基于IQ/CD的單光子載波矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

查文剛，楊 真

(華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西 南昌330013)

1 引言

在過去幾年，微波信號(hào)在光纖的傳輸已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)而被廣泛的研究，無線信號(hào)與光纖技術(shù)(RoF)相結(jié)合的傳輸方式，在遠(yuǎn)程天線，有線電視和寬帶無線接入方面得到了廣泛的應(yīng)用［1］。由于有限的頻譜資源，系統(tǒng)需要采用高頻譜效率的調(diào)制方式，比如說相移鍵控(PSK)和正交幅度調(diào)制(QAM)，這些調(diào)制的信號(hào)也被稱為矢量信號(hào)［2］。目前，已經(jīng)提出了許多技術(shù)通過采用矢量信號(hào)調(diào)制用來實(shí)現(xiàn)RoF傳輸［3］。在RoF系統(tǒng)中，通常需要多個(gè)無線信號(hào)傳輸?shù)揭桓饫w，然而在傳統(tǒng)的RoF系統(tǒng)中，由于無線信號(hào)也許會(huì)有相同的載頻，多個(gè)無線信號(hào)應(yīng)被調(diào)制到不同的光載波，以避免頻譜之間的干擾［4］。

例如，在一個(gè)多路輸入/輸出系統(tǒng)中，天線的無線信號(hào)具有相同的微波的載波頻率［5］。另外，在一個(gè)光載波分多路復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM－PON)中，多個(gè)用戶可以用相同頻率的微波載波發(fā)送不同的信號(hào)。目前，主流的解決方案是使用不同的波長(zhǎng)來攜帶不同的無線信號(hào)［6］，但系統(tǒng)會(huì)變得復(fù)雜和昂貴，這是因?yàn)橐玫蕉鄠€(gè)光波長(zhǎng)和多個(gè)調(diào)制器［7］。相干檢測(cè)在調(diào)制格式方面提供了極大的靈活性［8］，信息可以在幅度和相位進(jìn)行編碼，或者在這兩個(gè)同相(I:in-phase)和正交的載波(Q:quadrature)分量中進(jìn)行編碼，該檢測(cè)技術(shù)具有較低的噪聲和很高的頻譜效率，因此，研究基于IQ調(diào)制和相干檢測(cè)來傳輸矢量信號(hào)，具有重要的實(shí)際意義。

2 相干檢測(cè)原理

本文提出了一個(gè)通過采用IQ(I:in-phase，同相;Q:quadrature，正交)調(diào)制和相干檢測(cè)(CD)的新穎的光子方法來在單微波載波中傳輸兩個(gè)微波矢量信號(hào)。在所提出的系統(tǒng)中，線性偏振光波被分成兩個(gè)正交極化光波，一個(gè)被調(diào)制的兩個(gè)微波矢量信號(hào)和其他的無調(diào)制，但在同一根光纖中傳輸調(diào)制光波。在接收器處，這兩個(gè)光波的正交偏振態(tài)被分離并傳送到一個(gè)相干檢測(cè)器，這里兩個(gè)微波矢量信號(hào)被分離和解調(diào)。

假定應(yīng)用到雙平行馬赫－曾德調(diào)制器(DPMZM)的兩個(gè)矢量信號(hào)分別為I(t)和Q(t)，DPMZM工作在一個(gè)IQ調(diào)制條件(在最小發(fā)送點(diǎn)的子MZM基極和主MZM偏置引入π/21相移)，在DPMZM的輸出的光信號(hào)可以表示為:

在式(1)中，考慮到了調(diào)制條件，輸入光場(chǎng)到DP-MZM的幅度為Ex;角頻率為ωc;DP-MZM的半波電壓為Vπ，γ=π∕Vπ，兩個(gè)矢量信號(hào)分別在光載波上的IQ調(diào)制。偏振分束器(PBS)的其他光波沒有被調(diào)制，Ey是未調(diào)制光載波光場(chǎng)的振幅，在數(shù)學(xué)上可以表示為:

通過SMF傳輸?shù)膬蓚€(gè)正交極化光波(A、B)，是偏振光束組合器(PBC)和多個(gè)波長(zhǎng)復(fù)用的組合。在接收端，在特定的波長(zhǎng)進(jìn)行波分復(fù)用，兩個(gè)正交極化光波通過第二個(gè)PBS分割并傳送到一個(gè)相干檢測(cè)器。相干檢測(cè)器包括一個(gè)光混合器和兩對(duì)光電探測(cè)器(PD)設(shè)備，通過光混合能使相位差分別為0°，180°，90°和90°的兩個(gè)輸入/輸出信號(hào)結(jié)合，然后從四個(gè)輸出端發(fā)送到兩對(duì)PD設(shè)備，圖1所示為相干檢測(cè)器的工作原理圖。

圖1 相干檢測(cè)器的工作原理Fig.1 The prinviple of coherent detector

方程(1)和(2)的兩個(gè)光波發(fā)送到相干檢測(cè)器上。在光混合器的輸出端，將產(chǎn)生四個(gè)輸出信號(hào)，它們分別表示為在上面一對(duì)PD設(shè)備的輸出信號(hào)可表示為:

類似地，下面的一對(duì)PD設(shè)備的輸出信號(hào)可表示為:

從方程(3)和(4)中可看出在相干檢測(cè)器的輸出端，成功恢復(fù)了兩個(gè)微波矢量的信號(hào)。

3 基于IQ調(diào)制和相干檢測(cè)微波矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)上述的原理分析，可以建立相應(yīng)的基于IQ調(diào)制和相干檢測(cè)微波矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)，使用多載波發(fā)生器，從單波長(zhǎng)光源產(chǎn)生的光多載波，然后將其解復(fù)用在一個(gè)光波長(zhǎng)多路分離器中。對(duì)于給定的波長(zhǎng)，在偏振分束器(PBS)中它被分裂成兩個(gè)正交極化波的光波，在一個(gè)雙平行馬赫－曾德調(diào)制器上調(diào)制兩個(gè)同樣的微波頻率攜帶的微波矢量信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)在偏振光束組合器(PBC)上結(jié)合。所有的信號(hào)在被放大摻鉺光纖放大器(EDFA)之前，使用波長(zhǎng)復(fù)用器(MUX)進(jìn)行多路復(fù)用，且通過單模光纖(SMF)進(jìn)行傳輸。

在接收端，采用一個(gè)多路分用器進(jìn)行分離波長(zhǎng)。對(duì)于給定的波長(zhǎng)，PBS是用來分隔兩個(gè)正交極化光波，其隨后發(fā)送到一個(gè)相干檢測(cè)器。在相干檢測(cè)器的輸出端，可獲得兩個(gè)向量信號(hào)，對(duì)于有N個(gè)波長(zhǎng)的系統(tǒng)，可以發(fā)送2N個(gè)矢量信號(hào)。對(duì)于給定的光波長(zhǎng)，可在PBS中的輸出端獲得兩個(gè)正交極化光波，其中一個(gè)發(fā)送到DP-MZM，另一個(gè)傳送給PBC。圖2為基于IQ調(diào)制和相干檢測(cè)微波矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)框圖。

圖2 基于IQ調(diào)制和相干檢測(cè)的微波矢量信號(hào)傳輸系統(tǒng)框圖Fig.2 System chart of microwave vector signal transmission based on IQ/CD

接下來，可以建立如圖3所示為仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，激光器(LD)產(chǎn)生波長(zhǎng)為1545．45 nm的光波，通過PC1發(fā)送到PBS1。PBS1中的一個(gè)輸出口的光波通過PC2傳送到DP-MZM，它由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)2GHz微波攜帶的1Gbps的QPSK信號(hào)驅(qū)動(dòng)，由2個(gè)電信號(hào)放大器(EA)進(jìn)行放大處理，EA1和EA2具有10dB增益。在PBS1的其他輸出端口的光波不進(jìn)行調(diào)制，直接通過PC4發(fā)送到PBC。DP-MZM的兩個(gè)子MZM都是基于最低傳輸點(diǎn)的，在DP-MZM偏置引入π/2相移，DP-MZM輸出的光信號(hào)通過PC3發(fā)送到PBC。PC3和PC4用來使兩個(gè)輸入信號(hào)的偏振狀態(tài)，對(duì)準(zhǔn)PBC的兩個(gè)正交的偏振方向，然后該光信號(hào)通過光學(xué)帶通濾波器濾波，由EDFA放大后，以過濾出EDFA的放大自發(fā)發(fā)射噪聲。然后，光信號(hào)通過25 km單模光纖傳輸，通過PC5發(fā)送到PBS2，從而分開產(chǎn)生兩個(gè)正交極化光波，這兩個(gè)物理上分離的正交偏振的光波，通過PC6和PC7，經(jīng)兩個(gè)輸入端口發(fā)送到相干檢波器上，最后檢測(cè)到的電信號(hào)由一個(gè)數(shù)字采樣示波器所捕獲，然后通過計(jì)算處理進(jìn)行解調(diào)。

圖3 矢量信號(hào)傳輸及檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental setup of vector signal trsnsmisson and detection system

4 矢量信號(hào)傳輸及檢測(cè)仿真分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的傳輸性能，首先測(cè)量有或沒有通過光纖傳輸?shù)膬蓚€(gè)正交相移鍵控(QPSK)信號(hào)的星座圖。在實(shí)驗(yàn)中，控制PC1讓兩個(gè)正交極化光波在PBS2的輸出端具有相同的光功率，在輸出端獲得兩個(gè)QPSK信號(hào)I(t)和Q(t)由相干檢測(cè)器恢復(fù)。表1所示為25 km的SMF傳輸三個(gè)特定接收到的光功率電平的星座圖，兩個(gè)QPSK信號(hào)的星座圖經(jīng)過25 km的SMF傳輸后，性能顯著降低。這表明，經(jīng)過單模光纖傳輸對(duì)傳輸性能的影響很小。同時(shí)還可看到兩個(gè)QPSK信號(hào)與給定接收到的光功率的星座圖的差異很小，這是由于DPMZM中測(cè)量的偏差漂移，以及應(yīng)用到DP-MZM的電信號(hào)的幅度不相等而引起的。

表1 不同的接收光功率下兩個(gè)QPSK信號(hào)的星座圖Tab.1 Constellation maps of two QPSK signals under different received optical powers

然后，評(píng)估了2個(gè)QPSK信號(hào)在誤差向量幅度(EVM)方面的性能。經(jīng)過25 km長(zhǎng)度的SMF傳輸后，觀測(cè)兩個(gè)QPSK信號(hào)的光功率為－3～－17 dBm時(shí)的EVM性能，圖4所示為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果，可以看出，經(jīng)過25 km長(zhǎng)度的SMF傳輸之后的I(t)和Q(t)的信號(hào)傳輸?shù)腅VM性能略有下降。

圖4 誤差向量幅度與接收光功率的關(guān)系Fig.4 The relationship between error vector amplitude and received optical power

對(duì)經(jīng)過25 km長(zhǎng)度的SMF傳輸?shù)膬蓚€(gè)微波矢量信號(hào)，測(cè)量的方法需要有所區(qū)別，兩個(gè)信號(hào)采用不相同測(cè)量方法的原因:

(1)將偏壓應(yīng)用到DP-MZM會(huì)使得實(shí)驗(yàn)偏離原設(shè)定值，這導(dǎo)致了兩個(gè)QPSK信號(hào)的傳輸特性不穩(wěn)定;

(2)在兩個(gè)正交極化光波可能不完全正交，這可能會(huì)導(dǎo)致在光纖傳輸過程中有串?dāng)_;

(3)兩個(gè)正交極化光波被分割且有2個(gè)PBS重新組合，由于環(huán)境的變化，比如說溫度的變化，這可能會(huì)使這兩個(gè)光波之間的相位差逐漸改變。然而，如果采用一個(gè)偏置控制電路可使這些問題得到解決。此外，如果分立器件是由一個(gè)光子集成電路所替代，在穩(wěn)定性方面的性能也將得到改善。

5 結(jié)論

仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于IQ調(diào)制和相干檢測(cè)的光子的方法來傳輸兩個(gè)微波矢量信號(hào)，在光波中使用一個(gè)DP-MZM來調(diào)制兩個(gè)具有相同微波載波頻率的矢量信號(hào)，且在同樣的光纖沒有調(diào)制的情況下，傳輸正交偏振光波來相干檢測(cè)，攜帶矢量信號(hào)的光載波和調(diào)制器的數(shù)量就只需要原來的一半。采用平衡檢測(cè)及PD設(shè)備可以減少噪聲，經(jīng)過25 km的SMF傳輸之后系統(tǒng)性能并沒有顯著的降低，在短期內(nèi)，該系統(tǒng)的傳輸性能在室內(nèi)環(huán)境下沒有明顯的降低。與光纖鏈路中常規(guī)微波矢量信號(hào)傳輸方法相比，所做工作的關(guān)鍵和差異是使用一個(gè)單光纖載體來傳輸有著相同微波載體頻率的兩個(gè)不同的微波矢量信號(hào)，這大大降低了所需的攜帶的微波矢量信號(hào)的光載波和調(diào)制器的數(shù)目。另外，在所提出的相干檢測(cè)方法中，從而降低了光電檢測(cè)器的噪聲的影響，用實(shí)驗(yàn)證明了這一理論，該系統(tǒng)是基于分立元件來實(shí)現(xiàn)的，后續(xù)需要研究其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性問題。

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