基于八倍頻的單邊帶光載毫米波產(chǎn)生技術(shù)研究

鄭之偉,譚莉,劉志偉

(湖南師范大學(xué) 物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙，410081)

基于八倍頻的單邊帶光載毫米波產(chǎn)生技術(shù)研究

鄭之偉,譚莉,劉志偉

(湖南師范大學(xué) 物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙，410081)

本文研究了一種基于八倍頻技術(shù)產(chǎn)生單邊帶光載毫米波信號的新方案，該方案采用平行鈮酸鋰馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)產(chǎn)生了八倍頻的光毫米波信號。當(dāng)驅(qū)動(dòng)DPMZM的兩射頻信號的相位差為π/2時(shí)，其子調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)奇數(shù)邊帶與中心載波抑制，并產(chǎn)生兩個(gè)四階光邊帶信號，將其中一個(gè)光邊帶搭載基帶數(shù)據(jù)，再通過光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器后，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到電毫米波信號。仿真結(jié)果表明，該方案產(chǎn)生的光載毫米波信號能有效抑制了光纖色散的影響，搭載5 Gbit/s基帶數(shù)據(jù)的60 GHz和100 GHz的光載毫米波經(jīng)過40 km標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸后，功率代價(jià)小于1 dB。

光通信；光載無線系統(tǒng)；光單邊帶調(diào)制；八倍頻

近年來，由于光通信波段的光電器件逐漸發(fā)展成熟，基于光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生毫米波得到了更多研究者的關(guān)注，相對于傳統(tǒng)電域產(chǎn)生技術(shù)，光生毫米波有著高帶寬、低成本、寬調(diào)諧范圍等優(yōu)勢[1-2]。同時(shí)，光學(xué)產(chǎn)生毫米波信號能夠有效融合在光載無線通信系統(tǒng)(ROF)的中心站，可高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的上變頻，從而減少系統(tǒng)中昂貴的高頻電混頻器，電光調(diào)制器的數(shù)量，降低整個(gè)通信系統(tǒng)的成本。

目前，光學(xué)生成毫米波技術(shù)主要有光注入鎖定[3]、光鎖相環(huán)法[4]、光外差法[5]和外調(diào)制技術(shù)[6-12]等。其中，外調(diào)制技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡單、良好的穩(wěn)定性、高靈活性和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在ROF系統(tǒng)中采用的較為廣泛。其中,文獻(xiàn)[6，7]在馬赫曾德爾調(diào)制器上利用光抑制載波(OCS)調(diào)制和光單邊帶(OSSB)調(diào)制實(shí)現(xiàn)了二倍頻調(diào)制。文獻(xiàn)[8]使用單一調(diào)制器將MZ 調(diào)制器的偏置點(diǎn)設(shè)為調(diào)制曲線的最高點(diǎn)后加載中頻微波信號，生成光載波和兩個(gè)二階邊帶，實(shí)現(xiàn)了四倍頻調(diào)制。文獻(xiàn)[9]用級聯(lián)采用級聯(lián)馬赫-曾德爾調(diào)制器產(chǎn)生了四倍頻、六倍頻和八倍頻微波信號，每個(gè)MZM都被偏置在最大或者最小傳輸點(diǎn)來抑制相應(yīng)階邊帶。文獻(xiàn)[10，11]用一種雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)的光子倍頻毫米波生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)四倍頻、六倍頻、八倍頻毫米波的產(chǎn)生。文獻(xiàn)[12]提出了一種改進(jìn)的單邊帶調(diào)制技術(shù)，在將數(shù)據(jù)信號僅調(diào)制到多倍頻光毫米波信號的一個(gè)階邊帶上傳輸，解決了碼元走離的問題。

近年來研究結(jié)果表明，ROF系統(tǒng)中的載波正往帶寬容量更高的毫米波頻段發(fā)展，因而對毫米波高倍頻的調(diào)制技術(shù)還需進(jìn)一步研究，同時(shí)光纖色散與光毫米波載波頻率相關(guān)，更高頻率的光毫米波信號傳輸會(huì)面臨更嚴(yán)峻的色散效應(yīng)的影響，而改進(jìn)型單邊帶調(diào)制技術(shù)能夠有效克服光纖的色散效應(yīng)。本文采用一種改進(jìn)的八倍頻單邊帶調(diào)制技術(shù)，利用DPMZM的非線性響應(yīng)產(chǎn)生頻率間隔為本振頻率八倍的兩個(gè)四階光邊帶，并將其中一個(gè)邊帶攜帶數(shù)據(jù)信息，另一個(gè)邊帶為空邊帶，這種改進(jìn)型單邊帶光載毫米波信號，有更好的抗色散效果。論文分別分析60GHz與100 GHz光毫米波的傳輸距離，眼圖和功率代價(jià)等重要參數(shù)，從理論和仿真結(jié)果討論了該方案的可行性和有效性。

1 理論分析

1.1 DPMZM八倍頻產(chǎn)生毫米波產(chǎn)生的理論模型

基于八倍頻技術(shù)的光載毫米波產(chǎn)生方案如圖1所示，激光器(LD)產(chǎn)生的連續(xù)光信號輸入到雙平行鈮酸鋰馬赫-曾德爾集成調(diào)制器(DPMZM)，其中MZM1和MZM2兩個(gè)子調(diào)制器分別用相位差為π/2的射頻信號RF驅(qū)動(dòng)，通過設(shè)置相適應(yīng)的直流偏置點(diǎn)、調(diào)制系數(shù)以及基帶信號增益等，使兩個(gè)子調(diào)制器均實(shí)現(xiàn)奇數(shù)邊帶與中心載波抑制，此時(shí)光信號主要由兩個(gè)四階光邊帶組成，其頻率間隔等于射頻信號RF頻率的八倍。經(jīng)過光放大、濾波、復(fù)用和解復(fù)用等過程后，將基帶數(shù)據(jù)信號由數(shù)據(jù)調(diào)制器MZM3加載到其中一個(gè)光邊帶上，通過光纖傳輸后，將光信號在光電探測器(PD)上拍頻即可生成八倍頻的電毫米波信號。

圖1 基于DPMZM的八倍頻毫米波生成系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the frequency-octupling millimeter-wave generation based on a DPMZM

若從激光器輸出的連續(xù)光表達(dá)式為:E0(t)=E0·ejω0t，其中E0，ω0分別為光載波的幅度和角頻率，射頻信號表達(dá)式為:VRF(t)=VRFcosωRFt，VRF，ωRF分別為射頻信號的幅度和角頻率，θ為加載在調(diào)制器上兩路射頻信號的相位差。則從馬赫-增德爾調(diào)制器中輸出的光信號表達(dá)式為[13]:

(1)

E(t)=-E0J2(β)[cos(ω0t+2ωRFt)+

cos(ω0t-2ωRFt)]+E0J4(β)[cos(ω0t+

4ωRFt)+cos(ω0t-4ωRFt)]-E0J2(β)

[cos(ω0t+4ωRFt+2φ)+cos(ω0t-4ωRFt-

2φ)]+E0J4(β)[cos(ω0t+4ωRFt+2φ)+

cos(ω0t-4ωRFt-2φ)]。

(2)

當(dāng)φ=π/2時(shí)，式(2)可化簡為:

E(t)=2E0J4(β)[cos(ω0t+4ωRFt)+

cos(ω0t-4ωRFt)]。

(3)

式(3)中表示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)調(diào)制器的兩射頻信號的相位差為π/2時(shí)，兩個(gè)子調(diào)制器都實(shí)現(xiàn)了奇數(shù)邊帶與中心載波抑制，此時(shí)光信號主要由兩個(gè)四階邊帶信號構(gòu)成。當(dāng)光載毫米波通過光纖傳輸?shù)交?，?jīng)過光電檢測，其輸出表達(dá)式為:

(4)

經(jīng)過低通濾波器后，得到頻率為8ωRF的電毫米波信號:

I(t)=4k·E02(t)·J42(β)·

cos(8ωRFt)。

(5)

1.2 色散對傳輸距離的影響

色散是限制八光毫米波信號傳輸距離的一個(gè)重要因素。由于色散使兩個(gè)不同頻率的4階光邊帶在光纖中以不同的速度傳輸，造成碼元延時(shí)，當(dāng)延時(shí)時(shí)間等于一個(gè)碼元周期時(shí)，眼圖將完全閉合。因此傳輸距離的極限表示為[14]:

(6)

若在(6)式中采用非歸零(NRZ)碼，占空比η=1，碼元速率為5Gbit/s，即碼元周期τ=0.2ns。將色散參數(shù)D=16.75ps/(nm·km)，中心波長λc=1543.72nm，射頻本振信號頻率fRF=7.5GHz和fRF=12.5GHz分別代入到(6)式進(jìn)行計(jì)算可得，60GHz和100GH光毫米波信號在光纖中的的最大傳輸距離分別為24.7km和14.8km。

本文采用八倍頻技術(shù)改進(jìn)單邊帶調(diào)制的方案，系統(tǒng)產(chǎn)生頻率成分為ω0-4ωRF和ω0+4ωRF的兩個(gè)四階光邊帶后，基帶數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制器加載在其中一個(gè)光邊帶上，另一個(gè)光邊帶為空邊帶，不搭載數(shù)據(jù)信號，可得到只有一個(gè)光邊帶攜帶數(shù)據(jù)信息的改進(jìn)型單邊帶調(diào)制光毫米波，可以有效地抑制色散對碼元延時(shí)的影響，提高光毫米波信號的傳輸距離。

2 仿真結(jié)果分析

圖2 八倍頻產(chǎn)生單邊帶光載毫米波的ROF系統(tǒng)裝置圖Fig.2 Setup for single sideband optical millimeter-wave generation using frequency-octupled in ROF system

本文分別對搭載5Gbit/s基帶數(shù)據(jù)信號的60GHz和100GHz的ROF系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，在Optisystem仿真平臺(tái)上搭建如圖2所示的ROF仿真系統(tǒng)，在中心站激光器(LD)產(chǎn)生中心頻率為193.1THz(中心波長λc=1543.72nm)的光載波，將射頻信號fRF驅(qū)動(dòng)的DPMZM中的兩個(gè)子調(diào)制器MZM1和MZM2，兩個(gè)子調(diào)制器參數(shù)設(shè)置均為θ=π，φ=0，φ=π/2，VRF=6.12V時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光信號的奇數(shù)邊帶抑制和載波抑制，輸出的光信號即為頻率差8fRF的兩個(gè)四階光邊帶，通過調(diào)節(jié)射頻信號fRF的頻率就可改變兩個(gè)四階光邊帶的頻率間隔，當(dāng)fRF=7.5GHz或者fRF=12.5GHz，可分別產(chǎn)生60GHz和100GHz的光毫米波信號。再經(jīng)過光濾波器濾出雜波和光放大器放大功率后，由一個(gè)波分解復(fù)用器將兩個(gè)邊帶分離，其中一個(gè)邊帶通過數(shù)據(jù)調(diào)制器MZM3調(diào)制速率為5Gb/s的基帶數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)加載在其中一個(gè)光四階邊帶上，另一個(gè)光四階邊帶為空邊帶，不搭載數(shù)據(jù)，再利用波分復(fù)用器將兩個(gè)光邊帶重新耦合，通過光纖傳輸?shù)交?，?jīng)過光電檢測后，令本振信號對電毫米波信號進(jìn)行相干解調(diào)，最后通過低通濾波器(LPF)濾波還原出基帶數(shù)據(jù)。

圖3 光載毫米波的光譜和電譜圖(a)60 GHz的光載毫米波的光譜圖；(b)100 GHz的光載毫米波的光譜圖；(c)60 GHz毫米波信號的電頻譜；(d)100 GHz毫米波信號的電譜圖Fig.3 The optical and spectra of optical millimeter wave(a)Optical spectra of 60 GHz optical millimeter-wave;(b)Optical spectra of 100 GHz optical millimeter-wave;(c)Electrical spectra of the 60 GHz millimeter-wave;(d)Electrical spectra of the 100 GHz millimeter-wave

與傳統(tǒng)的單邊帶調(diào)制方案相比，改進(jìn)型的單邊帶調(diào)制只在一個(gè)四階光邊帶上加載信號，可以有效減少由光纖色散效應(yīng)導(dǎo)致的信號時(shí)延。圖3表示為，在ROF系統(tǒng)中改進(jìn)型八倍頻產(chǎn)生的60GHz和100GHz的光載毫米波單邊帶信號的光頻譜電頻譜。通過改變圖3(a)、(b)分別是在圖2中測試點(diǎn)A的仿真結(jié)果，兩個(gè)四階光邊帶之間的頻率間隔分別為60GHz和100GHz，頻率高的光四階邊帶上有許多毛刺，表示加載了基帶數(shù)據(jù)信號，而頻率低的邊帶曲線較為光滑，表示為空邊帶。圖3(c)、(d)分別表示為圖2ROF系統(tǒng)中測試點(diǎn)B的60GHz和100GHz電毫米波的頻譜信號，圖中各自對應(yīng)的60GHz和100GHz頻點(diǎn)都產(chǎn)生了大于40dB高信噪比的電信號，表明該方案產(chǎn)生的電毫米波信號的質(zhì)量較好，噪聲低。

圖4和圖5給出了PD接收光功率為-3dBm時(shí)，背靠背(B-T-B)和不同光纖距離傳輸?shù)?0GHz和100GHz光毫米波眼圖。從圖中可以看出，背靠背傳輸時(shí)，眼圖張開度大，跡線清晰。隨著傳輸距離不斷增加，眼圖張開度稍有減小，但眼圖的形狀幾乎沒有改變，遠(yuǎn)距離傳輸之后眼圖依然睜開且比較清晰。從眼圖的結(jié)果說明，搭載5Gbit/s基帶數(shù)據(jù)的60GHz和100GHz光毫米波，其傳輸距離分別可達(dá)100km和70km，與2.2中理論分析結(jié)果比較，該改進(jìn)單邊帶毫米波信號傳輸距離比傳統(tǒng)單邊帶的距離提高了將近5倍。

圖4 60GHz毫米波眼圖(a)B-T-B;(b)40km;(c)70km;(d)100kmFig.4 Eye diagrams of 60 GHz millimeter-wave (a)B-T-B;(b)40km;(c)70km;(d)100km

圖5 100GHz毫米波眼圖(a)B-T-B;(b)20km;(c)40km;(d)70kmFig.5 Eye diagrams of 100 GHz millimeter-wave (a)B-T-B;(b)20km;(c)40km;(d)70km

圖6表示為B-T-B和40km光纖傳輸后的60GHz和100GHz毫米波誤碼率(BER)曲線。其中，60和100GHz光載毫米波的光接收功率在18.4dBm～21.4dBm范圍，并隨著光接收功率增大，而降低系統(tǒng)的誤碼率。同時(shí)，在誤碼率為10-9情況下，經(jīng)過40km光纖傳輸之后，60GHz毫米波和100GHz毫米波的功率代價(jià)均小于1dB。

圖6 毫米波信號的誤碼曲線圖Fig.6 BER curves of millimeter-wave signals

3 結(jié)論

本文研究了一種八倍頻改進(jìn)型單邊帶調(diào)制產(chǎn)生光毫米波方案，該方案通過一個(gè)雙平行鈮酸鋰馬赫-曾德爾集成調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了光八倍頻和基帶信號的上變頻，可降低了系統(tǒng)微波源的本振頻率和電混頻器的帶寬，有助于節(jié)省ROF系統(tǒng)的成本，同時(shí)采用改進(jìn)型單邊帶調(diào)制有效抑制光纖色散引起的信號延時(shí)，延長傳輸距離。研究結(jié)果表明，搭載5Gbit/s基帶數(shù)據(jù)的60GHz和100GHz毫米波信號，其傳輸距離分別可達(dá)100km和70km以上，且在誤碼率為10-9情況下，通過光纖傳輸40km之后，功率代價(jià)小于0.4dB。

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Generation of single sideband optical millimeter-wave based on frequency-octupling technology

ZHENG Zhiwei, TAN Li, LIU Zhiwei

(College of Physics and Information Science,Hunan Normal University,Changsha 410081，China)

A novel scheme is proposed to generate a single sideband optical millimeter-wave (mm-wave) signal based on frequency octupling technology.A parallel LiNbO3Mach-Zehnder modulators (DPMZM) is employed to achieve optical millimeter wave of frequency octupling.With theπ/2-phase difference between two MZM outputs,optical odd order sidebands and carrier are suppressed.Therefore,two fourth order optical sidebands are obtained,one of which is modulated with the baseband date.After transmitting the optical signal through the fiber,an electrical mm-wave is generated by using photodetector.The simulation results show that a novel scheme is presented for generating optical mm-wave to overcome fiber dispersion.The power penalty of 60 GHz and 100 GHz optical mm-wave signal with 5 Gb/s baseband date is less than 1 dB over 40 km single mode fiber.

optical communications;radio-over-fiber system (ROF);optical single sideband modulation;frequency octupling

1672-7010(2016)04-0032-06

2016-09-09

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JJ6007)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年資助項(xiàng)目(14B119)

鄭之偉(1984-)，男，湖南永州人，講師，博士，從事光纖無線通信系統(tǒng)和太赫茲技術(shù)等方面的研究. E-mail：zhzhengzhiwei@163.com

TN929.11

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