隨著無線信號載波頻率向微波頻率甚至毫米波頻率擴(kuò)展，信號帶寬向數(shù)吉赫茲甚至更高頻率發(fā)展，無線信號所能覆蓋的范圍進(jìn)一步縮小，對系統(tǒng)的寬帶性能也提出了更高的挑戰(zhàn)[1]。光載無線技術(shù)因其高達(dá)太赫茲量級的帶寬能力，以及極低的光傳輸損耗，近十年來被廣泛地研究用于微波以及毫米波頻段高頻寬帶信號的傳輸與處理。此外，微波與毫米波信號的光子學(xué)產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸以及探測技術(shù)不僅被研究用于無線通信領(lǐng)域，還包括其他諸如儀器、雷達(dá)、傳感、深空探測等領(lǐng)域[2]。

在常見的光載無線系統(tǒng)中，馬赫- 曾德爾調(diào)制器(MZM) 被廣泛地用于將微波、毫米波信號調(diào)制到光載波上，承載了無線信號的光波在光纖中進(jìn)行分配傳輸，接收端采用直接強(qiáng)度探測的方式探測光強(qiáng)從而獲得微波、毫米波電信號[3]。然而由于調(diào)制器固有的非線性特性，在電光調(diào)制的過程中對微波、毫米波信號產(chǎn)生了非線性失真，這將影響到整個光載無線(ROF) 系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。隨著無線信號調(diào)制格式的復(fù)雜化和信號帶寬的增加，對系統(tǒng)線性度的要求越來越高。對于ROF 應(yīng)用而言，其無雜散動態(tài)范圍至少需要大約95 dB?Hz2/3 甚至更高[4]。隨著頻率的升高，需要采用合適的高線性化ROF 系統(tǒng)。

對于信號而言，非線性所帶來的直接影響，在頻譜上表現(xiàn)為由原來的頻率分量產(chǎn)生出新的頻率分量，這些新生的頻率分量分別是原來各個頻率及其倍頻項之間的差與和的組合，包括諧波頻率失真( 倍頻項) 以及交叉調(diào)制失真( 差項與和項)。而在這諸多失真頻率中，以2 階交調(diào)失真(IMD2) 和3 階交調(diào)失真(IMD3) 對非線性的貢獻(xiàn)最大。在微波、毫米波系統(tǒng)中，通常信號的帶寬遠(yuǎn)小于載波頻率，此時IMD2 通常在倍頻程以外，可直接使用帶通濾波器濾除，從而IMD3 的大小成為影響信號質(zhì)量的決定性因素。非線性的補(bǔ)償策略則以抑制系統(tǒng)的IMD3 為主。

近十幾年來，許多單位和組織一直在關(guān)注如何抑制電光調(diào)制器的IMD3 以提高光載無線系統(tǒng)的動態(tài)范圍，已經(jīng)發(fā)表了許多研究成果。例如文獻(xiàn)[5]中采用雙平行的馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)；文獻(xiàn)[6] 中采用雙電極的MZM，通過抑制部分非線性光頻率來減輕探測到的電信號的IMD3。但這兩種方法只消除了部分IMD3，對線性度的改善能力有限。文獻(xiàn)[7]中采用了偏振獨(dú)立的MZM；文獻(xiàn)[8]中使用帶偏振控制的混合偏振的雙電極MZM，通過在兩個偏振態(tài)下產(chǎn)生的非線性分量在光強(qiáng)探測時互相抵消來達(dá)到抑制非線性的效果。

本文基于光載無線系統(tǒng)的非線性特征，在光譜中構(gòu)造IMD3 的兩個不同源，采用光載波相位偏移技術(shù)[9]以及光邊帶處理技術(shù)[10] 來提高光載無線系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

1 光載無線系統(tǒng)的非線性特征

在采用強(qiáng)度調(diào)制-直接探測的光載無線系統(tǒng)中，電光調(diào)制以及光強(qiáng)檢測都屬于非線性過程。兩者的非線性對信號波形的影響均有著自有的特征。

典型的MZM 調(diào)制器如圖1 所示。隨著調(diào)制器偏置電壓的增加，調(diào)制器輸出光信號的功率具有正弦曲線的變化規(guī)律，然而這一規(guī)律曲線實(shí)際上同時統(tǒng)合了電光調(diào)制以及光強(qiáng)檢測兩個過程。在不考慮光電探測器響應(yīng)度非線性的情況下，要在光鏈路中對系統(tǒng)非線性采用模擬的辦法進(jìn)行處理，就需要把電光與光電兩個過程對非線性的影響剝離研究，本文將分別介紹這兩個過程的頻譜演化特征。

圖1 典型MZM 的調(diào)制曲線

1.1 電光調(diào)制中的頻譜演化

把一個微波、毫米波信號看作一個具有某種確定關(guān)系的頻率集合。在電光調(diào)制的過程中，由于非線性的影響，這個集合中的頻率將和光載波頻率相互排列組合，產(chǎn)生出新的頻率。以一個具有很小頻率間隔的雙音信號(角頻率分別為Ω1 和Ω2)為例，輸入光載波角頻率為ωc，對MZM 調(diào)制器的研究表明，其非線性所產(chǎn)生的頻譜( 光譜) 演化( 如圖2 所示) 具有如下特征：

(1)微波、毫米波頻率將被搬移至以光載波為中心頻率的頻率帶。

(2)調(diào)制器產(chǎn)生5 個較為顯著的光譜邊帶，并以光載波為中心對稱分布。分別為一個0 階邊帶，兩個1 階邊帶和兩個2 階邊帶。通常研究中所用的電光調(diào)制只考慮了中間的3 個邊帶：0 階邊帶和兩個1 階邊帶。

(3) 每個邊帶中都包含非線性頻率分量。其中0階邊帶包含光載波，偶數(shù)階交調(diào)失真分量；1 階邊帶包含信號基頻以及奇數(shù)階交調(diào)失真分量；2 階邊帶包含偶數(shù)階交調(diào)失真分量。新產(chǎn)生的非線性失真頻率與信號基頻的幅度與相位之間，除了滿足微波毫米波信號自身的頻率關(guān)系以外，同時也滿足三角函數(shù)的貝塞爾展開，各頻率的相對相位與幅度之間具有確定的相對關(guān)系。在眾多的基頻以及交調(diào)失真頻率分量中，對信號質(zhì)量起主要作用的，是0 階邊帶中的光載波和2 階交調(diào)失真，1 階邊帶中的基頻和3 階交調(diào)失真，以及2 階邊帶中的2 階交調(diào)失真。

 圖2 電光調(diào)制中的頻譜演化

1.2 光強(qiáng)檢測中的頻譜演化

由于光電探測器為強(qiáng)度探測，滿足平方律檢波的關(guān)系，這種非線性過程將對上述畸變信號的光譜進(jìn)一步產(chǎn)生作用，所有的光譜頻率在光電探測中發(fā)生第二次重組，各頻率間互相差拍，進(jìn)行重新的排列組合，產(chǎn)生出包括信號頻率在內(nèi)的新頻率，其頻譜演化(如圖3 所示)具有如下特征：

(1)光譜中各個頻率做差拍，產(chǎn)生出以微波、毫米波為中心頻率的信號頻帶。

(2)原光譜中的0 階邊帶與1 階邊帶差拍，產(chǎn)生出一份以微波、毫米波為中心頻率的信號帶( 如圖3 中藍(lán)色虛線標(biāo)示)，帶中包含基頻分量和高階交調(diào)分量，其中2 階交調(diào)失真分布在帶外，一般不重點(diǎn)考慮，本文只考慮3 階交調(diào)失真。

(3)原光譜中的1 階邊帶與2 階邊帶差拍，產(chǎn)生出另一份以微波、毫米波為中心頻率的信號帶( 如圖3 中紅色虛線標(biāo)示)，其所包含的頻率與特征(2)中產(chǎn)生的頻率相同，但是在相對相位與幅度上有所不同。總體上這一份信號比特征(2) 中產(chǎn)生的信號功率要低。

(4) 兩份信號相加成為最終所探測到的電信號。綜合以上特征，由于經(jīng)過光載無線系統(tǒng)的電信號的非線性頻率來源于光譜中的多個頻率之間的相互差拍，尋找出合適的兩對差拍源，并分別進(jìn)行控制，就可實(shí)現(xiàn)IMD3 的抑制。在只考慮0 階邊帶和1 階邊帶的情況下，采用載波相位偏移技術(shù)可方便的實(shí)現(xiàn)光載無線系統(tǒng)的IMD3 抑制，實(shí)現(xiàn)其高線性化。而在頻帶寬裕的情況下，綜合考慮上述5 個邊帶，采用可編程的光邊帶處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多通道、可編程控制的高線性化光載無線系統(tǒng)。

圖3 光電探測中的頻譜演化

2 光載波相位偏移技術(shù)

2.1 載波相位偏移機(jī)制

在以上分析中，當(dāng)不考慮2 階光譜邊帶，只考慮0 階邊帶和1 階邊帶時，光強(qiáng)檢測過程中的特征(3)和特征(4)將不再具備。在此情況下，只有0階邊帶和對稱的兩個1 階邊帶，重新考量光電探測過程的光譜演化，可找到IMD3 的兩個不同來源，其具備新的特點(diǎn)：

(1)0 階邊帶的光載波頻率與1 階邊帶的3 階頻率分量差拍產(chǎn)生一份IMD3。
(2)0 階邊帶的2 階頻率分量與1 階邊帶的基頻分量差拍產(chǎn)生另一份IMD3。
(3) 這兩份IMD3 相加，構(gòu)成了最終探測到的IMD3。通過控制此特征(1) 和特征(2)兩份IMD3 的相對相位，可以實(shí)現(xiàn)這兩份IMD3 相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)高線性化的光載無線系統(tǒng)。從特征(1)可知，改變0 階邊帶的光載波頻率的相位，即可實(shí)現(xiàn)其中一份IMD3 的相位改變，當(dāng)光載波相位偏移至使IMD3 反相時，兩份IMD3 相互抵消。

2.2 采用光載波相位偏移技術(shù)的系統(tǒng)

載波相位偏移技術(shù)裝置如圖4 所示。采用單信號驅(qū)動的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(SD-DPMZM) 可實(shí)現(xiàn)載波相位偏移技術(shù)。通過三維偏置點(diǎn)調(diào)節(jié)，可在0 到360 度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)光載波頻率的相位。優(yōu)化其相位偏移參數(shù)，使得IMD3 最小，可達(dá)到消除非線性的目的。

圖4 載波相位偏移技術(shù)裝置

圖5(a)、圖5(b)所示為系統(tǒng)的載波干擾比(CIR) 性能。采用載波相位偏移技術(shù)，調(diào)制器半波電壓為5 V，輸入微波信號功率為15 dBm，系統(tǒng)的載波干擾比從15 dBc 提高至60 dBc，獲得了35 dB 的非線性抑制。圖5(c) 所示為實(shí)際測量的系統(tǒng)無雜散動態(tài)范圍(SFDR) 性能。在-161 dBm/Hz 的理論噪底下，光載無線系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍從原來的99.3 dB ?Hz2/3 提高至補(bǔ)償后的122.9 dB ?Hz2/3，獲得了超過23 dB 的動態(tài)范圍增益。

圖5 采用光載波相位偏移技術(shù)系統(tǒng)的載波干擾比性能和實(shí)際測量的系統(tǒng)SFDR 性能

3 光邊帶處理技術(shù)

光載波相位偏移技術(shù)采用了一種新型結(jié)構(gòu)的調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)光載無線系統(tǒng)的高線性化，其分析模型簡化了頻譜構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單。在該模型的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究整個頻譜，同時提出了另一種獨(dú)立于調(diào)制器的非線性補(bǔ)償技術(shù)—— 光邊帶處理技術(shù)。

3.1 光邊帶處理機(jī)制

前面介紹的電光-光電變換過程中的頻譜演化機(jī)制，在光電檢測過程中，產(chǎn)生了兩份信號，最終相加成為實(shí)際探測信號。每一份信號都同時包含了基頻頻率分量和高階交調(diào)失真分量( 文中只考慮IMD3)。這兩份信號分別由0 階邊帶和1 階邊帶，1階邊帶和2 階邊帶產(chǎn)生。且這兩份信號的功率存在差異：0 階邊帶與1階邊帶產(chǎn)生的信號功率大于1 階邊帶與2 階邊帶產(chǎn)生的信號功率。其中1 階邊帶為兩份信號的公共來源，從而通過獨(dú)立處理0 階邊帶和2 階邊帶，可實(shí)現(xiàn)兩份信號的分別控制。因此，無論這兩份信號的相對關(guān)系如何，只要能確定其關(guān)系，便總存在一種控制方法，使得這兩份信號中的IMD3 分量大小相等，符號相反，從而在相加的過程中相互抵消。通過獨(dú)立控制0 階邊帶的幅度，以及2 階邊帶的相位，可以實(shí)現(xiàn)所需要的非線性補(bǔ)償功能。

圖6 所示為光邊帶處理器的結(jié)構(gòu)框圖。光邊帶處理包括3 個部分：光譜空間分離器，空間光幅相調(diào)制器，光譜空間合成器。由光譜空間分離器將光信號光譜在空間上進(jìn)行分離，不同的波長輻射到不同的空間分布位置；空間光幅相調(diào)制器對空間中不同位置的光進(jìn)行獨(dú)立的幅度和相位改變，實(shí)現(xiàn)對信號頻譜的處理；經(jīng)過處理的空間光信號經(jīng)由光譜空間合成器合成為光信號并經(jīng)由光纖傳輸。

圖6 光邊帶處理器框圖

3.2 采用光邊帶處理技術(shù)的系統(tǒng)

采用光邊帶處理技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7 所示。光邊帶處理器放置在普通MZM 調(diào)制器后端實(shí)現(xiàn)后補(bǔ)償。該技術(shù)具有多通道、可編程控制能力，同時對原始光路不造成破壞。圖8 所示為系統(tǒng)的CIR 和SFDR 性能。調(diào)制器半波電壓為5 V，在8 dBm的輸入微波功率下，載波干擾比從原來的39 dBc 提高至75 dBc，從而獲得36 dB 的非線性抑制；在-161 dBm/Hz的理論噪底下，系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍從原來的99.8 dB ? Hz2/3 提高至124.8 dB ?Hz2/3，獲得了超過25 dB 的動態(tài)范圍增益，與光載波相位偏移技術(shù)獲得同等的非線性補(bǔ)償效果。

圖7 光邊帶處理技術(shù)裝置圖

圖8 采用光邊帶處理技術(shù)系統(tǒng)的載波干擾比性能和SFDR 性能

4 結(jié)束語

光載無線技術(shù)已作為一種微波、毫米波信號遠(yuǎn)端傳輸和處理的技術(shù)得到了廣泛的研究。在無線和光纖技術(shù)的雙驅(qū)動下，光載無線技術(shù)已成為未來融合兩者優(yōu)勢的非常有潛力的技術(shù)之一。光載無線系統(tǒng)的重要考慮指標(biāo)之一為其動態(tài)范圍，提高光載無線系統(tǒng)線性度的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。我們對光載無線系統(tǒng)的非線性過程進(jìn)行了深入研究，從調(diào)制器的結(jié)構(gòu)以及與調(diào)制器獨(dú)立的后補(bǔ)償兩個方面提出光載波相位偏移技術(shù)和光邊帶處理技術(shù)，兩種技術(shù)均可大幅提高現(xiàn)有光載無線系統(tǒng)的動態(tài)范圍，減小非線性失真對系統(tǒng)性能的影響。

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