基于相位調(diào)制與聲光濾波的四信道多倍頻毫米波信號(hào)生成

王一群，陳雯柏，周素華，白燕，馮靜

(1.北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100092;2.河北建筑工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院，張家口 075000)

0 引言

第五代(5G)通信作為一種新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，可達(dá)到更高數(shù)據(jù)率、更優(yōu)覆蓋率和更高可靠性[1]，是實(shí)現(xiàn)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的基本保障[2-3]。毫米波、大規(guī)模天線和超密集網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是5G通信中最重要的3種技術(shù)[4]。在這些關(guān)鍵技術(shù)中，毫米波技術(shù)尤為重要，它可以進(jìn)一步提高無線通信能力，解決微波低頻頻段頻譜擁塞問題。毫米波指頻率在30～300 GHz范圍內(nèi)的電磁波[5]。為了提高通信系統(tǒng)的利用效率，5G及下一代通信系統(tǒng)均采用多個(gè)信道同時(shí)傳輸多種類型的數(shù)據(jù)信號(hào)，一方面可以按照用戶需求提供多個(gè)信道所需頻率的多個(gè)波長的毫米波載波信號(hào)，使多個(gè)用戶可通過不同的波長共享同一個(gè)基站基礎(chǔ)設(shè)施；另一方面能夠充分利用功率，極大降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。由此可見，產(chǎn)生高質(zhì)量、高純度、高頻率的多信道毫米波信號(hào)對(duì)提高5G通信系統(tǒng)的容量和傳輸速率具有重要意義[6-7]。

考慮采用光學(xué)的方法生成毫米波，是由于受“電子瓶頸”的限制，毫米波信號(hào)在電域內(nèi)的處理較為困難，而光生毫米波不僅具有頻譜純度高、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，而且由于光纖的極低損耗，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的長距離傳輸[8]。近年來報(bào)道的許多毫米波信號(hào)的光學(xué)產(chǎn)生方法中，基于外部調(diào)制器的方法是比較成熟且成本較低的技術(shù)。外部調(diào)制器具有較高的可靠性，已廣泛應(yīng)用于實(shí)際的高速信號(hào)調(diào)制光傳輸系統(tǒng)中[9-10]。為了實(shí)現(xiàn)具有高倍頻系數(shù)的毫米波信號(hào)的產(chǎn)生，很多方案采用了級(jí)聯(lián)或結(jié)構(gòu)化馬赫—曾德爾調(diào)制器的外調(diào)制技術(shù)。文獻(xiàn)[11]采用了一種集成偏振復(fù)用雙并聯(lián)馬赫—曾德爾調(diào)制器，通過調(diào)節(jié)偏振器的角度和調(diào)制器的相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)生了倍頻因子為8的毫米波信號(hào)，但需要精確控制偏振控制器的旋轉(zhuǎn)角度。文獻(xiàn)[12]基于雙輸出馬赫—曾德爾調(diào)制器和平衡探測(cè)技術(shù)產(chǎn)生多頻相位編碼微波信號(hào)。同樣，文獻(xiàn)[13]采用雙輸出雙并聯(lián)馬赫—曾德爾調(diào)制器產(chǎn)生了四倍頻毫米波信號(hào)。此外，文獻(xiàn)[14]使用2個(gè)雙并行馬赫—曾德爾調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了12倍頻毫米波信號(hào)的產(chǎn)生。采用結(jié)構(gòu)化馬赫—曾德爾調(diào)制器的方法具有良好的邊帶抑制性能，產(chǎn)生的毫米波信號(hào)的光譜純度高，但系統(tǒng)具有較高的復(fù)雜性。本文作者所在團(tuán)隊(duì)曾在文獻(xiàn)[15]中提出了一種基于馬赫—曾德爾調(diào)制器和相位調(diào)制器級(jí)聯(lián)，同時(shí)采用均勻光纖光柵的聲光可調(diào)諧濾波器選頻產(chǎn)生任意倍頻的毫米波信號(hào)的方案。

以上方案中均采用外調(diào)制器作為光載毫米波信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)鍵器件，但是馬赫—曾德爾調(diào)制器需要直流偏置，為減小或避免偏置漂移帶來的影響，通常需要復(fù)雜的電路來控制調(diào)制器的偏置電壓。

文獻(xiàn)[16]通過改變兩個(gè)級(jí)聯(lián)偏振調(diào)制器(polarization modulator，PolM)的調(diào)制指數(shù)和輸出光的偏振狀態(tài)等條件，產(chǎn)生倍頻因子為4、6、8的毫米波信號(hào)。但該方案不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多信道多個(gè)倍頻毫米波信號(hào)的同時(shí)生成。

為了避免馬赫—曾德爾調(diào)制器對(duì)光生毫米波系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)信道不同倍頻毫米波信號(hào)的生成，充分利用光功率，本文提出一種基于相位調(diào)制器(phase modulator，PM)與聲光濾波器的四信道多倍頻毫米波發(fā)生方案。相位調(diào)制器工作時(shí)不需要直流偏置，因此采用相位調(diào)制器產(chǎn)生光載毫米波信號(hào)不僅能降低系統(tǒng)復(fù)雜度，還能夠使產(chǎn)生的光毫米波信號(hào)具有很高的穩(wěn)定性。另外，相位調(diào)制器還具有插入損耗低的優(yōu)點(diǎn)[17]。方案直接采用相位調(diào)制器產(chǎn)生光學(xué)頻率梳信號(hào)，然后采用光帶阻濾波器(optical band-stop filter，OBSF)將光載波濾除，只包含各階光邊帶的信號(hào)經(jīng)過一個(gè)光分插復(fù)用器(interleaver，IL)后，奇數(shù)次光邊帶和偶數(shù)次光邊帶分離。奇數(shù)次光邊帶經(jīng)過一個(gè)光環(huán)形器(optical circulator，OC)和聲光可調(diào)諧濾波器(acousto-optic tunable filter，AOTF)后產(chǎn)生2倍頻和6倍頻毫米波信號(hào)；偶數(shù)次光邊帶經(jīng)過一個(gè)光環(huán)形器和聲光可調(diào)諧濾波器后產(chǎn)生4倍頻和8倍頻的毫米波信號(hào)?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)施加在聲光濾波器上的聲波頻率來調(diào)節(jié)4個(gè)信道毫米波信號(hào)的倍頻數(shù)。仿真研究結(jié)果表明，生成的4種倍頻的毫米波信號(hào)均能滿足基本通信需求，系統(tǒng)眼圖誤碼率較低。

1 方案原理介紹

1.1 系統(tǒng)方案

基于相位調(diào)制器與聲光濾波器的四信道多倍頻毫米波信號(hào)發(fā)生方案工作原理如圖1所示。連續(xù)波(continuous wave，CW)激光器輸出的光信號(hào)作為相位調(diào)制器的輸入信號(hào)，射頻(radio frequency，RF)信號(hào)作為副載波信號(hào)通過PM對(duì)光載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。PM的輸出光信號(hào)頻譜包含光載波和各階次光邊帶。采用一個(gè)具有一定帶寬且中心波長與光載波中心波長一致的OBSF將光載波濾除掉，僅剩各階次光邊帶。OBSF的輸出經(jīng)過一個(gè)IL，IL將各階次光邊帶中奇數(shù)次邊帶和偶數(shù)次邊帶分離。

圖1 系統(tǒng)總體原理

分離后的奇數(shù)次邊帶包括-1階、+1階、-3階、+3階、-5階、+5階…；偶數(shù)次邊帶包括-2階、+2階、-4階、+4階、-6階、+6階…。分離后的奇數(shù)次邊帶從光環(huán)形器OC1的1端口輸入，OC1的2端口接均勻光纖布拉格光柵(uniform fiber Bragg grating，UFBG)型聲光可調(diào)諧濾波器UFBG-AOTF1的一端，并分成兩路，一路從UFBG-AOTF1反射后從OC1的3端口輸出，另一路從UFBG-AOTF1透射后輸出。選定施加在UFBG-AOTF1上的聲波頻率和聲致應(yīng)變幅度，使得UFBG-AOTF1反射譜中的-1階和+1階反射峰的中心波長分別與-1階和+1階邊帶的中心波長一致，將-1階和+1階的邊帶選擇出來，為實(shí)現(xiàn)2倍頻毫米波信號(hào)生成做準(zhǔn)備；奇次邊帶中的-3階和+3階邊帶從UFBG-AOTF1中透射，為實(shí)現(xiàn)6倍頻毫米波信號(hào)生成做準(zhǔn)備。類似地，分離后的偶數(shù)次邊帶從OC2的1端口輸入，OC2的2端口接UFBG-AOTF2的一端，并分成兩路，一路從UFBG-AOTF2反射后從OC2的3端口輸出，另一路從UFBG-AOTF2透射后輸出。選定施加在UFBG-AOTF2上的聲波頻率和聲致應(yīng)變幅度，使得UFBG-AOTF2反射譜中的-1階和+1階反射峰的中心波長分別與-2階和+2階邊帶的中心波長一致，將-2階和+2階的邊帶選擇出來，為實(shí)現(xiàn)4倍頻毫米波信號(hào)生成做準(zhǔn)備；偶次邊帶中的-4階和+4階邊帶從UFBG-AOTF2中透射，為實(shí)現(xiàn)8倍頻毫米波信號(hào)生成做準(zhǔn)備。

每個(gè)信道(channel，CH)采用強(qiáng)度調(diào)制器(amplitude modulator,AM)在產(chǎn)生的不同倍頻的光毫米波信號(hào)上添加基帶數(shù)據(jù)，經(jīng)摻鉺光纖放大器(erbium-doped optical fiber amplifier，EDFA)放大后，信號(hào)通過一定長度的單模光纖(single mode fiber，SMF)傳輸，然后通過PIN光電二極管(photodetector，PD)進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)不同倍頻毫米波信號(hào)的輸出。解調(diào)模塊(demodulator，DEM)完成后，通過誤碼率測(cè)試儀(bit error rate tester，BERT)對(duì)系統(tǒng)的誤碼率性能進(jìn)行評(píng)估。

上述方案中，同時(shí)利用UFBG-AOTF1和UFBG-AOTF2的反射譜和透射譜實(shí)現(xiàn)了4個(gè)信道多個(gè)倍頻毫米波信號(hào)的生成，充分利用了光功率。

1.2 UFBG-AOTF原理介紹

均勻光纖布拉格光柵是一種沿著光纖軸向產(chǎn)生周期性折射率調(diào)制的光器件[18]?；诰鶆蚬饫w光柵的聲光可調(diào)諧濾波器的形成機(jī)理是在UFBG的軸向引入縱向聲波時(shí)，聲波的作用會(huì)引起光柵的軸向拉伸和壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致光柵的折射率微擾[19]。圖2所示為UFBG-AOTF結(jié)構(gòu)。

圖2 UFBG-AOTF結(jié)構(gòu)

UFBG-AOTF是由剪切型壓電陶瓷片(piezoelectric ceramic transducer，PZT)、玻璃圓錐和一段均勻光纖布拉格光柵組成，加載在PZT上的電信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)PZT沿光纖軸向振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致沿光纖軸向傳播的聲波的產(chǎn)生。該聲波引起的光柵沿光纖軸向的折射率微擾可以表示為[20]

(1)

S(z,t)=S0cos(kaz-fat)

(2)

當(dāng)UFBG的光纖橫截面積為A，且聲波功率為Pa時(shí)，聲致應(yīng)變幅度S0可以表示為[22]

(3)

式中：G為光纖的楊氏模量；va為聲波在UFBG中的傳播群速度。

根據(jù)耦合模方程、UFBG的折射率微擾Δn(z)的傅里葉變換以及UFBG-AOTF的邊界條件，計(jì)算可得UFBG-AOTF的反射率R為

(4)

式中：C為傳輸模式與耦合模式之間的耦合系數(shù)；?為光柵原來的長度；η為光柵拉伸后長度。

經(jīng)以上分析計(jì)算并結(jié)合仿真可得[23]，UFBG-AOTF反射譜中一階次反射峰與主反射峰的波長間隔正比于聲波頻率fa，比例系數(shù)為0.14 nm/MHz。假設(shè)對(duì)應(yīng)UFBG-AOTF的反射譜中主反射峰中心頻率與光載波中心頻率一致，射頻調(diào)制信號(hào)頻率為fRF。使UFBG-AOTF反射譜中的-1階反射峰和+1階反射峰頻率分別對(duì)應(yīng)OBSF輸出光譜中的-n階和+n階光邊帶，以便選擇出相應(yīng)的光邊帶，施加在UFBG-AOTF上的聲波頻率應(yīng)滿足式(5)：

nfRF=17.47fa

(5)

其中n=1，2，3…。

由式(5)，可根據(jù)所需要選擇的光邊帶階次來確定需要給UFBG-AOTF所施加的聲波頻率。如果各信道所需要的毫米波信號(hào)倍頻因子發(fā)生變化，不需要重新制作一個(gè)UFBG，只需要改變施加的聲波頻率即可。

2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方案的可行性，依照原理圖1在商業(yè)仿真平臺(tái)Optisystem[24]上搭建了完整的仿真系統(tǒng)。

2.1 光頻率梳信號(hào)生成

CW激光器輸出的光載波信號(hào)中心波長為1 552.52 nm。同時(shí)，UFBG-AOTF1和UFBG-AOTF2的中心波長均為1 552.52 nm。給PM施加一定的相位偏移Δφ=250°，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)PM的調(diào)制指數(shù)m為4.36。RF信號(hào)頻率fRF設(shè)置為20 GHz。此時(shí)PM輸出(A點(diǎn))信號(hào)頻譜如圖3(a)所示，從圖中可以看出，A點(diǎn)信號(hào)頻譜中包含光載波和各階次光邊帶。在PM后面連接一個(gè)中心波長為1 552.52 nm，帶寬為20 GHz的光帶阻濾波器，濾除PM輸出信號(hào)中的光載波，得到B點(diǎn)的頻譜如圖3(b)所示。

圖3 相位調(diào)制器和光帶阻濾波器輸出信號(hào)頻譜

可以看出，OBSF輸出的光信號(hào)包含奇數(shù)次邊帶和偶數(shù)次邊帶。在OBSF后面連接一個(gè)IL將奇次邊帶和偶次邊帶分離，所用IL中心波長為1 553.32 nm，頻率間隔為20 GHz，帶寬為3 GHz。IL輸出奇次邊帶和偶次邊帶頻譜如圖4所示。

圖4 光分插復(fù)用器輸出的奇次邊帶和偶次邊帶信號(hào)頻譜

2.2 UFBG-AOTF參數(shù)選取

由1.2部分研究可知，UFBG-AOTF的反射譜特性由施加的聲波頻率fa和聲致應(yīng)變幅度S0決定。對(duì)于UFBG-AOTF1，擬利用UFBG-AOTF1反射譜選擇奇次邊帶中的-3階和+3階邊帶，然后經(jīng)過PD2拍頻實(shí)現(xiàn)第2個(gè)信道6倍頻120 GHz毫米波信號(hào)的輸出。根據(jù)式(5)，計(jì)算出此時(shí)施加在UFBG-AOTF1上的聲波頻率應(yīng)為3.43 MHz。同時(shí)，為了盡量減少-3階和+3階邊帶的功率損失，應(yīng)使UFBG-AOTF1中的兩個(gè)一階次反射峰的反射率盡可能大，結(jié)合式(3)和式(4)，選擇施加在UFBG-AOTF1上的S0為5.6×10-4ε。UFBG-ATOF1反射譜如圖5(a)所示，每個(gè)次反射峰與主反射峰之間的波長間隔應(yīng)為3fRF，兩個(gè)次反射峰的反射率均為0.9。奇數(shù)次邊帶中剩余的-1階和+1階邊帶經(jīng)過UFBG-AOTF1的透射，經(jīng)過PD1拍頻實(shí)現(xiàn)第1個(gè)信道2倍頻40 GHz毫米波信號(hào)的生成。

對(duì)于UFBG-AOTF2，擬利用UFBG-AOTF2反射譜選擇偶次邊帶中的-4階和+4階邊帶，然后經(jīng)過PD3拍頻實(shí)現(xiàn)第3個(gè)信道8倍頻160 GHz毫米波信號(hào)的輸出。根據(jù)式(5)，計(jì)算出此時(shí)施加在UFBG-AOTF2上的聲波頻率應(yīng)為4.58 MHz。同時(shí)，為了盡量減少-4階和+4階邊帶的功率損失，應(yīng)使UFBG-AOTF2中的兩個(gè)一階次反射峰的反射率盡可能大，結(jié)合式(3)和式(4)，選擇施加在UFBG-AOTF2上的S0為7.0×10-4ε。UFBG-ATOF2反射譜如圖5(b)所示，每個(gè)次反射峰與主反射峰之間的波長間隔應(yīng)為4fRF，兩個(gè)次反射峰的反射率均為0.9。偶數(shù)次邊帶中剩余的-2階和+2階邊帶經(jīng)過UFBG-AOTF2的透射，經(jīng)過PD2拍頻實(shí)現(xiàn)第4個(gè)信道4倍頻80 GHz毫米波信號(hào)的生成。

圖5 fa=3.43 MHz，S0=5.6×10-4ε時(shí)UFBG-AOTF1的反射譜和fa=4.58MHz，S0=7.0×10-4ε時(shí)UFBG-AOTF2的反射譜

經(jīng)過UFBG-AOTF1和UFBG-AOTF2各自的反射和透射，生成的4個(gè)信道毫米波信號(hào)頻率分別為40 GHz、80 GHz、120 GHz和160 GHz，倍頻數(shù)分別為2、4、6、8。生成的毫米波信號(hào)頻譜如圖6所示。從圖中可以看出生成的4種倍頻因子的毫米波信號(hào)的變頻抑制比(sideband suppression ratio，SSR)均大于15 dB，滿足基本的通信需求[25]。

圖6 生成的4個(gè)倍頻因子的毫米波信號(hào)頻譜

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證所提方案的性能，采用強(qiáng)度調(diào)制器將速率為1 Gbit/s的鏈路數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到不同倍頻因子的光毫米波信號(hào)上，經(jīng)過放大倍數(shù)為6 dB的EDFA進(jìn)行信號(hào)放大后，分別進(jìn)行背靠背(back-to-back，B-T-B)傳輸和10 km的SMF傳輸。各個(gè)信道鏈路的誤碼率曲線與眼圖如圖7所示。經(jīng)計(jì)算可得，經(jīng)過10 km的SMF傳輸后，各信道鏈路功率代價(jià)分別為0.14 dB、0.61 dB、2.39 dB和2.62 dB。

圖7 不同倍頻因子的毫米波信號(hào)在不同傳輸距離后的誤碼率曲線和眼圖

經(jīng)分析可得，生成的2倍頻(40 GHz)和4倍頻 (80 GHz)的毫米波信號(hào)鏈路傳輸功率損耗小。而6倍頻(120 GHz)和8倍頻(160 GHz)的毫米波信號(hào)由于來源于光頻梳中的3階光邊帶和4階光邊帶，本身功率較低，導(dǎo)致其鏈路傳輸功能損耗較大，但依然能較好地滿足基本的通信需求。

另外，考慮到生成的毫米波信號(hào)的功率與PM生成的光頻梳信號(hào)中的各個(gè)頻率分量的功率有關(guān)，而各個(gè)頻率分量的功率又是由PM的調(diào)制指數(shù)決定，因此分析了PM調(diào)制指數(shù)對(duì)生成的各個(gè)倍頻因子毫米波信號(hào)的SSR的影響，如圖8所示。從圖中可以看出，當(dāng)PM的調(diào)制指數(shù)小于3.66或者大于4.71的時(shí)候，由于有些倍頻因子的毫米波信號(hào)的SSR小于15，不能滿足基本的通信需求，因此該方案中PM的調(diào)制指數(shù)范圍應(yīng)該在3.66到4.71之間，即給PM施加的相位偏移應(yīng)該在210°～280°之間。

由圖8可以看出，由同一個(gè)UFBG-AOTF產(chǎn)生的毫米波信號(hào)(如2倍頻和6倍頻)的SSR隨著PM的變化趨勢(shì)是相反的，因此在選擇PM調(diào)制指數(shù)時(shí)要綜合考慮PM的取值能夠使得生成的兩種倍頻的毫米波信號(hào)的SSR均能滿足基本的通信需求。

圖8 不同倍頻因子的毫米波信號(hào)的邊頻抑制比與PM調(diào)制指數(shù)關(guān)系

4 結(jié)束語

本文提出一種基于相位調(diào)制器與聲光濾波器的四信道多倍頻毫米波生成方案，利用相位調(diào)制器作為生成光頻梳的來源，避免了馬赫—曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器的直流偏置漂移問題。同時(shí)采用基于均勻光纖光柵的聲光可調(diào)諧濾波器作為選頻元件，對(duì)相位調(diào)制器生成的光頻梳信號(hào)中的特定光邊帶進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)四信道不同倍頻因子的毫米波信號(hào)的生成。由于所采用的聲光濾波器特性可直接由其兩端的聲波頻率及聲致應(yīng)變幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該方案具有操作靈活、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。所提方案生成的2倍頻、4倍頻、6倍頻和8倍頻的毫米波信號(hào)具有較高的邊頻抑制比，滿足基本的通信需求。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)方案進(jìn)行性能仿真后得出，調(diào)制數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一定距離的光纖傳輸后依然具有較好的傳輸性能。在第五代通信乃至下一代通信中有較好應(yīng)用前景。