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摘要:實驗研究了一種基于相位調制器（PM）并級聯(lián)強度調制器（IM）實現40 GHz毫米波傳輸正交頻分復用（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）信號驅動PM,調節(jié)驅動信號的強度,使輸出的信號經光纖布拉格光柵（FBG）濾除中心載波后再送入IM。2.5 Gbit/ s的OFDM信號直接調制在光毫米波上,經過50km標準的單模光纖（SSMF）傳輸到基站。在基站,光調制信號經光電轉換器（PD）轉換成電調制信號,再與RF信號混頻,恢復出基帶OFDM信號。實驗結果表明,在無色散補償、誤碼率（BER）為10- 3的條件下,下行鏈路中2.5Gbit/ s的OFDM信號經光纖傳輸50km后,其功率代價小于1dB,而且信號的星座圖依然較好。
關鍵詞:光纖無線通信（ROF） ; 光毫米波信號; 相位調制器（PM） ; 正交頻分復用（OFDM）
中圖分類號:TN929.11;TN761　　文獻標識碼: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)的結構,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量的全光毫米波產生和傳輸技術以及如何簡化系統(tǒng)和結構兩方面[1～5]。在眾多的研究方案中,基于外調制技術并結合光強度調制器（IM）可以用來產生高頻的毫米波信號,但是卻需要復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產生的毫米波信號不僅能夠簡化系統(tǒng)配置,而且產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。正交頻分復用（OFDM）調制技術在無線環(huán)境中具有抗多徑衰落、窄帶干擾能力強、高頻譜利用率和傳輸容量大等特性,已經有研究將OFDM技術引入到ROF系統(tǒng)中[11,12]。OFDM技術與ROF技術相結合組成的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現毫米波遠距離的傳輸,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無線局域網附近的模擬仿真。在實驗中,多是采用
IM,需要引入復雜的直流控制電路。

　　本文提出并實驗研究了一種基于PM并級聯(lián)IM產生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PM實現雙邊帶（DSB）調制,然后采用光學濾波的方法將中心載波濾除,再將下行的基帶OFDM信號直接調制到IM上。調制后的信號經光纖傳輸到基站利用高速的光電轉換器（PD）轉換成電調制信號后,再與射頻（RF）信號混頻,恢復出基帶OFDM信號。在實驗中,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,也不需要復雜的外部電路的控制,簡化了系統(tǒng)的結構。同時利用OFDM信號來抵抗光纖色散,在無色散補償的情況下,擴展了ROF系統(tǒng)的傳輸距離。

2　原　理
　　DFB:分布反饋式激光器;PM:相位調制器;RF:射頻信號;FBG:光纖布拉格光柵;IM:強度調制器;Downstreamdata:下行鏈路數據;SMF:單模光纖;PD:光電轉換器;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進行DSB調制,其RF驅動信號的頻率為f 。調節(jié)驅動信號的強度,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個邊帶的頻差為2f 。信號經過摻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直接調制成光載OFDM毫米波信號,然后經過單模光纖（SMF）傳輸至基站。在基站,信號經高速的光電轉換器（PD）將邊帶頻差為2f 的光載OFDM毫米波信號轉換為頻率為2f 的電毫米波信號即產生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,首先經過放大,再通過混頻器與本地振蕩信號混頻后,進行低通濾波,從而完成相干解調并恢復出下行鏈路的基帶OFDM信號。     

3　實驗裝置及結果
　　基于PM產生40GHz光毫米波實現OFDM信號在ROF系統(tǒng)中傳輸的實驗裝置如圖2所示。實驗系統(tǒng)包括中心站、光纖鏈路和基站3個部分。中心站的DFB產生波長為1543.78nm的連續(xù)光波輸入PM,輸出的光譜如（a）所示。實驗采用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。調節(jié)PM的驅動信號的強度實現DSB調制,使產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,產生信號的頻率范圍為250kHz～20 GHz,此處產生信號的頻率為10GHz,并采用一個1∶2的倍頻器（FM）將頻率變成20 GHz作為PM的驅動信號。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個一階邊帶信號間的中心載波成分,其載波抑制比可以達到30dB,其光譜如（c）所示。然后,信號經過EDFA放大后輸入強度調制器IM。

　　實驗采用2.5Gb/ s的OFDM信號作為下行基帶數據信號并通過IM調制到光毫米波上,調節(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調制得到的OFDM基帶數據信號由任意波形發(fā)生器（AWG）產生。1個OFDM信號幀中,包括256個子載波。其中,200個子信道用于傳送數據, 55個子信道置0用于作保護間隔。1個OFDM信號幀中包括32個符號,然后選擇子載波數量的1/ 8個符號用于作循環(huán)前綴。這樣在OFDM信號幀中,他們也相當于訓練序列,可以避免塊間干擾,并同時用于同步和信道估計。

      IM輸出的光載OFDM毫米波信號光譜如（d）所示。經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的高速光電轉換器PD變成頻率為40 GHz的電毫米波信號。在該實驗中,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的本振信號混頻進行相干解調,然后信號經低通濾波后,再送入OFDM解調模塊進行接收解調。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實時數字示波器中采樣,采樣后的數據處理和恢復在Matlab接收程序中離線完成。

　　圖3是上述基于PM級聯(lián)IM實現光載OFDM信號的OFDM2ROF實驗系統(tǒng)經光纖傳輸0km和50km后接收誤碼率（BER）曲線圖以及相應傳輸距離下接收端的信號星座圖。實驗中,采集了105個點。通過對比40 GHz光載OFDM的毫米波信號經光纖傳輸0km和50km誤碼曲線圖發(fā)現,在BER為10-3時,采用PM并在沒有色散補償的情況下,光載OFDM信號在背靠背傳輸和經光纖傳輸50km后的光功率分別為-17.8dBm和- 17dBm,其光功率的代價小于1dB。插圖是40GHz光載OFDM信號在接收功率為- 17dBm、無任何色散補償的情況下背靠背傳輸和經光纖傳輸50km后信號的星座圖。實驗中,由于光信噪比的下降,信號的星座圖有些發(fā)散。但是可以看出經光纖傳輸50km后,信號的星座圖依然很好。

　 4　結　論
　　提出了一種采用PM并級聯(lián)IM實現40 GHz毫米波傳輸OFDM信號的ROF系統(tǒng)。實驗結果表明,OFDM信號可以克服光纖色散的影響,提高系統(tǒng)的傳輸距離。在無色散補償、BER為10-3的條件下,下行鏈路中2.5 Gbit/ s的OFDM信號經光纖傳輸50km后,其功率代價小于1dB。同時由于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,這樣可以進一步簡化光無線接入網絡的結構。由于不需要進行色散補償,系統(tǒng)的靈活性沒有受到影響,而且降低了系統(tǒng)的成本,具有一定的實際可行性。

 

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