257D模拟信号发生器,产生信号的频率范围为250kHz～20GHz,此处产生信号的频率为10GHz,并采用一个1∶2的倍频器（FM）将频率变成20GHz作为PM的驱动信号。然后将信号通过环形器（Cir）和ZX波长为1543.78nm、3dB带宽为0.12nm的FBG滤除2个一阶边带信号间的ZX载波成分,其载波YZ比可以达到30dB,其光谱如（c）所示。然后,信号经过EDFA放大后输入强度调制器IM。

　　实验采用2.5Gb/s的OFDM信号作为下行基带数据信号并通过IM调制到光毫米波上,调节IM的偏置电压为3.9V。此下行2.5Gb/s的基于四相相移键控（QPSK）I/Q调制得到的OFDM基带数据信号由任意波形发生器（AWG）产生。1个OFDM信号帧中,包括256个子载波。其中,200个子信道用于传送数据,55个子信道置0用于作保护间隔。1个OFDM信号帧中包括32个符号,然后选择子载波数量的1/8个符号用于作循环前缀。这样在OFDM信号帧中,他们也相当于训练序列,可以避免块间干扰,并同时用于同步和信道估计。

IM输出的光载OFDM毫米波信号光谱如（d）所示。经50km光纤传输后信号的光谱如（e）所示。由于光纤色散的影响,信号的功率有所下降。光载毫米波信号通过3dB带宽为50GHz的高速光电转换器PD变成频率为40GHz的电毫米波信号。在该实验中,没有考虑毫米波信号的天线发射和接收过程,因此生成的毫米波电信号直接用EA放大后,与40GHz的本振信号混频进行相干解调,然后信号经低通滤波后,再送入OFDM解调模块进行接收解调。其中,40GHz本振信号是由10GHz正弦信号四倍频后得到的。基带OFDM信号送往Tektronix实时数字示波器中采样,采样后的数据处理和恢复在Matlab接收程序中离线完成。

　　图3是上述基于PM级联IM实现光载OFDM信号的OFDM2ROF实验系统经光纤传输0km和50km后接收误码率（BER）曲线图以及相应传输距离下接收端的信号星座图。实验中,采集了105个点。通过对比40GHz光载OFDM的毫米波信号经光纤传输0km和50km误码曲线图发现,在BER为10-3时,采用PM并在没有色散补偿的情况下,光载OFDM信号在背靠背传输和经光纤传输50km后的光功率分别为-17.8dBm和-17dBm,其光功率的代价小于1dB。插图是40GHz光载OFDM信号在接收功率为-17dBm、无任何色散补偿的情况下背靠背传输和经光纤传输50km后信号的星座图。实验中,由于光信噪比的下降,信号的星座图有些发散。但是可以看出经光纤传输50km后,信号的星座图依然很好。

　4　结　论
　　提出了一种采用PM并级联IM实现40GHz毫米波传输OFDM信号的ROF系统。实验结果表明,OFDM信号可以克服光纤色散的影响,提高系统的传输距离。在无色散补偿、BER为10-3的条件下,下行链路中2.5Gbit/s的OFDM信号经光纤传输50km后,其功率代价小于1dB。同时由于PM不需要直流偏置电压的控制,可以避免直流漂移的影响,而且对其线性调制带宽要求低,省略了控制电路,并且分离出来的ZX载波可以作为上行链路的载波重新利用,这样可以进一步简化光无线接入网络的结构。由于不需要进行色散补偿,系统的灵活性没有受到影响,而且降低了系统的成本,具有一定的实际可行性。

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