CN102932063A - 一种基于双边带调制的模拟链路色散补偿方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双边带调制的模拟链路色散补偿方案。包括光源(101)、双驱动马赫增德尔调制器(102)、射频信号源(103)、功分器(104)、电延时器(105)、可调电源单元(106)、单模光纤(107)以及光电探测器(108)构成的色散补偿器和相应的处理方法。本发明基于最简单的双边带调制，通过调节电延时器(105)和可调电源单元(106)来改变一阶边带与载波的相对相位，从而控制频率响应曲线，将某一衰落的频率点移到另外一个频率点，消除这一频率因色散引起的功率衰落。本发明方案可应用于远距离的微波光子链路中，以提高模拟链路的动态范围。

Description

一种基于双边带调制的模拟链路色散补偿方案

技术领域

本发明涉及微波光子传输领域，尤其是一种基于双边带调制的色散补偿方案。适用于模拟光链路中远距离、大动态范围的传输。

背景技术

光波分复用技术的出现和掺铒光纤放大器的发明使光通信得到迅速发展。光纤通信具有损耗低，抗电磁干扰，超宽带，易于在波长、空间、偏振上复用等很多优点。其主要问题是移动性不够。与此同时，随着对无线通信容量需求的增加，微波技术也在迅速发展。微波通信能够在任意方向上发射、易于构建和重构，实现与移动设备的互联；蜂窝式系统的出现，使微波通信具备高的频谱利用率。但目前微波频段的有限带宽成为严重问题。此时，光纤技术与微波技术相互融合成为一个重要新方向，即微波光子学。在过去的十年中，微波光子学迎来了高速的发展。然而人们发现，在传统强度调制的模拟链路(微波光子链路)中，信号在光纤中传输时，色散会使两个一阶边带产生相位差。调制信号的频率不同，引起的相位差也不同，这就导致了光电探测器探测出的微波信号功率会发生周期性衰落。当传输信号的频率正好处在衰落频率点时，色散将会严重制约微波光子链路的性能，大大降低链路的无杂散动态范围。因此如何补偿链路中的色散，提高链路动态范围，是微波光子领域非常重要的研究内容。

目前主要有两种方法用于模拟链路中的色散补偿：(1)使用不同的发射机结构，包括使用两个马赫增德尔调制器级联、强度和相位调制器并联、一个偏振调制器以及带啁啾的马赫增德尔调制器等；(2)基于双驱动马赫增德尔调制器或者双平行马赫增德尔调制器的单边带调制方法。

前面所描述方案都可以很好的补偿模拟链路中因色散而引起的微波信号功率衰落，但是同时也都存在着自身的一些缺点。例如方案(1)通过使用复杂的发射机结构，而大大提高了系统的复杂性。同时多个调制器的使用也增加了系统的成本；方案(2)在一定程度上简化了系统结构，但是波长可调、带宽较宽的单边带调制很难实现。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于双边带调制的色散补偿器，使之具有结构简单，成本较低，易于实现，以及可调性好的优点。本发明可以将某一衰落点移动到任意其他频率处，因此实现了对这一频率点的色散补偿。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出及实现的：

一种在模拟链路中基于双边带调制的色散补偿器，由光源101、双驱动马赫增德尔调制器102、射频信号源103、功分器104、电延时器105、可调电源单元106、单模光纤107以及光电探测器108构成；其中调制器102上具有两个微波信号输入口102-1和102-2及一个偏置电压输入端口102-3；信号从调制器102中输出产生一个双边带调制信号，在信号传输前，通过改变一阶边带与载波之间的相对相位差，实现对模拟链路中光色散引起的信号功率衰落的补偿。

本发明的目的还在于，在如上的硬件设备上实现在模拟链路中基于双边带调制的色散方法，具体方案如下：通过调节可调电源单元106来改变调制器102的偏置电压，以及调节电延时器105来改变输入信号间的延迟，这样可以控制一阶边带与载波的相对相位。当相对相位不为零时，称为预失真处理。光信号在通过色散介质之前，使上、下两个边带引入一个预失真相位差，这个预失真信号通过色散介质后又会由色散引入一个相位差，通过调节预失真相位差从而控制链路的频率响应曲线，进而实现色散的补偿。

在传统强度调制模拟链路中，将微波信号加到载波上，会产生两个一阶边带，再通过色散的作用，一阶边带与载波之间的相对相位差会发生改变。这样经过光电探测器的接受，会使微波信号的频率产生周期性的衰落。因此，我们提出的基于双边带模拟链路中的色散补偿方案，通过调节相移器以及电压，使两个一阶边带与载波在传输之前就产生一个相位差。这样通过一定距离的单模光纤后，由发射机引起的相对相位经过色散后被补偿回来，从而通过光电探测器监测出的微波信号将不再失真。

以上过程我们可以通过数学推导来证实。双驱动马赫增德尔调制器的输出光场表达式为：

其中T_loss是调制器的插入损耗，P_in输入功率，

ε是调制器的消光比。γ，Ω，φ以及分别是调制指数，角频率，调制器两臂的相位差，以及输入微波信号的相位差。这里只考虑载波和两个一阶边带的情况，则经过色散光纤和光电探测器后，光电流的表达式为：

其中是光电探测器的响应率，α光纤损耗。

当

时，从(2)中可以看出光电流最大，这时频率响应也处于最大值，可以得到

考虑小信号的情况(δ≈1)，如果相位偏置电压φ调到∏/2，则输入微波信号相位差可以定量表示为：

本发明是针对微波信号和模拟链路提出的，其有益效果在于：仅仅利用一个双驱动马赫增德尔调制器，一个相移器，一个可调电源以及一个光电探测器就实现了模拟链路中微波信号色散的补偿，简化了系统结构，降低了成本，并且具有较好的可调性，操作简单，用于远距离的微波光子链路的传输中，同时提高了模拟链路的动态范围。

附图说明：

图1为本发明的基于双边带调制的模拟链路色散补偿器结构示意图；

图2为传统双边带调制方案中，色散引起功率衰落原理；

图3本发明中提出的基于双边带调制的色散补偿原理；

图4为本发明的基于双边带调制的色散补偿器的频率响应理论分析及实验测量：(a)单模光纤为15km时；(b)单模光纤为25km时；

图5为本发明中的色散补偿器微波信号频谱演化图：(a)单模光纤为15km时；(b)单模光纤为25km时；(i)传统强度调制背靠背传输微波信号功率；(ii)传统强度调制传输一定长度光纤后微波信号功率；(iii)本方案提出的双边带调制背靠背传输信号功率(可称为预失真)；(iv)本方案提出的双边带调制传输光纤后信号功率图；

图6为本发明中基于双边带调制的色散补偿器对双频输入信号的补偿作用；

图7为本发明的基于双边带调制的色散补偿器的动态范围实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由光源101、双驱动马赫增德尔调制器102、射频信号源103、功分器104、电延时器105、可调电源单元106、单模光纤107以及光电探测器108。其中调制器上的102-1和102-2是两个微波信号输入口，102-3是偏置电压输入端口。通过调节电延时器105和可调电源单元106，来改变一阶边带与载波的相对相位，从而控制传输响应函数，将某一衰落的频率点移到另外一个频率点，即可消除这一频率因色散引起的功率衰落。

图2(a)为传统双边带调制方案中，色散引起功率衰落的原理。一个微波信号通过一个传统强度调制器后，会产生双边带调制(上边带和下边带)。这时，上、下两个边带携带的信号与载波的相对相位相同。在经过光纤后，由于色散作用，在上、下两个边带之间引入了一个相位差。信号通过光电探测器拍频恢复出微波信号，这时不同的相位差引起了频率的周期化衰落，如图2(b)所示的频率响应曲线。

图3本发明中提出的基于双边带调制的色散补偿原理。从传统双边带调制方案中可以看到，色散引入的相位差改变了初始相位条件，从而引入了频率的周期性衰落。当衰落的频率正好是传输信号的频率时，这样会极大地降低模拟链路的性能。而本发明提出的方案，可以任意平移双边带调制中引起的频率衰落点，从而达到色散补偿的目的。具体方案如下：通过调节双驱动马赫增德尔调制器的偏置电压，以及输入微波信号的相对相位差，在通过色散介质之前使上、下两个边带引入一个相位差，直接经过光电探测器时可以看到这点频率发生极大衰落，称为预失真。但是，将这种预失真信号通过色散介质后，这时，引入的相位差被补偿回来，通过探测可以观察到很好的微波信号，从而实现色散的补偿。其中，输入微波信号的相对相位差满足如下等式：

图4为本发明的基于双边带调制的色散补偿器的频率响应理论分析及实验测量。当传输的单模光纤为15km时，对于传统双边带调制方案，第一个频率衰落点在16.7GHz处。使用本发明提出的方案后，可以将衰落点移动到其他无用的频率处，而原频率(16.7GHz)则成为最优的频率传输点。为了验证本方案的普遍适用性，将光纤改为25km时，同样可以实现色散补偿的功能，如图4(b)所示。

图5为本发明中的色散补偿器微波信号频谱演化图。(i)是传统强度调制背靠背传输的微波信号功率；但是当在光纤中传输后，某一个频率点的功率会发生极大地衰落如(ii)所示。然而使用本发明提出的预失真的方法，虽然传输前这点频率会发生衰落(iii)，但是经过一段光纤传输后，这个频率点的衰落被成功克服(iv)。

图6为本发明中基于双边带调制的色散补偿器对双频输入信号的补偿作用。设输入信号为12.60-GHz和12.61-GHz，输入的微波信号为10-dBm，光电探测器的接收功率为0.24-dBm。有无色散补偿的信号频谱如图6(b)和(c)所示，本发明提出的方案使传输后的微波信号功率增加了16-dB。

图7为本发明的基于双边带调制的色散补偿器的无杂散动态范围实验结果图。无杂散动态范围定义为在保证信号输出功率在噪声本地以上，并且三阶交调产物的功率小于噪声功率的情况下，输入信号功率所能变化的范围。本实验中，噪声本底为-160dBm/Hz，传统强度调制方案测得的无杂散动态范围为80dB·Hz^2/3，经过色散补偿后，动态范围增加到95dB·Hz^2/3，提高了大约15dB·Hz^2/3。

由以上实验结果中可以观察到，本发明成功实现了基于双边带调制的色散补偿方案，提高了模拟链路的动态范围。该装置仅仅使用一个双驱动的马赫增德尔调制器，通过调节相移器106改变输入信号的相位差，以及调节电源107改变调制器的偏压，来实现任意频率的色散补偿。本方案结构简单，成本较低，易于实现，并且可调性好。

Claims (2)

1.一种在模拟链路中基于双边带调制的色散补偿器，由光源(101)、双驱动马赫增德尔调制器(102)、射频信号源(103)、功分器(104)、电延时器(105)、可调电源单元(106)、单模光纤(107)以及光电探测器(108)构成；其中调制器(102)上具有两个微波信号输入口(102-1和102-2)及一个偏置电压输入端口(102-3)；信号从调制器(102)中输出产生一个双边带调制信号，在信号传输前，通过改变一阶边带与载波之间的相对相位差，实现对模拟链路中光色散引起的信号功率衰落的补偿。

2.采用权利要求1实现的在模拟链路中基于双边带调制的色散方法，通过调节双驱动马赫增德尔调制器(102)的偏置电压，以及调节电延时器(105)和可调电源单元(106)，来改变一阶边带与载波的相对相位，在通过色散介质之前使上、下两个边带引入一个预失真相位差，在预失真信号通过色散介质后引入的相位差被补偿回来，从而实现色散的补偿，控制频率响应曲线，将某一衰落的频率点移到另外一个频率点，以消除这一频率因色散引起的功率衰落。

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