CN102983911B - 一种基于全光谱利用和后补偿技术的微波光子链路方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种基于强光谱利用和后补偿技术的微波光子链路的方法，该方法包括以下步骤：两个级联的光电相位调制器将接受下来微波信号加载到光上并进行全光下变频。通过一个保偏环形器、布拉格光栅(FBG)以及平衡探测器组成的模块同时利用了光栅的透射谱和反射谱。然后利用反正弦函数做数字信号处理(DSP)。本发明有效的利用了整个光谱的能量提高了系统增益，利用复杂度较低的DSP算法提高了系统线性度进而提高了动态范围。

Description

一种基于全光谱利用和后补偿技术的微波光子链路方法

技术领域

本发明涉及一种实现微波光子链路的方法，更具体地说，涉及全光谱利用和数字域的后补偿方法。

背景技术

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，人们开始考虑在更高的微波频段甚至毫米波实现无线通信。然而毫米波波段在大气中的损耗很大如60GHz信号在大气中的传输损耗高达14dB/km，这意味着在蜂窝移动通信中信道频率可更加频繁地重复使用。但传统的微波传输介质在长距离传输时具有很大损耗，而光纤系统具有低损耗、高带宽特性，对于微波传输和处理充满吸引力。

微波光子链路概念最早于1993年被提出。它利用光纤和微波两者的优势，可以将无线微波信号的传输距离大大增加。其主要研究内容是解决传统的光纤通信技术向微波频段发展中的问题，包括激光器、光电调制器、中继放大器、光电探测器和光纤传输链路的研究，以及整合在一起的系统结构的研究。而是多年来，在微波光子链路从最初的直接对激光器功率进行调制的直接调制技术发展到采用外强度调制器的外调制技术。在光学接收端，从最初的光电探测器直接探测发展到利用光纤通信中的光学相干解调的方式。系统结构的复杂化伴随着性能的不断提高。

衡量微波光子链路性能优越性的主要品质因素有增益、噪声系数、交调失真以及动态范围。其中动态范围是综合考虑噪声系数和交调失真的评价指标。因此，系统增益和动态范围逐渐成为人们关注的重要指标。近年来，人们以提高系统指标为目的对微波光子链路的系统结构进行了深入的研究其中包括强度调制、偏振调制、相位调制、直接检测、相干检测、数字接收等。其中相位调制器由于没有直流偏置，因此长时间工作时不存在直流漂移的问题，而且它本质上是一个线性调制，而且可以容忍大调制深度。基于相位调制的以上优点，他成为了近些年的研究热点。

然而，光学相位调制携带的相位信息是不能被光电探测器探测出来的，需要一种相位转换成强度的手段。采用色散光纤可以实现相位和强度的转换，但是由于光纤固有的非线性传输函数以及频率相关的特性使得这种方式的带宽很窄，而且难以实现大动态范围。采用相位调制结合光滤波实现相位和幅度的转换可以搭建成大带宽的微波光子链路。而且这种方式可以轻松的与全光下变频结合，充分利用数字信号处理技术，在数字域线性化、减小失真，从而提高系统的动态范围。

然而，相位调制结合光滤波的全光下变频链路有两个有待改进的地方。第一，滤波器将光载波滤掉减小了光功率，降低了系统增益。第二，目前没有一种计算复杂度较低的数字信号处理后补偿的算法来抑制失真，提高动态范围。因此我们需要在光域内将滤掉的光谱重新利用以提高系统增益，并且需要针对这种链路的非线性特性提出一种简单高效的数字信号处理算法来抑制交调失真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以利用全光谱以及后补偿算法实现高性能微波光子链路的方法。该方法可用于光载无线(ROF)系统中。

根据本发明，提供一种全光谱利用的方法。全光谱利用指的是用光纤光栅的反射谱将滤除的光谱重新利用。系统通过一个保偏的环形器和一个布拉格光栅(FBG)来实现反射谱和透射谱的利用，并通过平衡探测器来就行光电变换，达到提高增益的目的。

根据本发明，提供一种后补偿的方法。后补偿指的是用数字信号处理(DSP)技术将接收到的信号转换为数字域在就行变换，实现信号处理的功能。通过推导我们证明了这种链路的传递函数类似为正弦函数，通过对采样下来的数字信号就行反正弦变换，提高系统的线性度。从而，增加动态范围。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出系统结构框图

图2示出系统增益改善图

图3示出低功率本振的线性化改善图

图4示出高功率本振的线性化改善图

图5示出未经过数字信号处理的双音测试频谱图

图6示出经过数字信号处理的双音测试频谱图

图7示出系统动态范围改善图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1中描述了基于全光谱利用和后补偿技术的微波光子链路的总体系统结构图，其中S101为输入的微波信号，经过光电相位调制器S102，将微波信号调制到S103：连续光激光器提供的光载波上。调制后的光载微波信号经过第二个光电相位调制器S104，S104由S105代表的微波本振驱动，将光载的微波信号从高频下变换到S101和S105之间的差频，从而实现了下变频。光载的下变频信号经过全光谱利用模块将布拉格光栅的透射谱和反射谱都利用了。全光谱利用模块由S106：保偏环形器、S107：布拉格光栅；S108：可调谐光延迟线以及S109：平衡探测器组成。光经过S106的输入端口到达S107，S107的透射光谱经过S108进行延迟对准后注入S109的一个接口；与此同时，S107的反射光谱反射回S106到达第二个输出端口，这个端口直接连接S109的另一接。S109的两个端口光电变换后的下变频微波信号的表达式如下：

其中R表示探测器的响应度，P为光功率，m_RF表示输入的射频功率相对于S102的灵敏度的调制指数，ω_IF为下变频的频率它等于加载在S102和S104上的微波信号的频率差。从上面的表达式可以看出全光谱利用后的光电流表达式互为相反数，而平衡探测器的差分模式刚好可以使得光电流加倍，换算成功率则可以使得下变频的微波功率增加4倍即6dB。为了验证，增益改善的效果如图2所示。S201为改善前的光电流功率，S202为改善后的光电流功率。从这张实验图我们可以看出探测出的微波信号的功率增加了5.95dB，与理论值非常接近。

S109探测出的微波信号。经过S110：模数转换芯片(ADC)将模拟信号转换成数字信号，然后再S111：数字信号处理模块中利用特定系数的反正弦函数变换实现线性化。具体的函数表达式为：

i_DSP＝(4RPA/B)*arcsin(i_BPD/4RPA)

其中i_BPD是S109输出的光电流，而A和B的取值为：

$A=J_0\left(m_{\mathrm{LO}}\right)J_1\left(m_{\mathrm{LO}}\right)/\sqrt{12}\mathrm{RP}\sqrt{J_0\left(m_{\mathrm{LO}}\right)/{3J}_0\left(m_{\mathrm{LO}}\right)-J_2\left(m_{\mathrm{LO}}\right)}$

$B=\sqrt{3/4*}\sqrt{3-J_2\left(m_{\mathrm{LO}}\right)/J_0\left(m_{\mathrm{LO}}\right)}$

其中m_LO为S104上加载的微波信号相对于S104灵敏度的调制指数。

实现过程中，先按照上述表达式对信号除以4RPA，然后做反正弦变换，再乘以4RPA，除以校准因子B。

图3和图4分别给出了在m_LO为1和2时系统传递函数的归一化线性度改善情况。S301和S401的线条为改善前的传输函数可以看出它的线性度不好，而改善后的传递函数曲线为S302和S402的曲线，线性度明显改善了。而且这种方法在m_LO为(1～2)的区间内都有显著的效果。

图5和图6为实验测试图，我们采用双音测试法来测量整个微波光子链路的交调失真的大小。双音测试法就是将微波输入端同时打入两个有一定频率差的信号。在解调端观察两个频率交叉调制频率项的大小。在图5中可以看出三阶交调项S501比较明显。而经过我们的算法后的解调频谱图为6图。三阶交调项S601较S501下降了17dB。

图7表示整个系统的动态范围测量图，其中S701曲线表示信号频率项的输出功率随输入功率的变化情况，S702表示没有进行数字信号处理算法的情况下，三阶交调失真项的功率随输入功率的变化情况。S703表示经过数字信号处理算法后的三阶交调失真项的功率随输入功率的变化情况。可以看出来，我们提出的数字信号处理算法提高了系统的动态范围大约4.2dB。

Claims (1)

1.一种基于全光谱利用和后补偿技术的微波光子链路方法，级联两个相位调制器，将微波信号与本振信号分别调制不同的光电相位调制器上的光载波，实现下变频，其特征在于以下两个步骤：

采用全光谱利用的方法，将下变频后的光载微波信号进入保偏环形器，环形器出口连接一个布拉格光栅(FBG)，FBG的透射光谱连接一个可调谐光延迟线，进行时延匹配，然后注入平衡探测器的一个端口，FBG的反射谱返回环形器从第二个出口引出，连接平衡探测器的另一端口,生成互为相反数的下变频后的光载微波信号，利用平衡探测器叠加，进而提高系统增益；

对平衡探测器输出的电信号经过模数转换后，利用特定系数的反正弦函数进行处理,使得该反正弦函数近似为系统传递函数的反函数，具体为，对输出的信号进行模数转换后使用数字信号处理模块，利用特定系数的反正弦函数变换实现线性化以提高动态范围包括以下步骤：

对模数转换后的数字信号乘以一个系数A，进行幅度归一化，其中，

对归一化后的信号做反正弦变换；

做反正弦变化后的信号再乘以4RPA，然后除以校准因子B，恢复原有强度，其中：

R为探测器的转换效率，

P为光载波的功率，

$B=\sqrt{3/4}*\sqrt{3-J_2\left(m_{LO}\right)/J_0\left(m_{LO}\right)}$

m_LO为权利要求1中本振微波源的相对于相位调制器的调制指数,从而实现线性化以提高动态范围。