投南大_DD-OFDM传输系统中光带通滤波器性能研究

1、Direct-Detected OFDM传输系统中光带通滤波器性能研究基金项目：天津市自然科学基金(08JCYBJC14400)资助项目作者简介：曹 晔(1976- )，男，山东青岛人，副教授，硕士生导师，主要从事光通信，光传感。曹 晔 陈 乾 童峥嵘 杨秀峰（天津理工大学 智能计算及软件新技术重点实验室及薄膜电子与通信器件重点实验室，天津 300384）摘要 本文研究了中频结构的DD-OFDM (direct- detected orthogonal frequency division multiplexing)系统。在模拟实验中，10Gb/s的OFDM信号传输了640km的标准单模光纤，

2、对其光链路中滤波器带宽和阶数进行调整，分析了接收端OSNR和BER。在BER=10-3条件下，结果表明较高阶的单边带滤波器相对于普通单边带滤波器，接收端OSNR敏感度有1dB的提高，在滤波器阶数达到8阶时，可以得到滤波器性能的极限。同时，本文还研究了间隔50GHz的4路DD-OFDM的WDM系统，实现了系统传输640km的标准单模光纤，并均衡4路信道和比较了BER=10-3时各路DD-OFDM需要的OSNR。关键词：直接检测，光滤波器，OFDM，光传输中图分类号 TN929.11 文件标识码 A0 引言光正交频分复用(Optical orthogonal frequency division

3、multiplexing(OOFDM)是由电OFDM技术发展而来，由于其在接收端使用电均衡的数字信号处理(DSP)技术来补偿光纤色散和偏振模色散的特性近年来在光传输领域引起了广泛的研究。OOFDM按接收方式划分为2种：直接检测(direct detected) 和相干检测(coherent detected) 1,2。CO-OFDM系统需要额外的本振源，接收端需要额外的相位频率偏移估计，这样就大大增加了其结构的复杂性。而DD-OFDM接收端只需要一个光电二极管作为光电探测器实现光接收，这很容易实现3。近期，为了进一步提高DD-OFDM的频谱效率出现了单边带的OFDM (SSB-OFDM)，其结

4、构实现可以使用双驱动马赫曾德尔调制器(DD-MZM)或者光IQ调制4。DD-OFDM相比较CO-OFDM，其接收端结构简单，有利于率先实用化而成为新一代高容量、长距离、低成本光传输系统的首选。本文中，采用射频(RF)载频的中频结构来完成IQ混合调制，使用单MZM对射频信号进行强度调制，并且使用单边带滤波器来滤除上边带以及噪声5，10Gb/s的OFDM信号在单模光纤中传输了640km。同时，分析DD-OFDM的信道模型，模拟了可调光带通滤波器。调节滤波器带宽和阶数的参数，给出不同传输距离下的最佳参数设置。相对于普通单边带光滤波器，高阶滤波器可以降低1.5dB左右发射端光功率，以及1dB的OSNR

5、代价。滤波器阶数在达到8阶后，接收端OSNR收敛，达到滤波器最佳性能。在6阶滤波器，BER=10-3条件下实现间隔50GHz的WDM系统，4路DD-OFDM接收端性能会有1dB以内的OSNR浮动差异，可以在发射端调整发射功率来实现接收端性能的平衡。1 信道估计首先，如图1，DD-OFDM的原理图。经过并串变换和数模转换，符号进入中频结构完成RF调制，然后射频信号通过MZM和光滤波器上载到光链路上。接收端，在光电探测之前，需要由光带通滤波器滤除自发辐射噪声。接收到的电信号再由射频源相干解调出基带信号，之后完成信号处理。OFDM数据符号在整个传输过程中的信道响应：发射端的MZM调制组成了发射端的响

6、应，光纤色散(CD)响应和光滤波器的滤波响应，以及接收端响应。 光纤色散对每个子载波上的光相位线性失真，可以简化模型为 (1)其中，D=17ps/ns为色散参数，L为传输距离，为传输波长，为子载波频率间隔，c为光速，k为符号中子载波序号。光滤波器响应综合了发射端及接收端光滤波器的总响应。光电探测之前的频率响应可以用乘法来模拟，。图1. 基于RF的DD-OFDM原理图Figure 1. diagram of RF based DD-OFDM (O filter=optical filter; PD=photodiode; RF=ratio frequency)光电探测器之前的离散波形的光信号Et

7、(n)可以表示为： (2)其中n为符号数，k为子载波序号，为信道总响应，为系统噪声。公式(2)中，的响应和k有关，同时也涉及到中的对色散效果的影响。 为接收端光电探测器的接收影响，而经过光电探测器输出的电流可以表示为 (3)其中，b为加性噪声，s(t)为接收到的OFDM信号，光载波和PD接收造成的相位偏移和将表现在接收端OFDM信号中。相对于CO-OFDM，DD-OFDM的相位噪声并不是随着子载波系数而明显规律变化的。本文采用训练符号(TS)在接收端信号处理中直接补偿数据子载波5-7。而CO-OFDM系统中，会在数据中插入导频，并以此来来补偿接收端数据子载波8。在考虑置空子载波情况下，OFDM

8、信号带宽可以表示为： (4)其中，为加上CP之后的符号周期，为IFFT变换生成的符号周期。本文中，子载波需要中间对称的置空一部分，充当保护频带，其中为填充数据的子载波数，的大小决定了符号带宽及其滤波器设置。理想矩形滤波器时，可以选择=Nsc-1，第一个子载波为置空。而实际系统中，一般会用一部分子载波置空来满足信道特性以及滤波器设置，本实验中采用IFFT=128，其中传输数据的子载波为89个，填充率为69%，其余的子载波都置空。2 光滤波器中频结构需要对光信号进行带通滤波来消除其二阶边带的影响4，同时也可以提高带内信号功率。因为信号直接加载在光载波上，在直接上下转换结构中，光滤波器设置不同于中频

9、结构6。采用的匹配滤波器，分别对光载波和信号带宽进行匹配滤波，可以进一步提高OSNR和降低噪声和边带的影响9。在高斯带通滤波器设置下，对光载波和信号的带通滤波设计需要滤除对称的上边带，考虑到光源线宽和一定宽度的保护频带，带宽为 (5)其中，r为保护间隔的系数。3 数值模拟结果和讨论采用optisystem软件来模拟发射端，光链路和接收端的结构和器件，OFDM信号的产生和解调采用matlab完成。其中，假设接收信号为理想时间同步和符号同步。在模拟实验中，10Gb/s的OFDM信号传输了640km的标准单模光纤，系统中采用Nsc=128的IFFT变换，采样率为8倍，这高于实际系统中的采用率，单位时

10、间长度为0.1ns。取CP=16，完整OFDM符号长度为144，即符号周期为14.4ns，其中CP为1.6ns。经过DA变换和滤波器之后，信号实部和虚部输出IQ的2路信号。采用4QAM的复数映射，将SNR较差的子载波置空， 公式(4)计算可得BOFDM=6.9G，对应的RF载频选择12GHz，此时带通噪声对基带解调信号影响较小。本文采用向量误差(EVM)来衡量均衡之后的QAM信号的性能， (6)其中，Ri为均衡之后的复数信号，di为发射端复数信号，Ns为总符号数。EVM和BER并不是线性关系，EVM在复数坐标系下反映接收端噪声影响。图2中，光带通滤波器阶数对系统接收端OSNR的影响，高阶滤波器

11、对应了更好的边带滤除效果，同时可以增加带内功率，进而影响接收端OSNR。由图可知，随着滤波器阶数的增加，接收端OSNR提高，滤波器在7阶和3阶相比，OSNR提高1dB左右，随着滤波器阶数提高到7阶时，由滤波器带来OSNR的提高接近极限。图3中，不同滤波器设置下改变发射端功率，接收端BER性能的数值模拟结果，在接收BER=10-3时，滤波器阶数8阶对比3阶，发射端光功率有1.75dBm左右的降低。而6阶滤波器条件下的接收端BER性能接近8阶条件下的性能，说明滤波器的性能影响系统OSNR。 图2：不同滤波器阶数时，发射端功率和接收端OSNR的关系 图3：不同滤波器阶数时，接收端BER和发射功率关系

12、Figure 2：Relationship between transmitter power Figure 3: Receiver BER versus transmitter power for different and receive OSNR for different filter orders filter orders对比接收端OSNR性能下的BER会发现，图3和图2表现出类似结果，3阶和4阶滤波器是一个明显的分界线，因为当滤波器达到4阶时，其滤波效果较好，达到单边带传输所满足的对上边带功率的抑制效果，而3阶滤波器结构下，系统性能的恶化主要是由于虚边带和旁瓣的影响。滤波器4阶之

13、后对系统性能的提高源于对信号的2阶边带和带外噪声的抑制高。图4为不同滤波器设置下，接收端OSNR对应的BER和EVM的性能图。图4a中，相同OSNR条件下的6，8阶滤波器对应的BER很接近，2种条件下，系统BER达到10-3所需要的OSNR为14.1dB，即相同噪声条件下的，高阶滤波器对应的系统性能不变。图4b中，随着滤波器阶数的提高，EVM的收敛效果也较明显，复数信号的加性噪声被抑制。 图4(a)：接收端OSNR对应的BER 图4(b)：接收端OSNR对应的EVM Figure 4a：receiver OSNR versus BER Figure 4(b): receiver OSNR ve

14、rsus EVM图5：4路WDM中各信道达到BER=10-3及10-4时，系统所需要的OSNRFigure 5: OSNR versus 4 channels with BER=10-3 and 10-4. 在上述结论的基础上，选择6阶光带通滤波器，对传输640km的4路DD-OFDM的WDM系统进行模拟，得到不同信道在BER=10-3和10-4时所需要的OSNR。如图5可以看出，单个信道受到 WDM系统影响，信道之间并无明显的相关性。 4 总结本文研究了DD-OFDM系统中光带通滤波器对接收端性能的影响。带通FBG作为滤波器的等效高斯带通滤波器阶数为3阶，高阶滤波器对接收端OSNR有1dB的

15、性能提高，在BER=10-3时，相对于FBG滤波器的光功率代价为1dB。并模拟了传输640km的4路DD-OFDM的WDM系统各信道的性能图。参考文献1 W. Shieh, H. Bao, and Y. Tang, “Coherent optical OFDM: theory and design,” Optics Express, vol. 16, no. 2, 2008, pp. 841-859. 2 D. Qian, J. Yu, J. Hu, L. Zong, L. Xu and T. Wang. “10 Gbit/s WDM-SSB-OFDM transmission over 10

16、00 km SSMF using conventional DFB lasers and direct- detection,” Electronics Letters, vol. 44, no. 3, 2008, pp.223-225. 3 W.-R. Peng, X. Wu, V. R. Arbab, K.-M. Feng, et al. “Theoretical and experimental investigations of direct-detected RF-tone-assisted optical OFDM systems,” Journal of lightwave te

17、chnology. vol. 27 no. 10, 2009, pp.13321339. 4 Brendon J. C. Schmidt, Arthur James Lowery，Jean Armstrong. “Experimental Demonstrations of Electronic Dispersion Compensation for Long-Haul Transmission Using Direct-Detection Optical OFDM,” Journal of lightwave technology. vol. 26, no. 1, 2008 pp.196-2

18、03.5 Matthias Schuster, Sebastian Randel, Christian Alexander Bunge, et al. “Spectrally Efficient Compatible Single-Sideband Modulation for OFDM Transmission With Direct Detection.” IEEE Photonics Technology Letters, vol.20, no.9,2008,pp.670-672.6 Wei-Ren Peng, Jason(Jyehong) Chen, and Sien Chi. “On

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20、3692-37018 Xingwen Yi, William Shieh, and Yan Tang. “Phase Estimation for Coherent Optical OFDM,” IEEE Photonics technology Letters. vol. 19, no. 12, 2007, pp. 919-921.9 Wei-Ren Peng, Kai-Ming Feng, and Alan E. Willner. “Ultimate Sensitivity for Optically Preamplified Direct-Detected OFDM Systems Us

21、ing Spectrally Matched Optical Filters,” IEEE Photonics technology Letters. vol.21, no.23, 2009, pp. 1764 -1766.Performance of Optical bandpass filter system in direct-detected OFDM transmissionCao Ye Chen Qian Tong Zhengrong Yang Xiufeng(Key Laboratory of Film Electronics and Communication Devices

22、and Key Laboratory of Intelligent Computing and Novel Software Technology, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)Abstract In this paper, we explore intermediate-frequency architecture direct-detected orthogonal frequency division multiplexing (DD-OFDM). In the simulation experiment of 10Gb/s DD-OFDM transmission over