CN112769496B - 优化ssb调制光载无线通信链路的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种优化SSB调制光载无线通信链路的装置及方法，该装置包括：光纤连接的激光器LD、MZM调制器、单模光纤和光电探测器，电性连接的RF射频信号发生器、移相器和电增益器。方法：MZM调制器偏置在线性点，其上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，由移相器实现，即可实现SSB单边带调制；通过优化设置MZM调制器上下两臂非对称的调制指数m₁≠m₂可以抑制不需要的‑1阶边带，提高SSB光载毫米波的光边带抑制比和链路终端输出目标信号的射频边带抑制比，降低输出目标信号的功率抖动，使其满足大多数毫米波应用的需求。本发明可以优化单边带调制光载无线通信链路，产生高质量的SSB调制光载毫米波。

Description

优化SSB调制光载无线通信链路的装置及方法

技术领域

本发明涉及光电信号处理方法，特别是涉及一种优化SSB调制光载无线通信链路的装置及方法。

背景技术

随着信息社会的快速发展，用户对无线通信接入的带宽和速率提出了更高的要求。毫米波通信因其高带宽和高速率成为宽带无线通信的有力竞争者。光载无线通信RoF技术结合了光纤通信的带宽大和无线通信接入灵活等优点，能提高毫米波通信的传输距离。近些年来，宽带无线接入网络的迅速发展要求RoF链路具有更高的微波频率和更长的传输距离。然而，在射频长距离RoF链路中，传统的DSB双边带调制会引起较为严重的色散问题，链路终端光电探测器输出的电信号功率将随传输距离和射频频率呈现周期性振荡衰落，这大大降低了系统性能。

SSB单边带调制RoF链路的输出功率不受周期性传输振荡衰落效应的影响，克服了DSB调制引起的色散问题。SSB-RoF链路还具有信道带宽只占普通强度调制信号带宽一半以及容易应用于波分复用WDM-RoF系统等优点。已经报道的实现SSB单边带调制RoF链路的方法有双臂驱动马赫曾德尔MZM调制器法[光学学报, 2010, 30(7):1960-1964；物理学报,2019, 68(13):13420]、双平行MZM调制器法[西安电子科技大学学报, 2012, 39(2):1-7；Optics & Laser Technology, 2011, 43:1061-1064]、集成MZM调制器法[光学学报,2011, 31(6):0606003-1-6]。

然而，上述实现SSB单边带调制RoF链路的方法存在一些不足。采用双臂驱动MZM调制器法虽然结构简单，但由于商用MZM调制器的消光比有限会产生不需要的光边带而引起光边带抑制比OSSR下降，从而不能产生高质量的毫米波信号。采用双平行或集成MZM调制器法虽然可以获得较高的光边带抑制比OSSR而产生高质量的毫米波，但这两种方法结构复杂、插入损耗大、成本较高。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种优化SSB调制光载无线通信链路的装置及方法，该方法结构简单系统稳定容易实现，提高产生的光载毫米波的光边带抑制比和链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比，也会降低光纤色散引起的链路输出射频目标信号的功率抖动。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种优化SSB调制光载无线通信链路的装置，包括：激光器LD、RF射频信号发生器、MZM调制器、移相器、电增益器、单模光纤和光电探测器，激光器LD、MZM调制器、单模光纤和光电探测器用光纤连接，RF射频信号发生器、移相器和电增益器电性连接。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种优化SSB调制光载无线通信链路的方法，包括以下步骤：

（1）激光器LD发出的光波经过MZM调制器被射频信号调制，MZM调制器上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，由移相器实现MZM调制器两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2；

（2）理想MZM调制器的消光比无穷大，当其上下两臂的调制指数相等，m₁=m₂=m，且驱动信号间相位差为π/2时，小信号调制条件下调制器输出为载波和+1阶边带；实际的商用MZM调制器的消光比有限，上述条件下调制器输出为载波、+1阶边带和-1阶边带，即产生了不需要的-1阶边带，则SSB调制光载毫米波性能下降；通过优化设置MZM调制器上下两臂非对称的调制指数m₁≠m₂，抑制不需要的-1阶边带，提高SSB光载毫米波的光边带抑制比OSSR和链路终端探测器输出目标信号的射频边带抑制比RSSR，降低输出目标信号的功率抖动。

在本发明一个较佳实施例中，给定实际的商用调制器的消光比，通过计算可得最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中MZM调制器偏置在线性点，调制器偏置电压为V_π/2。

在本发明一个较佳实施例中，通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂提高光载毫米波的光边带抑制比OSSR，采用光谱分析仪测量产生的光载毫米波的光边带抑制比OSSR。

在本发明一个较佳实施例中，通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂提高链路输出射频信号的射频边带抑制比RSSR，采用射频分析仪测量链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比RSSR。

在本发明一个较佳实施例中，通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂降低链路输出射频信号的功率抖动，采用功率计测量射频目标信号的功率抖动。

激光器LD的输出光波经过MZM调制器被频率为的射频信号调制，调制 器偏置电压为V_π/2，其上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，两臂驱动电压可以分别 表示为 和，则MZM调制器输出为：

式中，是调制器上下两臂的调制指数，是其上下两臂射频信 号的振幅，是调制器的半波电压。调制器双臂分路比γ可用调制器消光比ε表示为。J_n(m)是第一类n阶贝塞尔函数，小信号调制条件下可忽略2阶及以上 贝塞尔展开。

理想MZM调制器消光比无限大（ε=∞, γ=1），上下两臂调制指数相等，m₁=m₂=m时会消除-1阶边带（J_-1(m₁)- γJ_-1(m₂)=0），调制器输出为载波和+1阶边带，从而实现了单边带调制。商用MZM调制器消光比有限（ε<∞, γ≠1），需要优化设置上下两臂的调制指数m₁≠m₂来满足等式J_-1(m₁)- γJ_-1(m₂)=0，进而消除-1阶边带实现单边带调制。

假定MZM调制器上下两臂调制指数分别为m₁=m(1-a)和m₂=m(1+a)，要消除-1阶边带调制指数需要满足如下条件：

小信号调制条件下可设定m = 0.2，当给定商用MZM调制器消光比ε时，即可由上式通过数值计算确定最优的a，进而确定上下两臂调制系数m₁和m₂。例如ε= 20 dB时，可得a =0.1，则有m₁ = m(1-a) = 0.18和m₂ = m(1+a) = 0.22；ε= 15 dB时，则a = 0.18，m₁= 0.164，m₂ = 0.236。

因商用MZM调制器消光比有限，SSB单边带调制光载无线通信链路产生了不需要的-1阶边带。载波和+1阶边带在链路终端的光电探测器拍频产生1阶射频信号（目标信号）。通过优化设置MZM调制器上下两臂非对称的调制指数m₁≠m₂，可以抑制甚至消除不需要的边带，提高了光载毫米波的光边带抑制比OSSR和链路输出目标信号的射频边带抑制比RSSR，也会降低输出射频目标信号的功率抖动。

本发明的有益效果是：

（1）本发明能对采用商用MZM调制器的SSB单边带调制光载无线通信链路进行优化，提高产生的光载毫米波的光边带抑制比和链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比，也会降低光纤色散引起的链路输出射频目标信号的功率抖动。

（2）本发明采用普通的MZM调制器，无需双平行或集成MZM调制器，也无需光滤波器就能产生高质量的SSB单边带调制光载毫米波，该方法结构简单系统稳定容易实现，还能应用于WDM-RoF波分复用光载无线通信系统和上变频系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明的原理结构图，其中实线表示光路（光纤）连接，虚线表示电路连接。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例包括：

一种优化SSB调制光载无线通信链路的装置，包括：激光器LD、RF射频信号发生器、MZM调制器、移相器、电增益器、单模光纤和光电探测器，激光器LD、MZM调制器、单模光纤和光电探测器用光纤连接，RF射频信号发生器、移相器和电增益器电性连接。可以采用光谱分析仪测量产生的光载毫米波的光边带抑制比，采用射频分析仪测量链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比，采用功率计测量射频目标信号的功率抖动。

优化SSB调制光载无线通信链路的具体方法和步骤如下：

（1）激光器LD发出的光波经过MZM调制器被射频信号调制，MZM调制器偏置在线性点，V_bias = V_π/2，V_π为调制器半波电压，其上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，由移相器实现MZM调制器两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2；

（2）理想MZM调制器的消光比无穷大（ε = ∞），当其上下两臂的调制指数相等，m₁=m₂=m，且驱动信号间相位差为π/2时，小信号调制条件下调制器输出为载波和+1阶边带（上边带）；商用MZM调制器的消光比有限（ε < ∞），上述条件下调制器输出为载波、+1阶边带和-1阶边带，即产生了不需要的-1阶边带，则SSB调制光载毫米波性能下降；载波和+1阶边带在链路终端的光电探测器拍频产生1阶射频信号（目标信号），因调制器有限消光比产生的-1阶边带会加大1阶射频目标信号的功率抖动并降低其射频边带抑制比。

其中，给定实际的商用调制器的消光比，通过计算可得最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂；MZM调制器偏置在线性点，调制器偏置电压为V_π/2；通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂提高光载毫米波的光边带抑制比OSSR，采用光谱分析仪测量产生的光载毫米波的光边带抑制比OSSR；通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂提高链路输出射频信号的射频边带抑制比RSSR，采用射频分析仪测量链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比RSSR；通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂降低链路输出射频信号的功率抖动，采用功率计测量射频目标信号的功率抖动。

例如ε= 15 dB时，光载毫米波的光边带抑制比OSSR仅为14.8 dB，1阶射频目标信号的功率抖动和射频边带抑制比RSSR分别为3.1 dB和19 dB。通过设置MZM调制器上下两臂非对称的调制指数m₁≠m₂，可以抑制不需要的-1阶边带，提高SSB光载毫米波的OSSR和链路输出射频目标信号的RSSR，降低输出射频目标信号的功率抖动。

原理：

激光器LD的输出光波经过MZM调制器被频率为的射频信号调制，调制 器偏置电压为V_π/2，其上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，两臂驱动电压可以分别 表示为和，则MZM调制器输出为：

式中，是调制器上下两臂的调制指数，是其上下两臂射频信 号的振幅，是调制器的半波电压。调制器双臂分路比γ可用调制器消光比ε表示为。J_n(m)是第一类n阶贝塞尔函数，小信号调制条件下可忽略2阶及以上 贝塞尔展开。

理想MZM调制器消光比无限大（ε=∞, γ=1），上下两臂调制指数相等（m₁=m₂=m）时会消除-1阶边带（J_-1(m₁)- γJ_-1(m₂)=0），调制器输出为载波和+1阶边带，从而实现了单边带调制；商用MZM调制器消光比有限（ε<∞, γ≠1），需要优化设置上下两臂的调制指数（m₁≠m₂）来满足等式J_-1(m₁)- γJ_-1(m₂)=0，进而消除-1阶边带实现单边带调制。

假定MZM调制器上下两臂调制指数分别为m₁=m(1-a)和m₂=m(1+a)，要消除-1阶边带调制指数需要满足如下条件：

小信号调制条件下可设定m = 0.2，当给定商用MZM调制器消光比ε时，即可由上式通过数值计算确定最优的a，进而确定上下两臂调制系数m₁和m₂。例如ε= 15 dB时，可求得最优的a = 0.18，则有m₁ = m(1-a) = 0.164和m₂ = m(1+a) = 0.236。

根据上述分析在商用MZM调制器消光比ε为15 dB时可以优化设置MZM上下两臂的调制指数分别为m₁ = 0.164和m₂ = 0.236。和优化前（m₁ = m₂ =0.2）比较，可以测得SSB调制光载毫米波的光边带抑制比从14.8 dB增加为28.5 dB，光电探测器输出的1阶射频目标信号的功率抖动从3.1 dB降低为0.1 dB，其射频边带抑制比从19 dB增加为22 dB。

本发明能对采用商用MZM调制器的SSB单边带调制光载无线通信链路进行优化，提高产生的光载毫米波的光边带抑制比和链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比，也会降低光纤色散引起的链路输出射频目标信号的功率抖动；本发明采用普通的MZM调制器，无需双平行或集成MZM调制器，也无需光滤波器就能产生高质量的SSB单边带调制光载毫米波，该方法结构简单系统稳定容易实现，还能应用于WDM-RoF波分复用光载无线通信系统和上变频系统。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种优化SSB调制光载无线通信链路的装置，其特征在于，包括：激光器LD、RF射频信号发生器、MZM调制器、移相器、电增益器、单模光纤和光电探测器，激光器LD、MZM调制器、单模光纤和光电探测器用光纤连接，RF射频信号发生器、移相器和电增益器电性连接，

该优化SSB调制光载无线通信链路的装置的方法为：包括以下步骤：

(1)激光器LD发出的光波经过MZM调制器被射频信号调制，MZM调制器上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，由移相器实现MZM调制器两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2；

(2)理想MZM调制器的消光比无穷大，当其上下两臂的调制指数相等，m₁＝m₂＝m，且驱动信号间相位差为π/2时，小信号调制条件下调制器输出为载波和+1阶边带；实际的商用MZM调制器的消光比有限，上述条件下调制器输出为载波、+1阶边带和-1阶边带，即产生了不需要的-1阶边带，则SSB调制光载毫米波性能下降；通过优化设置MZM调制器上下两臂非对称的调制指数m₁≠m₂，抑制不需要的-1阶边带，提高SSB光载毫米波的光边带抑制比OSSR和链路终端探测器输出目标信号的射频边带抑制比RSSR，降低输出目标信号的功率抖动；

激光器LD的输出光波经过MZM调制器被频率为ω_m的射频信号调制，调制器偏置电压为V_π/2，其上下两臂射频驱动信号之间的相位差为π/2，两臂驱动电压可以分别表示为V₁(t)＝V_m1sinω_mt和V₂(t)＝V_m2sin(ω_mt+π/2)，则MZM调制器输出为：

式中，m_1,2＝πV_m1,2/V_π是调制器上下两臂的调制指数，V_m1,2是其上下两臂射频信号的振幅，V_π是调制器的半波电压；调制器双臂分路比γ可用调制器消光比ε表示为J_n(m)是第一类n阶贝塞尔函数，小信号调制条件下可忽略2阶及以上贝塞尔展开；

理想MZM调制器消光比无限大，其中ε＝∞,γ＝1，上下两臂调制指数相等，m₁＝m₂＝m时会消除-1阶边带，其中J_-1(m₁)-γJ_-1(m₂)＝0，调制器输出为载波和+1阶边带，从而实现了单边带调制；商用MZM调制器消光比有限，其中ε<∞，γ≠1，需要优化设置上下两臂的调制指数m₁≠m₂来满足等式J_-1(m₁)-γJ_-1(m₂)＝0，进而消除-1阶边带实现单边带调制；

MZM调制器上下两臂调制指数分别为m₁＝m(1-a)和m₂＝m(1+a)，要消除-1阶边带调制指数需要满足如下条件：

J_-1(m₁)＝γJ_-1(m₂)即

小信号调制条件下m＝0.2，当给定商用MZM调制器消光比ε时，即可由上式通过数值计算确定最优的a，进而确定上下两臂调制系数m₁和m₂，当ε＝20dB时，可得a＝0.1，则有m₁＝m(1-a)＝0.18和m₂＝m(1+a)＝0.22；ε＝15dB时，则a＝0.18，m₁＝0.164，m₂＝0.236。

2.根据权利要求1所述的优化SSB调制光载无线通信链路的装置，其特征在于，给定实际的商用调制器的消光比，通过计算可得最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂。

3.根据权利要求1所述的优化SSB调制光载无线通信链路的装置，其特征在于，步骤(1)中MZM调制器偏置在线性点，调制器偏置电压为Vπ/2。

4.根据权利要求1所述的优化SSB调制光载无线通信链路的装置，其特征在于，通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m1和m2提高光载毫米波的光边带抑制比OSSR，采用光谱分析仪测量产生的光载毫米波的光边带抑制比OSSR。

5.根据权利要求1所述的优化SSB调制光载无线通信链路的装置，其特征在于，通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂提高链路输出射频信号的射频边带抑制比RSSR，采用射频分析仪测量链路终端探测器输出的射频目标信号的射频边带抑制比RSSR。

6.根据权利要求1所述的优化SSB调制光载无线通信链路的装置，其特征在于，通过设置最优的MZM调制器上下两臂调制指数m₁和m₂降低链路输出射频信号的功率抖动，采用功率计测量射频目标信号的功率抖动。