查文剛，楊 真

(華東交通大學現(xiàn)代教育技術中心，江西 南昌330013)

1 引言

在過去幾年，微波信號在光纖的傳輸已經(jīng)成為了研究熱點而被廣泛的研究，無線信號與光纖技術(RoF)相結合的傳輸方式，在遠程天線，有線電視和寬帶無線接入方面得到了廣泛的應用［1］。由于有限的頻譜資源，系統(tǒng)需要采用高頻譜效率的調(diào)制方式，比如說相移鍵控(PSK)和正交幅度調(diào)制(QAM)，這些調(diào)制的信號也被稱為矢量信號［2］。目前，已經(jīng)提出了許多技術通過采用矢量信號調(diào)制用來實現(xiàn)RoF傳輸［3］。在RoF系統(tǒng)中，通常需要多個無線信號傳輸?shù)揭桓饫w，然而在傳統(tǒng)的RoF系統(tǒng)中，由于無線信號也許會有相同的載頻，多個無線信號應被調(diào)制到不同的光載波，以避免頻譜之間的干擾［4］。

例如，在一個多路輸入/輸出系統(tǒng)中，天線的無線信號具有相同的微波的載波頻率［5］。另外，在一個光載波分多路復用無源光網(wǎng)絡(WDM－PON)中，多個用戶可以用相同頻率的微波載波發(fā)送不同的信號。目前，主流的解決方案是使用不同的波長來攜帶不同的無線信號［6］，但系統(tǒng)會變得復雜和昂貴，這是因為要用到多個光波長和多個調(diào)制器［7］。相干檢測在調(diào)制格式方面提供了極大的靈活性［8］，信息可以在幅度和相位進行編碼，或者在這兩個同相(I:in-phase)和正交的載波(Q:quadrature)分量中進行編碼，該檢測技術具有較低的噪聲和很高的頻譜效率，因此，研究基于IQ調(diào)制和相干檢測來傳輸矢量信號，具有重要的實際意義。

2 相干檢測原理

本文提出了一個通過采用IQ(I:in-phase，同相;Q:quadrature，正交)調(diào)制和相干檢測(CD)的新穎的光子方法來在單微波載波中傳輸兩個微波矢量信號。在所提出的系統(tǒng)中，線性偏振光波被分成兩個正交極化光波，一個被調(diào)制的兩個微波矢量信號和其他的無調(diào)制，但在同一根光纖中傳輸調(diào)制光波。在接收器處，這兩個光波的正交偏振態(tài)被分離并傳送到一個相干檢測器，這里兩個微波矢量信號被分離和解調(diào)。

假定應用到雙平行馬赫－曾德調(diào)制器(DPMZM)的兩個矢量信號分別為I(t)和Q(t)，DPMZM工作在一個IQ調(diào)制條件(在最小發(fā)送點的子MZM基極和主MZM偏置引入π/21相移)，在DPMZM的輸出的光信號可以表示為:

在式(1)中，考慮到了調(diào)制條件，輸入光場到DP-MZM的幅度為Ex;角頻率為ωc;DP-MZM的半波電壓為Vπ，γ=π∕Vπ，兩個矢量信號分別在光載波上的IQ調(diào)制。偏振分束器(PBS)的其他光波沒有被調(diào)制，Ey是未調(diào)制光載波光場的振幅，在數(shù)學上可以表示為:

通過SMF傳輸?shù)膬蓚€正交極化光波(A、B)，是偏振光束組合器(PBC)和多個波長復用的組合。在接收端，在特定的波長進行波分復用，兩個正交極化光波通過第二個PBS分割并傳送到一個相干檢測器。相干檢測器包括一個光混合器和兩對光電探測器(PD)設備，通過光混合能使相位差分別為0°，180°，90°和90°的兩個輸入/輸出信號結合，然后從四個輸出端發(fā)送到兩對PD設備，圖1所示為相干檢測器的工作原理圖。

圖1 相干檢測器的工作原理Fig.1 The prinviple of coherent detector

方程(1)和(2)的兩個光波發(fā)送到相干檢測器上。在光混合器的輸出端，將產(chǎn)生四個輸出信號，它們分別表示為在上面一對PD設備的輸出信號可表示為:

類似地，下面的一對PD設備的輸出信號可表示為:

從方程(3)和(4)中可看出在相干檢測器的輸出端，成功恢復了兩個微波矢量的信號。

3 基于IQ調(diào)制和相干檢測微波矢量信號傳輸系統(tǒng)架構

根據(jù)上述的原理分析，可以建立相應的基于IQ調(diào)制和相干檢測微波矢量信號傳輸系統(tǒng)，使用多載波發(fā)生器，從單波長光源產(chǎn)生的光多載波，然后將其解復用在一個光波長多路分離器中。對于給定的波長，在偏振分束器(PBS)中它被分裂成兩個正交極化波的光波，在一個雙平行馬赫－曾德調(diào)制器上調(diào)制兩個同樣的微波頻率攜帶的微波矢量信號，這兩個信號在偏振光束組合器(PBC)上結合。所有的信號在被放大摻鉺光纖放大器(EDFA)之前，使用波長復用器(MUX)進行多路復用，且通過單模光纖(SMF)進行傳輸。

在接收端，采用一個多路分用器進行分離波長。對于給定的波長，PBS是用來分隔兩個正交極化光波，其隨后發(fā)送到一個相干檢測器。在相干檢測器的輸出端，可獲得兩個向量信號，對于有N個波長的系統(tǒng)，可以發(fā)送2N個矢量信號。對于給定的光波長，可在PBS中的輸出端獲得兩個正交極化光波，其中一個發(fā)送到DP-MZM，另一個傳送給PBC。圖2為基于IQ調(diào)制和相干檢測微波矢量信號傳輸系統(tǒng)框圖。

圖2 基于IQ調(diào)制和相干檢測的微波矢量信號傳輸系統(tǒng)框圖Fig.2 System chart of microwave vector signal transmission based on IQ/CD

接下來，可以建立如圖3所示為仿真實驗系統(tǒng)，激光器(LD)產(chǎn)生波長為1545．45 nm的光波，通過PC1發(fā)送到PBS1。PBS1中的一個輸出口的光波通過PC2傳送到DP-MZM，它由任意波形發(fā)生器產(chǎn)生兩個2GHz微波攜帶的1Gbps的QPSK信號驅動，由2個電信號放大器(EA)進行放大處理，EA1和EA2具有10dB增益。在PBS1的其他輸出端口的光波不進行調(diào)制，直接通過PC4發(fā)送到PBC。DP-MZM的兩個子MZM都是基于最低傳輸點的，在DP-MZM偏置引入π/2相移，DP-MZM輸出的光信號通過PC3發(fā)送到PBC。PC3和PC4用來使兩個輸入信號的偏振狀態(tài)，對準PBC的兩個正交的偏振方向，然后該光信號通過光學帶通濾波器濾波，由EDFA放大后，以過濾出EDFA的放大自發(fā)發(fā)射噪聲。然后，光信號通過25 km單模光纖傳輸，通過PC5發(fā)送到PBS2，從而分開產(chǎn)生兩個正交極化光波，這兩個物理上分離的正交偏振的光波，通過PC6和PC7，經(jīng)兩個輸入端口發(fā)送到相干檢波器上，最后檢測到的電信號由一個數(shù)字采樣示波器所捕獲，然后通過計算處理進行解調(diào)。

圖3 矢量信號傳輸及檢測系統(tǒng)實驗裝置Fig.3 Experimental setup of vector signal trsnsmisson and detection system

4 矢量信號傳輸及檢測仿真分析

為了驗證系統(tǒng)的傳輸性能，首先測量有或沒有通過光纖傳輸?shù)膬蓚€正交相移鍵控(QPSK)信號的星座圖。在實驗中，控制PC1讓兩個正交極化光波在PBS2的輸出端具有相同的光功率，在輸出端獲得兩個QPSK信號I(t)和Q(t)由相干檢測器恢復。表1所示為25 km的SMF傳輸三個特定接收到的光功率電平的星座圖，兩個QPSK信號的星座圖經(jīng)過25 km的SMF傳輸后，性能顯著降低。這表明，經(jīng)過單模光纖傳輸對傳輸性能的影響很小。同時還可看到兩個QPSK信號與給定接收到的光功率的星座圖的差異很小，這是由于DPMZM中測量的偏差漂移，以及應用到DP-MZM的電信號的幅度不相等而引起的。

表1 不同的接收光功率下兩個QPSK信號的星座圖Tab.1 Constellation maps of two QPSK signals under different received optical powers

然后，評估了2個QPSK信號在誤差向量幅度(EVM)方面的性能。經(jīng)過25 km長度的SMF傳輸后，觀測兩個QPSK信號的光功率為－3～－17 dBm時的EVM性能，圖4所示為實驗觀測的結果，可以看出，經(jīng)過25 km長度的SMF傳輸之后的I(t)和Q(t)的信號傳輸?shù)腅VM性能略有下降。

圖4 誤差向量幅度與接收光功率的關系Fig.4 The relationship between error vector amplitude and received optical power

對經(jīng)過25 km長度的SMF傳輸?shù)膬蓚€微波矢量信號，測量的方法需要有所區(qū)別，兩個信號采用不相同測量方法的原因:

(1)將偏壓應用到DP-MZM會使得實驗偏離原設定值，這導致了兩個QPSK信號的傳輸特性不穩(wěn)定;

(2)在兩個正交極化光波可能不完全正交，這可能會導致在光纖傳輸過程中有串擾;

(3)兩個正交極化光波被分割且有2個PBS重新組合，由于環(huán)境的變化，比如說溫度的變化，這可能會使這兩個光波之間的相位差逐漸改變。然而，如果采用一個偏置控制電路可使這些問題得到解決。此外，如果分立器件是由一個光子集成電路所替代，在穩(wěn)定性方面的性能也將得到改善。

5 結論

仿真驗證結果表明，實驗驗證了基于IQ調(diào)制和相干檢測的光子的方法來傳輸兩個微波矢量信號，在光波中使用一個DP-MZM來調(diào)制兩個具有相同微波載波頻率的矢量信號，且在同樣的光纖沒有調(diào)制的情況下，傳輸正交偏振光波來相干檢測，攜帶矢量信號的光載波和調(diào)制器的數(shù)量就只需要原來的一半。采用平衡檢測及PD設備可以減少噪聲，經(jīng)過25 km的SMF傳輸之后系統(tǒng)性能并沒有顯著的降低，在短期內(nèi)，該系統(tǒng)的傳輸性能在室內(nèi)環(huán)境下沒有明顯的降低。與光纖鏈路中常規(guī)微波矢量信號傳輸方法相比，所做工作的關鍵和差異是使用一個單光纖載體來傳輸有著相同微波載體頻率的兩個不同的微波矢量信號，這大大降低了所需的攜帶的微波矢量信號的光載波和調(diào)制器的數(shù)目。另外，在所提出的相干檢測方法中，從而降低了光電檢測器的噪聲的影響，用實驗證明了這一理論，該系統(tǒng)是基于分立元件來實現(xiàn)的，后續(xù)需要研究其長期的穩(wěn)定性問題。

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