2017年第2期基于光OFDM的单边带调制技术研究中文核心期刊光网络摘要：采用滤波法实现了光OFDM的单边带（SSB）调制。给出了采用双臂马赫-曾德尔调制器（MZM）法和滤波法实现光OFDM单边带传输的原理，并验证了利用马赫-曾德尔调制器实现单边带的方法。实验结果表明，与双臂马赫-曾德尔调制器法相比较，滤波法在传输1000km以后，系统的传输性能得到了较好的提升，系统的传输效率也得到了一定的提高。关键词：正交频分复用；单边带；滤波法；马赫-曾德尔调制器中图分类号：O435.1文献标识码：A文章编号：1002-5561(2017)02-0013-04DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2017.02.004张迪迪，邹念育，高英明，张译心，苗美媛，李萍*（大连工业大学光子学研究所，辽宁大连116034）ResearchonsinglesidebandmodulationtechnologybasedonopticalOFDMZHANGDidi,ZOUNianyu,GAOYingming,ZHANGYixin,MIAOMeiyuan,LIPing*(ResearchInstituteofPhotonics,DalianPolytechnicUniversity,DalianLiaoning116034,China)Abstract:Singlesideband(SSB)modulationofopticalOFDMisrealizedbyfilteringmethod.TheprincipleofopticalOFDMsinglesidebandtransmissionusingtwoarmsMZMandfilteringmethodisgiven.ThemethodofusingMZMtorealizesinglesidebandverified.ExperimentalresultsshowthatcomparisonofsinglesidebandtransmissionwithtwoarmsMZM,afterthetransmissionof1000kmbyfilteringmethod,thetransmis-sionperformanceofthesystemhasbeenimproved,thetransmissionefficiencyofthesystemhasbeenim-proved.Keywords:OFDM;SSB;filteringmethod;MZM0引言为了满足现代网络带宽的需求和增加骨干网的传输距离，正交频分复用（OFDM）技术和光纤通信相结合这一技术得到了越来越多的关注[1~3]。目前光纤通信调制方式有多种，如利用双二进制编码[4]，光的单边带（SSB）[5]、双边带（DSB）及残留边带调制[6]。但是，双边带传输存在很大的局限性,其所需成本高，信号传输距离较短。为此，人们对如何数字实现单边带发送接收的研究越来越广泛。光单边带信号频谱宽度约为双边带信号的一半，具有能够减少光放大器噪声指数[7]的优点。实现光单边带传输的方法有滤波器法、希尔伯特变换法[8]、双臂马赫-曾德尔调制器法[9]和双平行马赫-曾德尔调制器法[10]。但是，利用希尔伯特变换实现单边带的方法存在宽频带相移网络实现困难和信号易失真的问题。利用马赫-曾德尔调制器法实现单边带中数字线性相位滤波器频率响应的幅度特性与sin函数相似，滤波后基带信号的低频和高频信号幅度会产生较大误差。本文使用滤波器法和双臂马赫-曾德尔调制器法实现光单边带的传输。在滤波法中采用了光单边带与直接检测相结合的方法进行信号的传输，在接收端进行相位均衡和相位补偿，发现有无相位补偿对传输的影响是不一样的，这对实验的进行具有指导意义。1光OFDM单边带传输分析1.1双臂马赫-曾德尔调制器法实现单边带利用双臂马赫-曾德尔调制器实现单边带的方法如图1所示。收稿日期：2016-10-17。作者简介：张迪迪（1992-），男，硕士研究生，研究方向为光通信。*通信作者：李萍(E-mail:liping@dlpu.edu.cn)。輥輱訛

2017年第2期张迪迪，邹念育，高英明，等：基于光OFDM的单边带调制技术研究光网络假设输入光载波的电场表达式Ein(t)=E0cos(ω0t)，驱动的RF信号表达式分别为V1(t)=VRF1cos(ωRF1t+准1)和和V2(t)=VRF2cos(ωRF2t+准2))，VRF1和VRF2分别是上下两路RF驱动信号的幅度，ωRF1和ωRF2分别是上下两路RF驱动信号的频率，准1和准2分别为上下两路RF驱动信号的初始相位。假设调制器的消光比为无限大，经过强度调制以后，输出光信号的电场表达式为：Eout(t)=E02cosω0t+πVRF1VπcosωRF1t+准1+Vbias1VDCπ+cosω0t+πVRF2VπcosωRF2t+准2+Vbias2VDCπ（1）式（1）中，Vbias1和Vbias2分别是调制器两个波导上的偏置电压，VDC是调制器的直流工作电压。当准1=+π2，μ=0.5，即Vbias2=2.5V时，式（1）可以简化为：Eout(t)≈E02J0(β)cosω0t-sinω0t+2J1(β)cosω0-ωRFt≈≈（2）由式（2）可以看出，输出的信号是由一个中心载波和一个上边带组成的单边带调制信号。1.2滤波法实现单边带利用滤波器实现单边带的方法如图2所示。本文之所以利用插入保护间隔的方法，是为了阻止由于信道衰落而引起的符号间干扰（ISI），基带信号可以利用调制器上变频到相应的射频频带。在接收端OFDM信号通过解调器下变频至基带信号。本系统采用4-QAM调制，每一个QAM数据通道被作为IFFT的输入，IFFT产生包含所有子载波叠加的复数时域波形。将此波形调制到一个射频载波fRF（7.5GHz），利用I-Q调制产生一个包含由直流偏移的子载波带的实数值的波形，然后利用单臂的马赫-曾德尔调制器调制成光载波，经过带通滤波器得到单边带信号。设要传输的射频信号表达式为S(t)=a0+a1(t)cos(ωRFt)，其中：a0是直流分量；a1(t)是基带信号，本实验中的a1(t)是速率很高的0、1数字信号；ωRF是本地振荡载波的频率。经过单边带调制方式调制到光载波上后，得到信号表达式为Sc(t)=E軑a0ejωct+a1(t)ej(ωc+ωRF)t。式中，E軑为光场强度，ωc为光载波频率。这里只存在中心载波E軑a0ejωct项和一阶上边带E軑a1(t)ej(ωc+ωRF)t项，表示一种单边带调制信号。而后，经过光纤传输可得：S′c(t)=E軑a0ejωct+a1(t)ej(ωc+ωRF)t·ejβ2ωRF2L2（3）由式（3）可知，信号经过光纤传输后，存在一定的色散影响。2光OFDM系统仿真2.1双臂马赫-曾德尔调制器法仿真分析双臂马赫-曾德尔调制器法实现单边带调制的频谱，其中心频率为193.1THz。激光器为连续波形激光器，提供了1550nm连续光波。信号通过上变换至7.5GHz中频段，这样可以提高信号带宽，增加信号的频谱利用率和抗干扰能力。光纤为普通单模光纤，其损耗为0.2dB/km。通过改变马赫-曾德尔调制器的直流偏压，得到的输出信号只含有中心载波和上边带频率分量。2.2滤波法仿真分析在滤波法实现光单边带（OSSB）的仿真系统中，激光器为连续波形激光器，提供了1550nm连续光波。信图1双臂马赫-曾德尔单边带调制法原理图图2滤波法实现单边带调制原理图輥輲訛

2017年第2期光网络号通过上变换至7.5GHz中频段，这样可以提高信号带宽，增加信号的频谱利用率和抗干扰能力。光纤为普通单模光纤，其损耗为0.2dB/km。通过马赫-曾德尔调制器调制到光域后经高斯带通滤波器滤波，形成单边带，结果如图3所示。图3是光载波信号的频谱图，其带宽为5GHz，光OFDM信号集中在7.5GHz的光载波上，通过抑制下边带实现光的单边带传输。在接收端，经过PIN进行直接检测，得到系统星座图如图4（a）所示。从图中4（a）可以很明显地看出，接收端没有进行相位均衡时，EVM值为0.998，4-QAM星座图紊乱，幅度与相位都出现较大偏差。相位偏移使码元星座点发生了旋转和分散，星座图因此呈现出圆形状态。由色散导致的相位偏移严重破坏了各子载波之间的正交性，因此需要在接收端对相位进行均衡。在接收端经过直接检测得到输出电流与输入光功率的关系为：IRF∝Pc(t)=S′c(t)2=E軑a0ejωct+a1(t)ej(ωc+ωRF)t·ejβ2ωRF2L2軑軑2≈dc+2E軑2a0a1(t)cos(ωRFt+β2ω2RFL2)（4）式（4）中，L为光纤长度，ωRF为副载波频率，β2为二阶信号的相位延迟。由式（4）可以看出，经过光纤传输后的信号，色散对其影响为一个相位变换因子β2ω2RFL2，造成相位偏转，其仿真图如图4（b）所示。由图4（b）可以看出，相位均衡后其星座图分开，4个星座点清晰可见，性能得到较好的提升。但是星座图偏转45°，相位偏移会造成EVM值增加，因此需要对星座图进行相位的补偿。这里采用在时域插入导频的方法，即把OFDM信号第一个符号的子载波插入已知导频点。在接收端，取出导频所在的符号，根据提出符号点的变化估计各个子载波相移因子，然后将此相移因子与其它的OFDM符号相乘，从而实现接收端相位的补偿。得到校正后的星座图在2.3节中给出。2.3两种实现单边带方法的仿真比较图5是两种方法仿真后得到的星座图。图5（a）是双臂马赫-曾德尔调制法经过光纤传输320km后，在接收端经过PIN进行直接检测得到的系统星座图，可以看出此星座图紊乱、模糊不清，幅度与相位都出现较大偏差，信号传输的性能很差。图5（b）是滤波法经过图3滤波法实现单边带调制频谱图图4相位均衡前后的星座图张迪迪，邹念育，高英明，等：基于光OFDM的单边带调制技术研究輥輳訛

2017年第2期光网络张迪迪，邹念育，高英明，等：基于光OFDM的单边带调制技术研究光纤传输1000km以后的星座图，此时的星座图没有发生偏转，且较为清晰。由图5（b）得出，通过插入导频的方法，传输信号的相位得到了补偿。图6是两种方法EVM值与输出功率的关系图。由图6可以看出，双臂马赫-曾德尔调制法经过光纤传输320km后，其EVM值达到了0.9306；滤波法传输1000km以后，其EVM值达到0.146。通过对以上2个仿真图进行分析，滤波法实现单边带传输1000km的方案相比于利用双臂马赫-曾德尔调制器实现单边带传输320km的方案，经光纤传输后更有优势，EVM值降低了0.78.3结束语本文的实验采用双臂马赫-曾德尔调制器法和滤波法实现了光单边带的传输，在接收端进行直接检测。通过对本系统的研究，得到主要结论为：采用直接检测系统，实现简单，利于商用化。采用滤波法进行单边带传输比采用马赫-曾德尔调制器传输色散限制的中继距离大幅提升，10Gb/s滤波法单边带信号在光纤中传输的距离为1000km；采用双臂马赫-曾德尔调制器法只有320km，而且其EVM值降低了0.78。电域均衡对系统性能有很大影响，均衡以后的单边带信号其EVM值降低0.85，通过均衡以后的单边带传输才能体现出其优越的性能。参考文献：[1]VIOLASMA,DESOUSAR.OpticalSingleSidebandmodulatorbasedondualarmMZMandaplications[C]//MicrowaveSymposium(MMS),Nov.15-1,2009,Mediterrannean,LongBeachUSA.Piscataway:IEEE,2009:1-3.[2]汪广业，王金鹏，杨娜.LED光通信中高聚光性菲涅尔透镜的设计[J].光通信技术，2015，39（8）：12-15[3]SHIEHW,DJORDJEVICI.光通信中的OFDM[M].白成林，冯敏，罗清龙，译.北京：电子工业出版社,2011.[4]陈杰，肖江南，陈明，等.基于FPGA的高速O-OFDM实时系统发送端信号处理[J].光通信技术，2012，36(8)：47-49.[5]YONENAGAK,KUWANOS.Dispersion-tolerantopticaltransmissionsystemusingduobinarytransmitterandbinaryreceiver[J].JournalofLight-waveTechnology,1997,15(8):1530-1537.[6]YOUH,PEIL,NINGT,etal.Single-sidebandmodulatedradio-over-fibersystembasedonlongperiodfibergrating[J].Optik-InternationalJour-nalforLightandElectronOptics,2013,124(18):3353-3356.[7]DAVIESB,CONRADIJ.Hybridmodulatorstructuresforsubcarrierandharmonicsubcarrieropticalsinglesideband[J].IEEEPhotonicsTech-nologyLetters,1998,10(4):600-602.[8]GRIFFINRA,LANEPM,O'REILLYJJ.Opticalamplifiernoisefig-urereductionforopticalsingle-sidebandsignals[J].JournalofLightwaveTechnology,1999,17(10):1793-1796.[9]孙帼丹,王荣,赵志爽,等.基于频域Hilbert变换的单边带O-OFDM实现[J].空间电子技术，2010，7(3)：19-23.[10]刘香玲，韩鹍，李建东，等.双平行马赫-曾德尔调制器的单边带RoF系统[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2012，39(2)：1-7.[11]SUNJ,YUL,ZHONGY.Asinglesidebandradio-over-fibersystemwithimproveddynamicrangeincorporatingadual-electrodedual-parallelMach-Zehndermodulator[J].OpticsCommunications,2015(336):315-318.图6两种方法EVM值与输出功率的关系图图5两种方法仿真后得到的星座图輥輴訛