色散對相位調(diào)制器產(chǎn)生毫米波傳輸?shù)挠绊?/h1>
2020-07-03 15:44:22李佳
工業(yè)技術(shù)與職業(yè)教育 2020年2期
李 佳
（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410208）
0 引言
光生毫米波是光載無線通信中的重要技術(shù)，它應用光學的方法在基站端直接產(chǎn)生高頻的毫米波，從而簡化了基站的結(jié)構(gòu)，降低了整個系統(tǒng)的成本。使用外部調(diào)制器產(chǎn)生高頻毫米波是一種結(jié)構(gòu)簡單且成本較低的方法，而單臂結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制器是外部調(diào)制器中最為簡單且重要一種器件。近些年來一些研究人員利用相位調(diào)制器和光濾波器件產(chǎn)生四倍頻毫米波[1]。然而產(chǎn)生的毫米波要經(jīng)過幾十公里光纖的傳輸才能夠到達基站端，在光傳輸?shù)倪^程中由于色度色散的影響，光信號發(fā)生了畸變[2]，在基站端經(jīng)過光電探測器探測后得到的信號不僅質(zhì)量變差，而且還存在高次諧波的干擾。一些研究人員從理論與實驗上研究了相位調(diào)制器加光濾波器產(chǎn)生毫米波的問題[3]，事實上，經(jīng)過相位調(diào)制器的信號本身帶有啁啾，啁啾信號經(jīng)過色散作用后，在接收端拍頻時會有不同頻率的微波產(chǎn)生[4]。
本文研究了包含激光源、相位調(diào)制器、傳輸鏈路和光電探測器的產(chǎn)生高頻毫米波的基本結(jié)構(gòu)，給出了傳輸過程中的光譜圖和經(jīng)過不同傳輸距離之后生成的毫米波的電譜圖，分析了色散參數(shù)和相位調(diào)制器調(diào)制指數(shù)對光生毫米波傳輸?shù)挠绊憽?/p>
1 理論分析
圖1為典型的利用相位調(diào)制器產(chǎn)生并傳輸毫米波的結(jié)構(gòu)圖，為突出色散對毫米波傳輸?shù)挠绊?，筆者沒有采用額外的光濾波器件。
圖 1 利用單個相位調(diào)制器產(chǎn)生并傳輸毫米波的結(jié)構(gòu)圖
假設(shè)光源輸出理性的連續(xù)激光，則經(jīng)過相位調(diào)制器PM之后的光波可以表示為，ωc為光波頻率，p為輸入光場的總功率。V 為半波電壓，調(diào)制指數(shù)。直流偏置， 為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。為分析方便，省略ejcosωct項，為光波角頻率。初始端光場的包絡(luò)為，經(jīng)過傅立葉變換后的頻譜為。在傳輸過程中僅僅考慮色散的影響，其中二階色度色散是主要因素。此時，光纖的傳遞函數(shù)可以表示為，β2為光纖中的二階色散系數(shù)，z為傳輸距離。在輸出端包絡(luò)的頻譜可以表示為，則經(jīng)過長度為z=L的光纖傳輸之后，包絡(luò)的頻譜為：，其中為色散引起的各次諧波的相移，。
在輸出端用一個PD探測[5]光場，其中，輸出的光電流 為：
R為一常數(shù)，與探測器對光電場的響應有關(guān)。為分析方便另直流偏置電壓為0，則=0；(1)式所表示的光電流包含了各次諧波分量，將(1)式展開將出現(xiàn)無窮級數(shù)。在實際應用中，調(diào)制器所能承受的功率有限，所加驅(qū)動電壓不能夠太大，因此，調(diào)制指數(shù)不可能很大，一般來說，只有前幾階貝塞爾函數(shù)值會影響最終的拍頻結(jié)果，筆者取前三階邊帶對(1)式進行展開，則,其中直流分量的系數(shù)為，基次諧波的系數(shù)，二次諧波的系數(shù)，此處忽略二次以上諧波分量。
2 仿真與討論
圖1中所示的毫米波的產(chǎn)生和傳輸過程可以通過計算機仿真再現(xiàn)，光波在光纖中的傳播過程可以利用分步傅立葉算法仿真，最終得到輸出端的光電流波形、光譜圖和電譜圖。仿真中光纖損耗為0.2dB/km，β2=-20ps2/km，光功率為0dBm，中 心 波 長 1550nm，Vπ=3.6v， R=1，Vr=1.8v，ωRf=2π×20GHz。
圖2 為經(jīng)過不同長度的光纖傳播后，拍頻得到光電流的波形。從圖中可明顯的看出接收端有頻率為20GHz的微波，即基階分量。隨著傳輸距離的增加，光信號衰減增大，拍頻后產(chǎn)生的微波信號也逐漸變?nèi)?，但仍有明顯的20GHz信號分量。圖3為經(jīng)過一段距離傳輸后，信號的歸一化光譜圖。該圖顯示了各個頻率成分的光功率占總功率的比例。由于傳輸過程中色散僅僅改變信號的相位，所以光譜結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，即信號傳輸不同距離后歸一化光譜圖重合。圖4為傳輸不同距離拍頻后接收端的電譜圖，圖4 (a)的調(diào)制指數(shù)為0.5，而圖4 (b)的調(diào)制指數(shù)為1。對比圖4(a)中的4幅圖可以發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)過光纖傳輸直接拍頻，信號中僅有直流分量。若增加傳輸距離到10km，20GHz的基頻分量開始出現(xiàn)，并且隨著傳輸距離的增加逐步增強。但是繼續(xù)增加傳輸距離到20、30km，40、60 GHz的高次諧波也會逐漸增強。對比圖4(a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，傳輸同樣的距離，若增加調(diào)制指數(shù)則基頻分量和高次諧波的增長會加快。
圖 2 傳輸不同距離之后通過探測器拍頻的電流波形圖
在毫米波的產(chǎn)生與傳輸中，如果僅僅需要傳輸原始的微波信號，則要選擇適當?shù)恼{(diào)制指數(shù)，在傳輸基頻分量的同時抑止高次諧波；若希望產(chǎn)生多次倍頻的信號，則要采用較大的調(diào)制指數(shù)，同時增加濾波器件選取相關(guān)頻率分量。
圖 3 傳輸過程中的光譜圖
(a)調(diào)制指數(shù)：0.5
圖 4 傳輸不同距離后接收端電流的電譜圖
3 結(jié)論
本文仿真分析了光纖中色度色散對利用單個相位調(diào)制器產(chǎn)生的毫米波的影響。結(jié)果表明色散雖然不改變傳輸信號的光譜結(jié)構(gòu)，但它能夠改變不同頻率譜線的相位，因此，可以通過拍頻產(chǎn)生不同頻率的毫米波信號。調(diào)制指數(shù)和傳輸距離對接收端信號的電譜圖有很大影響。
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圖1為典型的利用相位調(diào)制器產(chǎn)生并傳輸毫米波的結(jié)構(gòu)圖，為突出色散對毫米波傳輸?shù)挠绊?，筆者沒有采用額外的光濾波器件。
圖 1 利用單個相位調(diào)制器產(chǎn)生并傳輸毫米波的結(jié)構(gòu)圖
假設(shè)光源輸出理性的連續(xù)激光，則經(jīng)過相位調(diào)制器PM之后的光波可以表示為，ωc為光波頻率，p為輸入光場的總功率。V 為半波電壓，調(diào)制指數(shù)。直流偏置， 為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。為分析方便，省略ejcosωct項，為光波角頻率。初始端光場的包絡(luò)為，經(jīng)過傅立葉變換后的頻譜為。在傳輸過程中僅僅考慮色散的影響，其中二階色度色散是主要因素。此時，光纖的傳遞函數(shù)可以表示為，β2為光纖中的二階色散系數(shù)，z為傳輸距離。在輸出端包絡(luò)的頻譜可以表示為，則經(jīng)過長度為z=L的光纖傳輸之后，包絡(luò)的頻譜為：，其中為色散引起的各次諧波的相移，。
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圖 2 傳輸不同距離之后通過探測器拍頻的電流波形圖
在毫米波的產(chǎn)生與傳輸中，如果僅僅需要傳輸原始的微波信號，則要選擇適當?shù)恼{(diào)制指數(shù)，在傳輸基頻分量的同時抑止高次諧波；若希望產(chǎn)生多次倍頻的信號，則要采用較大的調(diào)制指數(shù)，同時增加濾波器件選取相關(guān)頻率分量。
圖 3 傳輸過程中的光譜圖
(a)調(diào)制指數(shù)：0.5
圖 4 傳輸不同距離后接收端電流的電譜圖
3 結(jié)論
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