CN106533568A - 高速铁路通信中基于偏压操控的高线性和抗色散的光载无线通信技术 - Google Patents

高速铁路通信中基于偏压操控的高线性和抗色散的光载无线通信技术 Download PDF

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Abstract

提出了一种高线性和抗色散的光载无线通信技术，该技术包括以下步骤：入射光载波在双平行强度调制器的母调制器上被均分成两路，在其上下臂传输。在上臂传输的光载波经过子强度调制器1时被射频信号调制。子强度调制器1两电极加载的射频信号幅度相同，相位角分别为102.27度和180度，并加载一定偏压，使子强度调制器1上臂传输的光信号相对下臂偏移102.27度。另外，在母强度调制器下臂传输的光载波经过子强度调制器2时，无需加载任何信号和偏压，但母调制器下臂需加载偏压，使下臂传输的光载波相对入射光载波产生245.26度的相移。最后，母调制器输出的光信号经过光纤传输并被探测。从而，该系统是高线性和抗色散的。

Description

高速铁路通信中基于偏压操控的高线性和抗色散的光载无线 通信技术
技术领域
本发明涉及一种基于偏压操控实现单边带调制和非线性抑制的光载无线通信技术，该技术能被应用在高速铁路通信中。
背景技术
高性能、宽带宽、高速率接入的高速铁路通信，无论对于列车定位、列车测速、确认列车稳定度以及提供旅客实时语音、视频甚至大型网络游戏接入的星级服务，都是至关重要。但是，传统的450M无线列调系统以及GSM-R铁路数字移动通信系统，都存在可用带宽小、纠错能力弱、传输速率低、易受多普勒频移等缺点，因此无法满足当下以及未来高性能、宽带宽、高速率接入的高速铁路通信的需求。所以，融合了PicoCell、MicroCell以及SmallCell技术的分布式光载无线通信技术应运而生，它成为高速率、宽带宽、低功耗、全智能、广覆盖的高速铁路接入网的重要解决方案。
具有分布式天线的光载无线通信系统，是光纤通信系统和无线通信系统的高效融合。在技术上，它把传统的宏基站分拆成基带处理单元和射频拉远单元，通过光纤进行信号的馈送。集中式的基带处理单元，能有效实现基站小型化，并且降低基站功耗以及开发和维护成本，而分布式的射频拉远单元能满足铁路灵活布线的需求，实现无缝接入。与传统的铁路通信系统相比，该系统能高效利用光纤传输的低损耗以及宽带宽等优点，也很好地继承了传统无线通信系统中的控制灵活性以及无线覆盖等优点。但是，与其同时，由于该通信系统利用光纤进行宽带信号传输，所以在光纤传输过程中由色散引起的功率耗散问题以及由于调制而引起的调制非线性失真，成为制约其系统性能的关键问题。
如何在分布式光载无线通信系统中实现抗色散以及抑制调制非线性，成为重要的学术课题。近几年，用相干探测技术、偏振操控技术、DSP后处理技术以及光子信号处理技术来解决色散以及调制非线性问题已被报道。然而，相干探测技术需要额外的本振源，而且需要精准的时钟同步。偏振操控技术需要极其高的操控精度。DSP后处理技术需要下变频辅助而且其瞬时带宽很窄。光子信号处理技术则需要光处理器的辅助，并且其在目前难以直接面向应用与集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于偏压操控同时实现抗色散和抑制调制非线性失真的光载无线通信技术，该技术能被应用在高速铁路通信中。
根据本发明，提供一种基于偏压操控同时实现抗色散以及抑制调制非线性失真的光载无线通信技术。在集中式基站里，光载波被注入到双平行强度调制器的母调制器上，而母调制器的上下臂各嵌入一个双电极的子强度调制器。被注入母强度调制器的光载波功率被均分成两路，并在其上下臂传输。在上臂传输的光载波经过子强度调制器1时被射频信号调制。该子强度调制器两电极加载的射频信号幅度相同，相位角分别为102.27度和180度，并且在子强度调制器的上臂加载一定的偏压，使上臂传输的光载波相对下臂偏移102.27度。此时，从子强度调制器1输出的光信号为单边带调制信号，能在光纤传输过程中起到抗色散的作用。另外，在母强度调制器下臂传输的光载波经过子强度调制器2时，无任何射频信号和偏压加载到子调制器2上，但是在母调制器下臂会加载一定的偏压，使下臂传输的光载波相对入射的光载波产生相位角为245.26度的偏移。最后，上下两臂传输的光信号在母调制器里汇合，其输出信号经过光纤传输后被光电探测器探测与解调，其探测信号的三阶交调失真能被很好地抑制。从而该通信系统的色散以及调制非线性问题能被有效解决。
附图说明
通过下面结合附图的对实施例子的描述，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示出光信号各边带在本方案中的频谱幅度以及相位变化图。
图3示出系统色散改善图。
图4示出系统无杂散动态范围改善图。
图5示出系统64-QAM真实信号改善图。
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中描述了基于偏压操控同时实现抗色散和抑制调制非线性失真的光载无线通信系统结构图，其中S101为集中式基站，S102为波长可调谐激光器，光载波从S102中输出后经过S103双平衡调制器。S103双平衡调制器由S104子双电极强度调制器1和S105子双电极强度调制器2嵌入在S106母强度调制器中组成。被注入S106母强度调制器的光载波功率被均分成两路，并在其上下臂传输。在上臂传输的光载波经过S104子双电极强度调制器1时被射频信号调制。该子强度调制器两电极加载的射频信号幅度相同，相位角分别为α和180度，并且在S104子强度调制器1的上下臂分别加载S110偏压V1和S111偏压V2，使上臂传输的光载波相对下臂偏移102.27度。其中，α为102.27度，V1为αVbπ/π，V2为0，Vbπ为偏压的半波电压。此时，从S104子双电极强度调制器1输出的光信号的表达式为：
其中，Pin为激光器输出功率，ωc为光载波角频率，m为射频信号调制指数，ω1和ω2双音射频信号角频率。对上式引入贝瑟尔展开，该表达式可表示为：
由上面的表达式可知，当n＝-1,l＝0或l＝-1,n＝0时，-1阶光边带完全被抑制，所以该光信号为单边带调制信号，能在光纤传输过程中起到抗色散的作用。
另外，在母强度调制器下臂传输的光载波经过S105子双电极强度调制器2时，无任何射频信号和偏压加载到S105子双电极强度调制器2上，并且S105子双电极强度调制器2上的S112偏压为0，S113偏压为0。此后，在S106母强度调制器上臂加载的S114偏压为0，下臂加载的S115偏压为βVbπ/π，使下臂传输的光载波相对入射的光载波产生相位角为245.26度的偏移，其中β为245.26度。最后，上下两臂传输的光信号在S106母强度调制器里汇合，其输出信号经过S116光分路器、S117光开关后被配置到合适的S120光纤中传输，并被S121铁路远端接入点里的S122光电探测器探测与解调，其中，其探测信号的三阶交调失真的表达式为：
iIMD3(t)＝fI(m)[sin(2ω1-ω2)t+sin(2ω2-ω1)t]+fQ(m)[cos(2ω1-ω2)t+cos(2ω2-ω1)t]
其中，对三阶交调失真系数fI(m)和fQ(m)进行泰勒展开，它们的表达式如下：
所以，当α为102.27度，β为245.26度时，三阶交调失真的三阶项能被完全抵消，所以能实现无失真传输。因此，我们所提倡的光载无线通信系统为抗色散以及抑制非线性失真的高性能系统，能应用于高性能的高速铁路通信中。
图2示出光信号各边带在本方案中的频谱幅度以及相位变化图。图2(a)给出S104子双电极强度调制器1输出的光信号的幅度与相位频谱图，此时，该光信号是单边带调制的，能有效地解决系统由于色散而引起的功率衰减问题；图2(b)给出S106母强度调制器下臂传输的光载波的幅度与相位频谱图，此时，相对于入射到S106母强度调制器的光载波，其相位引入了角度为β的相位角；图2(c)给出了传统光载无线通信系统探测到的电信号，其中含有三阶交调失真，它们会大大地影响系统性能；图2(d)给出我们所提倡的光载无线通信系统探测到的电信号，此时，当α为102.27度，β为245.26度，三阶交调失真能被很好地抑制，从而能进行无失真传输。
图3示出系统色散改善图。对比双边带无补偿通信系统的频率响应(图中用虚线表示)，我们所提倡的通信系统(图中用实线表示)在频率响应上趋向平坦，基本不受色散的影响；与单边带无补偿通信系统的频率响应(图中用带菱形的直线表示)，我们所提倡的通信系统具有很高的信号增益。
图4示出系统无杂散动态范围改善图。由于单边带调制以及抑制非线性失真的缘故。我们所提倡的通信系统比传统的双边带通信系统的无杂散动态范围提高了22.20dB。
图5示出系统星座图的改善图。在同样的实验条件下，我们对所提倡的系统以及传统的无补偿的双边带通信系统分别加载带宽为400MHz的16QAM信号，其中心载波为16GHz。图5(a)示出的是传统无补偿的光载无线通信系统探测的16QAM星座图，图5(b)示出的是我们所提倡的光载无线通信系统探测的16QAM星座图。对比两个系统的星座图，可以看出，由于色散以及非线性失真问题在我们所提倡的系统得到解决，所以我们系统的星座图更近紧密、清晰，并且错误矢量强度得到10.89％的改进。

Claims (4)

1.一种能应用于高速铁路通信的基于偏压操控的高线性和抗色散的光载无线通信技术，该技术包括以下步骤：
在集中式基站里，光载波被注入到双平行强度调制器的母调制器上，而母调制器的上下臂各嵌入一个双电极的子强度调制器。被注入母强度调制器的光载波功率被均分成两路，并在其上下臂传输。在上臂传输的光载波经过子强度调制器1时被射频信号调制。该子强度调制器两电极加载的射频信号幅度相同，相位角分别为102.27度和180度，并且在子强度调制器1的上臂加载一定的偏压，使上臂传输的光载波相对下臂偏移102.27度。另外，在母强度调制器下臂传输的光载波经过子强度调制器2时，无任何射频信号和偏压加载到子强度调制器2上，但是在母调制器下臂会加载一定的偏压，使下臂传输的光载波相对入射的光载波产生相位角为245.26度的偏移。最后，上下两臂传输的光信号在母调制器里汇合，其输出信号经过1：N光功分器和光开关后被分配到合适的光纤链路上，经过光纤传输被火车远端接入点里的光电探测器探测与解调。
2.如权利要求1所述的方法，子强度调制器1输出的光信号为单边带调制。
3.如权利要求1所述的方法，从母强度调制器输出的光信号在光电转换后，能有效抑制探测信号里的三阶交调，从而提高整个通信系统的线性度。
4.如权利要求1所述的方法，该通信系统是单边带调制而且线性的，所以能克服高速铁路光载无线通信中的色散和非线性失真等问题。
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