CN110798268A - 高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法 - Google Patents

高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法，该发明涉及光通信及微波技术领域。所述方法如附图所示，包括激光器、I路和Q路两路射频信号、偏振复用马赫曾德尔调制器、单模光纤、偏振分束器、偏振控制器、光耦合器、起偏器以及光电探测器。本方法利用两路射频信号在偏振复用马赫曾德尔调制器上子调制器中对光载波进行调制，而下子调制器不加射频信号，光载波不被调制，通过偏振控制器调整光载波相位，恢复出射频信号并优化功率衰落。本发明可同时传输两路信号，提高了光谱利用率。接收端通过调整光载波的相位，使得周期性功率衰落得到优化。

Description

高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及微波光子链路。
背景技术
与传统的铜同轴模拟链路相比，微波光子链路（MPL）具有低传播损耗、大带宽和电磁干扰等优点，为宽带无线接入网络、天线拉远和有线电视提供了良好的解决方案。此外，随着高数据速率传输的需求越来越大，链路需要同时传输多个矢量信号。
在传统的MPL中，多个矢量信号被调制在不同波长的光载体上，调制的光信号被波分复用器（WDM）多路复用，以单模光纤（SMF）传输。然而，这些解决方案体积庞大，成本高昂，需要使用可调节光源等高成本器件。此外，在使用相干检测的MPL中，昂贵的相干接收器和激光源是不可避免的。同时，为了消除在相干链路中的相位噪声，接收机后面需要一个昂贵的高速数字信号处理（DSP）单元。
另外，为对抗由光纤色散引起的能量衰减，实际应用中的微波光子链路需要色散补偿装置以补偿有色散引起的能量衰减。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法。该方案使用集成的PDM-MZM，可同时加载两路射频信号，通过调节偏振控制器优化功率衰落，具有结构简单、易于实现、频谱利用率高、优化周期性衰落等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述包括激光器(LD)、I路和Q路两路射频信号、偏振复用马赫曾德尔调制器(PDM-MZM)、单模光纤(SMF)、偏振控制器(PC)、光耦合器(OC)、起偏器 (Pol)以及光电探测器(PD)；其特征在于，由激光器发出的光波进入PDM-MZM，光载波在上子MZM调制器中被两路射频信号I和Q调制，在下路子MZM调制器中不被调制，调制器输出的光信号经过偏振复用后进入SMF进行传输，SMF输出光信号先进入OC分成两路，然后每路信号都先进入PC，接着进入Pol。在其中一路中，通过调整该路PC1调整光载波相位，使得光载波与I路射频信号的调制边带满足强度调制关系，与Q路射频信号的调制边带满足相位调制关系，因此进入PD进行光电检测后只有I路射频信号可以被恢复，Q路射频信号被抑制。类似的，在另一路中，通过调整PC2调整光载波相位，使得光载波与Q路射频信号的边带满足强度调制关系，与I路射频信号的边带满足相位调制关系，因此进入PD进行光电检测后只有可以Q路射频信号被恢复，I路射频信号被抑制。PD输出的电信号进入矢量信号分析仪进行数字信号处理与解调并显示出原始射频电信号的频谱与解调出的信号的EVM等信息。在经过一段光纤传输后，可通过调节PC1、PC2重新调节光载波相位，优化功率衰落，重新解调出原始射频电信号并得到EVM等信息。
所述PDM-MZM是由一个Y型分路器、上下两个并行的X-MZM和Y-MZM以及偏振复用器 (PBC)集成，X-MZM的两个RF端口为port1和port2，直流偏置端口为
Figure 100002_RE-DEST_PATH_IMAGE002
，Y-MZM的两个RF端 口为port3和port4，直流偏置端口为。
所述PDM-MZM调制器上路子调制器（X-MZM）完成相位调制，I、Q两路射频信号接入 端口port1和port2，设置
Figure RE-949246DEST_PATH_IMAGE002
的大小使X-MZM偏置在正交点。
所述PDM-MZM调制器的下路子调制器(Y-MZM)不调制光载波，设置
Figure RE-600807DEST_PATH_IMAGE004
的大小使Y- MZM偏置在最大点。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1) LD发出的光波输入到PDM-MZM中；
(2) 两路射频电信号I和Q分别接入上路子调制器（X-MZM）的port1和port2端口，并将该子调制器偏置在正交点，下路子调制器(Y-MZM)射频口不加射频信号，下路子调制器(Y-MZM)偏置在最大点。
(3) PDM-MZM输出的信号经过单模光纤传输后接入耦合器分成两路，耦合输出的两路信号都先进入PC，接着进入Pol，调整PC1、PC2调节光载波相位，光载波与一路射频信号的调制边带满足强度调制关系，与另一路射频信号的调制边带满足相位调制关系，只有强度调制信号被恢复出来，相位调制信号被抑制，最后进入光电转换器恢复出射频信号；
(4) 在经过一段光纤传输后，通过调节PC1、PC2重新调节光载波相位，优化功率衰落，重新解调出原始射频电信号并得到EVM等信息
本发明提出了具有高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法，该方案使用单个光载波同时携带两路射频电信号，提高了光谱利用率；
该方案可以优化色散导致的功率衰减，因此在实际应用中不需要色散补偿装置，从而降低系统成本；
该方法通过与波长分复用技术结合后，也可应用于MIMO系统。
附图说明
图1为本发明具有高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法原理图。
图2为经过PDM-MZM后生成的两路偏振正交信号的光谱图。
图3为不同传输条件下射频电信号解调后的频谱和星座图。
(a)为BTB传输后的6GHz16-QAM信号的频谱图；
(b)为BTB传输后的6GHz16-QAM信号的星座图；
(c)为BTB传输后6GHz QPSK信号的频谱图；
(d)为BTB传输后6GHz QPSK信号的星座图；
(e)为在经过25km的传输后，6GHz16-QAM信号的频谱图；
(f)为在经过25km的传输后，6GHz16-QAM信号的星座图；
(g)为在经过25km的传输后，6GHz QPSK信号的频谱图；
(h)为在经过25km的传输后，6GHz QPSK信号的星座图；
图4为射频电信号在不同传输条件下EVM随接受光功率变化的曲线。
(a)16-QAM和QPSK信号在BTB传输和25km传输后的EVM随不同接收光功率变化的曲线；
(b)16-QAM和QPSK信号在BTB传输和25km传输后的BER随不同接收光功率变化的曲线。
图5为2GHz射频电信号解调后的频谱和星座图。
(a)为在经过25km的传输后，2GHz16-QAM信号的频谱图；
(b)为在经过25km的传输后，2GHz16-QAM信号的星座图；
(c)为在经过25km的传输后，2GHz QPSK信号的频谱图；
(d)为在经过25km的传输后，2GHz QPSK信号的星座图。
图6为功率优化之前和之后的25km光纤传输的频率响应曲线。
图7为12.8GHz QPSK信号和12.9GHz单音信号解调后的频谱和星座图。
(a)为Q路12.8GHz QPSK信号和I路12.9GHz单音信号在功率优化之前的频谱图；
(b)为Q路12.8GHz QPSK信号在功率优化之前的星座图；
(c)为Q路12.8GHz QPSK信号和I路12.9GHz单音信号在功率优化之前的频谱图；
(d)为Q路12.8GHz QPSK信号在功率优化之后的星座图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示本实施例中包括：一个LD、I路和Q路两路射频信号、一个PDM-MZM、直流源、一个OC、SMF、两个PC、两个Pol、两个PD。由激光器发出的光波进入PDM-MZM，光载波在上子MZM调制器中被两路射频信号I和Q调制，在下路子MZM调制器中不被调制，PDM-MZM输出的光信号进入25千米SMF进行传输，SMF输出光信号先进入OC分成两路，然后每路信号都先进入PC，接着进入Pol，通过PC1、PC2调节光载波相位，两路光信号分别进入PD进行光电检测，PD输出的电信号进入矢量信号分析仪进行数字信号处理与解调并显示出原始射频电信号的频谱与解调出的信号的EVM等信息。在经过一段光纤传输后，通过再次调节PC1、PC2调节光载波相位，优化功率衰落，重新解调出原始射频电信号并得到EVM等信息。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：按照原理图连接各器件，激光器输出光功率约15dBm（1552nm），此时激光器输出的光信号可表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE006
步骤二：射频信号I(t)是一个16-QAM信号，其载频为6GHz，符号速率为50Mbaud/s，射频信号Q(t)是QPSK信号，其载频为6GHz，符号速率为100Mbaud/s .两个射频信号分别接入PDM-MZM调制器上路子调制器（X-MZM）的两个射频口，该子调制器偏置在正交点。下路子调制器（Y-MZM）不接射频信号，偏置在最大点，两个射频信号可以表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE010
，，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE014
是射频信号
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE016
的幅度，角频率和相位，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE020
，是射 频信号
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE024
的幅度，角频率和相位。
则调制器输出可以表示为下式：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE030
表示在X偏振态和Y偏振态上的光信号，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE032
是PDM-MZM的插入损耗，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE036
是和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE037
的调制指 数，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE039
是PDM-MZM的子调制器的半波电压，是第一类n阶贝塞尔函数。
步骤三：PDM-MZM的输出经过OC，分成两路，然后两路光信号都先进入PC，接着进入Pol，PC和Pol的传输矩阵可以由下式给出：
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE045
为PBC的主轴和Pol的相位差，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE047
是由PC引起的不同偏振状态光信号之间的相移。
在Pol之后的光信号可以被表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE049
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE053
分别是光载波幅度和相位。
步骤四：通过调节PC1，我们使
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE055
，Pol1的输出可以表示为：
此时，经过PD1拍频后的信号为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE059
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE061
是PD的响应度，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE063
是直流（DC）项，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE065
是中频项，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE067
是高频项。
只有I(t)可以被恢复，并且Q(t)被抑制。
步骤五：通过调节PC2，我们使
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE069
，Pol2的输出可以表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE071
此时，经过PD2拍频后的信号为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE073
只有Q(t)可以被恢复，并且I(t)被抑制。
步骤六：SMF的传递函数为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE075
其中L为光纤长度，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE077
是衰减系数，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE079
光纤色散系数。
在SMF的传输之后，Pol1之后的光信号可以表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE081
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE083
和
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE085
是由色散引入的相移。
经过PD1拍频之后，输出可表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE087
步骤七：调节PC1使得
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE089
经过Pol1之后的光信号可以表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE091
经过PD1拍频之后，输出可表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE093
当I(t)和Q(t)载波频率相差不大时，
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE096
可以表示为：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE098
因此功率衰减得到优化。
类似的，另一路的功率衰减可以通过调整PC2使得
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE100
来优化。
本实例实现了具有高效谱效率且可优化功率衰落的微波光子链路，经过调制与偏振复用的光信号分别经过BTB和25km光纤传输，在接收端恢复出I路和Q路射频信号，对得到的EVM进行比较，验证了所述发明对射频信号的恢复性并验证该链路对低频信号传输的可行性。根据单音信号在进行功率优化前后的频率响应，通过调节PC进行功率补偿并通过传输射频信号与EVM计算优化前后性能。本实例使用集成的PDM-MZM，可同时加载两路射频信号，通过调节偏振控制器优化功率衰落，具有结构简单、易于实现、频谱利用率高、优化了色散引起的功率周期性衰落等优点。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换，改变光波长、光功率大小、微波射频信号的功率大小载频大小、信号带宽、调制格式等参数的改变调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (3)

1.高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法，包括激光器LD、I路和Q路两路射频信号、偏振复用马赫曾德尔调制器PDM-MZM、单模光纤SMF、偏振控制器PC、光耦合器OC、起偏器 Pol以及光电探测器PD，其特征在于，由激光器发出的光波进入PDM-MZM，光载波在上子调制器X-MZM中被两路射频信号I和Q调制，在下路子调制器Y-MZM中不加射频信号，PDM-MZM输出的光信号进入SMF进行传输，SMF输出光信号先进入OC分成两路，然后每路信号都先进入PC，接着进入Pol，在其中一路中，通过调整PC1调整光载波相位，使得光载波与I路射频信号的调制边带满足强度调制关系，与Q路射频信号的调制边带满足相位调制关系，因此进入PD进行光电检测后只有I路射频信号可以被恢复，Q路射频信号被抑制，类似的，在另一路中，通过调整PC2调整光载波相位，使得光载波与Q射频信号的调制边带满足强度调制关系，与I路射频信号的调制边带满足相位调制关系，因此进入PD进行光电检测后只有Q路射频信号可以被恢复，I路射频信号被抑制，在经过一段光纤传输后，通过再次调节PC1、PC2调节光载波相位，优化功率衰落，重新解调出原始射频信号，所述PDM-MZM是由一个Y型分路器、上下两个并行的X-MZM和Y-MZM以及偏振复用器PBC集成，X-MZM的两个RF端口为port1和port2，直流偏置端口为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE002
，Y-MZM的两个RF端口为port3和port4，直流偏置端口为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
，所述PDM-MZM调制器上路子调制器X-MZM中光载波被两路射频信号I和Q调制，I路射频信号和Q路射频信号分别接入端口port1和port2，设置
Figure RE-25402DEST_PATH_IMAGE002
的大小使X-MZM偏置在正交点，所述PDM-MZM的下路子调制器Y-MZM不加射频信号，设置
Figure RE-863914DEST_PATH_IMAGE004
的大小使Y-MZM偏置在最大点。
2.根据权利要求1所述的高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法，其特征在于，其发射端可以同时传输两路射频信号，提高了光谱利用率。
3.根据权利要求1所述的高效谱效率且可优化功率衰落的微波信号光纤传输方法，其特征在于，其接收端通过调整光载波的相位，使得周期性功率衰落得到优化。
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