CN103634712A - 利用dmt调制和解调32qam-ofdm下行链路信号的自混频零差检测无源光接入系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种利用DMT调制和解调32QAM-OFDM下行链路信号的自混频零差检测无源光接入系统，通过对速率5Gb/s的32QAM-OFDM下行链路信号采用DMT调制和解调，接收端采用自混频零差检测接收，实验结果表明，可以有效地降低系统配置复杂度和成本，取得无误码传输，在未来的无源光网络中具有潜在价值，也可以升级以支持无源光载无线通信方面的应用。

Description

利用DMT调制和解调32QAM-OFDM下行链路信号的自混频零差检测无源光接入系统
技术领域
本发明属于利用DMT调制和解调32QAM-OFDM下行链路信号的自混频零差检测无源光接入系统，可以有效地降低系统配置复杂度和成本，取得无误码传输，在未来的无源光网络中具有潜在价值，也可以升级以支持无源光载无线通信方面的应用。
背景技术
目前，少有研究在接入网中将DMT技术和自混频零差接收技术应用于各种不同的m-正交幅度调制(QAM) (m = 4, 16, 32, 64)OFDM下行链路信号中。而实际上，DMT调制和解调已经广泛用于商业系统的铜质数据用户线中，如非对称数字用户线(ADSL)和高速数字用户线(HDSL)等。我们曾经设计并实验验证了两种全双工60GHz无源光网络无线通信系统，其下行链路的16QAM-OFDM信号采用DMT调制和解调产生，用自混频零差接收技术进行接收，从而简化光接入系统的配置，降低了成本。采用自混频零差接收技术和DMT调制的OFDM光接入系统具有可扩展性好、成本较低并且易于安装和维护的优点，因为该系统在光线路终端(OLT)无需高频微波源，在光网络单元(ONU)也无需本地振荡器。但是，目前还没有公开发表过在无源光接入网络系统中采用DMT调制和解调、电域自混频零差接收技术收发光载32QAM-OFDM毫米波信号的应用文献。因此，基于DMT调制和解调以及自混频零差探测光载32QAM-OFDM毫米波信号的方法是提高调制/解调效率、增加单位时间内传输比特率、提高通信频带利用效率的重要途径。
发明内容
本发明的目的是将DMT调制和解调32QAM-OFDM信号以及自混频零差引入无源光网络系统中，提供了一种利用DMT调制和解调32QAM-OFDM下行链路信号的自混频零差检测无源光接入系统。
为实现上述目的本发明采用的技术方案是，本发明系统包括两个外腔激光器、两个偏置控制器、强度调制器、光耦合器、单模光纤、掺铒光纤放大器、电子放大器、PIN光电二极管、移相器、混频器和低通滤波器。
在发射端，所述外腔激光器产生CW光波信号经过偏置控制器处理后输入强度调制器，32QAM-OFDM信号经过DMT调制后输入电子放大器，由电子放大器放大后输入强度调制器，强度调制器对两路输入信号进行电-光调制后输入光耦合器；另一外腔激光器产生另一CW光波信号经过另一偏置控制器处理后，输入光耦合器；光耦合器输出光波信号由单模光纤传输。
在接收端，单模光纤中的光波信号经掺铒光纤放大器放大后，由PIN光电二极管转换为电信号，然后由另一电子放大器进行放大；放大后的电信号一路经移相器后输入混频器，另一路直接输入混频器；混频器处理后输入低通滤波器进行滤波，滤波后的信号进行DMT解调，获得32QAM-OFDM信号。
本发明将DMT技术引入光接入系统中，同相和正交分量就不再需要了，IQ调制和解调宽带高频模拟RF器件可以从DMT收发器中省略，系统的复杂度和成本因而将显著降低。接收端采用自混频和零差探测恢复数据，利用电子放大器(EA)分离基带信号，并在频率(f2-f1)处放大毫米波信号，采用移相器匹配32QAM-OFDM信号相位信息。自混频零差检测由于平方律特征的影响，将产生原始32QAM-OFDM信号的和、差频率信号，结果使基带数据不受相位噪声的影响。
附图说明
图1为采用DMT调制和解调32QAM-OFDM信号原理框图；
图2为自混频零差检测原理框图；
图3为本发明系统的示意框图；
图4为两种情形下的电信号频谱图；
图5为不同子载波数N(N = 16, 32, 64, 128, 256)时的CCDF曲线；
图6为复杂度与子载波数之间的关系；
图7为32QAM-OFDM信号的误比特曲线(子载波分别为128和256)。
具体实施方式
采用DMT调制和解调32QAM-OFDM信号的原理框图分别如附图1(a)和(b)所示。将DMT技术引入光接入系统中，同相和正交分量就不再需要了，IQ调制和解调宽带高频模拟RF器件可以从DMT收发器中省略，系统的复杂度和成本因而将显著降低。DMT调制时，先将串行数据转换为并行数据，然后进行QAM映射，经IFFT运算转变为实数值数据并添加循环前缀，输入数模转化器转换。接收到的数据进行DMT解调时，经模数转换器转换后的处理与DMT调制的处理相逆。
附图2为接收端采用自混频和零差探测恢复数据的原理框图，其中电子放大器EA用来分离基带信号，并在频率(f2-f1)处放大毫米波信号，移相器PS用来匹配32QAM-OFDM信号相位信息。自混频零差检测由于平方律特征的影响，将产生原始32QAM-OFDM信号的和、差频率信号，结果使基带数据不受相位噪声的影响。
附图3为自混频相干检测无源光网络系统的实验平台框图，采用DMT调制和解调32QAM-OFDM下行链路信号，两个外腔激光器ECL激光的线宽约为100kHz。两个由外腔激光器ECL产生的独立的CW光波信号的频率间隔为60GHz。32QAM-OFDM信号是离线产生的，然后传给任意波形发生器(Tektronix AWG 710)，子载波数为128，实验采用的DMT调制和解调技术，循环前缀长度为符号周期的1/16，每隔100个符号插入训练序列进行信道估计和时间同步。其中一个CW光波信号由一个强度调制器(LiNbO3 Mach-Zehnder modulator, MZM)进行调制，该强度调制器MZM由电子放大器EA放大的5Gb/s 32QAM-OFDM信号驱动。电-光调制后，32QAM-OFDM信号与一个未进行调制的CW光波信号进行3dB光耦合器OC结合。传输前，测试下行链路信号得到图3中插入的光谱图，其中MZM调制器(Vπ = 3.6V)由线性调制且1/2半波电压为1.8V 的5Gb/s信号驱动。下行链路为42公里单模光纤(SMF-28)。
在接收端，信号首先经过掺饵光纤放大器EDFA放大，然后采用3dB带宽为70GHz、直流敏感度为0.6A/W的PIN光电二极管PD检测接收信号，两个光边带在PIN光电二极管 PD中汇合，产生60GHz毫米波电信号，转换为电信号后经由一个中心频率为60GHz、带宽为10GHz的电子放大器EA进行放大，最后信号进行自混频。为了匹配32QAM-OFDM相位信息，一个可调节的调相器PS用来进行自零差检测，产生的基带信号用低通滤波器LPF进行滤波。
利用数字储存示波器(Tektronix TDS6604)对下行链路32QAM-OFDM信号进行检测。在BTB情形以及经SMF-28光纤传输42公里后的频谱图分别如附图4(a)和(b)所示。可以清楚地看出，速率为5Gb/s的32QAM-OFDM信号频谱带宽为2GHz，恰好为用直接调制法产生的同样比特速率的32QAM-OFDM信号带宽的两倍，这是因为做了复共轭映射的缘故。
利用DMT方法，频谱进行了扩展，结果牺牲了频谱效率，但是利用了DMT调制和解调，在光线端(OLT)就无需高频微波源，在光网络单元(ONU)也无需本地振荡器，因而本方案的成本将大大降低，且易于安装和维护。且实验结果显示，32QAM-OFDM信号的自混频零差检测是有效的。
OFDM信号的一个主要缺点是高峰均功率比 (PAPR, Peak-to-Average Power Ratio) 将降低信号的传输后接收质量。对32QAM-OFDM 信号进行子载波数为N (N = 16, 32, 64, 128, 256)的DMT调制和解调，测得其PAPR的CCDF曲线如附图5所示。可以看出，随着子载波数N的增加，在某个PAPR门限之下对应的CCDF都有增加，正如预期的那样，子载波数较少的信号具有较低的PAPR概率，特别当N = 16时，可以看到PAPR下降非常明显。从实验结果可知，当32QAM-OFDM信号采用DMT调制和解调及自混频零差接收后，子载波数为16时PAPR降低最为显著，但在实践中，子载波数又不能太少，因为这将影响频谱效率。因此，实际中我们应当根据具体应用需要，取一个折中的子载波数。
附图6为当子载波数分别为16、32、64、128和256时，DMT调制的复数运算的次数，可以看出复数运算(包括复数加法和复数乘法)主要由子载波数决定。为了同时降低复杂度和PAPR，可以选择尽可能少的子载波数N和尽可能多的U分支，但子载波数又不能太少，因为子载波数较多时具有更高的谱效率、抗色散特性和动态带宽配置的灵活性。因此，本发明提供一种折中的方案（即采用128个子载波，兼顾考虑频谱效率、计算复杂度、谱效率、抗色散特性和动态带宽配置灵活性）。
附图7为对速率为5Gb/s ，子载波分别为128和256，采用DMT进行调制和解调，并采用一种简单的自混频零差检测的下行链路32QAM-OFDM信号测得的BER曲线。对于BTB情形，两种子载波数的信号接受敏感性非常相似。在42km SMF-28的终端，子载波数为128时的接收敏感性为-12.8dBm(此时误比特率为10-4)。和256个子载波的情形比较起来，在BER = 10-4时的功率代价将降低，大约为0.2dB。结论是，128个子载波比256个子载更适合实际应用，因为其计算复杂度较低，且接收敏感性显著提高。但是，如果要获得更高的谱效率、抗色散特性和动态带宽配置的灵活性，必须选择更多的子载波数。

Claims (1)

1. 利用DMT调制和解调32QAM-OFDM下行链路信号的自混频零差检测无源光接入系统，包括两个外腔激光器（ECL）、两个偏置控制器（PC）、强度调制器（MZM）、光耦合器（OC）、单模光纤（SMF）和掺铒光纤放大器（EDFA），其特征在于：还包括电子放大器（EA）、PIN光电二极管（PD）、移相器（PS）、混频器（M）和低通滤波器（LPF）；
其中在发射端，所述外腔激光器（ECL）产生CW光波信号经过偏置控制器（PC）处理后输入强度调制器（MZM），32QAM-OFDM信号经过DMT调制后输入电子放大器（EA），由电子放大器（EA）放大后输入强度调制器（MZM），强度调制器（MZM）对两路输入信号进行电-光调制后输入光耦合器（OC）；另一外腔激光器（ECL）产生另一CW光波信号经过另一偏置控制器（PC）处理后，输入光耦合器（OC）；光耦合器（OC）输出光波信号由单模光纤（SMF）传输；
在接收端，单模光纤（SMF）中的光波信号经掺铒光纤放大器（EDFA）放大后，由PIN光电二极管（PD）转换为电信号，然后由另一电子放大器（EA）进行放大；放大后的电信号一路经移相器（PS）后输入混频器（M），另一路直接输入混频器（M）；混频器（M）处理后输入低通滤波器（LPF）进行滤波，滤波后的信号进行DMT解调，获得32QAM-OFDM信号。
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