CN108055080A - 一种集成有线和无线传输的低峰均比ofdm无源光接入系统装置 - Google Patents

一种集成有线和无线传输的低峰均比ofdm无源光接入系统装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置，包括外腔激光器、电放大器、任意波长发生器、强度调制器、偏振控制器、单模光纤、掺铒光纤放大器、雪崩式光电二极管、光电二极管、低通滤波器以及波长选择开关等主要部件；本发明将5Gb/s的十六进制正交幅度调制‑正交频分复用信号采用离散多音频调制方式结合选择性映射方法进行了发射前处理，使其能有效地抵抗OFDM信号高峰值平均功率比的负面效应并在42公里长的单模光纤和0.4米长的无线信道中进行了有效传输，实验结果证明，无论对于有线传输还是无线传输信道，采用(DMT)调制方式结合选择性映射(SLM)方法都在降低峰值平均功率比(PAPR)的同时提高了系统的接收机灵敏度。

Description

一种集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统 装置
技术领域
本发明涉及光纤无线通信接入领域，特别涉及一种集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置。
背景技术
正交频分复用(OFDM)技术的思想在20世纪的六七十年代就已有学者提出来，其基本思想是将高速输入的串行比特流进行串/并变换，转换成若干并行的低速数据流，映射到OFDM符号的不同正交子载波上进行传输，具有频带利用率高等特点。21世纪初以来，OFDM作为一种被广泛使用的技术，由于其光谱效率高，灵活性，色散容忍性，以及动态带宽，在接入系统中备受瞩目。同时，无源光网络(PON)与光载无线通信(ROF)网络融合具有增加的网络灵活性、增加带宽和降低接入域中的总成本的优点，在一定程度上满足了当代对宽带通信的要求，成为未来颇具前景的光接入网络方案。但为了适应日益增长的容量需求，未来的光接入系统将需要采用各种复用技术和高级调制格式以提高频带利用率。因此，OFDM技术被引入到PON和ROF中。然而，由于OFDM信号具有高PAPR的特性，在传输过程中的子载波叠加会造成信号具有较大起伏的瞬时功率，容易超过光通信系统中部分光电器件线性工作范围，引起非线性负面效应。非线性负面效应容易使传输中的光OFDM信号的波形发生非线性失真，甚至导致系统传输性能恶化。
发明人通过实验验证：在集成有线和无线传输的OFDM无源光接入系统中采用离散多音频(DMT)调制方式结合选择性映射(SLM)技术不但能够有效降低光OFDM信号峰均比，还提高接收信号的灵敏度。
在2008年09月03日公布，公开号为CN101257352A，名称为“一种波分复用无源光网络的ROF基站上行链路及其系统”中，公布了一种基于ROF的双向无源光网络系统，其上行链路中包括光耦合器，用于将下行链路中的信号耦合出一小部分输入多模激光器；注入锁模多模激光器，用于产生模间距为毫米波频率的双模锁模光信号，上行信号通过对多模激光器进行调制直接加载到双模锁模光信号上进行传输，该发明的方案减少了波长占用率，同时降低了设备成本。但是，在该基于ROF的双向无源光网络系统中，在基站端(BS)，产生的毫米波(射频信号)频率只有一个，不能根据实际需要，对毫米波(射频)信号的频率进行选择。此外，在基站端，需要一个多模激光器，并且需要调整注入光偏振态和FP激光器的本振偏振方向相同，调整电流或(和)温度使得注入光双纵模与FP本振的双纵模波长一致实现注入双模锁模，获得可上行传输的锁定光载波，基站天线接收下来的无线终端的上行射频信号通过对FP激光器进行直接地电流调制实现射频信号的直接加载，结构较为复杂，成本相对较高，且该方案没有结合光OFDM的技术优势。
在2011年03月02日公布的、公布号为CN101982983A、名称为“采用半导体光放大器产生毫米波及其在光载微波通信系统中的应用方法与装置”的基于ROF的双向无源光网络中，在中心站(CS)，由马赫-增德尔调制器产生两路具有一定频率间距的光载波，通过马赫-增德尔调制器将下行无线数据调制到一路光载波上，另一路直接通过光纤发送到基站，作为上行无线数据的光载波；在基站端，将调制有下行无线数据的光信号和另一路没有进行调制的光载波送入SOA进行四波混频，产生四个光信号和光载波，然后选择两个输入光探测器，进行拍频产生毫米波信号，然后通过天线放送出去；天线接收到的毫米波对另一路没有进行调制的光载波进行调制，并发送到中心站，实现无线数据的双向传输。但该方案需要在每个基站设置一个半导体光放大器(SOA)，这样基站成本较高，另外，该方案只能实现无线毫米波的双向传输，而对于有线OFDM信号则无法实现。
在2012年02月18日公布的、公布号为CN102325122A、名称为“一种基于OFDM-ROF的双向无源光网络系统”中，公布了基于OFDM-ROF的双向无源光接入系统，通过级联的马赫-曾德尔调制器、强度调制器以及半导体光放大器，用全光学的方法产生多个包括下行无线OFDM信号的光信号和光载波，然后通过下行传输链路传送到光网络单元的OFDM-ROF基站，在光网络单元(ONU)的OFDM-ROF基站，选取两个下行无线OFDM信号的光信号送入探测器中进行拍频，产生所需频率的下行毫米波射频信号。在本发明中，光网络单元中，上行毫米波OFDM射频信号和有线OFDM信号调制所需的光载波由OFDM-ROF中心站集中产生，载波频率间隔增加，从而减小了相互之间的干扰。然而，该方案使用了多个马赫-曾德尔调制器和阵列波导光栅，其结构层级庞杂，成本相对较高，对系统的维护更为困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种既能实现有线OFDM信号的传输，又能传输毫米波无线OFDM信号，且可以有效地降低PAPR，提高系统接收灵敏度的集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置，包括：
第一外腔激光器，第一外腔激光器通过第一偏振控制器、强制调制器与第一光耦合器连接；强制调制器连接一电放大器；
第二外腔激光器，第二外腔激光器通过第二偏振控制器与第一光耦合器连接；
第一光耦合器与下行链路传输信道连接，下行链路传输信道由单模光纤和掺铒光纤放大器组成，下行链路传输信道的另一端连接第二光耦合器，第二光耦合器的输出端将光信号的功率分为用于下行链路检测和上行链路连接；第二光耦合器输出端的一端与波长选择开关连接，另一端与下行PIN光电二极管连接；
波长选择开关一端连接一雪崩光电二极管，波长选择开关另一端连接第三偏振控制器，第三偏振控制器连接强制调制器，强制调制器连接一电放大器，强制调制器连接上行链路传输信道，上行链路传输信道由掺铒光纤放大器和单模光纤组成，上行链路传输信道的另一端连接上行PIN光电二极管，上行PIN光电二极管连接电放大器；
下行PIN光电二极管连接电放大器，电放大器连接第一喇叭天线，第一喇叭天线将信号传递给第二喇叭天线检测，第二喇叭天线连接电放大器，电放大器连接一可调移相器，可调移相器连接一低通滤波器。
在本发明的一个实施例中，所述波长选择开关为矩形窗口为50GHz的波长选择开关。
在本发明的一个实施例中，第一喇叭天线和第二喇叭天线之间的距离为0.4m。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明将5Gb/s的十六进制正交幅度调制-正交频分复用(16QAM-OFDM)信号采用离散多音频(DMT)调制方式结合选择性映射(SLM)方法进行了发射前处理，使其能有效地抵抗OFDM信号高峰值平均功率比(PAPR)的负面效应并在42公里长的单模光纤(SMF-28)和0.4米长的无线信道中进行了有效传输，同时在系统接收端采用光外差检测以及自混合下变频技术进行了低峰均比16QAM-OFDM信号的有效接收；实验结果证明，无论对于有线传输还是无线传输信道，采用(DMT)调制方式结合选择性映射(SLM)方法都在降低峰值平均功率比(PAPR)的同时提高了系统的接收机灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中集成有线和无线的低峰均比OFDM无源光网络系统装置结构图(图1(i)和(ii)分别是采用SLM和未采用SLM传输后实验测得的经过无线传输的时域波形；图1(iii)和(iv)分别是采用SLM和未采用SLM传输后实验测得的经过有线传输的时域波形；图1(v)和(vi)分别是上行链路传输前后测得OOK信号眼图)；
图2为本发明中发射机和接收机的SLM原理流程图；
图3为本发明中不同U分支的数量与计算复杂度之间的关系图；
图4为本发明有线信号接收机灵敏度与光纤输入功率之间的关系图；
图5为本发明无线信号接收机灵敏度与光纤输入功率之间的关系图；
图6为本发明中有线和无线信号的BER性能比较图；
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
10、第一外腔激光器 20、第二外腔激光器 30、第一偏振控制器 40、强制调制器50、第一光耦合器 60、电放大器 70、第二偏振控制器 80、下行链路传输信道 81、单模光纤82、掺铒光纤放大器 83、第二光耦合器 90、波长选择开关 100、下行PIN光电二极管 110、雪崩光电二极管 120、第三偏振控制器 130、上行链路传输信道 131、掺铒光纤放大器132、单模光纤 140、上行PIN光电二极管 150、第一喇叭天线 160、第二喇叭天线 170、可调移相器 180、低通滤波器。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1所示，本发明公开了一种集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置，包括第一外腔激光器10和第二外腔激光器20，两个外腔激光器最大线宽为100kHz；第一外腔激光器10通过第一偏振控制器30、强制调制器40与第一光耦合器50连接；强制调制器40连接一电放大器60；第二外腔激光器20通过第二偏振控制器70与第一光耦合器50连接；第一光耦合器50与下行链路传输信道80连接，下行链路传输信道80由单模光纤81和掺铒光纤放大器82组成，下行链路传输信道80的另一端连接第二光耦合器83，第二光耦合器83的输出端将光信号的功率分为用于下行链路检测和上行链路连接；第二光耦合器83输出端的一端与波长选择开关90连接，另一端与下行PIN光电二极管100连接；波长选择开关90一端连接一雪崩光电二极管110，波长选择开关90另一端连接第三偏振控制器130，第三偏振控制器130连接强制调制器40，强制调制器40连接一电放大器60，强制调制器40连接上行链路传输信道130，上行链路传输信道130由掺铒光纤放大器131和单模光纤132组成，上行链路传输信道130的另一端连接上行PIN光电二极管140，上行PIN光电二极管140连接电放大器60；下行PIN光电二极管100连接电放大器60，电放大器60连接第一喇叭天线150，第一喇叭天线150将信号传递给第二喇叭天线160检测，第二喇叭天线160连接电放大器60，电放大器60连接一可调移相器170，可调移相器170连接一低通滤波器180；波长选择开关90为矩形窗口为50GHz的波长选择开关；第一喇叭天线150和第二喇叭天线160之间的距离为0.4m。
本发明的工作原理如下：
第一外腔激光器10和第二外腔激光器20发出两路频率间隔为60GHz的连续激光，一路在强制调制器40调制之后，由3dB第一光耦合器50与另一路未经过数据调制的CW耦合后，进入下行链路传输；下行链路传输信道80由42km的标准单模光纤和掺铒光纤放大器组成；随后，光信号的功率被分为两部分用于下行链路检测和上行链路连接，在下行链路中光网络单元(ONU)的有线信号接收端，使用矩形窗口为50GHz的波长选择开关90在光学域中滤得16QAM-OFDM光信号，并且通过一个雪崩光电二极管110用于有线检测；而在下行链路中光网络单元(ONU)的无线信号接收端，两个光边带在3dB带宽为70GHz、直流响应为0.6A/W的下行PIN光电二极管100中拍频，由此产生了60GHz的毫米波电信号；转换后的电信号通过一个带宽为10GHz、中心频率为60GHz的电放大器60放大，之后该信号通过增益为20dBi的标准第一喇叭天线150直接在空气中传输，毫米波信号由另一个增益为20dBi标准第二喇叭天线160检测，两个喇叭天线之间的距离为0.4m；接收的信号通过另一个电放大器60，然后与自身进行混合；为了匹配RF相位信息，采用一个可调移相器170用于自混频接收并通过低通滤波器180来滤出基带信号；最终通过数字存储示波器对下行有线和无线信号进行检测；在上行链路中光网络单元(ONU)的发射端，使用矩形窗口为50GHz的波长选择开关在光学域中滤得一路连续激光，与PRBS字长为231-1、速率为5Gb/s的上行OOK信号一起驱动强度调制器，由此产生了上行光信号；在上行链路中光线路终端(OLT)的接收端，由上行链路传输信道130传来的5Gb/s的上行OOK信号经过上行PIN光电二极管140检测并转换为电信号，最终经过电放大器放大后进行检测。
参见图2所示，原始数据经过QAM星座映射后插入导频和保护间隔，在完成串并转换后，进行基于SLM技术的OFDM调制，长度为N的输入数据块可表示为X＝[X0,X1,…XN-1]T，N等于该信号的子载波数，[·]T表示转置；X中数据符号Xm的持续时间为T，在X中的每一个数据符号调制一组子载波，表示为{fm，m＝0,1,…N-1}；N个被选择的子载波是相互正交的，NT是一个OFDM数据块的持续时间；所发送的OFDM信号可表示为：
输入的数据被划分成一个长度为N的数据块X；然后，将OFDM数据块中的元素与相位序列AU(t)＝[au,0,au,1,…au,N-1,]T,u＝1,2,…U中的元素依次相乘，进而得到相位旋转的OFDM数据块：Xu(t)＝[Xu,0,Xu,1,…Xu,N-1,]T，其中Xu,m＝Xm*au,m,m＝0,1,…N-1,au,m∈{±1,±j}；为了将未修正的OFDM数据块包含在相位旋转的OFDM数据块的集合中，我们将相位序列的第一个元素A1设置为“1”；在对数据块X应用SLM之后，等式变为：
通过以下步骤来计算U型相位旋转OFDM数据块的PAPR：
在相位旋转的OFDM数据块中，选择具有的最低PAPR的数据块,其选择的最优相位序列(AO)将作为附加信息，随后将其进行并串变换、添加循环前缀后发送到接收机。在接收机处，首先检测并移除最优相位序列，接着进行OFDM解调，最后执行选择性映射变换逆操作(ISLM)以恢复出原始信号。值得一提的是，选择性开关将通过获得附加信息来选择最佳相序
图2中的各简写符号的含义如下：
QAM：正交幅度调制；PI:插入导频；GI：插入保护间隔；S/P：串并变换；Zeropadding：零填充；IFFT：快速傅立叶反变换；P/S:并串变换；CP：循环前缀；FFT：快速傅立叶变换。
图3为本发明的子载波数在16、32、64和128情况下，U分路的数量与计算复杂度之间的关系图；由图可知，SLM方法的计算复杂度(包含复数乘和复数加)主要与分路数U和子载波数N有关。为了同时减少复杂操作和PAPR，我们应该选择尽可能少的子载波数和尽可能多的分支数量。
然而，总传输序列中的子载波的数量不能太少，因为具有更多子载波的方案具有较高的频谱效率(SE)、对色散的容忍性和对动态带宽分配的灵活性。因此，我们应该选择PAPR和计算复杂性之间的折衷方案。
参见图4和图5所示，值得注意的是，此时U＝16,且BER＝10-4.1。不难发现，SLM技术对于无线接入系统比对有线接入系统更有效。对于各种情况，都存在最佳光纤输入功率来使得接收机的灵敏度最小。该优化过程是在光放大器ASE噪声累积和光纤非线性效应之间进行折衷考虑。对于较低的光纤输入功率(≤5dBm)，接收机灵敏度主要受到光放大器ASE噪声的限制，并随着光纤输入功率的增加而减小。而对于更高的光纤输入功率(>5dBm)，接收机灵敏度主要受到光纤非线性效应不利影响的限制。
参见图6所示，在SMF-28上传输42km后，采用SLM技术的有线接入的接收灵敏度为-15.3dBm(BER＝10-4.1)。其与在SMF-28上传输42km并在无线链路上传输0.4m的采用SLM技术的无线接入相比，在BER为10-4.1时，功率代价将减少大约5.3dB。对于各种情况，使用SLM的接收灵敏度高于不使用SLM的接收灵敏度。当BER＝10-9时，背对背再调制信号的接收灵敏度为-15.5dBm，传输42km后功率代价为2.1dB。在经过SMF-28传输42km后接收功率为13.4dBm。对于上行链路，OOK信号的接收机灵敏度代价为2.1dB。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置，其特征在于，包括：
第一外腔激光器，第一外腔激光器通过第一偏振控制器、强制调制器与第一光耦合器连接；强制调制器连接一电放大器；
第二外腔激光器，第二外腔激光器通过第二偏振控制器与第一光耦合器连接；
第一光耦合器与下行链路传输信道连接，下行链路传输信道由单模光纤和掺铒光纤放大器组成，下行链路传输信道的另一端连接第二光耦合器，第二光耦合器的输出端将光信号的功率分为用于下行链路检测和上行链路连接；第二光耦合器输出端的一端与波长选择开关连接，另一端与下行PIN光电二极管连接；
波长选择开关一端连接一雪崩光电二极管，波长选择开关另一端连接第三偏振控制器，第三光偏振控制器连接强制调制器，强制调制器连接一电放大器，强制调制器连接上行链路传输信道，上行链路传输信道由掺铒光纤放大器和单模光纤组成，上行链路传输信道的另一端连接上行PIN光电二极管，上行PIN光电二极管连接电放大器；
下行PIN光电二极管连接电放大器，电放大器连接第一喇叭天线，第一喇叭天线将信号传递给第二喇叭天线检测，第二喇叭天线连接电放大器，电放大器连接一可调移相器，可调移相器连接一低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置，其特征在于，所述波长选择开关为矩形窗口为50GHz的波长选择开关。
3.根据权利要求1所述的集成有线和无线传输的低峰均比OFDM无源光接入系统装置，其特征在于，第一喇叭天线和第二喇叭天线之间的距离为0.4m。
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CN113259013A (zh) * 2021-05-12 2021-08-13 希烽光电科技(南京)有限公司 一种单波长100g长距离光模块
CN113259013B (zh) * 2021-05-12 2022-07-08 希烽光电科技(南京)有限公司 一种单波长100g长距离光模块

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