CN113810111B - 光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置及方法 - Google Patents

Abstract

带内全双工ROF系统下光学辅助同时镜像干扰及自干扰抑制装置，基站A内，设置波长可调谐激光器、偏振控制器A、固定波长激光器、偏振控制器B、偏振合束器、可集成的电光调制器K、电移相器；单模光纤；中心站B内，设置掺铒光纤放大器、光探测器、正交解调模块；其中，电光调制器K包含：偏振分束器、第一双平行马赫曾德尔调制器、第二双平行马赫曾德尔调制器、第二偏振合束器。还提供一种相应的方法。本发明利用简单结构同时实现自干扰消除、变频、对变频引入的镜像干扰进行抑制以及有用信号的抗色散传输；利用光纤的色散效应实现延时的精确可调，保证自干扰消除的深度；通过调谐可集成电光调制器的偏置点同时实现镜像干扰抑制，以及有用信号的无功率衰落传输。

Description

光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置及方法

技术领域

本发明属于微波光子信号处理技术领域，具体涉及一种带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置及方法。

背景技术

微波信号光载链路传输(ROF)具有带宽大、并行处理能力强、体积小、抗电磁干扰能力强等优点，在过去的几年受到了广泛关注。通常情况下，为了避免干扰，全双工ROF系统中基站在某一频带中接收来自移动用户的上行链路信号，同时在不同频带中发射下行链路信号。随着下一代移动通信系统网络的研究和部署，用户对无线通信系统传输速率和传输容量的需求也在不断增加，可倍增频谱利用率的带内全双工技术将发挥着巨大的潜力，而自干扰消除技术(SIC)成为了其关键技术难点之一。

与传统的电学手段相比，光学自干扰消除方案不仅消除带宽宽、精度高，而且可处理中心频率为GHz级别甚至几十GHz级别的电信号，并且可以承载射频信号在光纤中进行长距离传输，非常适用于对带宽和频段都有高要求的下一代无线通信业务。同时，将微波光子频率下变频技术以及镜像干扰抑制技术有机的融合在系统链路中，能够很大程度的简化基站结构，提高系统的传输灵活性以及抗干扰能力。

近几年，利用微波光子技术实现自干扰消除技术以及与频率下变频、镜像干扰抑制相结合的技术受到了国内外科研机构的广泛研究，其中基于非相干光的双马赫曾德尔调制器消除方案延时和幅度的调制均是通过光学方法实现的。1)Suarez J，Kravtsov K，Prucnal P R.Incoherent method of optical interference cancellation for radio-frequency communications[J].IEEE journal of quantum electronics，2009，45(4)：402-408。基于集成器件DPMZM的光学自干扰消除方案。2)Han X，Huo B，Shao Y，etal.Optical RF Self-Interference Cancellation by Using an Integrated Dual-Parallel MZM[J].IEEE Photonics Journal，2017，9(2)：1-8.基于偏振调制器和色散器件模拟多径干扰消除的方案。3)Zhou W，Xiang P，Niu Z，et al.Wideband opticalmultipath interference cancellation based on a dispersive element[J].IEEEPhotonics Technology Letters，2016，28(8)：849-851.华东师范大学陈阳团队分别讨论了射频/中频有用信号以光学双边带调制的形式在光纤中传输的功率衰落性能以及补偿条件。4)Chen Y，Pan S.Simultaneous wideband radio-frequency self-interferencecancellation and frequency downconversion for in-band full-duplex radio-over-fiber systems[J].Optics letters，2018，43(13)：3124-3127.5)Chen Y.A Photonic-Based Wideband RF Self-Interference Cancellation Approach With FiberDispersion Immunity[J].Journal of Lightwave Technology，2020，PP(99)：1-1.实现了自干扰消除与镜像干扰抑制的有机结合，其中，镜像干扰抑制是利用经典的Hartley结构实现的。6)Zhu D，Hu X，Chen W，et al.Photonics-enabled simultaneous self-interference cancellation and image-reject mixing[J].Optics Letters，2019，44(22)：5541.

然而，上述方案存在一定的局限性。1)和2)没有考虑光纤的远距离传输以及变频的能力；3)同样没有考虑其变频能力，且使用了色散模块，增加了系统的复杂度，同时，PolM调制器受偏振态影响大，稳定性差，且其抵消多径效应带来的影响是通过大量增加光学硬件来实现的；4)、5)利用集成的电光调制器，其延时和幅度的调谐均是在电域上进行，自干扰抵消深度会受到影响。而6)中，Hartley结构作为一种相位相消结构，对相位的精确度有较高的要求，不精确的相移将大幅度降低系统的镜像抑制效果，同时该方案也没有考虑信号的远距离传输。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置，具体为：基站A内，设置波长可调谐激光器1、偏振控制器A 2、固定波长激光器3、偏振控制器B 4、偏振合束器 5、可集成的电光调制器K、电移相器10；单模光纤11；中心站B内，设置掺铒光纤放大器12、光探测器13、正交解调模块14；其中，电光调制器K包含：偏振分束器6、第一双平行马赫曾德尔调制器7、第二双平行马赫曾德尔调制器8、第二偏振合束器9；

在基站A处，波长可调谐激光器1输出的激光信号经过第一偏振控制器A 2调整为偏振光X，固定波长激光器3输出的激光信号经过第二偏振控制器B4调整为偏振光Y，其中，偏振光X与偏振光Y呈正交偏振态；两路光信号经过第二偏振合束器5合束后进入电光调制器件K中，首先光信号经过偏振分束器5将两路偏振正交光分离为偏振光X、偏振光Y，随后，偏振光X、偏振光Y分别输入至第一双平行马赫曾德尔调制器A7、第二双平行马赫曾德尔调制器B8中，其中，参考信号①以及经过移相器10的本振信号⑤分别加载到第一双平行马赫曾德尔调制器A7的上下两臂，并通过第一双平行马赫曾德尔调制器A7分别调制到偏振光X上；包含自干扰信号②、有用信号③、镜像干扰信号④在内的接收信号以及本振信号⑤分别加载到第二双平行马赫曾德尔调制器B8的上下两臂，并通过第二双平行马赫曾德尔调制器B8将上述信号分别调制到偏振光Y上；两路正交偏振的光信号经过偏振合束器9合路后，利用单模光纤11传输至中心站B，依次经过掺铒光纤放大器12放大、光探测器13拍频后，再通过正交解调模块14解调为基带信号。

还提供一种带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方法，具体包括下列步骤：

为方便说明，首先假定本地参考信号①为V₁cosω_st，自干扰信号②为V₂cosω_s(t+τ_A)，有用信号③为V₃cosω_s(t+τ_B)，镜像干扰信号④为V_INcosω_IN(t)，本振信号⑤为V_LO cos(ω_LOt)；其中V_i(i＝1，2，3，4)分别为本地参考信号①、自干扰信号②、有用信号③，V_LO为本振信号⑤的电压，V_IN为镜像干扰信号的电压，τ_A、τ_B分别为自干扰信号、有用信号在空间传播中产生的延时，ω_s为本地参考信号、自干扰信号以及有用信号的频率，ω_LO为本振信号的频率，ω_IN(t)为镜像干扰信号的频率；

第一步：在基站处，波长可调谐激光器与固定波长激光器分别通过偏振控制器调整为正交偏振态后经过偏振合束器合路；

波长可调谐激光器1输出光载波经过第一偏振控制器A2调整为偏振光E_x，固定波长激光器3输出的激光信号经过第二偏振控制器B4调整为偏振光E_y，其中，偏振光E_x与偏振光E_y呈正交偏振态，两路光信号经过第一偏振合束器5后产生的偏振合束的激光信号表示为：

其中，E_τ(t)为波长可调谐激光器1的光载波，E_c(t)为固定波长激光器3提供的光载波，E_c为光载波的幅度，ω_c为参考频率下的输入光载波频率，ω_x为波长可调谐激光器1在参考频率ω_c下的偏移频率；

第二步：在基站处，经过偏振合束的激光信号注入电光调制器中，分别将接收信号、本振信号调制到偏振光X上，将参考信号、经过移相器的本振信号调制到偏振光Y上；

经过偏振合束的激光信号注入电光调制器K中；首先，经过偏振合束的激光信号经过偏振分束器6分为偏振光E_x与偏振光E_y分别输入至第一双平行马赫曾德尔调制器A7、第二双平行马赫曾德尔调制器B8中；偏振光E_x通过第一双平行马赫曾德尔调制器A7将参考信号①以及本振信号⑤分别调制到偏振光X上，第一双平行马赫曾德尔调制器A 7由两个子调制器和第一主调制器构成，两个子调制器为第一子调制器MZM-1和第二子调制器MZM-2，第一主调制器为主MZM1；其中，第一子调制器MZM-1、第二子调制器MZM-2分别对本地参考信号①、本振信号⑤进行电光调制，两个子调制器均设为最小偏置点；经过第二子调制器MZM-2输出的光信号通过第一主MZM将其相位调制为

在小信号调制下，第一双平行马赫曾德尔调制器A7输出的光信号包络E_x1(t)为公式2的形式：

其中，m₁＝πV₁/V_π、m_LO＝πV_LO/V_π分别为参考信号①、本振信号⑤的调制系数，V_π为半波电压，

为主MZM的偏置电压引入的相移，J₁(·)为1阶一类贝塞尔函数，t为时间；其次，接收的偏振光E_y通过第二双平行马赫曾德尔调制器B8将包含自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④在内的接收信号以及经过移相器10的本振信号⑤分别加载到偏振光Y上；第二双平行马赫曾德尔调制器8由两个子调制器和第二主调制器构成，两个子调制器为第三子调制器MZM-11和第四子调制器MZM-22，第二主调制器为主MZM2；第三子调制器MZM-11对包含自干扰信号②+有用信号③+镜像干扰信号④在内的接收信号进行电光调制，第四子调制器MZM-22对经过移相器10的本振信号⑤进行电光调制，同样，两个子调制器均设置为最小偏置点，经过第四子调制器MZM-22输出光信号通过第二主MZM2将其相位调制为/>

在小信号调制下，第二双平行马赫曾德尔调制器B8调制输出偏振光信号包络E_y1(t)如公式3所示：

其中，m₂＝πV₂/V_π、m₃＝πV₃/V_π、m_IN＝πV_IN/V_π、分别为自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④的调制指数，

为第二主MZM2的偏置电压引入的相移，J₀(·)为0阶一类贝塞尔函数；/>

为本振信号⑤经过电移相器10引入的相移；

两路偏振光信号经过偏振合束器9合并在一条光路上，仍保持正交偏振态；

第三步：信号经过单模光纤传输至中心站B放大；

经过第二偏振合束器9合并的激光信号经过单模光纤11传输至中心站B，由于光纤的色散效应，光纤的传输函数为H(ω)＝exp(-αL/2+jβ₂L(ω-ω_c)²/2)，其中α为光纤的衰减常量，β₂为群速度色散参量，L为光纤长度，ω为角频率；因此抵达中心站B的光信号经掺铒光纤放大器12放大后输出的光信号包络E_SMF(t)如公式3所示：

其中，G_OA为掺铒光纤放大器12的增益，θ(ω)＝β₂L(ω-ω_c)²/2为信号在光纤色散效应中引入的相移；

第四步：光信号拍频转换为电信号；

信号经过光探测器13拍频后得到的电信号I(t)如公式5所示：

其中，R为光探测器13的响应度；

根据式5信号间的相互关系，满足式6关系式前4项能够实现自干扰信号对消，同时，接收的射频域有用信号③经过本振信号④下变频为中频信号；等式6的第5、6个子式满足有用信号③的无功率衰落传输以及镜像干扰信号④的抑制；特别地是，由于中频信号频率一般较低，将第二双平行马赫曾德尔调制器B8的第二主MZM2偏置点调整为最大偏置点时，有用信号的功率衰落影响能够忽略不计；

满足等式6能够实现自干扰消除、变频、有用信号抗色散传输以及镜像干扰抑制：

带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方案，其优点可以概括为：1)利用简单的结构同时实现了自干扰消除、变频、对变频引入的镜像干扰进行抑制以及有用信号的抗色散传输；2)利用光纤的色散效应实现延时的精确可调，保证了自干扰消除的深度；3)通过调谐可集成电光调制器的偏置点即可同时实现了镜像干扰抑制，以及有用信号的无功率衰落传输。

附图说明

图1为本发明光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置结构示意图；

图2(a)(b)为本发明中经过下变频后的单频点自干扰信号抵消性能仿真图；

图3(a)(b)为本发明中经过下变频后的宽带信号自干扰抵消性能仿真图；

图4(a)(b)为本发明中自干扰消除前后系统输出的信号星座图；

图5(a)(b)为本发明中单频点/宽带镜像干扰信号抑制能力性能仿真图；

图6(a)(b)为本发明自干扰消除下镜像干扰抑制能力性能仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置包括：基站A内，设置波长可调谐激光器1、偏振控制器A 2、固定波长激光器3、偏振控制器B 4、偏振合束器5、可集成的电光调制器K、电移相器10；单模光纤11；中心站B内，设置掺铒光纤放大器12、光探测器13、正交解调模块14。其中，电光调制器K包含：偏振分束器6、第一双平行马赫曾德尔调制器7、第二双平行马赫曾德尔调制器8、第二偏振合束器9。

在基站A处，波长可调谐激光器1输出的激光信号经过第一偏振控制器A 2调整为偏振光X，固定波长激光器3输出的激光信号经过第二偏振控制器B4调整为偏振光Y，其中，偏振光X与偏振光Y呈正交偏振态。两路光信号经过第二偏振合束器5合束后进入可集成的电光调制器件K中，首先光信号经过偏振分束器5将两路偏振正交光分离为偏振光X、偏振光Y，随后，偏振光X、偏振光Y分别输入至第一双平行马赫曾德尔调制器A7、第二双平行马赫曾德尔调制器B8中，其中，参考信号①以及经过移相器10的本振信号⑤分别加载到第一双平行马赫曾德尔调制器A7的上下两臂，并通过第一双平行马赫曾德尔调制器A7分别调制到偏振光X上；包含自干扰信号②、有用信号③、镜像干扰信号④的接收信号以及本振信号⑤分别加载到第二双平行马赫曾德尔调制器B8的上下两臂，并通过第二双平行马赫曾德尔调制器B8将上述信号分别调制到偏振光Y上。两路正交偏振的光信号经过偏振合束器9合路后，利用单模光纤11传输至中心站B，依次经过掺铒光纤放大器12放大、光探测器13拍频后，再通过正交解调模块14解调为基带信号。

还提供一种带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方法，该方法具体包括下列步骤：

为方便说明，首先假定本地参考信号①为V₁cosω_st，自干扰信号②为V₂cosω_s(t+τ_A)，有用信号③为V₃cosω_s(t+τ_B)，镜像干扰信号④为V_INcosω_IN(t)，本振信号⑤为V_LO cos(ω_LOt)。其中V_i(i＝1，2，3，4)分别为本地参考信号①、自干扰信号②、有用信号③，V_LO为本振信号⑤的电压，V_IN为镜像干扰信号的电压，τ_A、τ_B分别为自干扰信号、有用信号在空间传播中产生的延时，ω_s为本地参考信号、自干扰信号以及有用信号的频率，ω_LO为本振信号的频率，ω_IN(t)为镜像干扰信号的频率。

第一步：在基站处，波长可调谐激光器与固定波长激光器分别通过偏振控制器调整为正交偏振态后经过偏振合束器合路；

波长可调谐激光器1输出光载波经过第一偏振控制器A2调整为偏振光E_x，固定波长激光器3输出的激光信号经过第二偏振控制器B4调整为偏振光E_y，其中，偏振光E_x与偏振光E_y呈正交偏振态，两路光信号经过第一偏振合束器5后产生的偏振合束的激光信号表示为：

其中，E_τ(t)为波长可调谐激光器1的光载波，E_c(t)为固定波长激光器3提供的光载波，E_c为光载波的幅度，ω_c为参考频率下的输入光载波频率，ω_τ为波长可调谐激光器1在参考频率ω_c下的偏移频率。

第二步：在基站处，经过偏振合束的激光信号注入可集成的电光调制器中，分别将接收信号、本振信号调制到偏振光X上，将参考信号、经过移相器的本振信号调制到偏振光Y上；

经过偏振合束的激光信号注入可集成的电光调制器K中，该器件由偏振分束器6、第一双平行马赫曾德尔调制器A7、第二双平行马赫曾德尔调制器B8、第二偏振合束器9构成。该器件尚未有集成成品，但是类比于Fujistu FTM7960/7980等电光集成器件，其结构较为简单，易于集成。首先，经过偏振合束的激光信号经过偏振分束器6分为偏振光E_x与偏振光E_y分别输入至第一双平行马赫曾德尔调制器A7、第二双平行马赫曾德尔调制器B8中。偏振光E_x通过第一双平行马赫曾德尔调制器A7将参考信号①以及本振信号⑤分别调制到偏振光X上，第一双平行马赫曾德尔调制器A 7由两个子调制器(第一子调制器MZM-1和第二子调制器MZM-2)和第一主调制器(主MZM1)构成，其中，第一子调制器MZM-1、第二子调制器MZM-2分别对本地参考信号①、本振信号⑤进行电光调制，两个子调制器均设为最小偏置点；经过第二子调制器MZM-2输出的光信号通过第一主MZM将其相位调制为

在小信号调制(相当于当信号很小的情况)下，第一双平行马赫曾德尔调制器A7输出的光信号包络E_x1(t)为公式2的形式：

其中，m₁＝πV₁/V_π、m_LO＝πV_LO/V_π分别为参考信号①、本振信号⑤的调制系数，V_π为半波电压，

为主MZM的偏置电压引入的相移，J₁(·)为1阶一类贝塞尔函数，t为时间。其次，接收的偏振光E_y通过第二双平行马赫曾德尔调制器B8将信号(含自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④)以及经过移相器10的本振信号⑤分别加载到偏振光Y上。第二双平行马赫曾德尔调制器8由两个子调制器(第三子调制器MZM-11和第四子调制器MZM-22)和第二主调制器(主MZM2)构成。第三子调制器MZM-11对接收信号(自干扰信号②+有用信号③+镜像干扰信号④)进行电光调制，第四子调制器MZM-22对经过移相器10的本振信号⑤进行电光调制，同样，两个子调制器均设置为最小偏置点，经过第四子调制器MZM-22输出光信号通过第二主MZM2将其相位调制为/>

在小信号调制下，第二双平行马赫曾德尔调制器B8调制输出偏振光信号包络E_y1(t)如公式3所示：

其中，m₂＝πV₂/V_π、m₃＝πV₃/V_π、m_IN＝πV_IN/V_π、分别为自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④的调制指数，

为第二主MZM2的偏置电压引入的相移，J₀(·)为0阶一类贝塞尔函数。/>

为本振信号⑤经过电移相器10引入的相移。/>

两路偏振光信号经过偏振合束器9合并在一条光路上，仍保持正交偏振态。

第三步：信号经过单模光纤传输至中心站B放大；

经过第二偏振合束器9合并的激光信号经过单模光纤11传输至中心站B，由于光纤的色散效应，光纤的传输函数为H(ω)＝exp(-αL/2+jβ₂L(ω-ω_c)²/2)，其中α为光纤的衰减常量，β₂为群速度色散参量，L为光纤长度，ω为角频率。因此抵达中心站B的光信号经掺铒光纤放大器12放大后输出的光信号包络E_SMF(t)如公式3所示：

其中，G_OA为掺铒光纤放大器12的增益，θ(ω)＝β₂L(ω-ω_c)²/2为信号在光纤色散效应中引入的相移。

第四步：光信号拍频转换为电信号；

信号经过光探测器13拍频后得到的电信号I(t)如公式5所示：

其中，R为光探测器13的响应度。

根据式5信号间的相互关系，满足式6关系式前4项即可实现自干扰信号对消，同时，接收的射频域有用信号③经过本振信号④下变频为中频信号；等式6的第5、6个子式满足有用信号③的无功率衰落传输以及镜像干扰信号④的抑制。特别地是，由于中频信号频率一般较低，将第二双平行马赫曾德尔调制器B8的第二主MZM2偏置点调整为最大偏置点时，有用信号的功率衰落影响可忽略不计。

满足等式6即可实现自干扰消除、变频、有用信号抗色散传输以及镜像干扰抑制：

在式5中，等式的前两项分别为参考信号①以及自干扰信号②经过拍频后产生的电信号，当本振信号④的相位补偿后(即等式6的第四个子式)，经过了光纤的传输，参考信号引入了β₂Lω_τ延时。通过调整可调谐激光器1的波长，改变两路激光器的波长差，即可实现与延时τ_A匹配。同时，可调谐激光器的调谐步进是实现延时精准可调的重要因素，群速度响应参数β₂＝-20ps²/km，光纤长度为10km的情况下，100MHz的调谐步进能够产生0.125ps的调谐精度，足以满足模拟域自干扰消除技术的性能指标。其次，电移相器9是对本振信号④的相位进行预失真处理，将不会对自干扰信号的消除带宽造成影响。

模拟域自干扰消除后系统输出含有残余自干扰以及有用信号的中频信号，再经过正交解调模块14解调为基带I/Q数据。后续需将模拟域的信号转换为数字域信号，并利用数字域自干扰消除手段继续进行处理以恢复有用信号。模拟域自干扰消除的作用是消除自干扰信号的强经分量使得信号输出满足ADC的动态范围要求，减少远端弱的有用信号通过ADC时所带来的损失最小化。

带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方案，利用光纤色散效应，得到信号延时与光纤长度、群速度色散系数、载波波长差之间的对应关系，通过调整可调谐激光器光载波波长以此来对准自干扰信号。这种调节延时的方案确保了调谐的精度，避免使用电延时线精度较差以及光学延时线在电光器件中难以集成的问题；方案中将其中一路本振信号引入额外的相位可同步补偿参考信号、接收信号与本振信号作用时产生的影响。

带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方案，利用单个可集成的电光调制器件将信号调制在不同的偏振光上。一方面，集成后的电光调制器将更加稳定；另一方面，自干扰信号和参考信号能够在不同的偏振态下进行传输，避免了当延时差足够小时，两个信号以同一偏振态拍频时产生的杂波。

带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方案，信号传输至中心站处拍频产生了中频有用信号，其优点是简化系统结构，避免射频域信号在电域多级下变频产生的非线性失真；同时，在现行ROF体制下，多个远端基站节点接收的信号在远端中心节点处合并传输至中心站，将信号下变频至不同频点的中频信号，使中心站的接收、处理更加灵活、高效。

带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方案，利用光纤的色散效应，对镜像干扰信号进行抑制，同时确保所需的信号功率稳定。与传统的利用Hartley结构实现镜像干扰抑制的方案相比，该方案实现镜像干扰抑制不需要单独的相位相关器件(如移相器、90°正交耦合器)，使得相位精确度可控，增强了系统的适应能力。

为了验证本发明自干扰消除、下变频以及镜像干扰抑制能力，利用optisystem14.0进行仿真。

设置固定波长激光器波长为1550nm，功率为10dBm，线宽为0.1MHz；双平行马赫曾德尔调制器半波电压为4V，消光比为25dB，插损5dB；单模光纤长度为20km，每公里衰减0.2dB，群速度响应参数为-20ps²/km；掺铒光纤放大器增益为20dB，噪声系数为4.5dB；本振信号为20GHz，功率为27dBm；探测器的响应度为0.7A/W。在产生的自干扰信号时延为0.8ns的情况下，可调谐激光器波长设置为1552.79nm，功率为10dBm，线宽为0.1MHz，移相器调整为84.3°。经过上述过程，自干扰信号的消除性能分别如下：

图2(a)、(b)为经过下变频后的单频点信号自干扰消除性能仿真图。接收的单频点自干扰信号频率分别为22GHz、22.5GHz，功率为24dBm，经过20GHz的本振信号下变频为2GHz、2.5GHz中频信号，单频点自干扰信号抑制深度分别为66.1dB以及67.3dB。

图3(a)、(b)为经过下变频后的宽带信号自干扰消除性能仿真图。接收的自干扰信号中心频率为22.5GHz，带宽分别为500MHz、1GHz，功率均为7.5dBm，信号格式为4QAM；接收的有用信号为22.5GHz的单频点信号，功率为-13dBm，经过了20GHz的本振信号下变频为中心频率2.5GHz的中频信号，宽带自干扰信号抵消深度分别为44.2dB以及42.3dB。

图4(a)、(b)为经过下变频的自干扰信号消除前后系统输出信号星座图。为便于观察，自干扰信号选择中心频率为22.5GHz，带宽为200MHz，功率为11dBm的噪声信号，有用信号中心频率为22.5GHz，带宽为200MHz，功率为-1.5dBm，调制格式为16QAM，经过了20GHz的本振信号下变频为中心频率2.5GHz的中频信号，经过正交解调模块后，信号的EVM为12.85％。

图5(a)、(b)分别为在不考虑自干扰信号的前提下，系统的镜像干扰抑制性能仿真图。图5(a)分别注入了功率均为27dBm的单频点有用信号以及单频点镜像干扰信号，其中有用信号频率为22.5GHz、镜像干扰信号频率为17.5GHz，本方案的单频点镜像干扰抑制比为70.5dB；图5(b)分别注入了等功率的宽带有用信号以及宽带镜像干扰信号，其中有用信号频率为22.5GHz、镜像干扰信号频率为17.5GHz，带宽均为400MHz，功率均为10.5dBm，信号格式均为4QAM，本方案宽带信号镜像抑制比为35.8dB。

图6(a)、(b)分别为自干扰消除的同时抑制单频点镜像干扰信号以及宽带镜像干扰信号的性能仿真图。其中，接收自干扰信号的中心频率为22.5GHz，带宽为400MHz，功率为7.5dBm，信号格式为4QAM。图6(a)分别注入了功率为27dBm的单频点有用信号以及单频点镜像干扰信号，其中有用信号频率为22.5GHz、镜像干扰信号频率为17.5GHz，本方案的自干扰抵消深度为44.4dB，单频点镜像干扰抑制比为70.5dB；图6(b)分别注入宽带有用信号以及宽带镜像干扰信号，信号中心频率为22.5GHz，带宽为400MHz，功率为10.5dBm，信号格式为4QAM，自干扰消除深度以及镜像干扰抑制深度共同达到32.1dB。

Claims (2)

1.带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置，其特征在于，基站A内，设置波长可调谐激光器(1)、第一偏振控制器A(2)、固定波长激光器(3)、第二偏振控制器B(4)、第一偏振合束器(5)、可集成的电光调制器K、电移相器(10)；单模光纤(11)；中心站B内，设置掺铒光纤放大器(12)、光探测器(13)、正交解调模块(14)；其中，电光调制器K包含：偏振分束器(6)、第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)、第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)、第二偏振合束器(9)；

在基站A处，波长可调谐激光器(1)输出的激光信号经过第一偏振控制器A(2)调整为偏振光X，固定波长激光器(3)输出的激光信号经过第二偏振控制器B(4)调整为偏振光Y，其中，偏振光X与偏振光Y呈正交偏振态；两路光信号经过第一偏振合束器(5)合束后进入电光调制器件K中，首先光信号经过偏振分束器(6)将两路偏振正交光分离为偏振光X、偏振光Y，随后，偏振光X、偏振光Y分别输入至第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)、第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)中，其中，参考信号①以及本振信号⑤分别加载到第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)的上下两臂，并通过第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)分别调制到偏振光X上；包含自干扰信号②、有用信号③、镜像干扰信号④在内的接收信号以及经过电移相器(10)的本振信号⑤分别加载到第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)的上下两臂，并通过第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)将上述信号分别调制到偏振光Y上；两路正交偏振的光信号经过第二偏振合束器(9)合路后，利用单模光纤(11)传输至中心站B，依次经过掺铒光纤放大器(12)放大、光探测器(13)拍频后，再通过正交解调模块(14)解调为基带信号；

为实现上述功能，将各子调制器均设为最小偏置点，第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)的第二主MZM偏置点调整为最大偏置点，且满足如下等式6，能够实现自干扰消除、变频、有用信号抗色散传输以及镜像干扰抑制：

其中，

为第一主MZM的偏置电压引入的相移，

为第二主MZM的偏置电压引入的相移，τ_A为自干扰信号在空间传播中产生的延时，β₂为群速度色散参量，L为光纤长度，ω_τ为波长可调谐激光器(1)在参考频率ω_c下的偏移频率，J₁(·)为1阶一类贝塞尔函数，J₀(·)为0阶一类贝塞尔函数，m₁＝πV₁/V_π、m₂＝πV₂/V_π、m₃＝πV₃/V_π、m_IN＝πV_IN/V_π分别为参考信号①、自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④的调制指数，

为本振信号⑤经过电移相器(10)引入的相移，ω_LO为本振信号的频率，ω_s为本地参考信号、自干扰信号以及有用信号的频率，ω_IN(t)为镜像干扰信号的频率。

2.带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化方法，该方法基于权利要求1所述的带内全双工ROF系统下光学镜像干扰、自干扰抑制及光纤传输一体化装置，其特征在于，具体包括下列步骤：

为方便说明，首先假定本地参考信号①为V₁cosω_st，自干扰信号②为V₂cosω_s(t+τ_A)，有用信号③为V₃cosω_s(t+τ_B)，镜像干扰信号④为V_INcosω_IN(t)，本振信号⑤为V_LOcos(ω_LOt)；其中V_i，i＝1，2，3分别为本地参考信号①、自干扰信号②、有用信号③，V_LO为本振信号⑤的电压，V_IN为镜像干扰信号的电压，τ_A、τ_B分别为自干扰信号、有用信号在空间传播中产生的延时，ω_s为本地参考信号、自干扰信号以及有用信号的频率，ω_LO为本振信号的频率，ω_IN(t)为镜像干扰信号的频率；

第一步：在基站处，波长可调谐激光器与固定波长激光器分别通过偏振控制器调整为正交偏振态后经过偏振合束器合路；

波长可调谐激光器(1)输出光载波经过第一偏振控制器A(2)调整为偏振光X，固定波长激光器(3)输出的激光信号经过第二偏振控制器B(4)调整为偏振光Y，其中，偏振光X与偏振光Y呈正交偏振态，两路光信号经过第一偏振合束器(5)后产生的偏振合束的激光信号表示为：

其中，E_x、E_y分别表示偏振光X、偏振光Y的光载波，E_τ(t)为波长可调谐激光器(1)的光载波，E_c(t)为固定波长激光器(3)提供的光载波，E_c为光载波的幅度，ω_c为参考频率下的输入光载波频率，ω_τ为波长可调谐激光器(1)在参考频率ω_c下的偏移频率；

第二步：在基站处，经过偏振合束的激光信号注入电光调制器中，分别将接收信号、本振信号调制到偏振光X上，将参考信号、经过电移相器的本振信号调制到偏振光Y上；

经过偏振合束的激光信号注入电光调制器K中；首先，经过偏振合束的激光信号经过偏振分束器(6)分为偏振光X与偏振光Y分别输入至第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)、第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)中；偏振光X通过第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)将参考信号①以及本振信号⑤分别调制到偏振光X上，第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)由两个子调制器和第一主调制器构成，两个子调制器为第一子调制器MZM-1和第二子调制器MZM-2，第一主调制器为第一主MZM；其中，第一子调制器MZM-1、第二子调制器MZM-2分别对本地参考信号①、本振信号⑤进行电光调制，两个子调制器均设为最小偏置点；经过第二子调制器MZM-2输出的光信号通过第一主MZM将其相位调制为

在小信号调制下，第一双平行马赫曾德尔调制器A(7)输出的光信号包络E_x1(t)为公式2的形式：

其中，m₁＝πV₁/V_π、m_LO＝πV_LO/V_π分别为参考信号①、本振信号⑤的调制系数，V_π为半波电压，

为第一主MZM的偏置电压引入的相移，J₁(·)为1阶一类贝塞尔函数，t为时间；其次，接收的偏振光Y通过第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)将包含自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④在内的接收信号以及经过电移相器(10)的本振信号⑤分别加载到偏振光Y上；第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)由两个子调制器和第二主调制器构成，两个子调制器为第三子调制器MZM-11和第四子调制器MZM-22，第二主调制器为第二主MZM；第三子调制器MZM-11对包含自干扰信号②+有用信号③+镜像干扰信号④在内的接收信号进行电光调制，第四子调制器MZM-22对经过电移相器(10)的本振信号⑤进行电光调制，同样，两个子调制器均设置为最小偏置点，经过第四子调制器MZM-22输出光信号通过第二主MZM将其相位调制为

在小信号调制下，第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)调制输出偏振光信号包络E_y1(t)如公式3所示：

其中，m₂＝πV₂/V_π、m₃＝πV₃/V_π、m_IN＝πV_IN/V_π、分别为自干扰信号②、有用信号③以及镜像干扰信号④的调制指数，

为第二主MZM的偏置电压引入的相移，J₀(·) 为0阶一类贝塞尔函数；

为本振信号⑤经过电移相器(10)引入的相移；

两路偏振光信号经过第二偏振合束器(9)合并在一条光路上，仍保持正交偏振态；

第三步：信号经过单模光纤传输至中心站B放大；

经过第二偏振合束器(9)合并的激光信号经过单模光纤(11)传输至中心站B，由于光纤的色散效应，光纤的传输函数为H(ω)＝exp(-αL/2+jβ₂L(ω-ω_c)²/2)，其中α为光纤的衰减常量，β₂为群速度色散参量，L为光纤长度，ω为角频率；因此抵达中心站B的光信号经掺铒光纤放大器(12)放大后输出的光信号包络E_SMF(t)如公式4所示：

其中，G_OA为掺铒光纤放大器(12)的增益，θ(ω)＝β₂L(ω-ω_c)²/2为信号在光纤色散效应中引入的相移；

第四步：光信号拍频转换为电信号；

信号经过光探测器(13)拍频后得到的电信号I(t)如公式5所示：

其中，R为光探测器(13)的响应度；

根据式5信号间的相互关系，满足式6关系式前4项能够实现自干扰信号对消，同时，接收的射频域有用信号③经过本振信号⑤下变频为中频信号；等式6的第5、6个子式满足有用信号③的无功率衰落传输以及镜像干扰信号④的抑制；特别地是，由于中频信号频率一般较低，将第二双平行马赫曾德尔调制器B(8)的第二主MZM偏置点调整为最大偏置点时，有用信号的功率衰落影响能够忽略不计；

满足等式6能够实现自干扰消除、变频、有用信号抗色散传输以及镜像干扰抑制：

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