第44 卷第5 期红外与激光工程2015 年5 月Vol.44 No.5 Infrared and L aser Engineering May 2015
张建明，娄淑琴，曾璐璐
(北京交通大学电子信息工程学院，北京100044)
摘要院提出了一个新的全双工光载无线通信链路模型。方案的下行链路采用两个马赫曾德尔调制器级联以产生六倍频毫米波；采用单边带调制，有效防止了码元走离现象，提高了传输距离；上行链路复用了下行链路中的一阶光边带以作为上行基带信号的载波，从而无需在中额外配置激光源； 采用延时零拍法解调，减少了对毫米波本地振荡器的需求，降低了系统的成本。仿真结果表明，所提出的全双工模型中，仅用10GHz频率的调制信号就能产生60GHz的毫米波，大大降低了调制信号频率，且下行链路传输距离可达250km，而上行链路传输距离大于300km。
关键词院全双工链路模型；六倍频；级联；延时零拍法
中图分类号院TN929.11文献标志码院A文章编号院1007-2276(2015)05-1598-07
A sc h e m e of f u ll鄄dup lex r ad io ove r fi b e r li nk
m o d el
Zhang Jianming,Lou Shuqin,Zeng Lulu
(School o f E lectronic a nd Information E ngineering, B eijing Jiaotong U niversity, B eijing 100044, C hina)
A b s tr a c t:A new full鄄duplex radio over fiber link model was proposed in this paper.For the down link,
two mach鄄zehnders modulator cascaded were employed to generate sextupling鄄frequency millimeter wave; the single side鄄band modulation was used to overcome the walk鄄off effect,thereby the transmission distance was effectively improved.In the meanwhile,the first order sideband was employed as the carrier of uplink baseband signal and thus the requirement of additional laser source was eliminated.
Furthermore, self鄄homodyning demodulation method was adopted to avoid the need of local oscillator, thereby the cost of system was reduced.Numerical result shows that the proposed full鄄deplex model can produce60GHz millimeter wave by only using10GHz modulated signal.The transmission distance for down link can reach250km and that for the up link is more than300km.
K ey w ord s:full鄄duplex link model;sextupling鄄frequency;cascaded;self鄄homodyning
收稿日期院2014-09-11曰修订日期院2014-10-13 基金项目院国家自然科
学基金(61177082)曰北京市自然科学基金(4122063)
作者简介院张建明(1989-)袁男袁硕士生袁主要从事ROF 技术和毫米波产生技术方面的研究遥Email:*****************
导师简介院娄淑琴(1965-)袁女袁教授袁博士生导师袁博士袁主要从事光纤传感尧全光网络关键技术研究遥 Email:shqlou@bjtu.edu
0 引言
光载无线通信(radio over fiber袁ROF)技术是应高速大容量无线通信需求而发展起来的将光纤通信和无线通信结合起来的无线接入技术遥在全双工ROF系统中袁光毫米波的产生是关键技术之一遥根据调制检测技术的不同袁主流的光生毫米波技术有3种院直接调制法袁外部调制法[1 -2] 以及光外差法[3-4]遥在这些技术中袁由于外部调制法可以产生更纯净的毫米波袁形成更稳定的系统而成为最受关注的毫米波产生技术遥利用单个MZM来产生耗与成本变高袁参考文献[12-14]通过复用下行链路中的光载波以省去中的激光源遥此外传统的全双工ROF链路在解调方式上通常是采用相干解调的袁这样在和
用户端都需要毫米波本地振荡器袁以分别解调上行链路与下行链路中的毫米波信号遥参考文献[15-16]在解调方式上袁利用延时零拍法取代相干解调以恢复基带信号袁从而节省了毫米波本振遥
然而以往的参考文献中并没有提到如何能够同时解决产生稳定的高倍频毫米波尧增大传输距离尧尽可能地减少系统成本这三个关键问题遥文中正是面向高效低成本的全双工ROF链路技术的研究需求袁提出了一个基于双MZM级联的全双工ROF链路模
毫米波[5]袁倍频系数低袁而利用两个或者多个MZM
袁
型遥利用两个MZM级联袁将一个MZM偏置在最
则可以产生高倍频的毫米波袁参考文献[6]提出了一种利用两个MZM级联而产生六倍频的方案遥参考文献[7]对参考文献[6]的六倍频毫米波产生技术进行进一步的优化袁利用高斯光带通滤波器置于两个级联的MZM之间袁抑制不需要的光边带遥参考文献[8] 利用一个光相位偏移器连接两个MZM袁通过精心调节调制系数袁产生两个四阶边带分量袁最终产生八倍频的毫米波遥然而参考文献[6-8]仅仅分析了ROF 的下行链路袁且基带信号同时调制在两个光边带上袁参考文献[9]指出当基带信号同时调制在两个光边带时袁码元走离现象就会较显著袁从而限制了传输距离遥可以通过将基带信号只调制在一个光边带上以克服码元走离[10-11]遥
ROF的系统成本也是需要关注的一个问题袁在传统的全双工ROF链路中袁每一个都需要有一个激光源来调制上行基带信号袁这就使得的能大传输点上袁另一个偏置在最小传输点上遥通过精心设置这两个MZM各自的调制系数袁使输出只保留一阶和三阶边带袁利用两个三阶边带拍频产生六倍频毫米波袁提高倍频系数曰将基带信号调制在其中一个三阶边带上袁从而克服散引起的码元走离现象袁增大了传输距离曰上行链路复用下行链路中的一阶边带作为上行链路基带信号的光载波袁节省了中的激光源曰利用延时零拍法解调方式袁减少了作为解调用的毫米波本振的需求袁从而大大节省了系统开销遥数值分析结果表明袁提出的全双工ROF链路系统可以实现上下行链路的长距离传输袁与其他全双工ROF链路比较袁系统成本低袁传输距离远袁且倍频系数高遥
1 全双工ROF链路模型
文中所提出的全双工ROF链路模型如图1所
图1 全双工ROF 系统结构示意图
Fig.1 S chematic d iagram o f f ull鄄duplex R OF system
仔
设 设 墒 2
A 1
B c 移 设 设 墒 2 A 1 B D c
V 设 缮
商
设 设 设 赏
设 缮 商 设
设 设 赏
示袁 系统由中心站尧 和用户端三个主要部分构 成遥 对于下行链路袁在中心站(CS)端袁采用两个 MZM 级联袁设置这两个 MZM 的工作状态袁使其分别工作 在最大和最小传输点上袁 射频驱动信号通过 1:1 的 功率分束器后分别加载在这两个 MZM 上袁 通过调 输出可以用公 式(3)表 示袁 其中 B sin( ) 为射 频驱动 信 号 袁m B =B 仔/V 仔 为 该 MZM 调 制 器 的 调 制 系 数 袁
2
为与该 MZM 的插入损耗有关的常数遥
E 1(t 1in {J 0(m A )+J 2(m A )[exp(j 2 t )+exp(-j 2 t )]}
(2)
E (t 2 E (t ){exp j 仔B sin( t )
节驱动信号幅度袁相位调制器 PS 袁以及增益 G 来调
2
1
蓘
V 蓡 +
中国论文资源库肄
节光边带的幅度遥 使得最终激光经过这两个级联的 exp 蓘 -j 仔B sin( t ) +j 仔
蓡 }=
E (t ){移J
(m )
MZM 后袁只产生正负一阶和三阶光边带遥 然后袁利用 2 1
司马义艾买提
仔
n = 1
2n -1
B
光纤布拉格光栅(FBG)将其中一个三阶光边带分离 出来袁用以承载基带信号袁之后与剩余三个边带通过 光耦合器(CP)耦合到单模光纤中袁传送到遥 传送 [exp(j (2(n - t )-exp(-j 2(n - t )]} (3) 从公式(3)中可以看出输出中只存在奇数阶边带袁 偶数阶边带被抑制遥 当取 m A =仔/4袁由于 J 1(仔/4)=0.36
3 2袁
-5
到的光信号经掺铒光纤放大器(EDFA)放大后袁 J 3(仔/4)=0.009 7袁J 5(仔/4)=7.584 6伊10
遥 因此 可以忽 采用 FBG 首先分离出两个一阶边带袁高速 PIN 二极 管接收剩余的两个三阶边带袁 拍频后产生六倍频毫 米波遥 在用户端(UT)袁采用延时零拍法对毫米波信号 解调袁相比于传统的相干解调袁可省去毫米波本 振遥 对于上行链路袁 在中也采用延时零拍法对上行 毫米波信号进行解调袁 同时复用了下行链路的一阶 略除一阶分量外的所有分量袁输出可以近似由公式(4) 表示袁将公式(2)带入到公式(4)中袁结果如公式(5)所示遥
E 2(t )= 2E 1(t )J 1(m B )[exp(j t -exp(-j t )] (4)
E 2(t )= 1 20
扇
设-J 2(m A )J 1(m B )exp j [( c -3 )t ]-
伤
设 设 设 设 设 设[J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(B j t ]+ 设 设 设 设
设
(5)
光边带调制基带信号袁通过光纤传输到 CS 中袁最后 用低速光电检测管将光信号转换成基带电信号遥 接 下来袁文中将对该模型进行理论分析遥 1.1 下行链路光信号的产生
激 光 器 产 生 的 窄 线 宽 激 光 可 以 表 示 为 E in = E 0exp(j c )袁 其中 c 是激光的中心频率遥 产生的激 光首先经过偏振控制器袁以控制其偏振态遥 然后进 入两个级联的 MZM 遥 第一个 MZM 工作状态设置 在最大传输点上袁第二个设置在最小传输点上袁相位 调制器均设为 仔袁 窄线宽光经过第一个 MZM 后袁输 出可以用公式(1)表示院 设[J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(m B )]exp j c )t ]+ 设 设 设 设 设 设 设 设J (m )J (m )exp j [( +3 t ]
设 将 m A =仔/2袁m B =仔/4 代入公式(5)中袁可以得到一 阶边带和三阶边带的幅值遥 公式(6)和公式(7)分别给 出了一阶边带和三阶边带的幅值遥八脚怪下载
[J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(m B 1 20=0.080 1 20 (6)
[J 2(m A )J 1(m B 1 2E 0=0.090 1 20
(7)
从公式(6)和公式(7)中可以看到一 阶分 量与三 阶分量幅值大致相同袁经过这两个级联的 MZM 后袁 输出光只剩下 4 个边带分量袁 其他的边带分量基本 被抑制遥 这 4 个边带的频率分别位于 c -3 袁 c - 袁
j 仔A sin( t ) -j 仔A sin( t )
c
+3 c +
E 1(t in 嗓exp 蓘
蓡 +exp 蓘
V
蓡瑟
= 2 V 仔 肄 仔
为了克服码元走离现象袁对于下行信号袁文中将
信号调制在其中一个三阶边带上遥 利用 FBG 将其中 1E in {J 0(m A )+ J 2n (m A )[exp(j 2n t )+exp(-j 2n t )]}(1) n =1
式中 院A sin ( t )是 射频 驱动信 号袁 为射频 信 号 的 角 频 率 曰m A =A 仔/V 仔 是 该 MZM 调 制 器 的 调 制 系 数 曰
1
是与该 MZM 插入损耗有关的常数遥
从公式 (1) 中可以看到调制后的输出中仅存在
偶数阶边带袁奇数阶边带均都被抑制遥 而由于 J 0(仔/
2)=0.472 0袁J 2(仔/2)=0.249 7袁J 4(仔/2)=0.014 0遥 故可以
一个三阶边带分离出来袁 调制完信号后再与其余的 光 边 带 耦 合 输 出 袁 这 里 文 中 以 信 号 调
制 在 频 率 为
c
+3 的光边带上为例进行分析袁 从耦合器输出的
光可以由公式(8)表示院 E 3(t )= 1 20
扇
设-J 2(m A )J 1(m B )exp j [( c -3 )t ]-
伤
设 设 设 设 设 设
[J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(m B )]exp j c )t ]+ 设
设 设
设 设 (8)
看出当 m A =仔/2 时袁 可以忽略四阶及以上边带分量袁 输出可以由公式(2)近似表示遥 经过第二个 MZM 后袁
设[J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(m B )]exp j [( c + )t ]+ 设 设 设 设 设 设 设 设J (m )J (m ) S (t )exp j [( +3 )t ] 设
E 4(t 袁z )邑 [J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(m B )]exp j [( + t -
设 设 设 设 设 E 5(t 袁z )邑
J (m )J (m (t ) 蓸
t -
蓸
D
蓸
c +3 4
2
2
设 设 设 设 墒 设 赏 设 缮 设 设 D 蔀
式中院 是基带信号调制所引起的幅度衰减曰S D (t )是 下行基带信号遥
1.2 下行链路毫米波产生分析
光信号经 EDFA 放大后进入散光纤袁到达 BS
时袁光信号可由公式(9)表示遥 这里 ( )是角频率在 时的 光 传播常 数袁z 为传播距离袁 1= ( c -3 ) 2 ( c - ) 3= ( c + ) 4= ( c +3 )遥
扇设-J 2(m A )J 1(m B )exp j [( c - )t 1z ]-
伤
设 设 设 设[J 0(m A )J 1(m B )-J 2(m A )J 1(m B )]exp j [( c )- 2z )]+ 设 设 设 设 设 缮 商 设 设 设 设 设 设
(9)
设 设 设J 2(m A )J 1(m B D (t ) 蓸
t
exp j [( c +3 )t 4]
设 设
c +3
设
任丘三中此后用两个布拉格光栅分别分离出频率为 c 和 c - 的两个光边带遥 在进入光电检测管 PIN 前袁
光信号可以由公式(10)表示遥 经过光电检测管后袁光
信号转变成电信号袁输出电信号可由公式(11)表示遥
扇设-J 2(m A )J 1(m B )exp j c 3 )t 1z ]+
伤设 设 设 设 设
exp j
+3 )t 设 商 ]
设
(10)
设 2 A 1 B D 墒设
4 设
赏设
2
I (t )=R |E 5(t 袁z )|2
邑 t
-
再经过低通滤波器还原出基带信号袁由公式(16)表示袁 然后再将基 带信 号调制 在其 中一个 用 FBG 分 离出
t
4
z
c
+3
蔀 cos[6 t - 4
1
]}
(11)
的一阶光边带上袁由公式(17)表示袁通过单模光纤传 可以看到经过 PIN 检测管后袁 输出中包含直流 分量尧基带信号以及调制基带信号的六倍频毫米波遥 之后袁将这个电信号放大后送到带通滤波器袁得 到的输出电信号可以由公式(12)表示遥 然后将这个 无线信号发射到用户端遥
z 输到 CS 遥 在 CS 袁用一个低速 PIN 光电检测管将光信 号转换成电信号袁由公式(18)表示遥
I (t )=S U (t )cos(6 t )
(15) 2
I 1(t )邑S U (t )
(16) 2
E 1(t )邑S U (t )exp j ( + t
(17) I 1(t )邑S D 蓸
t - 4
蔀
t - 4 1]
(12)
S U 忆(t )邑S U 蓸
t
-
(18)
1.3 下行链路终端解调
c
式中院S U (t )表示上行基带信号 3= ( c + )曰z 为传播 文中分析的是光信号在光纤上的传输袁 而不考 虑毫米波信号的无线传输遥 在用户端(UT)袁采用了延 距离遥 如果基带码型为单极性袁波形为方波袁则最后 解调得到的信号 S U 忆(t ) 可以认为是基带信号延迟一 时零拍法袁将所收到的无线信号经过放大后袁分成两 路袁然后相乘袁此时输出的电信号可以由公式(13)表 示袁然后将这个电信号经过低通滤波器袁输出可由公 式 (14) 表 示 袁 如 果 基 带 码 型 为 单 极 性 袁 且 波 形 是 方 波袁则最后解调得到的信号 S D 忆(t )可以认为是基带信 号延迟一定时间的信号遥 定时间的信号遥
2 数值模拟与结果分析
2.1 光边带信号的产生
为了验证文中所提出的模型袁 对图 1 中的系统 进行数值模拟遥 激光器产生窄线宽激光袁该激光的 I 2(t )邑S D 蓸
t -
c
蔀 t 4
1
)] (13)
中心波长在 1 552.52 nm(193.1 THz)袁线宽为 10 MHz
袁 0 dBm 遥 两个 MZM 的半波电压 V 仔 均为 4
V 袁
产权比率S D 忆(t )邑S D 蓸
t -
1.4 上行链路分析
c
蔀
(14)
功率为
恐龙危机1攻略插入损耗均为 5 dB 遥 第一个 MZM 不加偏置电压袁第 二个 MZM 偏置电压为 4 V 遥 正弦信号发生器产生 对于上行链路袁 其数学分析与下行链路相似并 的正弦信号频率为 10 GHz 袁幅度为 姨 2
V 袁经过 3 dB 且更简单些袁限于篇幅袁文中对上行链路的理论分析 从简袁从图 1 中可以看到袁用户端发出已调制基带信
号的毫米波袁由 公式 (15)表 示袁经 过延 时 零拍法 后袁
功率分束器后袁其中一路经增益为2的放大器放大后驱动第一个MZM袁另一路驱动第二个MZM 袁从而
使得这两个MZM的调制系数分别为仔/2和仔/4遥经
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