《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于寬譜光源矢量信號(hào)傳輸技術(shù)
基于寬譜光源矢量信號(hào)傳輸技術(shù)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第2期
李 遙, 聞 和, 鄭小平
清華大學(xué) 國(guó)家集成光電子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100084
摘要: 提出了一種新型的光域相控陣技術(shù),該技術(shù)基于ASE寬譜光源,,實(shí)現(xiàn)了nQAM矢量信號(hào)格式的不同調(diào)制速率的20 km傳輸和真延時(shí)控制,并實(shí)現(xiàn)了4路5 bit真延時(shí)信號(hào)分配,各路功率一致性0.5 dB以內(nèi),,延時(shí)精度1 ps。
中圖分類號(hào): TN929.18
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)02-0094-04
Vector-signal transmission technology based on broadband optical source
Li Yao, Wen He, Zheng Xiaoping
The State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics/Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract: We proposed a novel method of optical beam forming network based on broadband optical source. Vector signal of nQAM was transmitted over 20 km and delayed by controlling. True time delay of 4 lines and 5 bit precise was distributed. Less than 0.5 dB ripple of amplitude and 1ps true time delay precise was accomplished.
Key words : broadband optical source; beam forming; microwave photonics; vector signal

    近10年來,,通信行業(yè)經(jīng)歷著深遠(yuǎn)的變化,。為了實(shí)現(xiàn)多用戶、高帶寬,、穩(wěn)定可靠的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)的接入,,不論是從網(wǎng)絡(luò)維護(hù)上還是網(wǎng)絡(luò)管理控制上講,無源光網(wǎng)絡(luò)PON(Passive Optical Networks)被譽(yù)為最具有穩(wěn)定性,、可行性的解決方案之一,,這是由于無源光網(wǎng)絡(luò)具有大容量、高帶寬,、易管理,、網(wǎng)絡(luò)安全性高和易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí),,下一代無線寬帶接入網(wǎng)必需滿足小區(qū)蜂窩快速切換,、高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)刃枨螅@一需求通過自適應(yīng)智能天線或多天線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[2-4],。以上方案被應(yīng)用于未來的射頻信號(hào)通信當(dāng)中,,例如WiMax和WLAN協(xié)議[5]。

    基于光域的相控陣技術(shù)應(yīng)用于自適應(yīng)智能天線和多天線系統(tǒng)中,,具有瞬時(shí)延時(shí)范圍大,、無波束傾斜、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),。國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)數(shù)量的相控陣技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道,如基于注入鎖模激光器的自適應(yīng)指向天線技術(shù)[6],、變換矩陣控制相移技術(shù)[7],、色散光線相移技術(shù)[8],、光線光柵技術(shù)[9]、光子晶體光纖技術(shù)[10]等。然而,,這些技術(shù)都是基于激光器的相控陣結(jié)構(gòu),,對(duì)于實(shí)現(xiàn)多路真延時(shí)就要采用多個(gè)激光器,這對(duì)系統(tǒng)的成本要求過高,;此外,,由于激光器需要控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來控制激光器的工作波長(zhǎng),光源的系統(tǒng)復(fù)雜度過高,;國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有方案僅著重于系統(tǒng)延時(shí)性能的測(cè)量,,對(duì)信號(hào)傳輸方面并沒有明確的實(shí)現(xiàn)方法和結(jié)果論證。本文提出一種新型的成本相對(duì)低廉,、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的光域相控陣技術(shù),,該技術(shù)基于自發(fā)輻射(ASE)寬譜光源,并實(shí)現(xiàn)了nQAM矢量信號(hào)的20 km無誤碼傳輸,,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論,。
1 基本理論分析
    寬譜光源是ASE(Amplified Spontaneous Emission)自發(fā)輻射產(chǎn)生的,常見的寬譜光源為摻餌光纖放大器EDFA的自發(fā)輻射譜和發(fā)光二極管LED的發(fā)射譜,。與傳統(tǒng)的激光器相比,,寬譜光源具有光源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,、易于控制和維護(hù),、不需要驅(qū)動(dòng)電路控制溫度和光波長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),波長(zhǎng)的變換只要改變光濾波器中心波長(zhǎng)即可,。但是由于激光器寬譜光源噪聲嚴(yán)重,,動(dòng)態(tài)范圍受噪聲限制。
    如果通過分析寬譜光源噪聲的來源,,對(duì)寬譜光源噪聲進(jìn)行有效的控制和抑制,,將寬譜光源作為信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的傳輸和分配發(fā)射,勢(shì)必有效降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度,,是一種新型的光載無線實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),。
    圖1給出寬譜光源后置光濾波器的光譜圖,寬譜光源經(jīng)過可調(diào)諧光濾波器,,得到的具有濾波器線性的寬譜,,這樣只要改變?yōu)V波器的中心波長(zhǎng),就可以控制寬譜光源的中心波長(zhǎng),。波長(zhǎng)的控制和穩(wěn)定性較激光器相比,,不需要控制電路和溫度檢測(cè)。本文研究使用的寬譜光源是增益平坦的,,輸出譜寬為1 528 nm~1 568 nm,,共40 nm帶寬,輸出最大功率20 dBm;可調(diào)諧光濾波器是美國(guó)Optplex公司生產(chǎn)的,,是電控可調(diào)節(jié)的,調(diào)節(jié)范圍在1 450 nm~1 600 nm,,調(diào)節(jié)步進(jìn)0.01 nm的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié),,3 dB帶寬0.8 nm,20 dB帶寬1.5 nm,。


    由寬譜光源產(chǎn)生的差拍噪聲,,需要對(duì)寬譜光源進(jìn)行建模,在下面的章節(jié)中進(jìn)行闡述,。如圖給出了基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)的各個(gè)噪聲曲線以及激光器RIN噪聲曲線,,橫坐標(biāo)為PD處接收光功率,縱坐標(biāo)為單位帶寬下的噪聲,。
    得到以下結(jié)論:接收光功率較低時(shí),,散粒噪聲和熱噪聲為主要噪聲;隨著PD處光功率的增加,寬譜光源ASE的差拍噪聲占主導(dǎo),;RIN比寬譜差拍噪聲線低38 dB,,這就是選取激光器作為光源的主要原因。
    如圖2所示,當(dāng)接收光功率在-12 dBm~1 dBm時(shí),,系統(tǒng)散粒噪聲,、熱噪聲和ASE差拍噪聲在同一個(gè)數(shù)量級(jí),三者的噪聲功率譜密度在-185 dBm/Hz,,這時(shí)無論是基于激光器的傳輸系統(tǒng)還是基于寬譜光源的傳輸系統(tǒng),,系統(tǒng)噪聲都是散粒噪聲、熱噪聲,、ASE差拍噪聲共同占主導(dǎo),,也就是說該P(yáng)D探測(cè)功率條件下的基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)的噪聲是與基于激光器傳輸系統(tǒng)的噪聲相當(dāng)?shù)模趯捵V光源傳輸系統(tǒng)在理論上是可行的,。只要控制PD接收功率,,有效降低差拍噪聲,就可以實(shí)現(xiàn)寬譜光源矢量信號(hào)傳輸,。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果討論
    (1) 傳輸特性
    圖3 給出了基于寬譜光源的矢量信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖,,通過第1節(jié)對(duì)基于寬譜光源光副載波傳輸系統(tǒng)信道特性的分析得知,基于寬譜光源和濾波器的光傳輸系統(tǒng)噪聲,,通過控制調(diào)制功率和PD處接收光功率,,實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)化選擇,實(shí)現(xiàn)較低EVM(Error Vector Magnitude),,實(shí)現(xiàn)矢量信號(hào)傳輸,。

 寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過光濾波器濾波后進(jìn)入到Mach-Zehnder調(diào)制器,寬譜光源輸出功率16 dBm,,20 dB帶寬41.2 nm,,中心波長(zhǎng)1 540 nm,,光濾波器帶寬0.8 nm,差損2.6 dB,,PD處光功率-3 dBm,。傳輸距離為20 km單模光纖,。
    實(shí)驗(yàn)中采取變換三個(gè)實(shí)驗(yàn)條件來驗(yàn)證以上結(jié)果,。
 ① 調(diào)制信號(hào)由Agilent8267D矢量信號(hào)發(fā)生器發(fā)出,,調(diào)制格式分別為QPSK,、16 QAM、64 QAM,;
?、?速率1.25 Mb/s、2 Mb/s,、3.5 Mb/s,、10 Mb/s;
?、?接收結(jié)果,分別為背靠背直接測(cè)量矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的質(zhì)量,、加入寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號(hào)后直接探測(cè)、寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號(hào)傳輸20 km探測(cè),。
   信號(hào)格式和速率的選取有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的信號(hào)格式,,802.11n WiMax協(xié)議下的信號(hào)頻率和速率,在接收端利用Agilent89600矢量信號(hào)分析儀對(duì)傳輸?shù)馁|(zhì)量進(jìn)行分析,。
 由于光副載波系統(tǒng)對(duì)于電信號(hào)調(diào)制格式是透明,,對(duì)于變化實(shí)驗(yàn)條件①中的調(diào)制信號(hào)格式、實(shí)驗(yàn)條件②中的調(diào)制信號(hào)速率,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相似性,,這里不予贅述。以下選取具有代表性的信號(hào)2.4 GHz載波10 Mb/s 64 QAM信號(hào)重點(diǎn)分析,。
    首先測(cè)量背靠背信號(hào)質(zhì)量,,將矢量信號(hào)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)直接用矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行分析。在2.4 GHz,、信號(hào)格式為64 QAM,、數(shù)據(jù)率10 Mb/s條件下輸入微波功率8 dBm,PD光功率-3.2 dBm,,得到信號(hào)的星座圖和基帶眼圖如圖4所示,,這是得到的信號(hào)源的EVM為2.8%。

 對(duì)于64QAM信號(hào),,接收機(jī)要求在EVM<5%為最佳,,由以上實(shí)驗(yàn)得到的接收信號(hào)EVM,,在控制一定的實(shí)驗(yàn)條件下,無論是直接探測(cè)還是經(jīng)過20 km傳輸,,系統(tǒng)支持64 QAM矢量信號(hào)穩(wěn)定可靠無誤碼率的傳輸,。
   (2) 延時(shí)特性
 通過調(diào)制器雙邊帶調(diào)制,在PD處直接探測(cè)得到信號(hào),,這種情況下,,如果在PD前引入延時(shí)模塊(CFG、PCF,、色散補(bǔ)償光纖等),,通過控制光濾波器波長(zhǎng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜矢量信號(hào)包括QPSK、n-QAM信號(hào)的光域真延時(shí)控制,,該技術(shù)應(yīng)用在光載無線(ROF)結(jié)構(gòu)中基站端,,穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線矢量信號(hào)的空間分配和波束指向,滿足了電域下需要實(shí)現(xiàn)大瞬時(shí)帶寬,、響應(yīng)速度快的要求,。
    實(shí)驗(yàn)中選擇啁啾光纖光柵(CFG)作為延時(shí)模塊,系統(tǒng)裝置如圖6所示,,CFG延時(shí)為51.1ps/nm,,通帶為帶寬1 545.0~1 555.0 nm,實(shí)現(xiàn)真延時(shí)范圍509.5 ps,。圖7給出了光濾波器中心波長(zhǎng)選取1 545.0~1 555.0 nm,,矢量信號(hào)真延時(shí)曲線。通過真延時(shí)可以對(duì)矢量信號(hào)的副載波相位進(jìn)行控制,,實(shí)現(xiàn)空間分配,,分配結(jié)果用EVM來衡量,EVM為3.6%,。

 通過網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE8364B測(cè)量的4路輸出信號(hào)S21參數(shù),,離線計(jì)算可以得到波束指向圖。在2.4 GHz下,,各路延時(shí)步進(jìn)16.7 ps,,指向角度為34.2&deg;時(shí),波束方向指向圖如圖8所示,,灰色為理論值,,深色為實(shí)驗(yàn)值,天線增益衰減0.9 dB,,旁瓣增益為1.6 dB,。

 以上工作實(shí)現(xiàn)了基于寬譜光源的單路微波信號(hào)延時(shí)技術(shù),本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有研究基礎(chǔ),結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目研究成果,,實(shí)現(xiàn)了4路5 bit真延時(shí)信號(hào)分配,,各路功率一致性0.5 dB以內(nèi),延時(shí)精度1 ps,。
    本章提出了基于寬譜光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳輸復(fù)雜矢量信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方案,。實(shí)現(xiàn)了2.4 GHz載波下,64 QAM 10 Mb/s矢量信號(hào)20 km無誤碼傳輸,,EVM代價(jià)1.3%,,并在基站本地實(shí)現(xiàn)了該信號(hào)的4路真延時(shí),實(shí)現(xiàn)了無線信號(hào)的基站端的信號(hào)空間分配,。對(duì)于符合IEEE802.11協(xié)議的無線通信信號(hào)格式也有類似結(jié)果,。
參考文獻(xiàn)
[1] FELDMAN R D. An evaluation of architectures incorporating wavelength division multiplexing for broad-band fiber access [J]. J. Lightwave Technol., 1998,,16(9):1546-1559.
[2] ALAMOUTI S. A simple transmit diversity technique for  wireless communications[J]. IEEE J. Sel. Areas Commun., 1998,16(8):1451-1458.
[3] TAROKH V. A differential detection scheme for transmit diversity[J]. IEEE J. S. Ar. Cm.,2000,18(7):1169-1174.
[4] WINTERS J. Smart antennas for wireless systems [J]. IEEE  Pers.Commun., 1998,41(6):23-27.
[5] VAUGHAN-NICHOLS S J. Mobile WiMAX: The next  wireless battle ground[J]. Computer, 2008:16-18.
[6] XIAO Y. IEEE 802.11n: Enhancements for higher throughput in wireless LANs[J]. IEEE Wireless Commun., 2005, 12(16):82-91.
[7] TAMBURRINI M. Optical feed for a phased array microwave antenna [J]. Electron. Lett.,1987,23(13):680-681.
[8] BARKER S. Distributed MEMS true-time delay phase  shifters and wide-band switches[J]. IEEE Trans.Mi crowave  Theory Tech., 1998,46(11):1881-1890.
[9] PIQUERAS M. Optically beamformed beamswitched adaptive  antennas for fixed and mobile broad-band wireless access networks[J]. IEEE Trans. Microw. Theory. Tech., 2006, 54(2):887-899 .
[10] ESMAN R D. Fiber-optic true time-delay antennas feed [J]. IEEE. Photon. Technol.Lett.,1993,5(11):1347-1349.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。