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无线传感器网络
Wireless Sensor Network 基于单个马赫曾德尔调制器产生射频光 ■ 袁喆1 刘开贤1 陈新桥2（1.中国传媒大学 数据科学与智能媒体学院 北京 100024）
（2.中国传媒大学 信息与通信工程学院 北京 100024）
光残留边带（ｏｐｔｉｃａｌ ｖｅｓｔｉｇｉａｌ ｓｉｄｅｂａｎｄ，ＯＶＳＢ）既可克服光双边带（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｏｕｂｌｅ－ｓｉｄｅｂａｎｄ，ＯＤＳＢ）散问题，又可解决光单边带（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｎｇｌｅ－ｓｉｄｅｂａｎｄ，ＯＳＳＢ）信噪比低的问题，是光载射频（Ｏｐｔｉｃａｌ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＯＦ）技术中的一种高效的调制方案。本文提出了采用单个马赫－曾德尔调制器（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，ＭＺＭ）产生ＯＶＳＢ的方法。通过控制注入到ＭＺＭ的射频（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）端口的两个ＲＦ信号间的相移，可得到不同边带比（Ｓｉｄｅｂａｎｄ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ，ＳＳＲ）的ＯＶＳＢ信号。分析了ＭＺＭ产生ＯＶＳＢ的原理，采用ｏｐｔｉｓｙｓｔｅｍ光子模拟软 件，设计出来了一种基于ＭＺＭ产生ＯＶＳＢ的结构，仿真得到了不同相移情况下的ＯＶＳＢ 光谱图，验证了方法的可行性。该方法结构简单，成本低廉，ＳＳＲ调节灵活，可降低ＲＯＦ系统的成本，提高系统性能。
电炉配料Optical vestigial sideband (OVSB) can overcome the optical double-sideband (ODSB) dispersion problem, and can also solve the low optical single-sideband (OSSB) The problem is an efficient modulation scheme in Optical Radio Frequency (ROF) technology. This paper proposes a method for generating OVSB using a single Mach-Zehnder Modulator (MZM). By controlling the phase shift between two RF signals injected into the radio frequency (RF) port of the MZM, OVSB signals with different sideband ratios (SSR) can be obtained. The principle of OVSB generated by MZM was analyzed, and a structure for generating OVSB based on MZM was designed by using optisystem photon simulation software. The OVSB spectra of different phase shifts were obtained by simulation, and the method was verified to be feasible. The method has a simple structure, low cost, and flexible SSR adjustment, which can reduce the cost of the ROF system and improve system performance.
光载射频技术（ＲＯＦ） 马赫－曾德尔调制器（ＭＺＭ） 光残留边带（ＯＶＳＢ） 光双边带（ＯＤＳＢ） 光单边带（ＯＳＳＢ） 边带比（ＳＳＲ）optical carrier radio frequency (ROF); Mach-Zehnder modulator (MZM); optical residual sideband (OVSB); optical double sideband (ODSB); optic
al single sideband (OSSB); sideband ratio (SSR)
Doi:10.3969/j.issn.1673-5137.2019.06.007
摘 要Abstract
关键词Key Words
０． 引言
R O F 技术无线接入网的一项重要技术，它是采用光纤来实现RF的长距离的传输技术，一般通过外调制器，用RF信号调制光载波来实现[1]。用RF信号直接调制光载波，产生ODSB。对于ODSB信号，由于光纤的散（chromatic dispersion,CD），ODSB的两个边带以不同的速度在光纤中传播，在将导致光边带与光载波间相对相位会随着传输距离的变化而变化，导致经光检测器后测到的RF信号功率呈现周期性衰落[2]。为了克服
ODSB因光纤散导致的周期性衰落问题，提出了OSSB 和载波抑制光双边带（carrier suppressed double sideband,CS-DSB）调制方案。在CS-DSB调制中，接收到的RF信号经历了频率和相位的倍乘，不能传输矢量信号，因此在发射端要对RF信号进行分频，这使得发射机结构复杂。OSSB可克服CS-DSB的频谱和相位倍频问题，但由于其信号中含有比较强的直流份量，这会导致SNR 的严重下降。
在OSSB中，调制器只有在高调制指数情况下才能得到高的载波边带比（carrier-to-sideband
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ratio,OCSR），高调制指数会导致调制器的非线性效应
明显，引起调制系统性能的下降。OVSB 是在ODSB中保留
一个边带全部和另一个边带的一部分的一种调制方法，
它可有效克服ODSB的散问题，有能解决CS-ODSB不能传
3d涂鸦笔矢量信号问题，还能克服OSSB的信噪比（signal noise
ratio,SNR)的问题，是ROF中一种性价比高的调制技术。
传统的OVSB产生的方法是采用残留边带滤波器对
ODSB信号的一个边带进行滤波得到，生成的OVSB信号
受光滤波器的影响。文献提出了采用M Z M级联调相器
（Phase Modulator,PM）产生OVSB方法，首先利用MZM 产生ODSB信号，然后利用PM产生合适的OVSB信号。文献提出采用两个MZM级联产生OVSB的方法。文献提出利用半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier，SOA）的非线性产生OVSB的方法。以上提出的各种方法，要么采用光滤波器，要么需要PM，要么需要两个MZM，导致系统结构复杂，成本高昂。为了进一步降低光生OVSB 的成本，本文提出基于单个MZM产生OVB的方法，对生成原理进行数学分析，采用optisystem仿真软件设计出了一个产生OVSB系统。
１． 基于ＭＺＭ产生ＯＶＳＢ原理分析
如图1所示，从信号发生器产生光载波，RF信号通过一个功分器分成两路，其中一路接一个相移器，分别加在MZM的两个RF输入端口，MZM的两直流偏置电压输入端口分别接直流偏置电压。
相移器的相位量为φ，光载波和RF调制信号角频率分别为ω0和ωm，设直流偏置电压为V dc，半波电压为Vπ，RF信号幅值为V m，归一化偏置电压为γ=V dc /Vπ，归一化调制信号幅值为η=V m /Vπ。MZM的输出光场为
（1）
设m=ηπ，采用Jacobi-Anger恒等式，对上式进行展开，得到
（2）
从（2）可见，MZM输出光场中含0，±1，±2…±n阶边带，其中n阶边带的幅值为，可通过设置其中的γ和φ，得到不同的光边带幅值。
对于γ而言，MZM作为光调制器，其直流偏置点一般设置在其传输特性曲线的线性区中点，也就是正交偏置点（QBP），这时V dc=Vπ /2，即γ= 1/2。
图1：MZM产生边带信号原理图
对于φ而已，φ的取值范围在φ=0～π，φ=π～2π区间只是边带相位相反。根据φ不同取值，可得到ODSB、OSSB、OVSB的不同边带调制格式。锯末板
当φ=π时，有，产生ODSB边带信号。
当φ=π/2，有，n=-1，3，-5…阶边带消失。由于J n(m)的值随n的增大迅速衰减，如果忽略2阶以上的边带，则产生+1阶的OSSB边带信号。
用电信息采集当φ≠π/2，π，，则产生OVSB边带信号，如果忽略2阶以上的边带，则得到±1阶
边带为的O V S B信号，其边带比为
，控制相移量φ的数值，得到不同SSR的OVSB 边带信号。
２． 仿真实验
图2：采用optisystem搭建的产生OVSB结构图
指纹挂锁图2为用optisystem软件搭建的单MZM产生OVSB的结构图。图中，连续波二极管发出波长λ
=1552.52nm，线宽为10MH Z，MZM的半波电压Vπ=4V，插入损耗为5dB，射频信号RF为频率为10GH Z的正弦信号。
图3为得到的相移量分别为15°，30°，45°，60°，75°不同情况下得到的MZM输出信号的光谱图，如子图（a）、子图（b）、子图（c）、子图（d）、子图
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（e）。可见，+1阶边带的功率随相移量的变化相对比较小。而-1阶边带信号的功率随着相移量的增加而逐渐减少。超过90°后，随相移量的增加，-1阶边带的功率会逐渐增加。
（a）φ=15° （b）φ=30°
（c）φ=45° （d）φ=60°
（e）φ=75°
图3：不同相移情况下得到的MZM输出信号的光谱图
为了定量分析-1阶边带功率随相移量变化的关系，通过参数扫描，得到-1阶边带信号功率与相移量变化的曲线。从图可见，随着相移量的增加，-1阶边带功率逐渐下降，SSR逐渐提高，当相移量接近90°时，-1阶边带功率接近为0，这技术OSSB信号。当相移量超过90°后逐渐增加时，-1阶边带功率逐渐增加，SSR就逐渐减少，当相移量接近180°时，-1阶边带功率达到最大值，接近+1阶边带功率值，这就是ODSB信号。从此可见，只有控制相移量，即可得到OSSB、ODSB和OVSB信号，有可得到不同SSR值的OVSB信号。
卤素管取暖器图4：OVSB的-1阶边带信号功率随相移量的变化曲线
３． 总结
采用单个双驱动马赫——曾德尔调制器（MZM），通过调节注入其两个RF端口的两路输入信号见的相位差，可产生不同SSR的OVSB信号。分析了其工作原理，采用optisystem 仿真，验证了该方案的可行性。本文所提光生OVSB的方案主要优点体现在：只采用单MZM调制器，不需要光滤波，结构简单，成本低廉；通过调节相移量，可方便得到不同的SSR
的OVSB信号，同时还可ODSB、OSSB信号，体现该方法灵活。
本文所提OVSB方案，有效克服ODSB的散问题，提高OSSB的
SNR，进一步降低ROF系统成本。
参考文献
[1] Harjula I,Hiivala M,Prabhu V U ,et al.Next generation wireless communications using radio over fiber[M].John Wiley & Sons,Ltd,2012.
[2] Gliese U, Norskov S, Nielsen T N.Chromatic dispersion in fiber-optic microwave and millimeter-wave links[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,1996,44(10):1716-1724.
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