基于PSK的SCM-RoF系统传输性能

王现彬，蔡柏成，杨洁，贾英茜，康元元

（1.石家庄学院机电学院，河北石家庄050035；2.河北报业传媒集团有限公司印务中心，河北石家庄050011）

基于PSK的SCM-RoF系统传输性能

王现彬1，蔡柏成2，杨洁1，贾英茜1，康元元1

（1.石家庄学院机电学院，河北石家庄050035；2.河北报业传媒集团有限公司印务中心，河北石家庄050011）

采用相移键控（PSK）调制技术设计了副载波复用-光载无线通信（SCM-RoF）系统，分析了SCM-RoF信号的时域和频域特性，研究了不同用户的传输性能及发射端和接收端带通滤波器（BPF）、用户传输速率对SCM-ROF系统的影响.结果表明：不同用户间传输效果略有差异，而发射端和接收端的BPF也会对系统产生影响，当用户传输速率在2 Gbit/s左右时，系统传输性能与系统利用率达到最佳平衡，误码率（BER）在10-10数量级.

副载波复用；光载无线通信；相移键控；传输性能

0 引言

光载无线通信（RoF）采用光纤来承载射频（RF）信号，具有损耗衰减低、系统带宽高、传输容量大等特征[1，2]，在无线通信方面具有极高的应用潜力，再结合副载波复用（SCM）技术，可充分提高光纤通信系统带宽利用率[3，4].SCM区别于波分复用（WDM）技术，SCM是将基带信号先调制到射频上进行复用，再通过光调制器将复用后的射频信号调制到光上，该过程充分利用了相关电器件，大大节约了系统成本，而结合SCM和RoF两者优势的SCM-RoF系统也受到了研究者的广泛关注[5-7].采用相移键控（PSK）调制技术，设计了SCM-RoF系统，并研究了该系统的传输性能，相关结果可以为实际SCM-RoF系统设计提供理论参考.

1 系统结构及SCM-RoF信号的时频域分析

SCM-RoF系统结构如图1所示，为分析方便系统设置了5个用户Usern（n为1-5），PRBS Generater1-PRBS Generater5为伪随机序列发生器，也即User1-User5，其所产生的数据表示用户待传信息，通过PSK调制器将待传信息调制到RF信号上.RF信号通过一个带通滤波器（BPF）以降低频带宽度，再将5路RF信号通过复用器（Com）进行SCM复用.随后通过马赫-曾德尔调制器（MZM）将SCM信号调制到光域上，经过标准单模光纤（SSMF）传输到接收端.在接收端通过发射端的反方向变化，最终通过分析仪（Analyzer）进行系统性能参数分析.5个用户的PSK调制器频率为2n×用户速率，BPF中心频率与调制器的频率对应，带宽为1.5×用户速率.SSMF色散为16.75 ps/(nm·km-1)，色散斜率为0.075 ps/(nm2·km-1)，差分群时延为0.2 ps/km，有效纤芯面积为80 μm2，包层折射率指数为2.6×10-20m2/W.光源中心频率为193.1 THz，入纤光功率为-4 dBm.光接收机响应度为1 A/W，暗电流为10 nA.

分析时采用Q值和误码率（BER）定量地衡量系统传输性能，采用眼图定性地观察系统特性.Q值由下式决定：

式中P1和P0分别为光脉冲信号“1”码和“0”码的功率平均值，而σ1和σ0为“1”码和“0”码的标准偏差. BER的表达式为：

图1 SCM-RoF系统结构

式中Eb为每bit位的能量，而No为噪声功率密度谱.

BER和Q值的对应关系为：

图2为电RF信号及光RoF信号波形图，用户速率设置为2 Gbit/s.其中图2（a）为图1中A、B和C处的RF信号波形图，即User1、User3和User5 3路用户信息经过PSK调制后的波形，在图中给出了6个bit的波形图，从图2（a）可以看出3路用户信息各不相同，相位跳边表示1、0码的变化.图2（b）为RoF信号的光波形图，即图1中D处的波形.

图2 （a）User1、User3和User5的RF信号波形图；（b）RoF信号的光波形图

图3为电RF信号及光RoF信号的功率密度谱.其中图3（a）为图2（a）的3个波形图所对应的功率密度谱，由于用户速率为2 Gbit/s，故User1的中心频率为4 GHz，而User3和User5的中心频率分别为12，20 GHz，同时在图3（a）中的中心频率两端存在一系列旁瓣，分得了中心频率处主瓣的一些能量.图3（b）为图2（b）光信号所对应的功率密度谱，从图3（b）可以看出，在193.1 THz处存在一个强载波，在载波两边分布着5个用户各自的功率密度谱，即5个用户功率密度谱中的主瓣图形，即SCM到RoF其实质就是功率密度谱的搬移.

图3 （a）User1、User3和User5的RF信号的功率密度谱；（b）RoF信号的功率密度谱

2 结果分析

图4 5路用户Q值随传输距离变化关系

图4给出了5路用户各自系统Q值随传输距离的变化趋势，用户传输速率为2 Gbit/s.从图4可以看出，随着传输距离的增大，5路用户的系统Q值都在降低，整体来看User4和User5传输性能较差，这主要是因为User4和User5的RF信号频率较高，复用后在光频域上也处在高频位置，如图3（b）所示，旁瓣处的功率密度谱对User4和User5的功率密度谱影响较大，造成这两路用户的系统Q值较差.而在后续分析中主要以User1作为参考来进行相关分析.

图5给出了传输距离为60 km时，5路用户经PSK调制后通过BPF滤波和没有BPF滤波时各自系统Q值变化情况，其中左下斜线方框为5路用户经PSK调制并通过BPF滤波后所对应Q值情况，而右下斜线方框为只经过PSK调制后系统Q值情况.对比图5可以看出，若通过PSK调制后但不经过BPF滤波，则系统Q值普遍较差，这主要是因为若不经过BPF滤波，则旁瓣较为丰富，如图3（a）所示，最终会影响到相邻用户的功率密度谱，造成频域混叠，导致系统性能变差，Q值降低.

在图1接收端也存在BPF，图6给出了接收端BPF滤波器不同带宽下User1的系统Q值变化情况，相关参数与前述相同，只改变接收端BPF带宽大小.从图6可以看出，当BPF带宽从2 GHz变化3 GHz时系统Q值从3.86升高到6.20；而当BPF带宽从3 GHz增大到4 GHz时，系统Q值则从6.20降低到5.56，总体呈现出先增大后减小的趋势.Q值先增大是因为随着BPF带宽的增大，更多的信号频率分量通过了BPF，从而使输出信号更接近于原始信号，即有用信号功率随BPF带宽的增大而增加，最终引起系统信噪比（SNR）的上升，系统Q值也随之增大，当BPF的带宽为3 GHz时系统Q值达到峰值.随着BPF带宽的持续增大，虽然有更多有用信号频率分量可以通过BPF，但此时这些高频分量所占据的能量越来越小，对有用信号功率的贡献量也逐渐变小，而此时却有更多的噪声通过BPF，致使噪声功率变大，从而引起SNR降低，系统性能下降，Q值降低，故出现了图6所示的Q值变化趋势.同时在图6中给出了BPF带宽分别为2 GHz和3 GHz时的输出端波形图，对比可以看出当BPF带宽为2 GHz时输出波形失真严重.

图5 发射端带有BPF和无BPF时User1的Q值变化情况

图7为User1在不同用户速率下系统BER的变化情况.从图7可以看出，当用户速率从1 Gbit/s增大到3 Gbit/s时，系统BER从4.33×10-13增大到4.72×10-9，系统性能有所降低，图7中插图为1 Gbit/s和3 Gbit/s时系统眼图，从眼图上也可以看出这一变化.当用户速率较低时，两个相邻码元间隔较大，色散、偏振模色散等导致的脉冲展宽使相邻码元影响较小，即符号间干扰（ISI）较弱；随着用户速率的提高，两相邻码元间隔变小，ISI影响加强，导致系统性能变差，BER上升.而当系统传输速率分别为1.5，2，2.5 Gbit/s时，系统BER基本保持在10-10数量级上.用户速率为1 Gbit/s时虽然BER较低，但此时系统用户速率也较小，并不能使系统利率最大化；而当用户速率为3 Gbit/s时其系统BER较差，即用户速率提升是以系统性能变差为代价的.综合来看当用户速率维持在2 Gbit/s左右时，传输性能与系统利用率之间达到最佳平衡.

图6 接收端滤波器带宽和Q值对应关系

图7 不同用户速率下BER变化情况

3 结论

结合SCM和RoF的特点，采用PSK调制技术，研究了SCM-RoF光纤通信系统的传输性能，结果表明不同用户间传输效果略有差异，用户在进行PSK调制时，随着调制频率的增大，系统传输性能稍有变差.同时发射端和接收端的BPF也会对系统传输性能造成影响，在发射端采用BPF滤波时其性能要比不采用BPF滤波的系统传输性能要好，而在接收端当BPF带宽为用户速率1.5倍时可实现最佳传输，而当用户传输速率保持在2 Gbit/s左右时系统传输性能与系统利用率达到最佳平衡.以上结果可以为SCM-RoF系统设计提供理论参考.

[1]ALAVISE，AMIRIIS，KHALILYM，etal.W-BandOFDMforRadio-Over-FiberDirect-DetectionLinkEnabledbyFrequencyNonuplingOpticalUp-Conversion[J].IEEEPhotonicsJournal，2014，6（6）：1-7.

[2]KITAYAMAKI，MARUTAA，YOSHIDAY.DigitalCoherentTechnologyforOpticalFiberandRadio-Over-fiberTransmissionSystems [J].JournalofLightwaveTechnology，2014，32（20）：3411-3420.

[3]LIT，WANGD，ZHANGJ，etal.Demonstrationof6.25GBaudAdvancedModulationFormatswithSubcarrierMultiplexedTechniqueon SiliconMach-ZehnderModulator[J].OpticsExpress，2014，22（16）：19818-19823.

[4]陈锦妮，柯熙政.基于副载波外差检测的副载波-正交频分复用系统误码性能研究[J].光学学报，2016，（2）：24-32.

[5]VAGIONASC，MITSOLIDOUC，TSIOKOSD，etal.OpticalPhysical-LayerDigitalNetworkCodingfor2.5Gb/sforRof-BasedFiWiNetworks[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2016，28（13）：1442-1445.

[6]CABALLERODV，ALMEIDARP，URBANPJ，etal.SCM/WDM-PONwithIn-ServiceBasebandEmbeddedOTDRMonitoring[J].OpticsCommunications，2015，356：250-255.

[7]SHARMAS，BHATIAKS，KAURH.ImpactofLineWidthandPowerofLaseronRadiooverFiberSystem[J].JournalofOpticalCommunications，2015，36（1）：67-70.

（责任编辑钮效鹍）

Transmission Performance of SCM-RoF System Based on PSK

WANG Xian-bin1,CAI Bo-cheng2,YANG Jie1,JIA Ying-qian1,KANG Yuan-yuan1
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Printing House,Hebei Newspaper Media Group Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei 050011,China)

Subcarrier multiplexing-radio over fiber(SCM-RoF)system based on phase shift keying(PSK)is designed.The time and frequency domain characteristics of SCM-RoF signal are analyzed,and the influence of bandpass filter(BPF)at transmitter end and receiver end and the transmission rate on the SCM-ROF system and the transmission characteristics of different users are studied.The results show that the transmission performance among different users is slightly different,and BPF at transmitter end and receiver end can also affect the system transmission performance.When the user transmission rate is at about 2 Gbit/s,the system performance and transmission efficiency can achieve the best balance,and the bit error rate(BER)is about 10-10.

subcarrier multiplexing;radio over fiber;phase shift keying;transmission performance

TN929.11

A

1673-1972（2017）03-0027-06

2017-03-14

河北省科技计划（15210606）；河北省高等学校科学技术研究项目(Z2017140)；石家庄学院科研项目（16BS004）

王现彬（1981-），男，河北省邢台人，副教授，博士，主要从事光通信技术研究.