基于8PSK和16PSK调制的全双工RoF系统研究

季幸平,王建军,邵宇丰,汪志峰

(上海第二工业大学 计算机与信息工程学院,上海201209)

0 引言

光载无线通信(radio over f i ber,RoF)应用了高频无线电波和光纤低损耗的特点,实现了高速大容量的宽带传输,并能够充分发挥几十的频谱资源,具有较低的传输损耗、巨大的带宽、抵抗电磁干扰等优势,是近年来的研究热点。在数字通信技术中,其信号调制技术在复杂电磁环境中的通信对抗、干扰识别、无线电频谱监测等领域中尤为重要[1]。为了满足用户日益增长的大容量需求,多进制相移键控(MPSK)调制具有较高的频谱效率和良好的抗噪声性能,在相同的带宽下,能够得到比二进制信号更大的通信容量,而得到广泛的应用。

针对上述情况,建立了一个全双工RoF链路模型。系统的下行链路是基于马赫增德尔调制器(Maher-Zehnder modulator,MZM)的抑制奇次边带的3路信号,其中两路分别进行8进制相移键控(eight hexadecimal phase shift keying,8PSK)与16进制相移键控(sixteen hexadecimal phase shift keying,16PSK)调制。使用光载波抑制调制方法相比较单、双边带调制而言,具有更高的带宽利用率和接收机灵敏度,并且可以避免周期性衰落,实现系统的稳定传输[2-3]。而另一路信号则作为上行基带信号的载波信号,使得基站端不需要添置额外的激光源,从而降低了系统的成本。该系统分别在不同的光信噪比(optical signal to noise ratio,OSNR)和不同传输距离条件下,仿真分析了下行链路两种调制信号的光谱图及误码率曲线,通过分析接收信号的星座图和误码特性证明:与16PSK信号相比,当OSNR＞25时,8PSK信号误码率量级可以达到10-4(lgBER≤-3),当传输距离为40 km时,8PSK的误码率为4.8×10-3(lgBER=-2.32),仍然可以有效传输数据信息。且在不同OSNR和不同传输距离条件下,8PSK的误码率均低于16PSK,因此8PSK具有更可靠的传输性能,且更适用于远距离传输。

1 RoF全双工链路模型

图1 RoF系统框架示意图Fig.1 System framework diagram of RoF

图2 (a)抑制奇次边带调制信号光谱图;(b)经过单模光纤后的3路信号光谱图Fig.2 (a)Spectrum diagram of the suppression odd-order sideband modulation signals;(b)Spectrum of three signals after passing through a single-mode f i ber

RoF全双工链路模型系统原理框图如图1所示。在中心站处,本振信号为20 GHz,由激光器发出连续激光源传输至MZM中,设置MZM的调制参数,从而得到抑制奇次边带调制信号,该信号光谱图如图2(a)所示。用波分解复用器取3路调制信号,其中两路分别由16PSK和8PSK进行调制,然后由波分复用器汇入标准单模光纤信道中。光谱图如图2(b)所示。在基站端,由3路不同中心频率的光带通滤波器进行滤波,其中两路被调制信号分别进行相干检测恢复出原始数据,未被利用的一路信号作为上行链路的载波信号,采用差分相移键控(DPSK)调制方式,然后传输送入中心站,节约基站成本,简化系统复杂度。

2 系统设计与仿真结果

本文采用Optiwave搭建了图1所示的基于载波抑制RoF系统。在中心站,设置连续激光源中心频率为193.1 THz,偏振角为45°,射频信号为20 GHz,MZM驱动消光比为30 dB。设置MZM的两个直流偏置电压分别为0 V、4 V,调制电压为π,射频电压为1 V。3路信号的中心频率分别为193.04、193.08和193.12 THz。用波分解复用器分离±1阶边带信号,并分别加载由16PSK、8PSK调制的数据信息,另一路-3阶边带信号不做任何处理,然后由复用器一同汇成一路传输信号经过20 km单模光纤传输至基站端。在基站端,设置3个贝塞尔带通滤波器的中心频率依次为:193.08、193.04和193.12 THz。图3所示分别为基站端3路传输信号的光谱图。

图3 (a)16PSK调制信号光谱图;(b)8PSK调制信号光谱图;(c)-3阶边带信号光谱图Fig.3(a)16PSK modulated signal spectrum;(b)8PSK modulated signal spectrum;(c)Spectral map of the-3 sideband signal

16PSK与8PSK的误码率曲线如图4所示,红色曲线为8PSK调制信号,黑色曲线为16PSK调制信号。由图可知,随着光信噪比的增大,误码率随之减小。由星座图可以看出,当OSNR＜25时,16PSK信号星座图模糊不能正常传输,在OSNR≥25时,可以正常传输,并且当OSNR达到29时,16PSK的误码率达到7.5×10-4(lgBER=-3.12)。相比16PSK信号而言,在20～29的OSNR条件下,8PSK星座图虽有些许误差,但均可正常传输。当OSNR为29时,8PSK的误码率为2.7×10-4(lgBER=-3.56)。8PSK调制信号的误码率始终低于16PSK调制信号。因此,8PSK具有更低的误码率,更高的传输性能。图5所示为在OSNR为29 dBm时,8PSK与16PSK调制信号在不同传输距离条件下的误码率曲线图。由图5可以看出,随着传输距离的增加,两路信号的误码率逐渐增大。由星座图可以看出,当传输距离为40 km时,两路信号相位虽然有误差,但是仍然可以有效传输数据信息,8PSK调制信号的误码率为4.9×10-3(lgBER=-2.31),16PSK调制信号的误码率为9.8×10-3(lgBER=-2.01)。但当传输距离为45 km时,两路信号误码率骤然增加,星座图相位模糊,无法正常传输数据。但8PSK调制信号的误码率始终低于16PSK调制信号。因此,8PSK增加了通信容量,更适合于远距离传输。

图4 随OSNR的增加,8PSK与16PSK信号误码率曲线及星座图Fig.4 Bit error rate curve and constellation diagram of 8PSK and 16PSK signals with increasing OSNR

图5 随传输距离的增加,8PSK与16PSK信号误码率曲线星座图Fig.5 Bit error rate curve and constellation diagram of 8PSK and 16PSK signals with increasing transmission distance

在上行链路端,取-3阶边带信号作为载波信号,在20 km的单模光纤情况下,得到随OSNR增大的误码率曲线如图6所示。可以看出误码率均在10-9以上,可以实现高质量信号传输。

图6 随OSNR的增加,DPSK误码率曲线图Fig.6 Bit error rate curve of DPSK signal with increasing OSNR

3 结 论

本文为了对比分析8PSK与16PSK信号的传输性能,建立了一个全双工RoF链路模型。系统的下行链路是对基于MZM的抑制奇次边带两路信号,分别进行8PSK和16PSK调制。上行链路是取下行链路中一路未被调制的抑制奇次边带信号,作为上行基带信号的载波信号,节约系统的成本。该系统分别在不同的OSNR和不同传输距离条件下,仿真分析了下行链路两种调制信号的光谱图及误码率曲线,通过分析接收信号的星座图和误码特性证明:与16PSK信号相比,当OSNR＞25时,8PSK信号误码率量级可以达到10-4(lgBER≤-3),当传输距离为40 km时,8PSK的误码率为4.8×10-3(lgBER=-2.32),仍然可以有效传输数据信息。且在不同OSNR和不同传输距离条件下,8PSK的误码率均低于16PSK,因此8PSK具有更可靠的传输性能,且更适用于远距离传输。