多频带正交频分复用超宽带信号在光载无线波分复用.doc

基于多频带正交频分复用超宽带信号在光载无线波分复用系统中传输时串扰影响的综述摘要：目前超宽带的新应用越来越多，这些新应用的出现需要拓宽超宽带的范围。由于超宽带信号的低功耗，高带宽和高频率，通过同轴电缆分布UWB是非常昂贵的。然而光纤具有低损耗，低成本，高带宽等特点。这就表明了通过光纤进行UWB分布是很好的选择，其中光载无线通信是一项高效的技术。相干光正交频分复用技术的设计实现了光纤的长距离传输1。对于高效地进行数据传输以及利用频谱进行追踪时OFDM不需要进行复杂的色散管理工作，并且OFDM还能兼容波分复用系统。尽管OFDM有很多优点，但是因它具有多个子载波，狭窄的频率区间，峰均功率比高的特性，使得OFDM对于光的发射机/接收机以及光纤所引起的非线性是非常敏感的。在短距离的光纤传输里，比如光载无线通信,光纤的色散以及由光发射机引起的非线性的影响已经得到了实验的验证2。然而当波分复用技术被应用到光载无线通信系统中，这将产生相邻的和非相邻的通道串扰，这些串扰可能毁坏OFDM信号的正交性和限制信号的传输。通过实验研究了多频带正交频分复用超带宽信号在光载无线通信波分复用系统中传输时串扰的影响。结果发现在相邻通道的串扰水平不高于-5dB的情况下，正交频分复用信号的正交性在20Km的光纤传输后仍可被保持。即光纤波分复用系统的MB-OFDM UWB信号具有很强的抗串扰能力。关键字：多频带 正交频分复用 超宽带 无线光纤通信 波分复用 串扰Abstract:New applications of ultra-wideband are more and more presently, these new applications require extending the limited range of UWB. Due to very low power, wide bandwidth and high frequency signals of the UWB, distribution of UWB over coaxial cable is very expensive. On the other hand, fiber has low loss, low cost and wide bandwidth characteristics. This suggests that radio over fiber is an efficient technique for distribution of UWB wireless, i.e. UWB over fiber. Coherent optical orthogonal frequency division multiplexing has been designed for long haul transmission over fiber. OFDM does not require complicated chromatic dispersion management for transmission, utilizes spectrum recourses efficiently and is compatible with wavelength division multiplexing system. Despite of the advantages of OFDM, It is very susceptible to nonlinearities from the optical transmitter/receiver and fiber due to the high number of sub-carriers, narrow frequency interval and high peak to average power ratio of the OFDM signal. In short-distance of fiber transmission, such as radio over fiber ,The combined effect of fiber dispersion and nonlinearities of optical transmitters response on the OFDM sub-carriers for multiband-orthogonal frequency division multiplexing ultra-wideband over fiber system has been investigated. However, when wavelength division multiplexing technique is introduced to RoF system, there are adjacent and non-adjacent channel crosstalk that may destroy OFDM signals orthogonalities and thus limit transmission. In this paper, for the first time to our knowledge, we investigate the impact of adjacent channel crosstalk on MB-OFDM UWB signal transmission in RoF WDM system. That is MB-OFDM UWB over fiber WDM system is robust to crosstalk.Keywords: MB OFDM UWB RoF WDM crosstalk1、 引言随着科学的发展，超宽带（UWB）的新应用，比如用一个手持设备从远处的大型服务器上下载高清的视频，用一个远离控制中心的嵌入式传感器传输数据或者在长的隧道里用一个视频监控系统同时传输一些数量的视频流和控制信号等等，这些新应用需要拓宽超带宽的范围。但是由于超带宽信号具有低功耗，高带宽和具有高频率，通过同轴电缆分布UWB是非常昂贵的3。另一方面，因为光纤具有低损耗，低成本，高带宽的特点。这就表明了对于通过光纤进行的UWB分布来说，光载无线通信（RoF）是一项高效的技术。相干光正交频分复用技术的设计实现了光纤的长距离传输。对于高效地进行数据传输和利用频谱的追索能力，OFDM并不需要进行复杂的色散管理工作，并且OFDM能兼容波分复用系统。尽管OFDM有很多优点，但是由于OFDM信号具有多载波，狭窄的频率区间以及峰均功率比高的特性，使得OFDM对于光的发射机/接收机以及光纤引起的非线性是非常敏感的。在短距离的光纤传输里，比如光的无线通信,直接检测的方法能被应用在光的OFDM中，从而减少了成本。光纤的色散以及光发射机在光纤系统MB OFDM UWB中引起的非线性产生的影响已经得以验证4。然而当波分复用技术（WDM）被应用到RoF系统中，这将产生相邻的和非相邻的通道串扰，这些串扰可能毁坏OFDM信号的正交性和限制了传输。在这个论文里，首先因为我们的知识，我们探讨了在光无线通信WDM系统里，相邻通道串扰在MB-OFDM UWB信号传输中的影响。结果发现通过光纤波分复用系统的MB-OFDM UWB信号具有很强的抗串扰能力。二 、关键技术总结1、多频带-正交频分复用-超带宽技术（MB-OFDM UWB）多频带-正交频分复用（MB-OFDM）是IEEE 802.15.3a 工作组无线个域网（WPAN）物理层标准的候选提案之一，它的核心技术是时频交织-正交频分复用（TFI-OFDM），即信息比特在所有的子频带之间进行交织，每个子频带的信号为一个OFDM 信号，它由128 路正交的子载波信号合成进行数据的发送。该系统传输速率高，发射功率低，误码率小，且具有良好的带外功率特性，同时多频带技术的应用使得超宽带系统可以根据各国制定的不同的频带分配原则，选择合适的频带进行高速数据传输，可以有效地避免影响某些特定频段，容易实现与现有的无线通信系统共存。2、光载无线通信技术（RoF） 光载无线通信radio-over-fiber技术是将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术5。ROF系统中运用光纤作为基站(BS)与中心站(CS)之间的传输链路，直接利用光载波来传输射频信号。光纤仅起到传输的作用，交换、控制和信号的再生都集中在中心站，基站仅实现光电转换，这样，可以把复杂昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，减少基站的功耗和成本。光纤传输的射频信号提高了无线带宽，但天线发射后在大气中的损耗会增大，所以要求蜂窝结构向微微小区转变，而基站结构的简化有利于增加基站数目来减少蜂窝覆盖面积，从而使组网更为灵活，大气中无线信号的多径衰落也会降低；另外，利用光纤作为传输链路，具有低损耗、高带宽和防止电磁干扰的特点。正是这些优点，使得ROF技术在未来无线宽带通信、卫星通信以及智能交通系统等领域有着广阔的应用前景。该技术是一种光和微波相结合的通信技术，希望利用光纤的低损耗、高带宽特性，提升无线接入网的带宽，为用户提供“Anywhere, Anytime, Anything”的服务。与传统的系统相比，ROF系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点6。 3、波分复用技术（WDM）波分复用技术是一种在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息的技术，简称WDM。光波分复用一般应用波长分割复用器和解复用器分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的7。光的波分复用技术有以下优点：（1）充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约25THz，传输带宽充足。(2）具有在同一根光纤中，传送2个或数个非同步信号的能力，有利于数字信号和模拟信号的兼容，与数据速率和调制方式无关，在线路中间可以灵活取出或加入信道。(3）对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不用对原系统作大改动，具有较强的灵活性。(4）由于大量减少了光纤的使用量，大大降低了建设成本、由于光纤数量少，当出现故障时，恢复起来也迅速方便。(5）有源光设备的共享性，对多个信号的传送或新业务的增加降低了成本。(6）系统中有源设备得到大幅减少，这样就提高了系统的可靠性。目前，由于多路载波的光波分复用对光发射机、光接收机等设备要求较高，技术实施有一定难度，同时多纤芯光缆的应用对于传统广播电视传输业务未出现特别紧缺的局面，因而WDM的实际应用还不多。但是，随着有线电视综合业务的开展，对网络带宽需求的日益增长，各类选择性服务的实施、网络升级改造经济费用的考虑等等，WDM的特点和优势在CATV传输系统中逐渐显现出来，表现出广阔的应用前景8。 三 、核心实验设计 如图1所示，用一个由Wisair公司生产的电路板DV 9110M Tx来生成携带三个中心频率f1 = 3.43 GHz， f2 = 3.962 GHz，f3= 4.488GHz 的MB-OFDM UWB信号。每个基带信号都有128个OFDM的副载波，同时信号经QPSK调制后的位率是200 Mb/s。MB-OFDM UWB的信号是被低噪音放大器放大，变频衰减器是用来改变DE-MZM的射频调制指数。波长分别是1 = 1543.82 nm and 2= 1544.22 nm以及光功率是4 dBm的两个连续源(CW)被接入一个由富士通公司生产的DE-MZM中，DE-MZM它有6 dB的插入损耗，3.6V半导开关电压和28.5dB的MB-OFDM UWB信号的消光比。DE-MZM通过90度的混合耦合器驱动去图1 MB-OFDM RoF WDM系统的实验原理图 注：PC:偏振控制器 RVA: 射频可变衰减器 BS: 基站 LNA: 低噪音放大器 EDFA:掺铒光纤 OVA:可变光衰减器 OC：光耦合器 CS: 中心站 AMP:射频放大器 DV 911M Tx: MB-OFDM UWB信号发生评估板 AWG: 阵列波导光栅解复用器 完成MB-OFDM UWB信号的光的单边带调制。为了实现光信号的监测，可以用一个10%比例抽头耦合器。两个调制的WDM通道CH1 和CH2的信号可以在被发射进入进20 km的单模光纤中之前被掺饵光纤放大器放大。实验中可变的光衰减器 (OVA)是用来衰减光信号的，在光信号被一个具有6 dB的插入损耗和多于34 dB信道抑制的阵列波导光栅解复用之前。解复用通道CH1和CH2被一个产于MITEQ公司的具有6 GHz带宽的PIN二极管接收器进行对接收信号照片检测，并用一个来产于安捷伦科技公司的DSO81204完成实时评估。除此之外，两个通道因共享MZM的调制器因此传送相同的OFDM信号，为了实验的准确性，我们必须足够的考虑和重视两个通道间的串扰的情况。 首先研究射频调制指数在传输的WDM通道CH1和CH2中的影响。设置每个通道接受的光功率达到-10.5dBm同时通过调整可变频衰减器来改变DE-MZM的射频的调制指数。图2描绘了CH1和CH2分别在对头拼接和经过20 km 的单模光纤传输后随着射频调制指数变化的误差矢量幅度情况。结果很明显，两个通道在最佳的射频调制指数约为4.17%处时对头拼接和20 km的单模光纤传输达到了各自的最好的-19.6dB 和 图2 图3 图4-19.3的误差矢量幅度，这个非常类似于通过光纤的单通道UWB。Wi Media公司设定-17 dB为最佳的误差矢量幅度，给了更新设定，所需要的射频调制指数应该多于1.7%and 2%并少于6.5%。以低的射频调制指数，会限制这个系统的信噪比，然而高的射频调制指数又会使系统受限于交调失真。对于UWB RoF WDM系统，MB-OFDM UWB RoF WDM系统的传输性能可能受到WDM的解复用器的性能的限制10，这个WDM的解复用器是用来分割波长通道的。在理想状态下，WDM解复用器应该可以分割所有个体的波长通道并且没有串扰。然而目前应用的WDM解复用器是能够产生相邻和非相邻串扰的，其中相邻串扰是最不利的1112。为了探讨串扰在光载无线通信波分复用系统中影响，我们设置了波长为1的连续源的输出功率为4 dBm，除去阵列波导光栅解复用器，通过改变波长为2的连续源的输出功率来改变通道CH2的串扰水平。通道CH1和CH2的调制指数被设为最佳值：4.17%，并且在通过20Km的单模光纤传输后，通道CH1的误差矢量幅度在与通道CH2不同串扰水平的情况下被测量。就像图4显示的那样，在图4中显示了通道CH1的误差矢量幅度随着通道CH2的串扰水平变化的情况。当串扰水平的降低时星座图和误差矢量增加图如图5所示，此图为在串扰水平为0, -3, -5 和 -34 dB情况下，通道CH1信号的星座图。因为所接受的UWB信号受到了串扰从而减少了它的信号的信噪比的情况如图6所示，该图中显示了在串扰水平为 图5 图60, -3, -5和-34 dB的情况下，通道CH1的的随时间变化信号波形情况。可以看到串扰对通道CH1的信号造成了破坏。当串扰水平从0减少到了-3 dB,误差矢量幅度值从-6.6增加到了-15.2。为了实现所需要的误差矢量幅度值-17 dB，串扰水平应该被保持在-5 dB。在串扰水平为-14 dB的情况下误差矢量幅度值为-19 dB ，如果串扰水平达到-34 dB，误差矢量幅度的值仅被提高了0.3 dB。这个就表明了通过光载无线通信波分复用系统的MB-OFDM UWB信号的相邻通道间的串扰是非常强大的13。而且通过比较图5的(c)和 (d) ，以及比较图6的(c)和(d)可以发现当串扰水平在-5 dB 或更低时，OFDM信号的正交性能够被保持。四、实验总结通过实验我们完成了多频带-正交频分复用-超宽带信号在光载无线波分复用系统中的传输。并对多频带-正交频分复用-超宽带信号在光载无线通信波分复用系统传输时相邻通道间串扰影响的情况做了研究。通过对数据的统计和处理，结果表明通过光纤波分复用系统传输MB-OFDM UWB信号对于相邻通道间的串扰抵抗能力很强。在串扰水平为-5 dB时可以得到-17 dB的误差矢量幅度。并且串扰水平在-5 dB 或更低时，OFDM信号的正交性仍可被保持。该实验结果对相关工程具有一定的借鉴意义，但是由于知识的局限以及采用的相关技术不够完善等因素，实验还有待于继续完善。相信通过不懈的努力，将会找到更完善的技术为人们所用。参考文献1 /15/pub/2003/Jul03/03268r2P802-15_TG3a-Multi-band-CFP-Document.pdf Online. 2 M. Sakib, B. Hraimel, X. Zhang, M. Mohamed, W. Jiang, K. Wu, and D. Shen “Impact of optical transmission on multiband OFDM ultrawideband wireless system with fiber distribution,” IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 27, pp. 4112-4123, 2009.3 J. P. Yao, F. Zeng, and Q. Wang, Photonic generation of ultrawideband signals, Journal of LightwaveTechnology 25, 3219-3235 (2007).4 G. H. Nguyen, B. Cabon, and Y. Le Guennec, “Generation of 60-GHz MB-OFDM Signal-Over-Fiber by Up-Conversion Using Cascade External Modulators”, J. 2010.5刘晓敏.Radio-over-Fiber系统的性能研究及其实现D.杭州：浙江大学，2007.6黄嘉明，刘伟平，等. RoF 技术与应用J.光纤与电缆及其应用技术，2007（02）：32-35.7 Shilong Pan , Jianping Yao. Converged IR-UWB Wireless and Baseband Wired Access Over a WDM-PONECOC 2011,We.10.p1.106.8 Thierry Zami. Comparison of elastic implementations for WDM networks. ECOC 2011 , We.10.p1.103.9 /publications/files/ECMA-ST/ECMA-368.pdf Online.10 T. Alves, M. Morant, A. Cartaxo and R. Llorente, “Performance Comparison of OFDM-UWB RadioSignals Distribution in Long-Reach PONs Using Mach-Zehnder and Linearized Modulators”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), 29 (6), (2011).11 G. Shen, et al., “Energy-minimized design for IP over WDM networks,” IEEE/OSA J. Optical Commun. Netw., vol. 1, no. 1, pp. 176186, June 2009. 12 C. Cavdar, Energy-efficient Connection Provisioning in WDM Optical Networks, in OFC/NFOEC 2011, OWI3.13Yang Yue1, Hao Huang1, Lin Zhang1, Jian Wang1, Jeng-Yuan Yang1, Omer F. Yilmaz1, Jacob S. Levy2,Michal Lipson2, and Alan E. Willner1. Experimental Demonstration of UWB Monocycle PulseGeneration using Two-Photon Absorption in a Silicon Waveguide. ECOC 2011 , We.10.p1,24.14 Roberto Llorente(1), Maria Morant(1),