超宽带光纤/无线接入系统中若干问题的研究

摘要

在全球信息化的推动下,实现宽带化与无线化是当今通信业发展的两个必然趋势。本文对光载无线通信(RadioOverFiber,ROF)系统与直接检测光正交频分复用(DirectDetectionOpticalOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,DDO-OFDM)系统中的若干问题进行了深入研究。ROF系统通过光纤传输高频毫米波信号,实现超宽带无线接入;DDO-OFDM系统结合了直接检测系统的低成本特性与OFDM技术的高频谱利用率特性,能够有效应用于未来光纤接入通信系统。本论文的主要研究内容与创新点如下:
　　第一、针对业界所关心的60GHzROF系统低成本组网技术以及光载无线传输容限的研究,从理论上对60GHz毫米波信号在光纤链路与无线链路上的传输特性进行了分析,并从实验上对速率分别为1.25Gbps、2.5Gbps、3.75Gbps与5.0Gbps的60GHz毫米波OOK(On-OffKeying)信号经过10km标准单模光纤(Standardsinglemodefiber,SSMF)与1.3m无线传输之后的性能进行验证分析,对光载无线传输的光纤传输段和无线传输段的限制因素进行了探讨,为今后的60GHz系统实用化设计研究提供了传输容限依据与设计方向。
　　第二、提出了ROF系统中一种基于单个调制器,采用载波抑制调制原理的逆单边带调制光载毫米波产生方案。在所提出的简单逆单边带调制(ReverseSinglesideband,RSSB)系统中,用电耦合器代替传统的电混频器,克服由电混频器造成的带宽受限问题。通过采用载波抑制调制原理,将马增德尔调制器(Mach-ZehnderModulator,MZM)偏置电压设置在零偏置点,抑制光载波功率,实现了调制功率效率的最大化。对MZM偏置电压与调制深度进行了仿真对比分析。仿真结果表明,在偏置电压为零偏置点时,经过100kmSSMF传输之后,任何调制深度下的Q因子代价都小于0.5dB。通过仿真验证了RSSB方案能够有效抵抗光纤传输过程中受到的色散效应,实现零色散传输,仿真结果与理论分析结果一致。
　　第三、提出了一种变编码技术,即根据光纤无线OFDM信号中的子载波性能差异,选择不同编码效率的Turbo编码,以抵抗光OFDM信号在光纤传输过程中的子载波互拍效应(Inter-subcarriermixinginterferences,ISMI)和频率选择性衰落效应(Frequencyselectivefading,FF),来改善系统性能。对变编码技术在60GHzROF-OFDM系统中与光纤接入DDO-OFDM系统中的应用进行了理论分析与数值仿真,并通过实验验证。仿真与实验结果表明,无论是将变编码技术应用于面向超宽带无线接入的ROF系统,还是应用于面向未来光纤接入的直接检测光OFDM系统,在相同长度的冗余度下,1/4比率的变编码技术的性能比传统固定编码效率0.625的Turbo码性能要提高1.5dB,能够有效的提高系统接收灵敏度。由于在硬件实现上,通过改变Tubro编码结构中的删余速率就可以获得不同编码效率的Tubro码,因此在传统的Turbo编码结构基础上就可以简单的实现变编码技术,具有很强的实用价值。
　　第四、提出了一种无频率保护间隔的强度调制/直接检测偏振复用光OFDM(IntensityMoulation/DirectdetectpolarizationmultiplexingOFDM,IM/DDPolMux-OOFDM)系统,该系统能够有效的提高频谱利用率,并采用低速器件实现高速率的传输。通过建立理论建模对该系统中光纤链路的色散效应的影响进行了分析。从理论分析得知,在接收端每个PD(Photodetector)端口产生的基带OFDM信号都受到了偏振串扰(Crosspolarizationinterferences,CPI)、符号间干扰(Inter-symbolinterferences,ISI)以及频率选择性衰减(Frequencyselectivefading,FF)效应的影响。通过分析发现,CPI可以在接收端通过信道估计与解复用处理进行补偿,ISI则可以通过循环前缀进行抑制,而FF造成的是信号幅度的减小,是物理性损伤,因此在接收端不能够直接通过数字信号处理对其进行补偿或者消除。因此,我们提出在PolMux-OOFDM系统的高频区域使用PTBC(Polarizationtimeblockcode)码来抵抗IM/DDPolMux-OOFDM系统中的FF效应,并分别对速率为10.59Gbps与53.8Gbps的IM/DDPolMux-OOFDM系统平台进行了实验验证分析。通过对OFDM信号谱图,训练序列归一化幅度谱,信道响应曲线,星座图以及误码分布图对比图等一系列的分析发现,不管是在10.59Gbps还是在53.8GbpsIM/DDPolMux-OOFDM系统中应用PTBC都能够有效减小FF效应的影响,提高系统的接收灵敏度。同时,从53.8GbpsIM/DDPolMux-OOFDM系统误码性能曲线中发现,在B-T-B(Back-to-back)与20kmSSMF传输之后的功率代价很小,说明了IM/DDPolMux-OOFDM系统的实际应用的可行性。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2选题背景

1.3国内外研究现状

1.4本论文的研究工作及结构安排

第2章 60GHz ROF系统光纤无线传输实验研究

2.1引言

2.2 ROF基本原理

2.3基于MZM的外部调制技术

2.4基于四倍频调制的60GHz毫米波信号的光纤传输特性分析

2.5 60GHz 毫米波信号无线信道特性分析

2.6实验结果分析和比较

2.7小结

第3章 简单逆单边带调制方案的研究

3.1引言

3.2 RSSB系统描述与理论分析

3.3数值模拟仿真及结果分析

3.4小结

第4章 变编码技术在光纤/无线OFDM通信系统中的研究

4.1引言

4.2光通信中的OFDM技术

4.3变编码技术与比特交织技术基本原理

4.4基于变编码技术的60GHz ROF-OFDM系统的研究

4.5基于变编码技术与比特交织技术的DDO-OFDM系统的研究

4.6小结

第5章 无频率保护间隔的IM/DD PolMux-OOFDM系统研究

5.1引言

5.2 IM/DD PolMux-OOFDM传输系统理论分析

5.3信道估计与解复用MIMO处理

5.4 IM/DD PolMux-OOFDM系统中的PTBC

5.5 IM/DD PolMux-OOFDM系统实验研究

5.6小结

结论

参考文献

附录A 攻读博士学位期间已发表与待发表的论文

致谢