CN114448518B - 一种低复杂度相干检测光载射频链路的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低复杂度相干检测光载射频链路的方法，该发明涉及光通信及微波技术领域，所述方法如说明书附图图1所示，包括激光器、矢量信号源、180度电耦合器、双平行马赫增德尔调制器、单模光纤、偏振控制器、90度光耦合器、平衡探测器、模数转换器，本方法利用两路不同的射频电信号对双平行马赫增德尔调制器中的光载波同时进行强度和相位调制，然后通过一个90度光耦合器进行混频，最后对平衡光电探测器输出的电信号进行信号处理恢复出原始电信号，本发明实现了双通道的射频信号传输，同时在接收端避免了使用额外的光耦合器和复杂的相位噪声消除算法，本发明在保持高光谱效率的情况下结构仍然简单，具有高实用性。

Description

一种低复杂度相干检测光载射频链路的方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及基于相干检测的光载射频链路结构设计。
背景技术
近几十年来，光载射频链路的应用激增，被广泛应用于军事和民用领域，如雷达、电子战系统、分布式天线系统和无线通信系统。
基于相干检测的光载射频链路具有接收灵敏度高、与波分复用WDM系统具有较好的兼容性以及可在单光载波上支持混合调制等一系列优点，因而近年来备受关注。
由于基于相干检测的光载射频链路需要使用一个额外的光本振激光源，因此需要解决两个激光器之间的相位波动问题，此相位波动包括两激光器之间的频率偏移和相位噪声。目前大多数方案使用的技术有：(1)锁相环技术，此技术使用的锁相环包括光学锁相环和数字锁相环，锁相环会给硬件或者数字信号处理DSP带来很大的复杂性；(2)引入额外相位参考，此方案额外传输一路未调制信号的光载波作为相位参考信号消除相位波动，效果显而易见，但是它会增大系统的复杂性且会造成激光器功率的浪费；(3)自零差检测检测技术，这种方案通过只使用一个光源的方法来避免激光相位波动问题，具有经济效益，但是它的接收灵敏度较低，无法进行方便的频率选择。
基于相干检测的光载射频链路的操作的复杂性和由此带来的高成本制约了它的广泛应用，因此如何在保持此种链路优点的同时降低系统复杂度和成本是将此链路应用于实际的光载射频链路的关键。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种低复杂度相干检测光载射频链路的方法。该方法使用一个双平行马赫增德尔调制器DP-MZM对光载波同时进行强度及相位调制，并且仅使用一个90度光耦合器进行相干探测即可完成对强度和相位混合调制信号的接收，在保持高光谱利用率的情况下，简化了系统结构，特别是降低了相干接收机的复杂程度。
采用数字信号处理DSP单元的带阻滤波器完成对混合调制信号的分离，并且使用简单有效的算法对两个激光器的相位波动进行了消除，避免了使用锁相环等复杂的技术，降低了DSP处理单元的复杂程度。
本发明解决其技术问题所采用的方法是：包括激光器LD、矢量信号源、180度电耦合器、双平行马赫增德尔调制器DP-MZM、单模光纤SMF、偏振控制器PC、90度光耦合器X-QOH、平衡探测器BPD、模数转换器ADC，其中DP-MZM内部共集成三个马赫增德尔调制器MZM，其中两个子调制器MZM1、MZM2内嵌在主调制器中。第一激光器LD1输出的连续光载波进入到DP-MZM，射频电信号RF1经过180度电耦合器分为两路后输入到DP-MZM的子调制器MZM1的两个射频输入端口，射频电信号RF2分为两路输入到DP-MZM的子调制器MZM2的两个射频输入端口，随后DP-MZM输出的光信号经过25km SMF传输后经过第一偏振控制器PC1后输入QOH的上输入端口，第二激光器LD2输出的连续光载波经过第二偏振控制器PC2后输入QOH的下输入端口，然后QOH的上面两个输出端口连接到第一平衡探测器BPD1，QOH的下面两个输出端口连接到第二平衡探测器BPD2，BPD1输出的电信号同时输入ADC，最后进行数字信号处理并显示其频谱、时域波形、误差向量幅度EVM等信息。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)第一激光器LD1发出的波长为λ1的光载波输入到DP-MZM调制器中；
(2)射频电信号RF1经过180度电耦合器分为两路后输入到DP-MZM的子调制器MZM1的两个射频输入端口，射频电信号RF2分为两路输入到DP-MZM的子调制器MZM2的两个射频输入端口，调整直流偏置电压，使得MZM1工作在正交点QTP，MZM2工作在最大点MATP，主调制器工作在最小点MITP；
(3)DP-MZM输出的光信号经过25km SMF传输后接入PC1，同时激光器LD2发出波长为λ2本振光载波LO接入PC2；
(4)调节PC1和PC2使两束光偏振方向一致，然后分别接入到QOH的上下两个输入口；
(5)QOH的上面两个输出端口连接到平衡探测器BPD1，QOH的下面两个输出端口连接到平衡探测器BPD2；
(6)BPD1输出的电信号和BPD2输出的电信号同时输入ADC进行采样并进行数字信号处理；
本方案的发射端通过DP-MZM在单光载波上对强度和相位同时进行了不同频率的调制，在未进行偏振复用的情况下实现了双通道的射频信号传输，提高了光谱利用率，且操作简单。
本方案在接收端使用了相干检测方式，对于传输的调制了双通道的射频信号的光载波，并没有使用两个90度光耦合器分别在光域与LO进行混合，而是使用一个90度光耦合器并使用数字滤波器对双通道的信号进行分离，在提高光谱利用率的情况下结构仍然简单。另外，本方案使用DSP算法消除两激光器之间的激光相位波动，算法简单有效。本方案在保持相干探测链路优点的同时降低了系统复杂度和成本，因此更加适合部署在实际的光载射频链路中。
附图说明
图1为低复杂度的相干检测光载射频链路方法的原理图：
图1(a)为本RoF链路总的原理图；
图1(b)为DSP单元的详细处理过程；
图2为信号在不同输出阶段的频谱：
图2(a)为90度光耦合器的上两个输出经过BPD1检测之后得到的I(t)路的频谱，图中箭头指向的为频率范围为3.94GHz到3.95GHz的局部放大图；
图2(b)为在数字域分离出来的强度调制IM通道的频谱，图中箭头指向的为IM信号由于激光器相位波动引起的环形星座图；
图2(c)为在数字域分离出来的相位调制PM通道的频谱，图中箭头指向的为PM信号由于激光器相位波动引起的环形星座图；
图2(d)为通过处理还原出来的强度调制IM通道信号的频谱，箭头指向为将IM信号解调得到的EVM为3.53％时的星座图；
图2(e)为通过处理将相位调制PM通道的相位波动消除后得到的频谱，箭头指向为将PM信号解调得到的EVM为3.15％时的星座图。
图3为不同接收光功率下接收信号的EVM曲线图：
图3(a)为强度调制信号在不同接受光功率下的接收信号EVM曲线图，正方形符号点划线为IM通道经过背靠背BTB传输得到的EVM曲线图，星形符号点划线为IM通道经过25km光纤传输得到的EVM曲线图，箭头指向为对应各点处的星座图；
图3(b)为相位调制信号在不同接受光功率下的接收信号EVM曲线图，正方形符号点划线为PM通道经过背靠背BTB传输得到的EVM曲线图，星形符号点划线为PM通道经过25km光纤传输得到的EVM曲线图，箭头指向为对应各点处的星座图。
图4为IM和PM通道分别传输64-QAM信号时接收到的信号的星座图：
图4(a)为BTB传输时IM通道的星座图，此时信号EVM为4.19％；
图4(b)为BTB传输时PM通道的星座图，此时信号EVM为5.19％；
图4(c)为经过25km光纤传输时IM通道的星座图，此时信号EVM为4.05％；
图4(d)为经过25km光纤传输时IM通道的星座图，此时信号EVM为5.88％。
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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
图1为本发明的原理图。包括激光器LD、矢量信号源、180度电耦合器、双平行马赫增德尔调制器DP-MZM、单模光纤SMF、偏振控制器PC、90度光耦合器QOH、平衡探测器BPD、模数转换器ADC，其中DP-MZM内部共集成三个马赫增德尔调制器MZM，其中两个子调制器MZM1、MZM2内嵌在主调制器中。第一激光器LD1输出的连续光载波进入到DP-MZM，射频电信号RF1经过180度电耦合器分为两路后输入到DP-MZM的子调制器MZM1的两个射频输入端口，射频电信号RF2分为两路输入到DP-MZM的子调制器MZM2的两个射频输入端口，随后DP-MZM输出的光信号经过25km SMF传输后经过第一偏振控制器PC1后输入QOH的上输入端口，第二激光器LD2输出的连续光载波经过第一偏振控制器PC2后输入QOH的下输入端口，然后QOH的上面两个输出端口连接到第一平衡探测器BPD1，QOH的下面两个输出端口连接到第二平衡探测器BPD2，BPD1和BPD2输出的电信号同时输入ADC，最后进行数字信号处理并显示其频谱、时域波形、EVM等信息。
本实例中，具体包括以下步骤：
步骤一：第一激光器LD1产生功率为13.26dBm、波长为1552.131nm的连续光波，该连续光波作为载波输入到DP-MZM调制器
步骤二：第一矢量信号源RF1输出载频为3GHz，符号速率为50Mbps的16-QAM宽带信号，第二矢量信号源RF2输出载频为2GHz，符号速率为50Mbps的16-QAM宽带信号；射频电信号RF1经过180度电耦合器后分为两路输入到DP-MZM的子调制器MZM1的两个射频输入端口，射频电信号分RF2为两路输入到DP-MZM的子调制器MZM2的两个射频输入端口，调整直流偏置电压，使得MZM1工作在正交点QTP，MZM2工作在最大点MATP，主调制器工作在最小点MITP，此时载波得到抑制。
步骤三：DP-MZM调制器输出的信号经过25千米SMF、PC1后接入到QOH的上输入口，第二激光器LD2作为本振激光器，产生功率为6.6dBm、波长为1552.099nm的连续光波，经过PC2后输入到QOH的下输入口。
步骤四：调节PC1和PC2使信号光载波和本振光载波LO的偏振方向对齐，QOH的上面两个输出端口连接到第一平衡探测器BPD1，QOH的下面两个输出端口连接到第二平衡探测器BPD2，将上BPD1的输出I(t)和下BPD2的输出Q(t)接入ADC进行采样，ADC采样率设置为20Gsa/s。
步骤五：在数字域进行信号处理，首先ADC采样I(t)得到的I路信号分为两路，上路信号经过数字带阻滤波器BSF滤除相位调制信号边带得到I路强度调制信号IIM，下路信号经过BSF滤除强度调制信号边带得到I路相位调制信号IPM，ADC采样Q(t)得到的Q路信号分为两路，上路信号经过BSF滤除相位调制信号边带得到Q路强度调制信号QIM，下路信号经过BSF滤除强度调制信号边带得到Q路相位调制信号QPM，此处带阻滤波器均为3-dB带宽为600Mhz的巴特沃斯滤波器，然后以IIM作为复数实部、QIM作为复数虚部合成强度调制IM通道信号，IPM作为复数实部、QPM作为复数虚部合成相位调制PM通道信号，完成了对强度调制信号和相位调制信号的分离，然后对IM通道信号的复数取模值并平方后，复原出原始信号RF1,同时对IM通道信号的复数取角得到两个激光器LD1与LD2之间的相位噪声估计值PN，使用PM通道信号的复数取角后的值减去PN后，即可消除PM通道的相位噪声，复原出原始RF2，最后对RF1和RF2进行QAM信号的解调，画出信号的星座图并计算EVM。
步骤六：调整第一激光器LD1的输出功率，分别测量IM通道和PM通道在相干接收机接收到不同光功率情况下的EVM来评估传输性能。
步骤七：为了探究此实例的传输潜力，将步骤二中信号的调制格式从16-QAM换成64-QAM，重复步骤二到五。
图3为不同接收光功率下IM通道信号和PM通道信号的EVM曲线图，此系统在-36.8dBm的低接收功率下，IM通道和PM通道信号的星座图仍然清晰可见，表明此系统具有优良的传输性能。图4为IM和PM通道分别传输64-QAM信号时接收到的信号的星座图，调制器输出的光信号经过25公里的SMF传输后，相干接收机接收到的光功率为-14.8dBm时，IM信道和PM信道的EVM分别为4.05％和5.88％，验证了此系统的传输潜力。
综上，本方案基于相干检测实现了高谱利用率且结构简单的光载射频链路。本方案在链路发射端通过DP-MZM在单光载波上对强度和相位同时进行了不同频率的调制，在未进行偏振复用的情况下实现了双通道的射频信号传输，提高了光谱利用率且操作简单。同时本方案在接收端使用了相干检测方式，对于传输的双通道的射频信号，只使用一个光混频器并使用数字滤波器对双通道的信号进行分离，避免了使用两个光混频器和使用复杂的相位波动消除算法。最后本方案保持相干探测链路优点的同时降低了系统复杂度和成本，更加适合部署在实际的光载射频链路中。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的一个实施例而已，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变形和替换，光波长、光功率大小、射频电信号的功率大小、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 (1)

1.一种低复杂度相干检测光载射频链路的方法，包括激光器LD、矢量信号源、180度电耦合器、双平行马赫增德尔调制器DP-MZM、单模光纤SMF、偏振控制器PC、90度光耦合器QOH、平衡探测器BPD、模数转换器ADC，其中DP-MZM内部共集成三个马赫增德尔调制器MZM，其中两个子调制器MZM1、MZM2内嵌在主调制器中；其特征在于，第一激光器LD1输出的连续光载波进入到DP-MZM，射频电信号RF1经过180度电耦合器分为两路后输入到DP-MZM的子调制器MZM1的两个射频输入端口，射频电信号RF2分为两路输入到DP-MZM的子调制器MZM2的两个射频输入端口，调整直流偏置电压，使得MZM1工作在正交点QTP，MZM2工作在最大点MATP，主调制器工作在最小点MITP，产生载波抑制的强度和相位混合调制的信号，随后DP-MZM输出的光信号经过25km SMF传输后经过第一偏振控制器PC1后输入QOH的上输入端口，本振激光器LD2输出的连续光载波LO经过第二偏振控制器PC2后输入QOH的下输入端口，通过PC1和PC2调节两路光信号的偏振对齐，然后QOH的上面两个输出端口连接到第一平衡探测器BPD1，QOH的下面两个输出端口连接到第二平衡探测器BPD2，BPD1输出的电信号I(t)和BPD2输出的电信号Q(t)同时输入ADC，通过ADC采样转化为数字域信号，在数字信号处理DSP过程中，ADC采样I(t)得到的I路信号分成两路，上路信号经过数字带阻滤波器BSF滤除相位调制信号边带得到I路强度调制信号IIM，下路信号经过BSF滤除强度调制信号边带得到I路相位调制信号IPM，ADC采样Q(t)得到的Q路信号分为两路，上路信号经过BSF滤除相位调制信号边带得到Q路强度调制信号QIM，下路信号经过BSF滤除强度调制信号边带得到Q路相位调制信号QPM，随后IIM作为复数实部、QIM作为复数虚部合成强度调制IM通道信号，IPM作为复数实部、QPM作为复数虚部合成相位调制PM通道信号，完成对强度调制信号和相位调制信号的分离，然后对IM通道信号的复数取模值并平方后，复原出原始信号RF1，同时对IM通道信号的复数取角得到两个激光器LD1与LD2之间的相位噪声估计值PN，使用PM通道信号的复数取角后的值减去PN后，即可消除PM通道的相位噪声，复原出原始信号RF2，最后对RF1和RF2进行相应的解调。
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