CN106375019A - 基于电吸收调制激光器的高频矢量射频信号发生系统及预编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤通信和光网络传输技术领域，具体为一种基于电吸收调制激光器的高频矢量射频信号发生系统及预编码方法。该系统主要由一个集成的电吸收调制激光器、光交叉波分复用器、光电检测器组成。针对不同调制格式进行预编码，并设置电吸收调制激光器的偏置电压和驱动信号的大小对光信号调制，利用光交叉波分复用器滤波，之后经过光电检测器检测，最终稳定地生成对光频率噪声和相位噪声鲁棒的光载矢量射频信号。经过预编码处理的光载矢量射频信号经光电检测器检测后，仍可使用电相干接收及数字信号处理算法进行处理，提高通信系统的传输速率和接收机的灵敏度，改善传输性能。

Description

基于电吸收调制激光器的高频矢量射频信号发生系统及预编 码方法

技术领域

本发明属于光载无线通信和光信号传输技术领域，具体涉及一种基于电吸收调制激光器的射频信号发生系统及预编码方法。

背景技术

高速接入网、智能终端的各种数据业务、多媒体广播系统和众多大数据业务的应用对高速数据无线通信提出了极大的考验。光载无线和高频高阶矢量射频信号拥有带宽大和衰减小的特性，为未来高速无线通信提供可能。

图1为现有技术一的框图：传统的基于电倍频的高频矢量射频信号的产生方案框图。由于高频高阶矢量射频信号所处频段高，采用传统的电倍频来产生高频矢量射频信号已陷入瓶颈，很难产生稳定的、高频段的矢量射频信号。

图2为现有技术二的框图：一种基于不同源光子辅助技术的高频矢量射频信号产生方案。然而该方案是利用两束来自不同源的激光进行拍频，由于温度漂移，信号在信号发生端就会存在不可避免的频率噪声和相位噪声。

图3为现有技术三的框图：一种基于同源光子辅助技术的高频矢量射频信号产生方案。在方案中，进行拍频的光子来自于同一个激光器，因此，产生的矢量信号对光的频率噪声和相位噪声鲁棒。然而，这种方案采用的是昂贵的强度调制器，因此，其优势是由高昂的成本为代价所换来的。

为了解决或避免上述三个问题，即（1）避免因在高频段难以实施倍频的电子瓶颈；（2）避免因不同源光子辅助技术带来的频率噪声和相位噪声；（3）降低因强度调制器引入的高额成本，本发明提出了一种低成本、稳定的基于电吸收调制激光器的矢量射频信号发生系统及预编码方法。

发明内容

本发明的目的在于提供提一种传输性能好、成本低廉的基于电吸收调制激光器的高频矢量射频信号发生系统及预编码方法。

本发明提出的高频矢量射频信号发生系统，其结构框图如图4所示。它由一个集成的电吸收调制激光器（EML），一个光交叉波分复用器（IL）和一个光电检测器（PD）组成。其中，EML为一个商用集成器件，其中包含分布式反馈激光器（DFB）和电吸收调制器（EAM）。其工作流程如下：预编码的信号作为电吸收调制激光器（EML）的驱动信号，调制到光信号上；已调制的光信号送入光交叉波分复用器（IL）进行滤波；光交叉波分复用器（IL）的一端（A端）输出为中心光主载波，另一端（B端）输出为载波抑制的两个一阶边带信号；光交叉波分复用器（IL）的B端输出的信号进入光电检测器（PD），光电检测器（PD）以平方律的形式把信号转换电的矢量射频信号。

其中，作为电吸收调制激光器（EML）的驱动信号的预编码的信号，源于正交相移键控（QPSK）信号或正交幅度调制（QAM）信号；正交相移键控（QPSK）信号或正交幅度调制（QAM）信号进行预编码后，用DAC发射；随后，电信号经过一个电放大器进行幅度放大，并与一个负电压相乘实现倒相；经上述过程的电信号作为EML的驱动信号，同时，为EML提供直流偏置；此后，预编码后的电信号被调制到光信号上。

本发明所述的高频矢量射频信号发生系统，对于不同调制格式的射频信号，需要采用不同的预编码策略，具体表现为：正交相移键控（QPSK）信号，其相位信息需要进行预编码，高阶正交幅度调制（QAM）信号，其幅度信息和相位信息需要进行预编码。

为了让光电检测后的信号就是原始的QPSK或QAM信号，因此在EAM驱动电信号生成之前，需要对原始的QPSK或QAM信号进行预编码。预编码具体方法为：

；

；

其中，和分别是原始星座映射的星座点的相位和幅度，和分别是预编码后的星座点的相位和幅度，为第一类一阶贝塞尔函数的反函数，为使光相位反转所需施加的直流偏置电压，为加入的直流偏置。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过合理的预编码方法，为集成的EML合理地设置偏置和驱动信号的振幅（例如提供-40 mA左右的直流偏置电压，并对预编码后的信号乘以-1.8V左右的直流电压实现信号倒相），具有以下优越性：

（1）商用EML成本较低，尺寸较小，消耗功率低，易于集成；

（2）商用EML的激光的线宽比较窄，生成的信号谱线比较干净，噪声较小；

（3）基于光子辅助技术产生高频率的矢量射频信号，不受电子瓶颈的限制；

（4）将唯一的激光器作为光源，经EML生成的子载波是锁频锁相的，载波间频率间隔和相位不会随着光源的温漂而偏移，因而矢量射频信号是稳定的；

（5）信号经PD检测将发生倍频，其平方律检测的特性将消除光信号在传输过程中引入的相位噪声，因而矢量射频信号对光相位噪声是鲁棒的；

（6）由于预编码技术和一阶边带项的存在，光载矢量射频信号经平方律光电转换后，仍保留了信号的幅度信息和相位信息，因而矢量射频信号仍保持所有的二维信息，可进行高频谱利用率、高速率的高阶调制；

（7）由于该系统采用副载波调制方式，矢量射频信号在接收端仍然可以进行电域相干检测并结合先进的数字信号处理技术，系统灵敏度较高。

本发明适用于大容量高速光载无线通信和光传输信号调制与解调领域，可产生稳定的高频端矢量射频信号同时降低现有技术的成本。

附图说明

图1直接在电域上变频的矢量射频信号发生系统图。

图2不同源光辅助的矢量射频信号发生系统图。

图3基于强度调制器的矢量射频信号发生系统图。

图4本发明基于电吸收调制激光器的矢量射频信号发生系统图。

图5本发明的光载射频信号传输及矢量射频信号生成系统框图。

图6本发明的4 GBuad QPSK预编码信号频谱图。

图7本发明的2 GBuad 16QAM预编码信号频谱图。

图8本发明系统中的电调制激光器输出光谱图。

图9本发明系统中的光交叉波分复用器的一个输出端口的光谱图。

图10本发明系统中的光交叉波分复用器的另一个输出端口的光谱图。

图11本发明生成的载波为20 GHz的4 GBuad QPSK射频信号电谱图。

图12本发明生成的载波为20 GHz的2 GBuad 16QAM射频信号电谱图。

图13利用本发明产生的并在标准单模光纤SMF-28中传输20 km后的QPSK射频信号星座图。

图14利用本发明产生的并在标准单模光纤SMF-28中传输20 km后的16QAM射频信号星座图。

图15本发明产生的并在标准单模光纤SMF-28中传输20 km后的信号误码性能曲线。

具体实施方式

下面将根据本发明提出的基于电吸收调制激光器的矢量射频信号发生系统及预编码方法，完整地描述具体实施过程。

本发明的矢量射频信号发生系统框图如4图所示。

首先，为集成的EML提供-40 mA的直流偏置电压，随后用电信号去驱动EML，将电信号调制到光上。这个电信号是由预编码后的信号经过高速数模转换器（DAC）和一个电放大器（EA,型号为SHF 107CP），并乘以-1.8V的直流电压所得。因为对于EAM，驱动电压越大，其输出的光强越弱，因此，电信号在送入EAM之前，需要与一个负电压相乘实现倒相。为了让电驱动信号满足合适的幅值，将这个负电压设置为-1.8V。

EML输出光信号经过一个IL进行滤波。IL的一个端口将输出中心光载波，而另一个端口将输出两个一阶边带项。将含两个一阶边带项的光信号送入PD进行光电检测，即可得到高质量的高频率矢量射频信号。

为了让光电检测后的信号就是原始的QPSK或QAM信号，因此在EAM驱动电信号生成之前，需要对原始的QPSK或QAM信号进行预编码。预编码具体方案为：

其中和分别是原始星座映射的星座点的相位和幅度，和分别是预编码后的星座点的相位和幅度，为第一类一阶贝塞尔函数的反函数，为使光相位反转所需施加的直流偏置电压，为加入的直流偏置。

下面，以4 GBaud QPSK和2 GBaud 16QAM信号为例，说明这种射频信号的生成方案及其可行性。

射频信号生成及传输方案系统框图如5图所示。

首先用MATLAB平台实现QPSK或16QAM信号的预编码，生成驱动EML的10 GHz的电射频信号，即将基带脉冲成型后上变频到10 GHz的载频上。4 GBaud QPSK预编码信号和2GBaud 16QAM预编码信号上变频后的信号频谱分别如图6和图7所示。以64 GSa/s的速率发出预编码后的信号经过电放大器（型号为SHF 107CP）放大后，与一个-1.8 V的直流信号相乘作为EML的驱动信号。同时，为EML提供40 mA的直流偏置。

EML输出的光信号功率为-11 dBm，对应的光谱图如图8所示，随后被送入IL中。IL的两个输出端口的输出光信号频谱分别如图9和图10所示。IL的一个端口将输出中心光载波，如9图所示，另一个端口将输出两个一阶边带项，如10图所示。在10图中，两个一阶边带光信号的频率间隔为20 GHz。

将含一阶边带光信号送入一段20千米的标准单模光纤（型号为SMF-28）传输，并通过一个可调衰减器VOA衰减。随后，将光信号送入一个前置掺铒光放大器（EDFA）进行放大，送入PD（型号为11982A）检测。此时，可以得到中心载波为20 GHz的高质量的QPSK或16QAM矢量射频信号。

最后把矢量射频电信号用80 GSa/s的实时示波器采样，经数字信号处理算法处理后，可恢复发送端传输的信息。

该方案生成的QPSK和16QAM信号的电谱分别如11图和12图所示，采用该方案传输的QPSK和16QAM信号的星座图分别如13图和14图所示，系统的背靠背传输（B2B）和20千米SMF-28传输性能曲线如15图所示。

可以看到，经该方案生成的矢量射频信号，在20千米的SMF-28光纤传输前后，质量变化不大，而该方案生成的矢量射频信号，无论是QPSK信号还是16QAM信号的误比特率（BER），都可低于前向纠错码硬判决门限，即。

结果表明，本发明提出的高频的矢量射频信号发生方案及预编码方案是可行的。

相对于现有的基于电子器件生成的矢量射频信号的方案来说，本发明生成的信号质量更稳定；相对于基于不同源光子辅助技术生成的矢量射频信号来说，本发明生成的信号的频率噪声和相位噪声更小；相对于基于同源的激光和强度调制器的矢量信号生成方案来说，本发明方案的成本更低，更有利于集成。

Claims (5)

1.一种基于电吸收调制激光器的高频矢量射频信号发生系统，其特征在于，主要由一个电吸收调制激光器、一个光交叉波分复用器和一个光电检测器组成；其中，电吸收调制激光器商用集成器件，其中包含分布式反馈激光器和电吸收调制器；系统的工作流程如下：预编码的信号作为电吸收调制激光器的驱动信号，调制到光信号上；已调制的光信号送入光交叉波分复用器进行滤波；光交叉波分复用器的一端，即A端，输出为中心光主载波，另一端，即B端，输出为载波抑制的两个一阶边带信号；光交叉波分复用器的B端输出的信号进入光电检测器，光电检测器以平方律的形式把信号转换电的矢量射频信号。

2.根据权利要求1所述的高频矢量射频信号发生系统，其特征在于，作为电吸收调制激光器的驱动信号的预编码的信号，源于正交相移键控QPSK信号或正交幅度调制QAM信号；正交相移键控QPSK信号或正交幅度调制QAM信号进行预编码后，用DAC发射；随后，电信号经过一个电放大器进行幅度放大，并与一个负电压相乘实现倒相；经上述过程的电信号作为EML的驱动信号，同时，为EML提供直流偏置；此后，预编码后的电信号被调制到光信号上。

3.根据权利要求2所述的高频矢量射频信号发生系统，其特征在于，对于不同调制格式的射频信号，需要采用不同的预编码策略，具体表现为：正交相移键控QPSK信号，其相位信息需要进行预编码，高阶正交幅度调制QAM信号，其幅度信息和相位信息需要进行预编码。

4.根据权利要求3所述的高频矢量射频信号发生系统，其特征在于，对于正交相移键控QPSK信号或正交幅度调制QAM信号进行预编码的规则如下：

；

其中，和分别是原始星座映射的星座点的相位和幅度，和分别是预编码后的星座点的相位和幅度，为第一类一阶贝塞尔函数的反函数，为使光相位反转所需施加的直流偏置电压，为加入的直流偏置。

5.一种用于如权利要求1所述的高频矢量射频信号发生系统的预编码方法，其特征在于，对于正交相移键控QPSK信号或正交幅度调制QAM信号进行预编码，其规则如下：

；

其中，和分别是原始星座映射的星座点的相位和幅度，和分别是预编码后的星座点的相位和幅度，为第一类一阶贝塞尔函数的反函数，为使光相位反转所需施加的直流偏置电压，为加入的直流偏置。