基于相位調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工光纖無(wú)線通信系統(tǒng)_圖文

1、 文章編號(hào) :025827025(2007 0720935205基于相位調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工光纖無(wú)線通信系統(tǒng)文 鴻 , 陳 林 , 皮雅稚 , 余建軍 , 文雙春(湖南大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院 , 湖南 長(zhǎng)沙 410082摘要 提出并實(shí)驗(yàn)研究了一種基于相位調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波信號(hào)的全雙工光纖無(wú)線通信 (Ro F 系統(tǒng) 。 在中心站采 用相位調(diào)制器結(jié)合濾波的方法產(chǎn)生重復(fù)頻率為 40GHz 的載波抑制雙邊帶毫米波信號(hào) , 利用交叉復(fù)用器分離開(kāi)毫米 波信號(hào)的上下邊帶 , 其中的一個(gè)邊帶強(qiáng)度調(diào)制數(shù)據(jù)速率為 2. 5Gbit/s 的下行基帶信號(hào) , 另一個(gè)邊帶被發(fā)送到基站調(diào) 制上行傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù) 。 該

2、系統(tǒng)抗色散效果好 , 在經(jīng)過(guò) 40km 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖上 /下行傳輸數(shù)據(jù)速率 2. 5Gbit/s 的基 帶信號(hào)后 , 雙向的傳輸功率代價(jià)都小于 0. 5dBm 。 在光纖無(wú)線通信系統(tǒng)中采用相位調(diào)制器結(jié)合濾波的方法產(chǎn)生光毫 米波 , 同時(shí)基于波長(zhǎng)重用技術(shù)再生上行光載波信號(hào) , 可以簡(jiǎn)化中心站和基站配置 , 節(jié)約系統(tǒng)成本 。 關(guān)鍵詞 光通信 ; 光纖無(wú)線通信 ; 相位調(diào)制器 ; 光毫米波 ; 波長(zhǎng)重用 ; 交叉復(fù)用器 中圖分類號(hào) TN 929. 11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 AFull 2Duplex R adio 2over 2Fiber 2W aveG eneration WEN , C , , YU J

3、ian 2jun , WEN Shuang 2chun(, H unan Universit y , Changsha , H unan 410082, China Abstract f 2over 2fiber (Ro F system with optical millimeter 2wave generation utilizing optical phase was designed and experimentally demonstrated. Carrier suppression double sideband optical signal with 40GHz repetit

4、ive f requency is generated by using an optical phase modulator along with optical filtering technique. An optical interleaver was employed to separate the two first 2order sideband carriers , one of the carriers was used to carry 2. 5Gbit/s downstream data , while the other was sent to base station

5、 for reuse for modulating upstream data. It was experimentally demonstrated that the 2. 5Gbit/s data for bidirectional transmission were transmitted over 40km standard single mode fiber (SMF 228 with less than 0. 5dBm power penalty. By using optical phase modulator along with optical interleaver to

6、generate optical mm 2wave , and adopting the wavelength reuse technique , the proposed Ro F system becomes simple and cost 2effective. K ey w ords optical communication ; radio 2over 2fiber ; phase modulator ; optical millimeter 2wave ; wavelength reuse ; optical interleaver 收稿日期 :2006212213; 收到修改稿日

7、期 :2007203213 基金項(xiàng)目 :國(guó)家教育部 “ 新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃” 和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金 (20040532005 資助項(xiàng)目 。 作者簡(jiǎn)介 :文 鴻 (1981 , 男 , 湖南人 , 博士研究生 , 主要從事新一代光無(wú)線接入網(wǎng)方面的研究 。 E 2mail :scwen 導(dǎo)師簡(jiǎn)介 :文雙春 (1966 , 男 , 湖南人 , 教授 , 博士生導(dǎo)師 。 主要從事光通信技術(shù) 、 非線性光學(xué)等方面的研究 。 E 2mail :scwen1 引 言 隨著 IP 電視 (IP TV 、 視頻點(diǎn)播 (VOD 等多媒 體通信技術(shù)的迅速發(fā)展 , 傳統(tǒng)的寬帶無(wú)線接入方式 已不能滿足日

8、益增長(zhǎng)的寬帶業(yè)務(wù)需求 。 光纖無(wú)線通 信 (Ro F 融合了無(wú)線通信的靈活性和光纖通信的寬帶寬 、 低損耗等特性 , 被廣泛研究 113。光毫米波信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸是全雙工光纖無(wú)線通信的關(guān)鍵技 術(shù) 26。 外部強(qiáng)度調(diào)制器常用于產(chǎn)生光毫米波信 號(hào) 。 但為了提高毫米波信號(hào)的品質(zhì)必需外加復(fù)雜的 控制電路 , 以避免直流偏置漂移的影響 。與強(qiáng)度調(diào) 制器不同 , 相位調(diào)制器不需要直流偏置 5, 因此用來(lái)第 34卷 第 7期 2007年 7月中 國(guó) 激 光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol. 34, No. 7J uly , 2007產(chǎn)生毫米波信號(hào)不僅能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置

9、, 而且產(chǎn)生 的光毫米波信號(hào)穩(wěn)定可靠 。實(shí)現(xiàn)全雙工光纖無(wú)線通信的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是 上行鏈路中光載波信號(hào)的產(chǎn)生 710。外加光源可 以產(chǎn)生光載波信號(hào) , 但需要額外配置激光器 , 無(wú)疑增 加了基站成本 7。 波長(zhǎng)重用技術(shù)利用中心站信號(hào)的 波長(zhǎng)在基站的重新使用 , 能簡(jiǎn)化基站配置 , 是理想的 選擇 。 但已有的基于波長(zhǎng)重用技術(shù)的全雙工光纖無(wú) 線通信系統(tǒng)基本上只實(shí)現(xiàn)了低速率 、 短距離的傳 輸 810。 文獻(xiàn) 10采用強(qiáng)度調(diào)制器 、 基于雙邊帶調(diào) 制方式實(shí)現(xiàn)了 2. 5Gbit/s 數(shù)據(jù)速率的全雙工實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng) , 但使用的強(qiáng)度調(diào)制器需要外加偏置電壓穩(wěn)定裝 置 。 本文采用相位調(diào)制器和交叉復(fù)用器產(chǎn)生

10、載波抑 制的光毫米波信號(hào) , 并結(jié)合利用波長(zhǎng)重用技術(shù)實(shí)驗(yàn) 研究了一種新的全雙工光纖無(wú)線通信系統(tǒng) 。 該系統(tǒng) 充分利用了相位調(diào)制器的簡(jiǎn)單 、 穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn) , 系統(tǒng)配 置簡(jiǎn)單 , 成本低廉 , 并且能有效地減少光纖色散的影 響 。2 實(shí)驗(yàn)原理及光毫米波傳輸色散分析2. 1 實(shí)驗(yàn)原理典型的光纖無(wú)線通信系統(tǒng)一般由中心站 、 上 /下 行傳輸鏈路和遠(yuǎn)程基站三部分組成 。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1所示 。 中心站利用相位調(diào)制器和一個(gè)交叉復(fù)用器 產(chǎn)生光載波抑制的雙邊帶毫米波信號(hào) 。 這里通過(guò)調(diào) 節(jié)相位調(diào)制器的調(diào)制深度 , 使毫米波信號(hào)只保留了 一階上 、 下邊帶 。 再利用第二個(gè)交叉復(fù)用器將上 、 下 邊帶分開(kāi) :

11、下邊帶用來(lái)調(diào)制下行數(shù)據(jù)信號(hào) , 上邊帶不 做任何處理 。 隨后將調(diào)制了下行數(shù)據(jù)的下邊帶和未 做處理的上邊帶耦合 , 并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸至 遠(yuǎn)程基站 。 在基站中 , 傳輸后的毫米波信號(hào)被分成 完全相同的上 、 下兩路信號(hào) 。上路信號(hào)用光檢測(cè)器 直接進(jìn)行光 -電轉(zhuǎn)換 , ; 下路信號(hào) , 據(jù) 圖 12. 5Gbit/s 全雙工光纖無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig. 1Schematic diagram of 2. 5Gbit/s f ull 2duplex Ro F system2. 2 光纖色散的影響分析對(duì)于光纖無(wú)線通信系統(tǒng) , 主要考慮毫米波信號(hào) 在下行傳輸鏈路中的光纖色散影響 。角頻率為

12、o 的連續(xù)光波通過(guò)相位調(diào)制器調(diào)制角頻率為 RF 的正 弦時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生出帶載波的雙邊帶信號(hào) , 相位調(diào)制 器輸出的光信號(hào)表達(dá)式為E out (t =E o n =-J n ( co s (o +n RF t +n 2, (1式中 E o 為光載波幅度 , J n (為 n 階邊帶 , n 為整數(shù) , 與相位調(diào)制深度有關(guān) , =V RF /V ,V RF 為調(diào)制信 號(hào)電壓 ,V 為相位調(diào)制器的半波電壓 。毫米波信號(hào)傳輸過(guò)程中 , 較多的邊帶將導(dǎo)致嚴(yán)重的光纖色散影響 1。為了有效減輕色散的影響 ,適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)相位調(diào)制器調(diào)制深度以保證輸出光信號(hào) 僅僅保留一階邊帶 。利用貝塞耳函數(shù)的單調(diào)特性 ,即 值一定

13、時(shí) , J n ( 隨著 n 增大而單調(diào)遞減 。 因此適當(dāng)設(shè)置 值 , 可以滿足 J 1(>J 2( , J 2( 0條件 。 這樣 , 相位調(diào)制器輸出光信號(hào)的二階邊帶和二階以上邊帶可以被忽略 (二階邊帶對(duì)應(yīng)于 J 2(, 三 階邊帶對(duì)應(yīng)于 J 3( 。 基于上述條件 , (1 式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為E out1(t E o J 0( cos (o t +E o J 1(cos (o +RF t +2+E o J 1( cos (o -RF t +2。 (2639中 國(guó) 激 光 34卷 利用一個(gè)交叉復(fù)用器抑制相位調(diào)制器產(chǎn)生的雙 邊帶光信號(hào)的載波 , 有E out2(t E o J 1(co

14、s (o +RF t +2+E o J 1( co s (o -RF t +2。 (3 載波抑制的雙邊帶信號(hào)經(jīng)過(guò)第二個(gè)交叉復(fù)用器 使上 、 下兩邊帶被分開(kāi) 。下邊帶用來(lái)調(diào)制下行傳輸 的基帶數(shù)據(jù)信號(hào) ; 上邊帶不做任何處理 。 隨后上 、 下 兩邊帶用光耦合器 (OC 耦合 , 并通過(guò)距離為 L 的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖傳輸 。 毫米波信號(hào)在光纖中傳輸 , 各階邊 帶將分別以不同速度傳輸 , 其頻譜因此被展寬而導(dǎo) 致失真 。 由于光纖色散的影響 , 此時(shí) (3 式中增加了傳輸相位延遲項(xiàng) 113E out2(t E o J 1( cos (o +RF t +2+1+E o J 1( cos (o -RF t

15、 +2+1,(4式中 1為一階上 、下邊帶的相位延遲 1=-n 2LcDf o2n =1=-f o2其中 c 為光速 , D f RF , 。在基站 , 完全相同的上 。 上路信號(hào)采用光檢測(cè)器 直接檢測(cè)生成毫米波電信號(hào) 。 通過(guò)光檢測(cè)器輸出的 光電流為I (t E 2o J 1( 2co s (2RF t ,(5 I (t 即接收端恢復(fù)出的毫米波電信號(hào) , 其幅度正比于 E 2o J 1( 2。 可以看出 , 適當(dāng)調(diào)整相位調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度能夠有效地抑制產(chǎn)生的光毫米波的 高階邊帶 , 從而減輕毫米波信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中 受到的色散影響 。3 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果 圖 2為 2. 5Gbit/s

16、全雙工光纖無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng) 的 裝 置 , 具 體 實(shí) 物 如 圖 3所 示 。波 長(zhǎng) 為 1552. 5nm 的連續(xù)光波由分布式反饋激光器 (DFB 2LD 產(chǎn)生 。 LiNbO 3相位調(diào)制器 (PM 調(diào)制連續(xù)光波 生成帶載波的雙邊帶毫米波信號(hào) 。 實(shí)驗(yàn)中設(shè)置相位 調(diào)制器的半波電壓 V =10V , 驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用電壓 為 1V 的 20GHz 正弦信號(hào) 。由上一節(jié)可以知道 , 稍 微調(diào)整 以上邊帶 (即 V RF =0. V 1 4(a ?？梢?低 35dBm 左右 , 因此可認(rèn)為二階和二階以上邊帶被 有效地抑制住了 , 這使得毫米波信號(hào)在光纖傳輸時(shí) 的色 散 影 響 明 顯 減 少 。使

17、 用 一 個(gè) 通 帶 寬 度 為 0. 15nm , 二 輸 出 端 口 的 25/50GHz 交 叉 復(fù) 用 器 (IL 濾除已產(chǎn)生的雙邊帶毫米波信號(hào)的中心載波 , 將帶載波的雙邊帶毫米波轉(zhuǎn)換成載波抑制的毫米 波 。 交叉復(fù)用器的插入損耗為 2dB , 無(wú)偏振靈敏性 。 載波被抑制后的毫米波信號(hào)頻譜如圖 4(b 所示 ,圖 2全雙工光纖無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖Fig. 2Experimental setup for f ull 2duplex Ro F system739 7期 文 鴻 等 :基于相位調(diào)制器產(chǎn)生光毫米波的全雙工光纖無(wú)線通信系統(tǒng) 圖 3全雙工光纖無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置實(shí)物圖Fig.

18、 3Image of experimental setup從圖中可看出 , 毫米波信號(hào)的重復(fù)頻率為 40GHz , 載波抑制比大于 30dB 。 隨后采用第二個(gè)雙輸出端的 50/100GHz 交叉復(fù)用器將毫米波信號(hào)的一階上 、 下 邊帶分離開(kāi) 。分開(kāi)后的上邊帶信號(hào)如圖 4(c 。再 利用一個(gè)單臂的馬赫 2曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器 (MZM 將 下行傳輸?shù)?2. 5Gbit/s 偽隨機(jī)數(shù)據(jù)基帶信號(hào)加載至 分開(kāi)后的下邊帶 , 光譜如圖 4(d ; 而上邊帶不做處 理 。 未 做處理的上邊帶耦合 , 并經(jīng) (SMF 傳送至遠(yuǎn)程基站 。 耦合后的信號(hào)眼圖如圖 2(ii 。 光纖前置的摻鉺光纖放大器 (EDFA

19、 用于補(bǔ)償單模光纖傳輸中的信號(hào)衰減 , 以保證毫米波信號(hào)的入纖光功率放大至 3dBm 。在基站 , 經(jīng)光纖傳輸后的毫米波信號(hào)利用光分 路器 (OS 分成完全等同的上 、 下兩路信號(hào) 。 上路信 號(hào)頻譜如圖 4(e 所示 。利用小信號(hào)增益為 30dB 的 摻鉺光纖放大器對(duì)上路信號(hào)進(jìn)行前置放大 , 再用帶 寬為 0. 5nm 的可調(diào)諧光濾波器 (TOF 抑制被放大 的自發(fā)熱噪聲 。隨后采用接收帶寬 (截止頻率 為 50GHz 的 PIN 光電檢測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換 , 產(chǎn)生出 毫米波電信號(hào) 。 實(shí)驗(yàn)中不考慮毫米波信號(hào)的天線發(fā) 射和接收過(guò)程 , 所以 , 生成的毫米波電信號(hào)直接用電 放大器 (EA 放大

20、 , 再與 40GHz 本振信號(hào)混頻 , 最后 通過(guò)截止頻率為 2. 8GHz (L PF 濾 波 , 恢復(fù)出基帶數(shù)據(jù)信號(hào) 的本振信號(hào)由 10; 率為 (v ?？梢钥闯鲂盘?hào)眼圖依然 , 40km 的單模光纖傳輸 , 在 。圖 4測(cè)量光纖無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不同位置的光譜圖Fig. 4Spectra at different locations labeled in Fig. 2 被光交叉復(fù)用器分開(kāi)的另一路信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一 個(gè)用作濾波器的布拉格光纖光柵 (FB G , 其作用是 濾除加載了下行數(shù)據(jù)的下邊帶 , 保留上邊帶作為上 行鏈路的光載波再利用 。 布拉格光纖光柵的輸出信 號(hào)波形如圖 2(iii

21、所示 。上行傳輸?shù)?2. 5Gbit/s 基 帶數(shù)據(jù)通過(guò)第二個(gè)單臂的馬赫 2曾德?tīng)枏?qiáng)度調(diào)制器 加載到光載波上 。 加載了上行數(shù)據(jù)的光載波如圖 4(f 。 為避免光纖傳輸過(guò)程中的非線性效應(yīng)影響 , 傳 輸前利用摻鉺光纖放大器將加載了上行數(shù)據(jù)的光載 波信號(hào)的入纖功率放大至 3dBm 。 上行傳輸?shù)男盘?hào) 通過(guò) 40km 的單模光纖傳送回中心站 。隨后在中心 站采用 2. 5Gbit/s 商用接收模塊對(duì)上行信號(hào)進(jìn)行光839中 國(guó) 激 光 34卷 -電轉(zhuǎn)換 , 再用截止頻率為 2. 8GHz 的低通濾波器低通濾波 , 恢復(fù)出上行數(shù)據(jù)信號(hào) 。測(cè)得上行鏈路中 光纖傳輸前和傳輸后的眼圖 , 分別如圖 2(iv

22、 和圖 2(i 。 可以看出 , 通過(guò) 40km 的單模光纖傳輸后眼圖 仍然是張開(kāi)的 。 分別測(cè)量上行和下行數(shù)據(jù)信號(hào)在背 靠背 (B 2T 2B 及經(jīng)過(guò)距離為 40km 的單模光纖傳輸 兩種條件下的誤碼率 (B ER , 如圖 5所示 ?？梢钥?出下行鏈路的功率代價(jià)為 0. 5dBm , 而下行鏈路的 功率代價(jià)接近于零 。圖 5經(jīng) 40km 單模光纖下行和上行傳輸后的誤碼圖Fig. 5BER curves for both down 22over 40km 4 結(jié) 2. 5Gbit/s 全雙工光纖無(wú)線通 信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 。 利用相位調(diào)制器結(jié)合交叉復(fù)用器生成 載波抑制的毫米波信號(hào) , 該毫米波信號(hào)能

23、有效地減 輕光纖色散的影響 。由于采用了相位調(diào)制器 , 因此 不需要外置偏壓 , 避免了直流偏置漂移問(wèn)題 。在遠(yuǎn) 程基站利用毫米波信號(hào)的上邊帶調(diào)制上行傳輸?shù)臄?shù) 據(jù) , 因此不需要額外增加光源 , 簡(jiǎn)化了基站的配置 , 降低了系統(tǒng)成本 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 下行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) 40km 的單模光纖傳輸 , 功率代價(jià)小于 0. 5dBm ; 而 上行鏈路傳輸?shù)墓β蚀鷥r(jià)幾乎為零 。參 考 文 獻(xiàn)1 Graham H. Smit h , Dalma Novak , Zaheer Ahmed. Overcomingchromatic 2dispersion effect s in fiber 2wireless

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