单边带光载LDPC-OFDM系统的传输性能
席在芳，刘懿，吴笑峰，胡仕刚
(湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201)
摘要：对LDPC-OFDM信号在单边带光调制系统中的传输性能进行研究，介绍OFDM单边带调制系统原理，建立FDM单边带调制系统的仿真系统，仿真、分析并比较原始OFDM信号和LDPC-OFDM信号在单边带调制系统中的误码性能和星座图。研究结果表明：在传输距离相同的条件下，LDPC-OFDM信号的误码性能比原始OFDM信号的误码性能好；LDPC编码具有较强的纠错能力，前向纠错编码技术的使用弥补了光纤链路中色散对传输信号质量的影响；在OFDM信号的基础上采用LDPC编码能获得较好的编码性能增益。
关键词：单边带调制；OFDM信号；LDPC信号
中图分类号：TN914 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)03-1070-06
Performances of single sideband modulated LDPC-OFDM signals in optical transmission system
XI Zaifang, LIU Yi, WU Xiaofeng, HU Shigang
(School of Information and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)
Abstract: The LDPC-OFDM signal in single sideband optical modulation system of transmission performance was studied. The principle of OFDM single sideband modulation system was introduced and the simulation system of the OFDM single sideband modulation was established. The performance of the original OFDM signal and LDPC-OFDM signal with the single modulation system was simulated, analyzed and compared. The results show that the BER performance and constellation chart of the LDPC-OFDM signal are better than those of the original OFDM signal under the same conditions and good encoding gain can be achieved by using LDPC code in OFDM system.
Key words: single sideband modulation; OFDM signal; LDPC signal
OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)技术具有抗多经衰落和抗窄带干扰等特点，由于光纤信道中的色散与无线信道中的多径效应很相似，所以，将OFDM技术引入到光纤传输系统中是目前研究热点之一[1-7]。OFDM的基本原理是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而使各个子载波上的符号速率大大降低。但在多径衰落较严重的传播条件下，信道呈现较严重的频率选择性衰落特性，OFDM系统的个别子载波容易被噪声淹没，而且随着传输距离的增大，色散效应越严重，码间串扰(ISI)也会越严重。使用前向纠错编码可以对系统的色散进行补偿，提高系统的BER(basic encoding rules)性能。LDPC(low density parity check code)纠错编码是一种性能较优的前向纠错(FEC)技术[8-10]。在相同码率下，LDPC码能获得比RS码更高的编码增益[11]。FEC技术是在传输码列中填入纠错码，降低了信号传输速率和接收端光信噪比(OSNR)容限，获得编码增益，提高了系统的传输性能。本文主要研究LDPC-OFDM信号在单边带光载系统中的传输性能；在相同条件下，对同码率的LDPC-OFDM信号和原始OFDM信号的传输性能进行比较，这2种信号分别经过50 km和200 km的SMF(single-mode fiber，单模光纤)后，比较LDPC-OFDM信号和原始OFDM信号的编码增益以及接收到的星座图。
1 理论分析
基于OFDM信号的单边带调制系统原理示意图如图1所示。激光源(LD)产生连续光波，其波形为
(1)
式中：E0(t)为连续光波表达式；p0为光载波功率；
为角频率。信号s(t)与射频信号幅度
混频后通过相位调制器(PM)调制到光载波上(其中，v0m为射频信号幅度)。PM输出为
(2)
式中：
为调制器的调制深度，当很小时，可以忽略高阶边带。式(2)的贝塞尔展开式为
(3)
其中：
(k=0，1)表示第1类k阶贝塞尔函数。调制器的输出信号经过光滤波器过滤掉下一阶边带后为
(4)
该信号传输长度为z的单模光纤后，可表示为：
(5)
其中：
，为色散引起的延迟；
为光纤的传播常数。这个信号在基站经过光电检测器(photo detector)转换成电信号为
(6)
式中：u为光电检测器的灵敏度。光电流包含多个频率成分，经过中心频率为wRF的带通滤波器(BPF)后得到的射频信号为
(7)
射频信号经过混频器进行混频，混频后信号通过低通滤波器(LPF)得到的基带信号为
(8)
由以上可以看出：当 
趋向于
即
时(其中，k=0, 1, 2, …)，由光纤色散引起的时延差
趋向于( k=0, 1, 2, …)，信号将变得很差，而且这种信号衰落是周期性的。
图1 OFDM单边带调制系统原理图
Fig.1 Single sideband modulation system schematic diagram of OFDM
2 性能分析
2.1 OFDM单边带系统仿真实现
采用光通信系统仿真软件OptiSystem与数值计算软件MatLab相结合建立一个OFDM单边带传输系统，如图2所示。整个系统由OFDM基带传输系统结合ROF光纤系统组成，其中包括OFDM信号的产生、光调制发送、光纤信道、光信号接收、解调、OFDM信号恢复几部分。原始数据流采用长度为216-1的伪随机序列，串并变换将串行序列转换为1 024路并行序列；OFDM基带信号发送速率为0.5 Gb/s，采用码率为1/2的LDPC编码映射到1 024个进行64QAM调制的子载波上，正交射频信号为10 GHz，LDPC-OFDM信号的I/Q分量分别调制在相位为0°和90°的10 GHz射频载波上，其光谱图如图3所示。激光器(LD)产生中心波长为1 554 nm，线宽为10 MHz，入纤光功率设定为0 dBm的连续激光作为光载波。光载波的中心频率为193.1 THz，与10 GHz RF信号混频后通过PM调制到光载波上，形成LDPC-OFDM光信号。光载波的光谱图如图4所示，LDPC-OFDM信号调制到光载波上的光谱图如图5所示。光谱包含光载波分量、上一阶分量、下一阶边带和其他低阶分量，但低阶分量能量较弱，之后它与下一阶边带被光滤波器滤除。光滤波器采用理想的矩形滤波器，中心频率为193.11 THz，带宽为30 GHz。信号通过光滤波器后的光谱只含中心载波和上一阶边带，如图6所示。信号传输采用衰减速率为0.2 dB/km，色散常数为16.75 ps/(nm·km)的单模光纤(SMF)。光电检测器的灵敏度为1 A/W，暗电流为10 nA。在信号的接收解调模块中，光信号被光电探测器接收转换为电信号，经过电信号放大以及I/Q相干解调，然后，通过低通滤波器后得到基带信号。基带信号频谱见图7，发送信号的频谱见图8。比较图7和图8可以看出：解调后的基带信号保留了原始基带信号所包含主要能量的低频部分。
图2 单边带OFDM系统仿真图
Fig.2 OFDM system simulation of single side band
图3 调制后OFDM信号光谱
Fig.3 Optical spectrum of modulated OFDM signal
图4 光载波光谱
Fig.4 Spectral figure of optical carrier
图5 OFDM信号调制到光载波上光谱
Fig.5 Optical spectrum of OFDM signal modulated
图6 经过矩形滤波器后光谱
Fig.6 Filter spectrum through rectangular
图7 接收的基带信号频谱
Fig.7 Frequency spectrum of received base-band signal
图8 发送信号的频谱
Fig.8 Spectrum optical of sending signal
2.2 传输系统仿真结果分析
在光通信系统结构和参数一致即射频载波为10 GHz，速率为0.5 Gbit/s的OFDM信号，单模光纤色散系数D=16.75 ps/(nm·km)时，对OFDM系统仿真分析基于LDPC纠错编码和不使用纠错编码在64QAM调制下系统的传输性能。图9所示为LDPC-OFDM信号与原始OFDM信号在单边带光载系统的误码率与传输距离的关系曲线。从图9可以看出：使用LDPC编码的OFDM信号传输150 km后的误码为1×10-2，传输200 km的误码小于0.015，优于未使用LDPC编码的OFDM信号的传输性能。其主要原因是FEC技术的使用降低了信号传输速率，降低了接收端OSNR容限，同时获得了编码增益，提高了系统的传输性能。图10所示为使用LDPC编码和不使用LDPC编码的系统传输效果的星座图。从图10也可以看出：经过64QAM调制后，LDPC-OFDM信号在传输50 km和200 km SMF后的星座图比传输同样距离的原始OFDM信号更清晰。经过仿真结果分析，在传输相同距离下，LDPC-OFDM信号的误码性能比原始OFDM信号好，说明LDPC纠错编码具有较强的纠错能力，弥补了光纤链路中色散对信号造成的影响，提高了信号的传输质量，可以广泛应用于OFDM系统。
图9 误码性能比较
Fig.9 Comparison of BER performance
图10 原始OFDM信号和LDPC-OFDM信号传输后的星座图
Fig.10 Constellation diagram of original and LDPC-OFDM signal transmission of OFDM signal
3 结论
(1) 设计了一种基于单边带光载LDPC-OFDM传输系统。
(2) LDPC编码具有较强的纠错能力，前向纠错编码的使用弥补了光纤链路中色散对传输信号质量的影响。在OFDM信号的基础上采用LDPC编码能获得较好的编码性能增益和更紧凑、清晰的星座图。但是，LDPC编码的码率限制了信号的发送速率，需进一步完善LDPC的编码和译码过程，提高信号的传输速率和系统的编码增益。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-05-20；修回日期：2012-07-21
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61074051，61274026)；湖南省科技计划项目(2011GK3058)；湖南省教育厅资助项目(10C0709)
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
