基于OFDM技术的毫米波产生方案研究

摘要:该文提出了一个基于正交频分复用(OFDM)技术的毫米波产生方案。理论分析了OFDM毫米波的色散性能,研究发现虽然由于色散的影响,每个OFDM子载波都有一个相移,但是经过相位均衡后,可以很清晰的得到接收星座图。该方案较之采用相干接收的OFDM光纤无线通信系统(ROF)具有结构简单,使用光学器件少的优点,并且该方案同样具有抗色散的性能。

关键词:正交频分复用(OFDM);光纤无线通信(ROF);色散;相位均衡

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)14-3797-03

The Research on the Optical Millimeter Wave Producing Scheme Based on the OFDM Technology

LONG Hai1, HUANG Cheng2

(1. Computer Department, Hunan Institute of Humanities, Science and Technology, Loudi 417000, China; 2.Department of Communication, School of Computer and Communication, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: A scheme of optical millimeter (mm) wave based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) generation have been proposed with theoretics and simulation in this paper. The dispersion performance of OFDM mm-wave was analyzed theoretically. According to the result, although every sub-carrier of OFDM signals after transmission had a phase shift caused by dispersion, we can obtain a clear received constellation after phase equalization. The system with this scheme can simplify the system configuration compared over coherence optical OFDM-ROF system.The mm-wave generation by this scheme also can resist the fiber dispersion.

Key words: orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); radio-over-fiber(ROF); dispersion; phase equalization

1 引言

光纤无线通信(ROF:Radio-Over-Fibre)作为未来解决宽带无线接入最有前景的技术之一,近年来得到了广泛研究。它利用光纤低损耗,超大带宽以及抗电磁干扰等特性来传输无线信号,满足用户对无线接入网带宽的需求[1-6]。正交频分复用(OFDM)技术成为高速宽带无线通信的优选方案, OFDM技术在无线环境中抗多径衰落和窄带干扰特性明显,而最近的研究成果表明,在光通信领域,OFDM技术可以抵抗色散和偏振模色散的影响,因而也成为光通信领域的研究热点[3-6]。OFDM技术与ROF技术相结合组成OFDM-ROF系统可以发挥各自的优势,提高接入带宽和实现毫米波远距离传输。基于OFDM技术的毫米波产生是实现OFDM-ROF系统以及降低系统造价的关键技术。近年来,有许多文献研究了OFDM信号在光纤中传输的问题[3-6],大部分都是采用相干检测技术来接收OFDM信号[6]。同样也有采用直接检测的光OFDM传输系统,但是采用的频率只有7.5GHz,采用单边带调制技术,并且没有涉及到毫米波通信技术[4-5]。

本文提出了一种基于OFDM技术的毫米波产生方案,先采用载波抑制调制产生光毫米波,然后在其中一个边带上加载经过中频I/Q调制后的OFDM信号,采用直接检测接收毫米波信号,理论结合仿真研究了色散对OFDM子载波相位的影响。

2 理论分析

OCS:载波抑制调制;LD:半导体激光器;IL:光交叉复用器;OC:光耦合器; TOF:可调谐光滤波器;PD:光电检测器;BPF:带通滤波器

如图1所示,数字基带信号经过OFDM调制后可以得到:

(1)

其中N为子载波数,为4-QAM数据,tS为符号周期;然后对基带OFDM信号的实部I(t)和虚部Q(t)进行中频I/Q调制,得到中频OFDM信号,可以表示成:

(2)

RE(.)表示取实部。(2)式可以表示成三角函数:

(3)

其中,。

激光二极管(LD)发出的连续光波(CW),表示为,其中P0为光功率,ωc为光角频率,输入到直流偏置电压为vπ的MZM调制器中实现载波抑制调制,可以表示为:

(4)

然后使用一个交叉复用器分离两个一阶边带。中频OFDM信号驱动直流偏置电压为vπ的MZM调制器调制一阶上边带,将vIF的幅值设置在一阶Bessel函数的近似线形区,然后与一阶下边带耦合成一路信号,该信号经过色散光纤传输到基站可以表示成:

(5)

其中,表示各个频率分量的相移,其中ωi表示频率分量相对于光中心载波ωc的频偏,L为传输距离。该信号进行光电检测得到中心频率为2ωRF的电毫米波信号为:

(6)

最后经过毫米波相干解调和中频I/Q解调后,得到OFDM基带信号为:

(7)

可以看到,虽然信号由两个具有不同相移的OFDM信号组成,且每个OFDM子载波都有不同的相位偏移,但是OFDM接收机可以通过信道均衡来补偿各个子载波的相位偏转,实现信号的正确接收。

3 仿真结果及分析

在Optsys3.0中建立如图1的仿真系统,激光二极管(LD)发出线宽很窄的连续光波输入到偏置电压为半波电压,驱动电压为20GHz射频信号的MZM调制器中实现载波抑制调制产生两个一阶边带纵模,然后用一个交叉复用器分离两个一阶边带纵模,将中频OFDM信号调制到一阶上边带纵模;其中OFDM信号由Matlab程序产生,速率为2.5Gbps的伪随机码经QAM调制成1.25Gbps的频域数字信号,该频域数据再经过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OFDN信号的实部和虚部进行中频I/Q调制,中频信号的频率为2.5GHz,图2表示中频OFDM信号的频谱,即图1中(a)处的频谱,可以看到其中心频率为2.5GHz,带宽为1.25GHz;然后用中频OFDM信号驱动直流偏置电压为半波电压的MZM调制器对上边带纵模进行调制后与一阶下边带耦合,形成光OFDM毫米波信号,图3表示光OFDM毫米波信号的光谱图,即图1中(b)点的光谱图;光OFDM毫米波信号经过色散光纤传输到基站,经过光电检测器得到电信号,其频谱如图4所示,可以看到,电信号包括基带信号,中心频率为5GHz的电信号,以及中心频率为40GHz的毫米波信号,其两个边带距离中心频率2.5GHz;40GHz的毫米波信号与40GHz的本地震荡混频经过中心频率为2.5GHz,带宽为1.25GHz的带通滤波器后得到2.5GHz中频OFDM信号,如图5所示;最后中频OFDM信号经过中频I/Q解调,并经过OFDM解调后得到基带信号。图6和图7分别表示背靠背(B-T-B)和传输80km后的接收星座图,其中红点表示没有经过相位均衡的接收星座,而黑点表示相位均衡后的星座图,可以看到经过80km传输后接收星座图相位偏转明显,影响信号的正确接受,而经过信道估计得到均衡后的星座图非常清晰,可以对信号正确接收,这也是OFDM技术可以对色散和偏振模色散进行补偿的原因所在。

图2 中频OFDM信号频谱图图3 光OFDM毫米波信号光谱图图4 接收机产生的电信号频谱图

图5 接收的中频OFDM频谱图图6 B-T-B下接收星座图图7 传输80-km后接收星座图

4 结论

该文设计了一个光纤无线通信系统中基于OFDM技术的毫米波产生方案,理论结合仿真分析了色散对光OFDM毫米波的传输影响。研究发现虽然色散引起了OFDM信号中各个子载波的相位偏转,但是OFDM信号接收时经过相位均衡后得到的接收星座图非常清晰。该方案采用直接检测技术接收OFDM信号,与采用相干光OFDM技术相比,基站不需要相干光源,实现基站的简单设计,并且该方案产生的OFDM毫米波能够抵抗色散影响,在光纤无线通信系统中远距离传输。

参考文献:

[1] Jose Capmany,Dalma Novak. Microwave photonics combines two worlds[J]. Nature Photonics,2007,1:319-330.

[2] Lin Chen, Hong Wen, and Shuangchun Wen. A Radio-Over-Fiber System with a Novel Scheme for Millimeter-Wave Generation and Wavelength Reuse for Up-Link Connection [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.,2006,19(18):2056-2058.

[3] James Lowery, Jean Armstrong. Orthogonal-frequency-division multiplexing for dispersion compensation of long-haul optical systems[J]. Optics Express, 2006,14(6):2079-2084.

[4] James Lowery, Jean Armstrong. 10 Gbit/s multimode fiber link using powerefficient orthogonal-frequency-division Multiplexing[J]. Optics Express, 2005,13(25):10003-10009.

[5] James Lowery, Liang Bangyuan Du,,Jean Armstrong. Performance of Optical OFDM in Ultralong-Haul WDM Lightwave Systems[J]. Journal of Lightwave Tech., 2007,25(1):131-138.

[6] W. Shieh, X. Yi and Y. Tang. Transmission experiment of multi-gigabit coherent optical OFDM systems over 1000km SSMF fibre[J]. Electolics Letters, 2007,43(3).