OFDM_ROF下行链路的性能研究

2010年第05期，第43卷 通 信 技 术 Vol.43，No.05,2010 总第221期Communications Technology No.221,Totally
OFDM-ROF下行链路的性能研究
唐红文， 陈少平， 杨春勇
（中南民族大学 电子信息工程学院，湖北 武汉 430073）
【摘 要】OFDM技术与ROF技术结合为实现低成本、高速数据传输的移动网络提供了可能，但光纤链路的非线性以及无线信道的多径衰落降低了系统性能。

在建立ROF下行链路的传输函数模型基础上，分析ROF下行链路对OFDM信号性能的影响。

传输模型包括激光器，光纤链路以及无线信道。

分析在不同光调制指数、光纤长度及无线多径信道下接收信号的误差矢量、三阶非线性失真和互调失真。

仿真结果显示：随着调制指数、光纤长度的增加，以及无线信道的多径衰落使得接收信号性能下降。

此分析为OFDM-ROF下行链路的线性化以及无线信道均衡方案选择提供了理论基础。

【关键词】正交频分复用；光载无线电；非线性；多径无线信道
【中图分类号】TN929.11【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2010)05-0034-04
Study on OFDM-RoF Downlink
TANG Hong-wen， CHEN Shao-ping， YANG Chun-yong
（College of Electronic and Information Engineering, SCUFN, Wuhan Hubei 430073, China）
【Abstract】The integration of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) with Radio over Fiber(RoF) technique provides the possibility of cost-effective and high data-rate wireless networks. However, the nonlinear effects and multipath fading of wireless channel could severely degrade the performance of RoF as well as OFDM system. In this paper, based on the transfer function model of the ROF downlink, the performance of OFDM based ROF link is analyzed. And this transfer model includes the laser diode, single mode fiber and wireless channel. The error vector, third-order nonlinear distortion and intermodulation distortion of the received signal under different modulator index, fiber length and multipath wireless channel are discussed. Simulation results show that the performance of received OFDM signals would decrease with the increase of modulator index and fiber length as well as the multipath fading of wireless channel. These discussions and analyses provide a theoretical basis for linear and equalization algorithm of OFDM-ROF downlink.
【Key words】OFDM；Radio over Fiber；nonlinear；multipath wireless channel
0 引言
光纤以其不可替代的带宽，无电磁干扰和低损耗在通信干线网络中担当这主要角色，因此基于光纤的RoF技术成为高速通信系统的必然选择[1]。

然而由于调制速率和调制频率的增大，ROF系统的非线性变得较为突出，同时，无线信道的多径衰落引起严重的码间干扰，这成为影响ROF系统性能的二个重要的因素。

为了使RoF技术更好地应用于宽带无线接入和移动通信系统，必须研究RoF系统对传输信号的影响。

相关文献对OFDM-ROF系统的非线性失真进行了研究。

文献[2]针对外调制，分析Mach-Zehnder调制器非线性对OFDM信号的影响。

文献[3] 分析分布式反馈激光器DFB （Distributed Feedback lasers）非线性对OFDM信号的影响。

文献[4]分析电吸收调制器EAM（Electroabsorption Modulators）及射频放大器的非线性对OFDM信号的影响。

上述文献没有考虑光纤色散的非线性失真，以及移动信道多径效应对传输信号的影响。

本文针对DFB光强度调制，单模光纤，直接光探测级联多径无线链路的ROF下行链路，用Volterra级数与冲击响应分析模型相结合分析ROF链路各模块的传输特性。

在此基础上建立ROF下行链路的非线性传输模型，分析在不同模型参数下，ROF链路对OFDM信号的性能影响。

收稿日期：2009-08-01。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（批准号：60772031）。

作者简介：唐红文（1969-），女，副教授，主要研究方向为通信网络与通信信号处理；陈少平（1964-），男，教授，主要研究方向
为通信系统和多媒体信息处理；杨春勇（1975-），男，副教
授，主要研究方向为微波光子学、光纤无线电混合网络。

34
35
1 光载无线电下行链路传输特性
设OFDM 信号有N 个子载波，则发送的时域OFDM 信号表示为： ()()/210/2
cos 2πN i i i N s t d f f t −=−=
⎡−⎤⎣⎦
∑， (1)
式中0f 是中心频率；0i f f −是第i 个子载波频率；i d 表示第i 个子载波上调制的信号。

式（1）可以改写成：
()()()/210/2cos 2πcos 2πN i i i N s t d f t f −=−=
−∑
()()/210/2
sin 2πsin 2πN i i i N d f t f −=−=∑
()()()0cos 2πA t f t θ+，
（2) 等效的复基带信号为：
()()()()exp 2πs t A t j t θ= ，
(3)
根据中心极限定理，当N 足够大时，()s t 是高斯随机过程，
包络()A t 服从瑞利分布[5]。

ROF 链路包括中心站CS、基站BS、移动终端MT、光链路及无线链路。

在中心站基带信号进行射频调制，然后经光调制器产生适合光纤信道传输的信号，输出光信号耦合到光纤，经光纤传送到基站，在基站端光电转换还原电信号，由天线发送经无线链路传送至移动终端。

图1所示为ROF 下行链路模型，分布式反馈激光器DFB（Distributed Feedback lasers）实现光强度调制，光纤采用单模光纤，光探测器
1.1 直接光调制器传输函数
OFDM 信号加载于注入电流上，使激光二极管的注入电流得到调制，相应调制输出激光的光强度，因此激光器的传输
特性可以由激光器的速率方程描述[6]
，
激光器的速率方程为： d 1()d s s nr N I N gP
N t qV V
ββτττ−=−+−−
， （4） d d P s
P P NV gP t βττ=−++， （5）
式中N 、P 分别是有源区载流子浓度、光子数密度；g 是光增益，0()g a N N =−，其中a 为增益斜率；0N 为透明载流子浓度；p τ光子寿命；s τ自发发射寿命；nr τ非辐射复合寿命；β表示自发辐射因子；V 是有源区体积；q 电子电荷；
I 为注入电流。

采用文献[7]的Volterra 序列分析方法，激光器的n 阶传输函数表示为：
()2LD1111H f Af jBf C =−++，
()()()2
LD2121212,2H f f D f f jE f f F =+−+−，
()()()2
LD3123123123,,226,H f f f G f f f j H f f f I =−++++++
（6）
式中参数由速率方程求出，由于ROF 系统的激光器是一个弱非线性系统，故只考虑其二次和三次效应。

即
[]LD 12,,,0,1,2,3n n H f f f n =≠"。

公式（6）描述了激光器与频率相关的非线性失真。

激
光器输出的光功率[8]
为：
out 2d i p
h VP P υηητ=Γ，
（7）
式中h 普朗克常数；υ光频率；i η激光器内部光量子效率；
d η激光器差分光量子效率；Γ是光约束因子。

1.2 单模光纤
单模光纤对信号的传输影响主要是衰减和色散。

光纤色
散传输函数[9]
是：
()()fiber fiber 0exp(j )H f G l f f α=−−， （8）
式中α是色散系数；l 表示光纤长度；0f f −射频频率；0f 光载波频率；fiber G 光纤的功率增益。

仿真分析时忽略激光器与光纤，光纤与PD 间的耦合损耗。

1.3 PD 直接光检测
OFDM 信号由激光器直接调制，经光纤耦合到光探测器，经光探测器光电转换后，已调光信号产生已调电流，通过光探测器的负载电阻输出电信号。

在系统匹配情况下，光探测
器的内部光增益[3]
可以表示为：
PD PD L G R R =，
（9）
式中L R 是负载阻抗，PD R 是光探测器的灵敏度（A/W）。

1.4 无线信道
无线信道的模型采用IEEE802.16 协议中规定的视距条件下的信道传播模型：
()wireless 1122exp(2π)exp(2π)H f C j fT C j fT =−+−+
33exp(2π)C j fT −，
（10）
其中1C ，2C 和3C 为各径的幅度，而1T ，2T 和3T 为各径的时延。

各参数的取值如表2所示。

其中R 表示符号速率，单位为MB，计算所得的单径时延单位为ns。

表 1 视距传播模型参数
传播模型名称径数
单径幅度 单径时延/ns
1 1.0 0 10.995
0 Type 0 Type 1
2
0.995exp(-j0.75) 400/R
10.286exp(-j0.75)
0 20.935 400/R Type 2
3
-0.095
800/R
OFDM-ROF 下行链路由激光器、光纤、PD、无线信道级联构成，下行链路传输函数为：
()()()()OFDM-ROF LD fiber out PD wireless H f H f H f P G H f =，（11） 式中()LD H f 、()fiber H f 、out P 、PD G 、()wireless f H 分别由公式（6）～式（10）确定。

下行链路的分析模型可以表示为：OFDM-ROF 系统输出= OFDM-ROF 下行链路传输函数×OFDM 输入信号。

36 2 仿真分析
仿真中OFDM 信号采用16-QAM，128个子载波，循环前缀的长度是16。

采用文献[6]的光调制器参数，自发辐射寿命910s s τ−=，自发辐射因子310β−=，光子寿命1210s p τ−=，有源区体积18310m V −=，偏置电流020I =mA 。

2.1 光调制器的非线性影响
根据Volterrra 方法及公式（6）可计算出半导体激光
器的三阶非线性失真（D TH ）和互调失真（D IM ）[7]
，分别为：
()()()
22
TH 0th 2
LD1LD1LD1()24023D m I I C H H H ηωω−=， (12） ()()()
2
20th IM 3LD1LD1802m I I D C H H ξω−=， (13）
式中：
()()()()1LD3LD LD2LD2,,23,,2H f f f H f H f f H f f η=−，
(14） ()()()()LD3LD1LD1LD2,,022,H f f f H H f H f f ξ=−−−⋅
()()()()()LD2LD1LD2LD2LD1,02,,20,
H f H f H f f H f f H −− (15） m 是光调制指数，th I 为激光器阀值电流，th I 由公式（4）、式（5）计算得出。

图2 是在载波频率5 GHz，不同调制指数下光调制器输出信号的非线性失真，非线性失真随着调制指数的增加恶化，光调制指数的选择对信号的性能有很大的影响，为了增加ROF 系统的线性范围，必须对光纤链路信号进行均衡或补偿，减少光纤链路的非线性失真。

图3 显示调制指数0.25m =时，
非线性随频率变化的曲线。

从图中可以看出在低频率段D IM 和D TH 相当，当频率大于1
GHz 后，D TH 失真较D IM 明显，D TH 大约比D IM 高4
dB。

对于下一代移动通信中常用到的频率 2.4 GHz 和 5 GHz，D TH 失真对信号的影响 更大。

图4显示了OFDM 信号的归一化功率谱密度（输出信号的功率谱/功率谱最大值），图中显示非线性失真会降低信号幅度，同时由于信号子信道间的互调干扰，引起信号的频谱扩展。

并且功率谱旁瓣随着调制指数的增加而增大，互调干扰增加。

2.2 单模光纤对信号的影响
星座图上误差矢量能清楚地反映信号的损伤程度。

误差矢量定义为测量信号与参考信号矢量差值的均方比，当符号数足够多时，统计平均可以用算术平均近似，误差矢量可以用下面公式计算：
20,120,1
11
N
n n n VM N
n n S S N
E S N ==−=∑∑， （16） 式中n S 是第n 个归一化测量符号;0,n S 是第n 个归一化参考符号;N 是符号数。

仿真中,光纤色散系数 3.5α=ps/(nm.km)。

图5 显示在不同光纤长度l ，RO
F 光链路输出信号相对参考
符号的误差矢量。

图中显示随着光纤长度的增加符号失真增加。

光纤距离为0.5 km 时误差矢量约1.6%，光纤距离是3 km 时增加到6.5%。

光调制指数
图2 D TH 和D IM 与调制指数的关系
f/GHz
图3 D TH 和D IM 与调制频率的关系
归一化频率
图4 OFDM 信号的归一化功率谱密度
l/km
图5 ROF 光链路输出信号的误差矢量
(D T H /C )/d B ,(D I M /C )/d B
D TH
D IM
E v m /(%)
功率谱密度/d B
(D T H /C )/d B ,(D I M /C )/d B
D TH D IM
37
2.3 无线信道对信号的影响
图6为调制指数2.0=m ，两径无线信道接收的信号星座图。

当光链路的非线性失真引起的时散小于OFDM 信号的循环前缀时，则不会产生码间干扰，此时无线多径时散占主导地位。

图7显示光调制器在不同调制指数，无线信道为单径，两径、三径下移动终端接收信号的误差矢量。

由于无线信道的损耗和多径产生的符号间干扰，误差矢量显著增加，两径比单径条件下误差矢量高30%，三径比两径条件的误差矢量约高20%。

实部
图6 两径信道接收的信号星座
光调制指数
图 7 移动终端接收信号的误差矢量
3 结语
本文从理论上分析ROF 链路的频域传输特性，在此基础上仿真分析ROF 链路对OFDM 信号传输的影响。

光调制器的非线性使传输信号产生非线性失真，在小光调制指数非线性失真小，随着光调制指数增加而非线性失真迅速增加,因而限制
了系统的动态范围，同时随着频率的增加，非线性失真单调增加。

因而，必须采用线性化技术增加ROF 链路的动态范围。

光纤色散对信号传输影响较小，在传输光纤距离较短时，光纤色散对传输信号的影响可以忽略。

无线信道是一个有记忆的线性信道，无线信道的多径效应使传输信号产生严重的符号间干扰，增加了接收信号的误差矢量。

因此接收端必须采用合理的均衡技术，减小符号间干扰，提高接收信号的质量。

光调制器的线性化以及无线信道均衡是保证ROF 链路信号传输性能必须解决的问题，但由于ROF 链路中间信号（光链路输出，无线链路输入）未知，使得ROF 链路线性化和均衡的联合算法提出了挑战，这也是我们要进一步解决的问题。

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虚部
E v m /(%)。