光纤无线通信与自由空间光通信集成系统的非线性噪声补偿

摘要

提出并实验了一种基于非线性噪声补偿的光纤无线通信与自由空间光通信集成系统。该集成系统结合了FSO通信和高频无线通信的优点，以及多载波正交频分复用(OFDM)调制的高频效率和对多径衰落的抗干扰能力，提高了系统的容量和灵活性。采用非线性均衡器来补偿组合系统中OFDM信号子载波间拍频引起的失真。高达1 gbaud 16QAM的离散多音(DMT) OFDM信号可以先通过100米的单模光纤(SMF)传输，再通过100米的FSO链路传输，最后通过4米的无线传输。在集成系统中，OFDM信号的误码率(bit-error-ratio, BER)可小于HD-FEC (hard-decision forward-error-correction)的3.8 × 10门限⁻³．实验表明，该非线性均衡器能够很好地与组合系统兼容，在组合系统中可以将接收灵敏度提高0.7 db，提高传输性能。

1.介绍

如今，无线和宽带正成为通信产业乃至整个信息产业的主要发展趋势。无线传输能力将出现爆炸式增长，对超高速无线信号的需求迫在眉睫。高频毫米波频率较高，带宽较大，可以提高数据传输速率，对实现Gbit/s的无线传输要求起到重要作用[1- - - - - -3.］．光子辅助毫米波技术能够克服电子器件带宽的限制，是一种有效的毫米波产生方案。此外，光子辅助毫米波技术具有光通信与无线通信无缝结合的特点。光纤无线通信由于建立了基于光子技术的电子系统而吸引了越来越多的兴趣[4- - - - - -6］．自由空间光通信被认为是一种有效的接入技术，具有波束方向性好、链路功耗低的优点[7，8］．光纤无线通信与自由空间光通信具有不同的优点。与FSO通信系统相比，毫米波信号具有更强的穿透云层和绕射障碍物的能力。与毫米波通信相比，该通信系统具有更好的安全性和抗电磁干扰能力。两个系统的无缝结合，可以提高应急服务传输的可靠性和灵活性。基于高阶正交振幅调制(QAM)的OFDM技术，具有抵抗无线链路多径干扰影响和抑制光纤链路色散的能力，显示出通信系统高频效率和大传输容量的特点[9- - - - - -11］．OFDM调制对于光纤无线通信系统和FSO通信都是一种有效的调制方式。基于上述因素，我们提出了一种新的光纤无线通信与FSO通信集成系统。在无缝组合系统中传输的信号用于OFDM调制[12］．然而，在该积分系统中存在线性和非线性效应。与线性效应相比，非线性效应会更严重地降低集成系统的传输性能。积分系统中存在多种非线性效应。这些引起非线性效应的因素包括光电元件在饱和区域的工作、光纤链路中的非线性效应以及接收端的平方律检测器产生的拍频非线性噪声。为了减小集成系统中非线性效应的影响，可以减小电信号对光纤的传输功率和发射功率，使系统中的器件和元件能够在其线性动态范围内工作。由于信噪比低，这种方法可能会降低系统的性能。因此，有必要寻找一种有效的方法来减小非线性影响。如何对集成系统进行非线性损伤补偿是一个重要的问题。

本文提出并实验了一种基于非线性噪声补偿的光纤无线通信与无线光通信的集成系统。针对组合系统中存在的非线性OFDM副载波拍频噪声，采用Volterra非线性补偿均衡器来消除噪声。该系统通过发送端直接调制将传输信号调制为光波，通过接收端直接检测将高频毫米波下转换为基带信号。利用h -平均技术和基于离散傅里叶变换的扩频技术优化传输性能[5，13］．在实验中，高达1-Gbaud 16QAM-DMT信号可以完成100m SMF和100m FSO链路传输，然后实现了误码率在3.8 × 10以下的4m无线链路传输⁻³．结果表明，通过非线性噪声补偿，消除了DMT子载波间跳动引起的噪声，使传输性能优化了0.7 dB的接收灵敏度。

1．1.基于非线性噪声补偿的集成系统原理

数字1描述了基于非线性噪声补偿的集成系统的结构。集成系统的光纤传输部分的两个光信号被用来在光纤上产生毫米波。只有一个光信号承载数据。电基带OFDM信号被调制为具有中心波长的光信号λ₁通过直接调制激光(DML)。另一种没有数据的光信号是具有中心波长的连续光波λ₂，它是由一个可调节的激光器发射的，可以调节两者之间的差异λ₂和λ₁按照要求的毫米波频率。两波耦合在图中的光耦合器(OC)中1，图中a点光耦合后信号的光谱图1如图所示2(一个)．波长之间的频率间隔λ₁和波长λ₂等于频率吗f_射频产生的高频毫米波。发射OFDM子载波的频率分量位于波长处λ₁．耦合光信号携带毫米波，经光放大器放大后送入SMF，再送入自由空间光链路。在无线so链路终端，采用光学天线接收携带毫米波的光信号。之后，携带毫米波的光信号完成光纤链路和FSO链路的传输。接收信号在点处的频谱图b在图1如图所示2 (b)．然后，接收到的光信号进入光电探测器，产生高频电子毫米波。电子毫米波在点处的谱图c在图1如图所示2 (c)．数字2 (c)揭示了局部放电后的信号不仅携带高频毫米波OFDM信号，还会产生带有非线性噪声的基带OFDM信号。由于光电检测的平方律检测会导致OFDM信号中子载波拍频的干扰，在基带产生非线性噪声。高频毫米波信号不受子载波拍频噪声的干扰。接下来，毫米波信号通过天线无线传输。毫米波由无线传输链路后的另一天线捕获，并得到点处信号的频谱图d在图1如图所示2 (d)．与图中的信号进行比较2 (c)，图中的信号2 (d)在低频缺乏信号部分。电信号从点传送过来c重要的是d需要通过工作在w波段频率范围的器件，导致信号的低频部分被滤除。采用包络检测实现OFDM信号的下变频。信号在点处的频谱图e在图1如图所示2 (e)．从图中可以看出2 (e)结果表明，经过平方律检测后，由于子载波拍频，基带OFDM信号将携带非线性噪声。

非线性均衡器对于抑制通信系统中的非线性噪声有很好的效果，其中Volterra非线性均衡器是一个很好的选择，具有发展潜力[14］．给出了自适应Volterra非线性均衡器的数学表达式 (在哪里 ）表示均衡器的参数，x（t)表示系统的输入，并且y（t)表示Volterra均衡器后的输出。由于算法的计算复杂度和Volterra滤波器的计数精度之间的矛盾，在实现过程中可以保留一阶和二阶项，丢弃高阶项。在通信系统中，采用OFDM调制的信号在经过平方律包络检波器后，由于副载波拍频而产生非线性噪声。文献[14]提出了一种用于离散多音OFDM调制信号的非线性均衡器，用于补偿线性噪声和非线性噪声。

Volterra均衡器由两个有限脉冲响应滤波器组成。采用自适应滤波器对线性失真进行补偿。另外，还设计了一种用于非线性失真的补偿算法。参考Volterra均衡器的数学公式[14]为 在哪里c_j表示线性滤波器的一阶权值参数h_l，_j表示二阶非线性滤波器的权值参数。米表示两个过滤器中水龙头的数量。

方程中显示的Volterra均衡器(2)用于积分系统，以消除非线性噪声。利用最小均方(LMS)算法，得到了一阶和二阶项的权重参数。结合所提出的组合系统所传输的OFDM信号，给出了该系统所使用的计算公式 在哪里表示线性滤波器的阶跃系数，为非线性滤波器中的阶跃系数，为实际值与理论值之差。

2.实验装置

数字3.给出了基于非线性噪声补偿的组合通信系统的实验图。首先，在离线的Matlab软件中完成OFDM调制。在OFDM信号调制中，用于传输数据的子载波数为100，这些子载波采用16QAM高阶矢量映射，实现了信号的高频谱效率。系统采用了基于离散傅里叶变换的扩频技术。该技术在传统OFDM调制的基础上，需要在调制端增加一个FFT，在解调端增加一个IFFT。首先对100个子载波进行FFT变换，然后对不同频率的100个子载波进行共轭对称运算，将100个子载波转换为200个子载波，实现离散多音型OFDM信号调制，如图所示3.．传统的OFDM信号是复数，而离散的多音型OFDM信号通过附加共轭对称运算成为实数。为了防止子载波之间的干扰，在满足共轭对称的转换子载波上增加第一位置的直流分量0和24个保护间隔。然后，对得到的所有子载波进行IFFT变换。最后，在IFFT变换后的数据中加入循环前缀0.125。在上述操作的基础上，对离散多音OFDM信号的一个符号进行调制。在信号完全脱机调制之前，在OFDM符号中插入与一个OFDM符号长度相同的训练序列。然后，由任意波形发生器(AWG)产生的电1-Gbaud 16QAM-DMT-OFDM信号被DML调制为光信号。作为耦合光之一，DML输出光信号的中心波长为159.9995 nm，输出光功率为2.26 mW。另一种光波由控制中心波长为1549.386 nm的外腔激光器(ECL)产生。 After coupling two optical signals, the frequency interval between the center carriers of the two optical signal is 75 GHz. Then, the optical signal carrying millimeter wave signal is amplified to 13dBm through an erbium-doped fiber amplifier and transmitted into optical fiber for 100 m transmission. Next, the amplified optical signal carrying the millimeter wave signal is transmitted by an optical antenna through a 100 m FSO link. Then, the optical signal with millimeter wave is captured by another optical antenna as shown in Figure3.．

在自由空间光传输后，通过EDFA和光衰减器使携带毫米波的光信号在光电转换前的功率保持在合适的值。随后，带有毫米波的光信号通过3 dB带宽为100 GHz的光电探测器实现光电转换为75 GHz的电信号，实现O/E转换。产生的75 GHz高频毫米波被放大器放大，饱和输出功率为4 dbm，增益为32 db。这个电放大器工作在w波段的频率范围内。然后，通过卡塞格伦天线发射高频电毫米波信号，增益为50.8 dbi，发射波束宽度为0.4°。毫米波在无线传输4 m后，由另一个与无线发射端相同参数的卡塞格伦天线捕获。然后，将75 GHz的电OFDM信号用另一个与无线发射端相同的电放大器进行放大。然后，将75 GHz的OFDM信号通过包络检波器向下转换为基带电OFDM信号。然后，基带DMT-OFDM信号被一个工作频率为0 ~ 40ghz的电子放大器放大。然后，使用50-GSa/s采样率、16ghz带宽的数字示波器捕获电基带16QAM-DMT-OFDM信号。 Finally, the 16QAM-DMT-OFDM signal demodulation and the BER counting are carried out in Matlab software. As shown in the Figure3.，解调包括同步、CP去除、FFT、保护去除、IFFT和符号映射。与调制相比，解调具有相反的过程。在解调过程中，采用基于lms的Volterra均衡器对非线性噪声进行补偿。此外，在积分系统中采用了7分h平均技术和基于离散傅里叶变换的扩频技术来提高传输性能。

3.实验结果

数据4(一)和4 (b)分别显示了AWG后传输的OFDM信号和OSC中接收的OFDM信号的电谱。实验中的信号传输速率为1-Gbaud。从频谱中可以看出，经过光通道和无线通道后，信号的信噪比下降严重。由于器件和链路信道的频率选择性衰落，OFDM信号的高频部分衰减更为严重。此外，与发射信号相比，接收信号也受到上述子载波拍频干扰的影响。此外，频率较低的子载波受到的影响相对较大。数字4 (c)描述了承载毫米波的耦合光信号的光谱。连续光波长之间的差值λ₂和λ₁可根据所要求的高频毫米波进行调整。在实验中，我们设置中心载波之间的频差为75 GHz，从而在系统中产生75 GHz的毫米波。

数字5(a)为1-Gbaud OFDM信号星座。在这种情况下，集成系统中没有使用非线性均衡器，信号进入PD的发射功率为−0.5 dBm。数字5(b)为1-Gbaud OFDM信号星座。在这种情况下，集成系统采用非线性均衡器，信号进入PD的发射功率也为−0.5 dBm。结果表明，在传输速率相同的情况下，后者星座的收敛性明显优于前者星座。

数字6描述了接收端带非线性均衡器和不带非线性均衡器的OFDM传输信号的实测误码率曲线。传输速率为1-Gbaud。从结果可以看出，在相同的速率下，采用非线性均衡器的系统性能较好。通过对非线性噪声的补偿，Volterra均衡器可以优化组合系统的性能，提高0.7 dB的接收灵敏度。当信号进入局部放电的发射功率大于−0.5 dBm时，采用非线性均衡器补偿的组合系统传输的OFDM信号的误码率可小于3.8 × 10⁻³．

4.结论

提出并实验了一种基于非线性噪声补偿的光纤无线通信与无线光通信集成系统。该集成系统结合了FSO通信和高频无线通信的优点，以及多载波OFDM调制的高频效率和对多径衰落的抗干扰能力，提高了系统的容量和灵活性。采用非线性均衡器来补偿组合系统中OFDM信号子载波间拍频引起的失真。高达1 gbaud 16QAM-DMT- OFDM信号可以先通过100m的SMF传输，再通过100m的FSO链路传输，最后通过4m的无线传输。在集成系统中，OFDM信号的误码率可以小于HD-FEC阈值3.8 × 10⁻³．实验表明，该非线性均衡器能够很好地与组合系统兼容，在组合系统中可以将接收灵敏度提高0.7 db，提高传输性能。

数据可用性

所有用于支持本研究结果的数据可根据要求从通讯作者处获得。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本文由国家自然科学基金项目(no . 61905074和no . 61875054)资助;湖南省自然科学基金项目(no . 2019JJ50170, no . 2020JJ7065, no . 2020JJ4318);湖南省教育厅科研基金项目(18C0326)。

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