錢云鳳（南京華東電子集團(tuán)有限公司,南京 210028）

類單邊帶調(diào)制和載波可重用的光載無(wú)線電接入系統(tǒng)研究

錢云鳳
（南京華東電子集團(tuán)有限公司,南京 210028）

摘 要：本文提出一種基于光注入DFB半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的類單邊帶調(diào)制（Analogous Single Sideband，ASSB）RoF系統(tǒng)，并用VPI軟件對(duì)所提方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明所提方案的下行鏈路可以很好地克服光纖色散影響并同時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳接收靈敏度的接收，且重用載波可以成功用于傳輸上行數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：光載無(wú)線電;光注入鎖定;類單邊帶調(diào)制

1　前言

微波/毫米波通信由于頻率高，容量大，抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)傳輸，是未來無(wú)線通信的發(fā)展方向。尤其是60GHz頻段的毫米波，引起了人們極大的興趣。但由于毫米波信號(hào)在大氣中衰減很大，無(wú)法在大氣中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。光纖具有帶寬大、損耗小、重量輕的特點(diǎn)，用光纖來傳輸高頻微波信號(hào)，即光載無(wú)線電（RoF），可以同時(shí)結(jié)合光纖通信和無(wú)線通信的所有優(yōu)點(diǎn)，因而成為近年來的熱門研究領(lǐng)域。

當(dāng)前，針對(duì)RoF技術(shù)研究的主要問題包括：如何產(chǎn)生高質(zhì)量的光載射頻信號(hào)，如何有效克服光纖色散對(duì)光載射頻信號(hào)的影響，如何有效接收光載射頻信號(hào)，如何對(duì)上/下行鏈路傳輸?shù)幕鶐盘?hào)進(jìn)行下/上變頻等；另一方面，RoF技術(shù)方案必須綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，因?yàn)橄到y(tǒng)成本尤其是基站設(shè)備和維護(hù)成本決定了RoF技術(shù)是否具有實(shí)用價(jià)值。 文獻(xiàn)報(bào)道表明，采用光載波抑制（Optical carrier suppression，OCS）調(diào)制[1]和單邊帶（SSB）調(diào)制[2]可以有效克服光纖色散的影響。而直接調(diào)制注入鎖定的半導(dǎo)體激光器可以同時(shí)產(chǎn)生光載微波信號(hào)并實(shí)現(xiàn)無(wú)需本振信號(hào)的全光上變頻，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可以產(chǎn)生無(wú)啁啾調(diào)制信號(hào)[3]。文獻(xiàn)[4]提出一種基于光注入DFB半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)的具有最佳接收靈敏度的SSB調(diào)制RoF系統(tǒng)，該研究結(jié)果表明DFB半導(dǎo)體激光器能夠?qū)Χ囝l注入光進(jìn)行選頻放大，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了抗色散能力很好的SSB信號(hào)，還實(shí)現(xiàn)了全光上變頻。

本文在[4]的基礎(chǔ)上，提出了一種基于光注入DFB半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的RoF系統(tǒng)，該方案不僅能夠在全光RoF接入網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路中產(chǎn)生了抗色散能力很好的類單邊帶（ASSB）調(diào)制信號(hào)、實(shí)現(xiàn)全光上變頻，還能夠利用下行鏈路的光載波實(shí)現(xiàn)上行通信。傳輸系統(tǒng)仿真研究表明下行鏈路具有抗色散能力、上行鏈路具有可用的傳輸性能。

2　原理與實(shí)現(xiàn)方案

本文提出一種基于光注入DFB半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的SSB調(diào)制RoF系統(tǒng)，具體方案如圖1所示。在中心局（CO），MZM工作在最大傳輸點(diǎn)，用VOA控制注入光功率，調(diào)諧主激光器的輸出波長(zhǎng)，使-2級(jí)邊帶被放大并鎖定DFB半導(dǎo)體激光器，且DFB半導(dǎo)體激光器的輸出信號(hào)其OCSR等于基站所用濾波器的反射率（dB）；同時(shí)用一個(gè)窄帶PD對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后用一個(gè)低通濾波器（Lowpass filter，LPF）和誤碼測(cè)試儀（Bit error rate test，BERT）分別進(jìn)行低通濾波和誤碼測(cè)試。下行光信號(hào)經(jīng)過一段光纖傳輸后，在基站（BS）接收端，用一個(gè)部分反射型光柵對(duì)傳輸后的光信號(hào)進(jìn)行濾波處理，光柵的中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)主激光器的波長(zhǎng)，這樣經(jīng)過光柵濾波后，接收端的光信號(hào)其OCSR為零，即達(dá)到了最佳接收靈敏度的效果，然后用寬帶PD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再用一個(gè)本振（LO）信號(hào)對(duì)其進(jìn)行混頻下變頻，經(jīng)過LPF后即可在BERT中進(jìn)行誤碼測(cè)試；同時(shí)，光柵反射回來的光波信號(hào)經(jīng)環(huán)形器引導(dǎo)可以作為上行鏈路的載波，經(jīng)過調(diào)制和放大之后即可發(fā)送到SMF中實(shí)現(xiàn)上行鏈路的通信傳輸。這樣就完成了一個(gè)完整的全雙工RoF系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且可以實(shí)現(xiàn)下行鏈路的最佳靈敏度接收和上行鏈路的載波重用，提高系統(tǒng)性能的同時(shí)還能降低系統(tǒng)維護(hù)成本。其中（a）～（e）各點(diǎn)的光譜示意圖如圖1下半部分所示。

此外，在嚴(yán)格的單邊帶（Strict single sideband，SSSB）調(diào)制方案中只有一個(gè)邊帶被調(diào)制，而在本方案中，雖然信號(hào)主要調(diào)制在被放大的-2級(jí)邊帶上，但載波仍然有微弱的信號(hào)調(diào)制，為了區(qū)別于理想的單邊帶調(diào)制，可以稱本方案產(chǎn)生的單邊帶調(diào)制為類似單邊帶調(diào)制（Analogous Single Sideband，ASSB）。

3　仿真結(jié)果與討論

由于實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)還沒有對(duì)高頻微波信號(hào)進(jìn)行下變頻處理的微波器件，所以只能對(duì)所提方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。這里采用VPI軟件對(duì)所提方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為了使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際情況，仿真中所用的參數(shù)都嚴(yán)格按實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，具體如下：SMF的色散系數(shù)為17 ps/nm/km，損耗系數(shù)為0.2dB/km，非線性系數(shù)為2.6×10-20m2/W；PD 的響應(yīng)率為0.7A/W，熱噪聲系數(shù)為10.0×10-12A/，散彈噪聲也考慮在內(nèi)；EDFA的噪聲數(shù)字設(shè)為5dB；主激光器的線寬設(shè)為100kHz，與實(shí)驗(yàn)室的可調(diào)諧激光器一致；CO處的MZM工作在最大傳輸點(diǎn)，BS處的MZM工作在線性工作點(diǎn)；信號(hào)源的頻率為30GHz，LO信號(hào)的頻率為60GHz；分別用27-1位、1.25-Gb/s和2.5-Gb/s偽隨機(jī)序列（Pseudorandom binary sequence，PRBS）非歸零（Not return to zero，NRZ）碼作為上、下行鏈路的基帶數(shù)據(jù)信號(hào)；傳輸?shù)腟SB信號(hào)的OCSR設(shè)為18.5dB。此外，參考文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真中-2級(jí)邊帶與載波之間調(diào)制系數(shù)差設(shè)為20dB。BS處所用光柵濾波器用一個(gè)均勻光纖光柵來實(shí)現(xiàn)，其中心波長(zhǎng)與主激光器波長(zhǎng)一致，反射譜和透射譜如圖所示。由圖2可見，光柵中心波長(zhǎng)處的透射率為-18.5dB，與下行鏈路傳輸?shù)腟SB光信號(hào)的OCSR一致。

然后分別對(duì)這兩路光進(jìn)行相同數(shù)據(jù)信號(hào)的獨(dú)立調(diào)制，其中包含-2級(jí)邊帶的這一路進(jìn)行強(qiáng)調(diào)制，另一路進(jìn)行弱調(diào)制，使得耦合后-2級(jí)邊帶與載波之間的調(diào)制系數(shù)差為20dB；然后用一個(gè)EDFA對(duì)調(diào)制后的-2級(jí)邊帶進(jìn)行放大，使得耦合后光信號(hào)的OCSR為18.5dB；最后用一個(gè)光學(xué)耦合器把這兩路光進(jìn)行耦合。

參數(shù)設(shè)定后運(yùn)行搭建的仿真系統(tǒng)，其中(a)～(e)各點(diǎn)的輸出光譜如圖(a)～(e)所示。由圖(a)可見，在CO處，主激光器發(fā)出的光經(jīng)過MZM的最大傳輸點(diǎn)調(diào)制后產(chǎn)生了頻率間隔為60GHz 的DSB信號(hào)，頻率為信號(hào)源的兩倍，且OCSR為33.5dB。這些光注入到被基帶數(shù)據(jù)調(diào)制的DFB半導(dǎo)體激光器后產(chǎn)生了ASSB調(diào)制信號(hào)，其中-2級(jí)邊帶被放大了15dB，OCSR減小為18.5dB，-2級(jí)邊帶與載波的調(diào)制系數(shù)差為20dB，如圖（b）所示。信號(hào)傳輸?shù)紹S后，經(jīng)過光柵濾波處理得到的光載射頻信號(hào)為60GHz，且載波與-2級(jí)邊帶功率相等，即OCSR=0dB，如圖（c）所示。需要說明的是，由于光柵透射譜具有一定的帶寬，所以透射光信號(hào)中載波攜帶的基帶數(shù)據(jù)信號(hào)將被濾除。光柵反射的重用載波如圖（d）所示，可見用于傳輸上行鏈路數(shù)據(jù)的重用載波還殘留有微弱的下行基帶數(shù)據(jù)信號(hào)。經(jīng)過上行基帶數(shù)據(jù)調(diào)制后，光載波的頻譜明顯展寬，如圖（e）所示。這些結(jié)果與所示的頻譜示意圖基本一致。此外，在BS處產(chǎn)生的微波信號(hào)如圖（f）所示。由圖可見，本方案最終在下行鏈路的接收端產(chǎn)生了二倍于CO信號(hào)源頻率的微波信號(hào)，成功實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)的光學(xué)傳輸。

仿真中對(duì)下行鏈路光載微波信號(hào)的抗色散能力進(jìn)行了測(cè)試。如圖4所示是基站接收的微波信號(hào)功率隨傳輸距離變化的曲線。如圖可見，本方案產(chǎn)生的單邊帶（ASSB）信號(hào)與理想單邊帶（SSSB）信號(hào)一樣，接收端微波信號(hào)的功率大小不會(huì)像雙邊帶（DSB）調(diào)制方案那樣隨傳輸距離的變化出現(xiàn)正弦衰落效應(yīng)，而且其曲線斜率與所用SMF的損耗系數(shù)一致，說明本方案產(chǎn)生的SSB信號(hào)具有非常好的抗色散能力。

仿真中還對(duì)上下行鏈路對(duì)基帶數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。如圖可見，信號(hào)無(wú)誤碼（BER=1×10-9）傳輸?shù)墓β蚀鷥r(jià)都很小，下行鏈路只有0.27dB，而上行鏈路可以忽略不計(jì)。此外，接收靈敏度也都比較高，無(wú)誤碼接收功率都低于-17dBm。無(wú)誤碼時(shí)上下行基帶數(shù)據(jù)信號(hào)在傳輸前后的眼圖如圖所示。從圖6可見，傳輸前后眼圖都很清晰，且張開度都很大，體現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。其中上行鏈路中上眼皮的抖動(dòng)是由于載波中殘留下行基帶數(shù)據(jù)導(dǎo)致。

4　結(jié)論

本文提出了一種基于光注入DFB半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的RoF系統(tǒng)，利用光注入DFB半導(dǎo)體激光器可以產(chǎn)生OCSR＞0dB的SSB信號(hào)的特性，提出了一種具有最佳接收靈敏度和載波可重用的SSB調(diào)制RoF系統(tǒng)，完整地實(shí)現(xiàn)了上下行鏈路的通信。此外，還用VPI軟件對(duì)所提方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所提方案的上下行鏈路都具有良好的數(shù)據(jù)傳輸性能：不受色散影響，信號(hào)無(wú)誤碼傳輸?shù)墓β蚀鷥r(jià)小，接收靈敏度高，眼圖清晰且張開度大等。

參考文獻(xiàn)：

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