CN116155386A - 融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4 RoF-FSO系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4RoF‑FSO系统，该系统采用偏振复用和四阶脉冲幅度调制方式在发射端产生偏振复用PAM4信号，将该信号以10Gbit/s的速率通过25km的单模光纤和100mFSO信道传输，并测试了偏振复用RoF‑FSO系统的传输特性和接收机灵敏度。测试结果表明，10Gbit/s偏振复用PAM4信号在25km SMF‑28和100m FSO信道传输后的接收眼图清晰可见，信号接收质量较好，在误码率为10‑3情况下，测得经偏振解复用后解调还原的两路数据信号的最佳判决点分别为0.5bit和0.46bit。该系统支持传统光纤传输系统和FSO通信系统的集成接入，能够进一步增加系统带宽，增强系统传输的稳定性，改善大气湍流对FSO传输系统的影响，避免了光缆难以在复杂地形下敷设的缺点。
Description
技术领域
本发明属于光通信网络中的光接入系统领域，用于提升融合光纤链路和FSO自由空间信道接入系统的传输容量和提高相关接入系统的应用范围。
背景技术
随着信息时代多种类接入业务的迅速发展，人们对高速、高带宽、高度灵活的通信接入系统的需求越来越大。FSO通信具有实现自由、安装方便、安全可靠、带宽高等优点，被认为是下一代高速无线通信技术的解决方案。操作上更加简便，通信传输成本更低，适用性更加灵活。FSO的便捷性，为用户带来更加安全稳定的信息传输体验。特别是在远程、长距离通信时，基本上能够做到实时同步。但由于在自由空间中传输会受到大气湍流的影响，传输过程中容易受到干扰，通信信号不稳定现象常常发生，出现信号丢失的情况也并不少见。为了改善以上情况，引进了ROF技术。RoF既可以发挥光通信系统大带宽接入的应用优势，又可以实现一定区域内无线宽带信号的高速率接入。但实体光缆线路铺设的成本较高，在有线通信技术继续更新发展的过程中会消耗更多的人力物力财力。其次是光纤通信可能会受到空间因素的影响，其收发机往往处在固定区域，自身灵活性不强，不易根据需要而自由移动，且无法实现无需光纤的自由空间无线通信。因此，考虑到FSO系统的兼容性，将FSO与ROF技术结合，既可以发挥光通信系统大带宽接入的应用优势，又可以实现一定区域内无线宽带信号的高速率接入，能够降低光纤铺设的成本，减小大气湍流对通信信号的影响，使传输更加稳定，保密性和安全性得到加强。偏振复用系统结构简单，能够使传输容量翻倍，提高频谱利用率。为了进一步提高传输系统的性能，将偏振复用技术与四阶脉冲幅度调制技术相结合，实现更大的传输容量和更高的传输速率。
发明内容
本发明为解决以上的问题，设计了融合光纤链路和自由空间光通信信道的偏振复用四阶脉冲幅度调制RoF-FSO系统。该系统采用偏振复用技术和四阶脉冲幅度调制方式在发射端产生偏振态PAM4信号，并将该信号以10Gbit/s的速率通过25km单模光纤(SMF-28)和100m自由空间无线光通信(FSO)信道传输，相较于传统接入系统方案，测试结果证明：本发明提出的偏振复用四阶脉冲幅度调制RoF-FSO系统传输后接受质量良好，在误码率为10-3的情况下PAM4信号1和PAM4信号2的接收功率分别为-21.19dBm和-21.10dBm。该专发明方案为特殊地区宽带无线光接入问题在一定程度提供了备选解决方案，技术上切实可行。
为此，本发明采用的技术方案是，融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4RoF-FSO系统，包括两台光载波源生成装置、第一偏振分束器、偏振合束器、两台马赫曾德尔调制器、光耦合器、光纤、自由空间光通信装置、第二偏振分束器、光电检测器和准喇叭天线；
其中，所述两台光载波源生成装置发出相互独立的连续波激光CW1光信号和CW2光信号；CW1光信号经过第一偏振分束器后，被分为两束偏振方向相互正交的分光束；两路分光束分别由PAM4电信号驱动单臂马赫曾德尔调制器调制后，经偏振合束器合成一束偏振光输出；由3dB光耦合器将调制后的偏振光与另一路CW2光信号耦合；通过光纤传输后经自由空间光通信装置进入自由空间光通信信道传输；然后进入第二偏振分束器将接收到的信号分成相互正交的两路光信号，两路光信号的光边带分别在光电探测器中发生拍频效应生成毫米波，由标准喇叭天线实现毫米波信号的发送与接收；利用自混频解调对接收到的毫米波信号进行解调通过低通滤波器和3R再生器恢复PAM4信号。
进一步，所述光载波源生成装置选用外腔激光器(external cavity laser，ECL)。
进一步，所述自由空间光通信装置包括激光信号发射器和激光信号接收器，在激光信号发射器和激光信号接收器上均设置有红外校准器，激光信号发射器将光纤内传输的信号以激光的形式发送，并在自由空间光通信信道中传输，再由激光信号接收器接收。
进一步，所述激光信号接收器的后端连接掺饵光纤放大器，用于补偿光信号在光纤中的衰减。
进一步，所述自由空间光通信装置的信道衰减系数为10dB/km，收发镜头孔径值为5cm，光束发散度为0.25mrad。
本发明基于上述系统还提供了一种融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4 RoF-FSO系统的调制方法，包括调制步骤，第一外腔激光器发出CW1光信号，然后经过偏振分束器分为两束偏振方向相互正交的分光束，两路分光束分别由传输数据为10Gbit/s的PAM4电信号驱动单臂马赫曾德尔调制器调制后，经偏振合束器合成一束偏振光输出，由3dB光耦合器将调制后的偏振光与第二外腔激光器发出CW2光信号耦合。
解调步骤，第二偏振分束器将接收到的信号分成相互正交的两路光信号，两路光信号的光边带分别在光电探测器中发生拍频效应生成毫米波，由标准喇叭天线实现毫米波信号的发送与接收；利用自混频解调技术对接收到的毫米波信号进行解调，通过低通滤波器和3R再生器恢复PAM4信号。
进一步，所述第一外腔激光器和第二外腔激光器发出光信号为相互独立的连续波激光信号。
本发明的测试结果表明，10Gbit/s偏振复用PAM4信号在25km SMF-28和100m FSO信道传输后的接收眼图清晰可见，信号接收质量较好，在误码率(BER)为10-3情况下，测得经偏振解复用后解调还原的两路数据信号的最佳判决点分别为0.5bit和0.46bit。该系统采用频谱效率高的偏振复用PAM4下行信号，支持传统光纤传输系统和FSO通信系统的集成接入，能够进一步增加系统带宽，增强系统传输的稳定性，改善大气湍流对FSO传输系统的影响，避免了光缆难以在复杂地形下敷设的缺点，是一种具有潜在应用价值的新型宽带接入方案。
本发明将RoF技术融合于FSO系统，实现了光纤链路与自由空间信道相结合的传输方式，同时实现了宽带的有线接入和更高速的无线接入；并采用偏振复用技术与四阶脉冲幅度调制技术，不同于以往的单偏振技术，设计了一种双偏振的传输系统，大大提高了系统的传输容量。该方案能够降低单比特信息传输成本并最大程度的提升通信带宽，同时还可抑制大气湍流对FSO链路信号传输的影响。
附图说明
图1为本发明中光接入系统框图；
图2为本发明中偏振态PAM4信号传输前后的时域图；
图3为本发明中偏振态PAM4信号传输前后的光谱图；
图4为本发明中偏振态PAM4信号传输前后的电谱图；
图5为本发明中传输后两路数据的Q因子和比特周期关系曲线图以及BER为10-3的眼图；
图6为本发明中和偏振态PAM4信号BER与接收功率关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例。
图1为本发明的系统框图。本发明采用两台外腔激光器ECL1，ECL2发出相互独立的连续波激光CW1光信号和CW2光信号，CW1光信号经过偏振分束器PBS1后，被分为两束偏振方向相互正交的分光束，两路光束分别由传输数据为10Gbit/s的PAM4电信号1与电信号2驱动单臂马赫曾德尔调制器MZM1，MZM2调制后，经偏振合束器PBC合成一束偏振光输出。通过3dB光耦合器，被调制后的光载波与CW2光信号耦合成一路光信号在光纤链路和自由空间光通信信道中传输。设置FSO信道衰减系数为10dB/km，收发镜头孔径值为5cm，光束发散度为0.25mrad，光纤链路长度设置为25km的单模光纤，自由空间信道长度预设为100m。由于光信号在融合光纤与自由空间信道中传输后功率会发生不同程度的衰减，所以需要掺铒放大器EDFA对光信号进行功率补偿。在接收端，偏振分束器PBS2将接收到的信号分成相互正交的两路光信号，每一路传输光信号的光边带在光电探测器PIN1/PIN2中发生拍频效应生成60GHz毫米波，由标准喇叭天线实现毫米波信号的发送与接收。采用自混频检测技术对接收到的毫米波信号进行解调，通过低通滤波器LPF以及3R再生器恢复PAM4信号1与信号2。由于没有采用本地振荡器，则进一步降低了整体成本。
时域波形测试结果如附图2所示，其中图(a)和图(b)分别为光纤传输前PAM4信号1与信号2的时域波形图，图(c)和图(d)分别为传输后接收端输出PAM4信号1与信号2的时域波形图。由于FSO链路中发射望远镜和接收望远镜的啁啾效应和插入损耗，接收光功率降低。时域波形均表现出轻微的相位变化。振幅有一定的失真，但不影响信号的传输。
光谱测试结果如附图3所示，其中图(a)为传输前的光谱图，图(b)为经过光纤链路传输后的光谱图，图(c)为经过自由空间光通信信道传输后的光谱图。图中中心频率为193.1T的光信号由CW1经过调制产生，中心频率为193.16T的光信号CW2由ECL2产生，频率间隔为60GHz。无波长偏移现象，无明显色散现象，证明了该接入系统的频率稳定性非常好。由于自由空间光通信链路受到大气湍流的严重影响，在自由空间链路传输后系统的功率衰减更为严重。因此，在FSO传输后，接收光功率明显降低。
频谱测试结果如附图4所示，其中图(a)和图(b)分别为光纤传输前PAM4信号1与信号2的射频频谱图，图(c)和图(d)分别为传输后接收端输出PAM4信号1与信号2的射频频谱图。由于比特传输速率为10Gbit/s，因此PAM4信号的主瓣带宽约为5GHz。主瓣和副瓣的能量有不同程度的衰减，且副瓣的衰减比主瓣更严重。但由于频带能量主要集中在主瓣上，这种衰减对信号影响不大。
附图5(a)和(b)为接收端输出PAM4信号1与信号2的Q因子和比特周期关系曲线图，图(c)和图(d)为接收端输出PAM4信号1与信号2的BER为10-3的眼图。输出信号的Q值表现良好，对应接收信号的最佳判决点分别为0.5bit和0.46bit。由于在传输过程中存在不可避免的信号光信噪比劣化过程，我们在实际工程应用中必须在1比特信号周期内选择最佳解调判决点来实现最优判决检测，以更好地恢复原始发送数据。接收到的眼图依然清晰，眼开度良好。
附图6为接收端输出PAM4信号在背对背传输(方点表示信号1，圆点表示信号2)与集成光纤链路与自由空间光通信信道传输(正三角表示信号1，倒三角表示信号2)的BER与接收功率关系曲线图。光PAM4信号1和PAM4信号2在背对背情况下的接收功率分别为-22.35dBm和-22.55dBm(误码率为10-3)；在25km SMF-28和100m FSO信道传输后，PAM4信号1和PAM4信号2的接收功率分别为-21.19dBm和-21.10dBm(误码率为10-3)，偏分解复用后两路接收信号的误码性能相似。证明该信号能显著改善信号经长距离传输后的接收质量，两路信号的接收灵敏度分别为1.16dB和1.45dB，可在实际接入系统中得到应用。
Claims (7)
1.融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4 RoF-FSO系统，其特征在于：包括两台光载波源生成装置、第一偏振分束器、偏振合束器、两台马赫曾德尔调制器、光耦合器、光纤、自由空间光通信装置、第二偏振分束器、光电检测器和准喇叭天线；
其中，所述两台光载波源生成装置发出相互独立的连续波激光CW1光信号和CW2光信号；CW1光信号经过第一偏振分束器后，被分为两束偏振方向相互正交的分光束；两路分光束分别由PAM4电信号驱动单臂马赫曾德尔调制器调制后，经偏振合束器合成一束偏振光输出；由3dB光耦合器将调制后的偏振光与另一路CW2光信号耦合；通过光纤传输后经自由空间光通信装置进入自由空间光通信信道传输；然后进入第二偏振分束器将接收到的信号分成相互正交的两路光信号，两路光信号的光边带分别在光电探测器中发生拍频效应生成毫米波，由标准喇叭天线实现毫米波信号的发送与接收；利用自混频解调对接收到的毫米波信号进行解调通过低通滤波器和3R再生器恢复PAM4信号。
2.根据权利要求1所述融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4RoF-FSO系统，其特征在于：所述光载波源生成装置选用外腔激光器。
3.根据权利要求1所述融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4RoF-FSO系统，其特征在于：所述自由空间光通信装置包括激光信号发射器和激光信号接收器，在激光信号发射器和激光信号接收器上均设置有红外校准器，激光信号发射器将光纤内传输的信号以激光的形式发送，并在自由空间光通信信道中传输，再由激光信号接收器接收。
4.根据权利要求3所述融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4RoF-FSO系统，其特征在于：所述激光信号接收器的后端连接掺饵光纤放大器。
5.根据权利要求1-4任一项所述融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4 RoF-FSO系统，其特征在于：所述自由空间光通信装置的信道衰减系数为10dB/km，收发镜头孔径值为5cm，光束发散度为0.25mrad。
6.融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4 RoF-FSO系统的调制方法，其特征在于：包括调制步骤，第一外腔激光器发出CW1光信号，然后经过偏振分束器分为两束偏振方向相互正交的分光束，两路分光束分别由传输数据为10Gbit/s的PAM4电信号驱动单臂马赫曾德尔调制器调制后，经偏振合束器合成一束偏振光输出，由3dB光耦合器将调制后的偏振光与第二外腔激光器发出CW2光信号耦合；
解调步骤，第二偏振分束器将接收到的信号分成相互正交的两路光信号，两路光信号的光边带分别在光电探测器中发生拍频效应生成毫米波，由标准喇叭天线实现毫米波信号的发送与接收；利用自混频解调技术对接收到的毫米波信号进行解调，通过低通滤波器和3R再生器恢复PAM4信号。
7.根据权利要求6所述融合光纤链路和自由空间信道的偏振复用PAM4RoF-FSO系统的调制方法，其特征在于：所述第一外腔激光器和第二外腔激光器发出光信号为相互独立的连续波激光信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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