基于窄帶光纖光柵的微波載波單邊帶調(diào)制

1、基于窄帶光纖光柵的微波載波單邊帶調(diào)制*國家自然科學(xué)基金（No.60271010）和浙江省自然科學(xué)基金（No.602064）資助項(xiàng)目電話：, Email: 沈一春，章獻(xiàn)民，陳抗生（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，浙江 杭州，310027）摘要：在傳統(tǒng)RoF系統(tǒng)中，雙邊帶微波強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)在長距離光纖傳輸時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重色散問題。研究了微波RoF系統(tǒng)中雙邊帶調(diào)制對(duì)系統(tǒng)帶來的影響，在此基礎(chǔ)上利用窄帶光纖光柵簡單而有效地實(shí)現(xiàn)了單邊帶調(diào)制，克服長距離傳輸時(shí)的色散損耗，大幅度提高了系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：RoF 系統(tǒng)；單邊帶調(diào)制；光纖光柵中圖分類號(hào)： TN832+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào): Narrow-band

2、 fiber Bragg grating based single sideband microwave modulation SHEN Yi-chun, ZHANG Xian-min, CHEN Kang-sheng(Department of Information and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027，china)Abstract: In conventional microwave RoF system, dispersion leads the double sideband intensit

3、y modulated signals a power penalty at certain frequency and certain fiber distance. The effect of dispersion in microwave RoF system is theoretically analyzed. Single sideband optical modulation of high frequency microwave RoF system using a narrow band fiber Bragg grating is experimentally realize

4、d to reduce the dispersion effect. It largely enhances the signal noise ratio of the system. Key words: Radio over fiber system; single sideband modulation; fiber Bragg grating 1 引言在移動(dòng)通信、寬帶無線接入等系統(tǒng)中，RoF（Radio over fiber）系統(tǒng)具有高容量，低功耗，低成本，易安裝等優(yōu)點(diǎn)，近些年來正成為人們研究的熱點(diǎn)1,2。由于日益增長的寬帶移動(dòng)通信的需要和在較低頻段的擁擠，RoF系統(tǒng)中的無線頻率也越來

5、越多的從低頻向高頻發(fā)展，以提供更大的傳輸容量和更快的傳輸速率3。另一方面，寬帶無線接入網(wǎng)等的發(fā)展也要求RoF系統(tǒng)具有更長的光傳輸距離。然而，在長距離高頻微波RoF系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的光載波雙邊帶調(diào)制會(huì)引起嚴(yán)重的色散問題，這大大降低了系統(tǒng)性能。對(duì)此，人們提出使用雙電極MZM調(diào)制器結(jié)合耦合器進(jìn)行單邊帶調(diào)制，以減少色散影響，但這增加了RoF系統(tǒng)的成本4。與文獻(xiàn)56 RoF系統(tǒng)的單邊帶調(diào)制中使用的FP濾波器和波長自適應(yīng)單邊帶濾波器相比，由于光纖光柵具有低插入損耗、簡易等優(yōu)點(diǎn)，也被用于毫米波RoF系統(tǒng)中的單邊帶調(diào)制7。但是，在微波RoF系統(tǒng)中，由于載波與邊帶的頻率差較小，使用一般的光纖光柵進(jìn)行邊帶濾波有困難。

6、本文分析了微波RoF系統(tǒng)中雙邊帶調(diào)制引起的色散，利用窄帶光纖光柵實(shí)現(xiàn)了高頻微波RoF系統(tǒng)單邊帶調(diào)制，對(duì)雙邊帶調(diào)制和光纖光柵單邊帶調(diào)制在不同傳輸距離、不同數(shù)字調(diào)制方式、不同數(shù)據(jù)調(diào)制速率下進(jìn)行了分析比較，最后研究了在雙邊帶調(diào)制和光纖光柵單邊帶調(diào)制下系統(tǒng)的信噪比與調(diào)制速率的關(guān)系。2 微波RoF系統(tǒng)中雙邊帶調(diào)制的色散影響隨著調(diào)制微波頻率的增加和為了減小發(fā)射機(jī)啁啾的影響，在RoF系統(tǒng)中越來越多地使用外置調(diào)制器用于微波的調(diào)制。設(shè)調(diào)制器的入射光功率為, 沒有數(shù)據(jù)調(diào)制時(shí)經(jīng)過微波正弦弱調(diào)制（調(diào)制系數(shù)m<<1）后出射光功率可表示如下： (1)式中，為調(diào)制的微波頻率。雙邊帶調(diào)制信號(hào)在L長的光纖上傳輸，經(jīng)

7、過光電PIN管探測后，探測到的微波功率正比于8： (2)式中，是光載波波長，是光纖色散系數(shù)，是真空中光速。圖1 是探測到的微波功率在不同頻率、不同傳輸長度下的響應(yīng)圖。計(jì)算參數(shù)如下：光載波波長，光纖色散系數(shù)。從圖1(a)可以看出在微波頻率較低時(shí)，雙邊帶調(diào)制光纖色散影響不太明顯，但當(dāng)在微波頻率增加到大約10GHz附近時(shí)，色散就會(huì)引起微波功率的損耗。在25km公里光纖傳輸，微波頻率為12.5GHz時(shí)，色散引起的損耗達(dá)到了55dB以上。從圖1(b)可以看出，在高頻微波調(diào)制時(shí)，長距離傳輸雙邊帶調(diào)制信號(hào)也會(huì)引起色散損耗，頻率越大引起的色散損耗點(diǎn)就越多?？梢?，傳統(tǒng)雙邊帶調(diào)制時(shí)，長距離高頻微波RoF系統(tǒng)中存在

8、著色散損耗。 圖1 歸一化微波功率隨著頻率和傳輸長度變化的響應(yīng)圖在RoF系統(tǒng)中，光纖光柵可以用于實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，從而減小色散，若光纖光柵作為帶通濾波器，其帶寬必須滿足如下條件： （4）其中為信號(hào)調(diào)制速率對(duì)應(yīng)的頻率。對(duì)于高頻微波RoF系統(tǒng)而言，其微波頻率在10GHz左右，如此頻率在光域中濾波，光纖光柵的帶寬必須很窄。而且光纖光柵的slope要求很steepness，從而提高RoF系統(tǒng)的頻譜利用率。 經(jīng)過濾波后，設(shè)光纖光柵的中心波長反射率為，則濾波后的單邊帶幅度抑制比為： （5）其單邊帶信號(hào)（SSB）的功率傳遞函數(shù)可以表示為9： （6）其中： 這里，為光纖色散群速度系數(shù)，為延伸因子。 圖2為經(jīng)過光

9、纖光柵帶通濾波后探測到微波損耗在不同頻率的響應(yīng)圖，這里光纖長度為60km，光纖色散群速度系數(shù)為20.393，延伸因子為10。曲線1，2，3對(duì)應(yīng)著光纖光柵反射率分別為0.99，0.5，0.1。從圖中可以看出，隨著光纖光柵反射率的提高，RoF系統(tǒng)的色散得到了有效的改善。在光纖光柵反射率為0.99，由于色散帶來的最大功率損耗僅為1.6dB.圖2 光纖光柵濾波后的探測微波損耗與微波頻率的關(guān)系圖3窄帶光纖光柵單邊帶調(diào)制實(shí)驗(yàn)和分析為了減少微波RoF系統(tǒng)帶來的色散影響，這里采用窄帶光纖光柵對(duì)調(diào)制信號(hào)在光域中實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。1550nm的DFB激光器為光源，其線寬為1MHz。Mach-Ze

10、hnder電光調(diào)制器作為系統(tǒng)的微波強(qiáng)度調(diào)制器，數(shù)字調(diào)制微波信號(hào)由AgilentE8267C矢量信號(hào)發(fā)生器（PSG）產(chǎn)生，PC為偏振控制器，布拉格光纖光柵（FBG）用于濾除信號(hào)的一個(gè)邊帶，Agient86141B光譜分析儀（OSA）用于監(jiān)測光柵濾波后的單邊帶信號(hào)，光隔離器（ISO）是減少經(jīng)光柵反射的光對(duì)調(diào)制器的影響。單邊帶信號(hào)經(jīng)過EDFA放大后，由1:99的耦合器射入長距離光纖（Fiber），光功率計(jì)（Powermeter）用于監(jiān)測信號(hào)功率，在傳輸長距離光纖后，經(jīng)寬帶光電探測管（PD）轉(zhuǎn)換為微波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)中PD的帶寬為20GHz，探測后的微波信號(hào)經(jīng)過微波放大器（MA）后進(jìn)入AgientE4407

11、B射頻頻譜分析儀，這里AgientE4407B射頻頻譜分析儀（ESA）可用做下變頻器，高頻微波信號(hào)下變頻為70MHz的DFBPCMZMISOFBGOSAEDFACouplerPowermeterFiberPDMAESAVSAComputerPSG991中頻信號(hào)，中頻信號(hào)再經(jīng)過Agient89600S矢量信號(hào)分析儀（VSA）分析，然后與計(jì)算機(jī)(Computer)相連，可以通過Agient89601軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖 圖4 光纖光柵反射光譜圖 圖5 15GHz單邊帶信號(hào)光譜 實(shí)驗(yàn)中，微波調(diào)制頻率為15GHz，我們使用了20dB帶寬為0.19nm（23.75GHz）窄帶光柵作為

12、濾波器，其中心波長反射率為0.99，反射光譜圖如圖4所示。圖5為15GHz微波調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光柵濾波后形成的單邊帶光譜圖，從圖中可以看出光纖光柵很好地濾除了其中一個(gè)邊帶。為了比較微波RoF系統(tǒng)中雙邊帶調(diào)制（DSB）和單邊帶調(diào)制（SSB）對(duì)系統(tǒng)帶來的影響，我們?cè)谌肷涔β室欢ㄇ闆r下研究了不同調(diào)制方式、不同調(diào)制速度、不同傳輸距離下的單邊帶和雙邊帶調(diào)制。圖6為15GHz微波載波調(diào)制方式為QPSK、調(diào)制速度為5Mbit/s的信號(hào)經(jīng)過25km傳輸后得到I-eye眼圖?？梢钥闯?，與單邊帶調(diào)制相比，雙邊帶調(diào)制后的信號(hào)引起了失真，這正是由于雙邊帶調(diào)制信號(hào)在光纖中傳輸色散引起的效果。在BPSK的調(diào)制方式下，10Mb

13、it/s的數(shù)字調(diào)制信號(hào)的眼圖如圖7所示，雙邊帶調(diào)制引起的更為更大失真，這是由于調(diào)制速率增大的緣故，而單邊帶調(diào)制信號(hào)則得到了很好的傳輸。但是當(dāng)微波頻率增加至18GHz，傳輸距離增大到35km，5Mbit/s速率BPSK雙邊帶調(diào)制信號(hào)幾乎無法傳輸，其眼圖如圖8所示，這一結(jié)果與理論分析相符合（如圖1），在圖1中18GHz高頻微波調(diào)制信號(hào)在傳輸35km后由于色散衰減探測到的信號(hào)功率有著很大的衰減。但是經(jīng)過光纖光柵濾除后，單邊帶調(diào)制信號(hào)很大程度上減少了色散的影響，在經(jīng)長距離傳輸后依舊具有良好的性能，如圖8所示。為了定量的研究光纖光柵單邊帶調(diào)制對(duì)系統(tǒng)性能的改善，我們研究了在15GHz微波調(diào)制，調(diào)制方式為1

14、6QAM時(shí)，傳輸距離為25km后單邊帶調(diào)制信號(hào)和雙邊帶調(diào)制信號(hào)的信噪比和調(diào)制速度的關(guān)系，如圖9所示。從圖中可以看出與雙邊帶調(diào)制相比，光纖光柵單邊帶調(diào)制大大改善了系統(tǒng)性能，在高速數(shù)字調(diào)制時(shí)，其信噪比比雙邊帶調(diào)制提高了約4dB。 (a) 雙邊帶調(diào)制 (b)單邊帶調(diào)制圖6 15GHz微波調(diào)制信號(hào)在5Mbit/s QPSK時(shí)傳輸25km后的眼圖 (a) 雙邊帶調(diào)制 (b)單邊帶調(diào)制圖7 15GHz微波調(diào)制信號(hào)在10Mbit/s BPSK時(shí)傳輸25km后的眼圖 (a) 雙邊帶調(diào)制 (b)單邊帶調(diào)制圖8 18GHz高頻微波調(diào)制信號(hào)在10Mbit/s BPSK時(shí)傳輸35km后的眼圖 圖 8 信噪比與調(diào)制速率

15、關(guān)系圖4結(jié)論本文提出了利用窄帶光纖光柵實(shí)現(xiàn)微波RoF系統(tǒng)中單邊帶調(diào)制，從而有效的降低傳統(tǒng)的高頻微波RoF系統(tǒng)中雙邊帶調(diào)制帶來的色散影響。研究了不同調(diào)制方式、不同調(diào)制速率、不同傳輸距離下光纖光柵單邊帶調(diào)制對(duì)系統(tǒng)性能改善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與雙邊帶調(diào)制相比，光纖光柵單邊帶調(diào)制在15GHz高頻微波RoF系統(tǒng)中16QAM調(diào)制方式下傳輸25km時(shí)，可提高信噪比約4dB。參考文獻(xiàn)：1. A. J. Seeds. Microwave photonicsJ. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2002, 50(3):877-887.2. D. Castleford, A. Ni

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