单边带OFDM-ROF系统中的色散补偿问题研究
席在芳，刘懿，吴笑峰，胡仕刚，唐志军，李劲
(湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201)
摘要：建立基于相位调制的单边带光载OFDM-ROF传输系统的仿真模型，分析和仿真光纤色散对OFDM信号传输性能的影响。OFDM信号在较短和较长距离的下行链路传输时，采用相位均衡技术来补偿各个子载波的相位偏转，采用接入色散补偿光纤模块技术降低色散对系统的传输性能的影响，利用色散补偿光纤与标准单模光纤按照长度为1:4的组合方式构成光纤传输链路的补偿方案。研究结果表明：采用相位均衡技术和接入色散光纤模块补偿技术使系统接收到信号的星座图更加紧凑和清晰，从而提高系统对信号接收识别的灵敏度，系统获得了较好的性能增益，增加了下行链路中信号的传输距离和传输质量。
关键词：单边带光载；ROF；OFDM；色散补偿
中图分类号：TN914 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)12-4212-06
Study on effect of dispersion compensation on transmission of ROF-OFDM system in single sideband
XI Zaifang, LIU Yi, WU Xiaofeng, HU Shigang, TANG Zhijun, LI Jin
(School of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)
Abstract: The OFDM-ROF (orthogonal frequency devision multiplexing-radio-over-fiber) transmission system simulation model based on the phase modulation in single sideband was built. The factors of affecing the transmission performance of OFDM signal such as fiber dispersion were analyzed and simulated. When the OFDM signal transmitted in the downlink of the shorter and longer distance, phase equalizer technology and access dispersion compensation fiber module technology were used to reduce the dispersion effects on transmission performance of the system.The use of dispersion compensating fiber single-mode fiber in accordance with the standard 1:4 combinations constituted compensation package fiber transmission link to reduce the dispersion of the transmission performance of the system. The results show that the constellation diagram of the received signal after the dispersion compensation or the phase equalizer technology is more compact and clear. Dispersion compensation technology and phase equalizer technology enables the system to obtain more performance gain.
Key words: single sideband optical carries; ROF (radio-over-fiber); OFDM (orthogonal frequency division multiplexing); dispersion compensation
OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技术具有较高的频谱效率、对时延扩张免疫、可以抗频率选择性衰落、信道均衡简单等特点，已在宽带数据通信和无线通信等领域中广泛应用[1-2]。OFDM技术中的信道均衡加上信道编码可以帮助抑制单模色散(CD)和偏振模色散(PMD)[3]。将OFDM技术融入到ROF系统中具有较多优势，在传输端可以通过抑制色散效应提高信号传输距离，无线端又可以直接利用OFDM技术在无线领域的优势。许多研究者研究了OFDM信号在光纤中传输的问题[2-7]，大部分是采用相干检测技术来接收OFDM信号，采用直接检测的光OFDM传输系统是为了更好地补偿长距离通信系统中的色散。它们采用的调制频率都比较低，较少涉及高频子载波如毫米波段的研究，大多采用滤波技术实现单边带调制[2-8]。传统的光载波双边带调制方式的ROF(radio-over-fiber)系统中传输色散引起的信号失真很大[9]。经比较，采用相位均衡技术和接入色散补偿光纤模块技术的单边带调制抑制色散的方法具有更好的效果[10-13]。本文研究适应于4G移动通信系统的OFDM-ROF光传输系统，建立OFDM-ROF光纤传输系统的仿真模型。从理论和仿真分析采用直接检测技术接受信号的OFDM-ROF系统的传输性能，对制约系统传输性能的色散因素进行探讨，并提出色散补偿的有效方法。
1 理论分析
1.1 单边带OFDM-ROF系统分析
基于相位调制的单边带OFDM-ROF系统如图1所示。分布式反馈激光器(distributed feedback lasers device，DFB)产生一个线宽很窄的连续光波：
(其中，p0为光载波功率，wc为光载波角频率)，输入到相位调制器中进行双边带调制。相位调制器的驱动信号由基带OFDM信号s(t)和幅度很小的射频信号
混频产生(其中，vm和wRF分别为射频信号的幅度和角频率)。则调制器的输出为：
(其中，
为调制深度，
为调制器的半波电压)。当
很小时，可以忽略高阶边带，由贝赛尔(Bessel)函数展开后表示为：
式中：Jk表示第一类k阶贝赛尔函数。调制器输出包括中心载波和一阶边带信号，经过带通滤波器后只剩下中心载波和上边带；
。该信号色散光纤传输到基站信号变为
，其中：
(i=0，+1)表示由色散引起的时延；L为传输距离；
为模传输函数。该信号经过光电检测器检测后的光电流为
其中：
为光电检测器的灵敏度；
，表示由一阶色散引起的相移。式中忽略了光信号，光电流主要包含直流分量和射频分量。
1.2 色散补偿技术方法分析
所有色散补偿技术的概念可用脉冲传输方程来理解：
。式中：A为输出脉冲包络的幅度；
为群速度色散系数。3阶色散效应包括在
项中。实际上，当
时，项可以忽
略不计，此时输出脉冲包络幅度表示为
式中：
为
的傅里叶变换。色散导致的光信号展宽是由相位系数
引起的，它使光脉冲经光纤传输时产生新的频谱成分。所有的色散补偿方式都试图消除该相位系数，恢复原来的输入信号。为了减小由于色散而引起的OFDM-ROF光传输系统性能的恶化，提出利用色散补偿光纤(DCF)与标准单模光纤(SSMF)的组合方式构成光纤传输链路的补偿方案，见图2。
图1 基于相位调制的单边带OFDM-ROF系统
Fig. 1 Single sideband OFDM-ROF system based on phase modulation
图2 光纤色散补偿链路
Fig. 2 Fiber link compensated by chromatic dispersion
在两端光纤串接的情况下输出脉冲包络幅度表示为
式中：
；
为长
光纤段的GVD参数。此时，色散补偿条件为
。因为
，所以，色散补偿条件变成: 
。从实际考虑，L2应该尽可能地短，所以，它的色散值D2应尽可能大。在本文中，为了减少由于色散而引起的系统性能恶化，提出利用色散补偿光纤(DCF)与标准单模光纤按长度的为1:4的组合方式构成光纤传输链路的补偿方案。
2 性能分析
2.1 OFDM-ROF系统仿真实现
采用光通信系统仿真软件OptiSystem与数值计算软件MatLab相结合建立1个OFDM-ROF单边带光载传输系统，如图3所示。在发送模块中，激光二极管(LD)发出线宽很窄的连续光波输入到相位调制器的1个输入端，传输二进制码元通过OFDM调制模块形成模拟信号，滤出中心频率为2.5 GHz的信号，通过与20.0 GHz的正弦波相乘搬移到22.5 GHz的频段，输入到相位调制器的另一个输入端，电信号被调制到193.1 THz的光载波上，通过带通滤波器后剩下中心载波和上下边带，形成OFDM毫米波信号，如图4所示。通过带通滤波器(BPF)后只剩下中心载波和上边带，如图5所示。OFDM信号由MatLab程序离线产生，信号速率为2.5 Gb/s的伪随机码经4-QAM调制成1.25 Gb/s的频域数字信号，经过256点IFFT生成OFDM基带信号，其中有32个导频信号，采用梳状分布，保护间隔长度为OFDM周期的1/4；然后，对基带OFDM信号的实部和虚部进行I/Q中频调制，中频信号频率为2.5 GHz。在光传输模块中，设置传输链路采用标准单模光纤(SSMF)。SSMF的色散常数为D=16.75 ps/(nm·km)。在接受模块，光传输信号被光电检测器(PD)接收检测转换为微波信号。PIN接收到的频谱图见图6。从图6可以看出：该信号包含了基带信号、中心频率为2.5 GHz的电信号和中心频率为20.0 GHz的毫米波信号。然后，与频率为20.0 GHz的正交载波混频实现下变频。采用带通滤波器滤除解调信号中的高频成分，得到的中频OFDM信号其中心频率也为2.5 GHz，之后进行I/Q相干解调。然后进入MatLab单元，在每个码元周期处进行信号采样和量化。将量化数据序列除去循环前缀，经过串并变换后进行OFDM解调，再经过低通滤波器获得一组二进制序列输出。光探测器的灵敏度为1 A/W，暗电流为10 nA。OFDM解调则采用256点FFT。解码器利用4-QAM星座进行判决。
图3 单边带光载ROF-OFDM系统仿真图
Fig. 3 System simulation of single side band OFDM
图4 相位调制后产生的毫米波频谱图
Fig. 4 Spectrograph of phase-modulated millimeter-wave
图5 通过BPF后的单边带频谱图
Fig. 5 Spectrograph of single sideband after BPF
图6 PIN接收到的频谱图
Fig. 6 Spectrograph received by PIN
2.2 传输系统仿真结果分析
2.2.1 相位均衡对色散的补偿
在未采用均衡技术时，随着色散度的增加，系统接收到信号的星座图如图7所示。从图7可以看出：系统接收到信号的星座图逐渐发散，OFDM-ROF光传输系统的传输性能随着光纤色散度的增加而降低。为了减小由于色散引起的OFDM-ROF光传输系统性能的恶化，在OFDM调制时提出利用信道估计的方法即相位均衡来补偿各个子载波的相位偏转，系统接收到信号的星座图有较明显改善，如图8所示，从而提高系统对信号接收识别的灵敏度，这也是OFDM技术可以对色散进行补偿的原因。
图7 未均衡时系统接收端的星座图 (传输距离为40 km，码元码率为2.5 Gbit/s)
Fig. 7 Constellation diagram of system without balanced (transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)
2.2.2 接入色散补偿模块对色散的影响
为了减少由于色散引起的OFDM-ROF光传输系统性能的恶化，通过反复仿真尝试，利用色散补偿光纤(DCF)与标准单模光纤按照长度比为1:4的组合方式构成光纤传输链路的补偿方案。色散补偿前后星座图如图9所示，色散补偿后的星座点变紧凑，延长了信号的传输距离。但是，色散补偿模块只能按照一定传输距离色散经验值提供一个补偿范围，而无法精确补偿，且色散补偿对信号的衰减比较大，特别是插入损耗，其非线性效应比较高，因此，色散补偿要根据实际情况而定。
图8 系统均衡后接收端的星座图(传输距离为40km，码元码率为2.5 Gbit/s)
Fig. 8 Constellation diagram of system for balanced (transmission distance 40 km, code rate 2.5 Gbit/s)
图9 色散补偿前后星座图 (色散补偿光线的衰减常数a=0.5 dB/km, 色散常数D=72 ps/(nm·km))
Fig. 9 Constellation diagram before and after the dispersion compensation(attenuation constant of dispersion compensation light a=0.5dB/km, dispersion constant D=72 ps/(nm·km))
3 结论
1) 建立了1个采用单个相位调制器加滤波技术产生毫米波，使用直接检测技术接受信号的OFDM-ROF光传输系统仿真模型。
2) 通过对色散补偿前后系统接受的星座图进行比较分析，采用相位均衡和接入色散模块技术的使用，实现了OFDM-ROF系统的性能增益，增加了下行链路中信号的传输距离和传输质量。色散补偿模块只能按照一定传输距离色散经验值提供一个补偿范围，而无法精确补偿。若获得更大的色散补偿增益，还需进一步研究。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-01-12；修回日期：2014-03-21
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61274026，61274077，61376076，61377024)；湖南省科技计划项目(2013FJ2011，2014FJ2017)；湖南省教育厅科研项目(14B060,13C321) (Projects (61274026, 61274077, 61376076, 61377024) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects (2013FJ2011, 2013FJ4232) supported by Science and Technology Plan Project of Hunan Province; Projects (14B060, 13C321) supported by Educational Commission of Hunan Province of China)
通信作者：席在芳(1974-)，男，湖南安乡人，副教授，从事通信系统与信号处理研究；电话：15273278500；E-mail：zfxi@hnust.edu.cn
