類單邊帶調制和載波可重用的光載無線電接入系統研究

錢云鳳（南京華東電子集團有限公司,南京 210028）

類單邊帶調制和載波可重用的光載無線電接入系統研究

錢云鳳
（南京華東電子集團有限公司,南京 210028）

摘 要：本文提出一種基于光注入DFB半導體激光器實現的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的類單邊帶調制（Analogous Single Sideband，ASSB）RoF系統，并用VPI軟件對所提方案進行了仿真驗證。仿真結果表明所提方案的下行鏈路可以很好地克服光纖色散影響并同時實現最佳接收靈敏度的接收，且重用載波可以成功用于傳輸上行數據。

關鍵詞：光載無線電;光注入鎖定;類單邊帶調制

1　前言

微波/毫米波通信由于頻率高，容量大，抗干擾等優點，能夠實現多媒體業務的實時傳輸，是未來無線通信的發展方向。尤其是60GHz頻段的毫米波，引起了人們極大的興趣。但由于毫米波信號在大氣中衰減很大，無法在大氣中實現遠距離傳輸。光纖具有帶寬大、損耗小、重量輕的特點，用光纖來傳輸高頻微波信號，即光載無線電（RoF），可以同時結合光纖通信和無線通信的所有優點，因而成為近年來的熱門研究領域。

當前，針對RoF技術研究的主要問題包括：如何產生高質量的光載射頻信號，如何有效克服光纖色散對光載射頻信號的影響，如何有效接收光載射頻信號，如何對上/下行鏈路傳輸的基帶信號進行下/上變頻等；另一方面，RoF技術方案必須綜合考慮經濟因素，因為系統成本尤其是基站設備和維護成本決定了RoF技術是否具有實用價值。 文獻報道表明，采用光載波抑制（Optical carrier suppression，OCS）調制[1]和單邊帶（SSB）調制[2]可以有效克服光纖色散的影響。而直接調制注入鎖定的半導體激光器可以同時產生光載微波信號并實現無需本振信號的全光上變頻，系統結構簡單，且可以產生無啁啾調制信號[3]。文獻[4]提出一種基于光注入DFB半導體激光器實現的具有最佳接收靈敏度的SSB調制RoF系統，該研究結果表明DFB半導體激光器能夠對多頻注入光進行選頻放大，實驗產生了抗色散能力很好的SSB信號，還實現了全光上變頻。

本文在[4]的基礎上，提出了一種基于光注入DFB半導體激光器實現的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的RoF系統，該方案不僅能夠在全光RoF接入網絡的下行鏈路中產生了抗色散能力很好的類單邊帶（ASSB）調制信號、實現全光上變頻，還能夠利用下行鏈路的光載波實現上行通信。傳輸系統仿真研究表明下行鏈路具有抗色散能力、上行鏈路具有可用的傳輸性能。

2　原理與實現方案

本文提出一種基于光注入DFB半導體激光器實現的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的SSB調制RoF系統，具體方案如圖1所示。在中心局（CO），MZM工作在最大傳輸點，用VOA控制注入光功率，調諧主激光器的輸出波長，使-2級邊帶被放大并鎖定DFB半導體激光器，且DFB半導體激光器的輸出信號其OCSR等于基站所用濾波器的反射率（dB）；同時用一個窄帶PD對上行數據進行光電轉換，然后用一個低通濾波器（Lowpass filter，LPF）和誤碼測試儀（Bit error rate test，BERT）分別進行低通濾波和誤碼測試。下行光信號經過一段光纖傳輸后，在基站（BS）接收端，用一個部分反射型光柵對傳輸后的光信號進行濾波處理，光柵的中心波長對準主激光器的波長，這樣經過光柵濾波后，接收端的光信號其OCSR為零，即達到了最佳接收靈敏度的效果，然后用寬帶PD進行光電轉換，再用一個本振（LO）信號對其進行混頻下變頻，經過LPF后即可在BERT中進行誤碼測試；同時，光柵反射回來的光波信號經環形器引導可以作為上行鏈路的載波，經過調制和放大之后即可發送到SMF中實現上行鏈路的通信傳輸。這樣就完成了一個完整的全雙工RoF系統設計，且可以實現下行鏈路的最佳靈敏度接收和上行鏈路的載波重用，提高系統性能的同時還能降低系統維護成本。其中（a）～（e）各點的光譜示意圖如圖1下半部分所示。

此外，在嚴格的單邊帶（Strict single sideband，SSSB）調制方案中只有一個邊帶被調制，而在本方案中，雖然信號主要調制在被放大的-2級邊帶上，但載波仍然有微弱的信號調制，為了區別于理想的單邊帶調制，可以稱本方案產生的單邊帶調制為類似單邊帶調制（Analogous Single Sideband，ASSB）。

3　仿真結果與討論

由于實驗室暫時還沒有對高頻微波信號進行下變頻處理的微波器件，所以只能對所提方案進行仿真驗證。這里采用VPI軟件對所提方案進行仿真驗證。為了使仿真結果更加貼近實際情況，仿真中所用的參數都嚴格按實際情況進行設置，具體如下：SMF的色散系數為17 ps/nm/km，損耗系數為0.2dB/km，非線性系數為2.6×10-20m2/W；PD 的響應率為0.7A/W，熱噪聲系數為10.0×10-12A/，散彈噪聲也考慮在內；EDFA的噪聲數字設為5dB；主激光器的線寬設為100kHz，與實驗室的可調諧激光器一致；CO處的MZM工作在最大傳輸點，BS處的MZM工作在線性工作點；信號源的頻率為30GHz，LO信號的頻率為60GHz；分別用27-1位、1.25-Gb/s和2.5-Gb/s偽隨機序列（Pseudorandom binary sequence，PRBS）非歸零（Not return to zero，NRZ）碼作為上、下行鏈路的基帶數據信號；傳輸的SSB信號的OCSR設為18.5dB。此外，參考文獻報道的實驗結果，仿真中-2級邊帶與載波之間調制系數差設為20dB。BS處所用光柵濾波器用一個均勻光纖光柵來實現，其中心波長與主激光器波長一致，反射譜和透射譜如圖所示。由圖2可見，光柵中心波長處的透射率為-18.5dB，與下行鏈路傳輸的SSB光信號的OCSR一致。

然后分別對這兩路光進行相同數據信號的獨立調制，其中包含-2級邊帶的這一路進行強調制，另一路進行弱調制，使得耦合后-2級邊帶與載波之間的調制系數差為20dB；然后用一個EDFA對調制后的-2級邊帶進行放大，使得耦合后光信號的OCSR為18.5dB；最后用一個光學耦合器把這兩路光進行耦合。

參數設定后運行搭建的仿真系統，其中(a)～(e)各點的輸出光譜如圖(a)～(e)所示。由圖(a)可見，在CO處，主激光器發出的光經過MZM的最大傳輸點調制后產生了頻率間隔為60GHz 的DSB信號，頻率為信號源的兩倍，且OCSR為33.5dB。這些光注入到被基帶數據調制的DFB半導體激光器后產生了ASSB調制信號，其中-2級邊帶被放大了15dB，OCSR減小為18.5dB，-2級邊帶與載波的調制系數差為20dB，如圖（b）所示。信號傳輸到BS后，經過光柵濾波處理得到的光載射頻信號為60GHz，且載波與-2級邊帶功率相等，即OCSR=0dB，如圖（c）所示。需要說明的是，由于光柵透射譜具有一定的帶寬，所以透射光信號中載波攜帶的基帶數據信號將被濾除。光柵反射的重用載波如圖（d）所示，可見用于傳輸上行鏈路數據的重用載波還殘留有微弱的下行基帶數據信號。經過上行基帶數據調制后，光載波的頻譜明顯展寬，如圖（e）所示。這些結果與所示的頻譜示意圖基本一致。此外，在BS處產生的微波信號如圖（f）所示。由圖可見，本方案最終在下行鏈路的接收端產生了二倍于CO信號源頻率的微波信號，成功實現了微波信號的光學傳輸。

仿真中對下行鏈路光載微波信號的抗色散能力進行了測試。如圖4所示是基站接收的微波信號功率隨傳輸距離變化的曲線。如圖可見，本方案產生的單邊帶（ASSB）信號與理想單邊帶（SSSB）信號一樣，接收端微波信號的功率大小不會像雙邊帶（DSB）調制方案那樣隨傳輸距離的變化出現正弦衰落效應，而且其曲線斜率與所用SMF的損耗系數一致，說明本方案產生的SSB信號具有非常好的抗色散能力。

仿真中還對上下行鏈路對基帶數據信號的傳輸性能進行了測試，結果如圖5所示。如圖可見，信號無誤碼（BER=1×10-9）傳輸的功率代價都很小，下行鏈路只有0.27dB，而上行鏈路可以忽略不計。此外，接收靈敏度也都比較高，無誤碼接收功率都低于-17dBm。無誤碼時上下行基帶數據信號在傳輸前后的眼圖如圖所示。從圖6可見，傳輸前后眼圖都很清晰，且張開度都很大，體現了良好的數據恢復能力。其中上行鏈路中上眼皮的抖動是由于載波中殘留下行基帶數據導致。

4　結論

本文提出了一種基于光注入DFB半導體激光器實現的具有最佳接收靈敏度和載波可重用的RoF系統，利用光注入DFB半導體激光器可以產生OCSR＞0dB的SSB信號的特性，提出了一種具有最佳接收靈敏度和載波可重用的SSB調制RoF系統，完整地實現了上下行鏈路的通信。此外，還用VPI軟件對所提方案進行了仿真驗證。仿真結果表明，所提方案的上下行鏈路都具有良好的數據傳輸性能：不受色散影響，信號無誤碼傳輸的功率代價小，接收靈敏度高，眼圖清晰且張開度大等。

參考文獻：

[1]Z. Jia, J. Yu, G.-K. Chang. A full-duplex radio-over-fiber system based on optical carrier suppression and reuse [J]IEEE Photon. Technol. Lett,2006,18(16):1726-1728.

[2]C. Hong, C. Zhang, M. Li et al. Single-sideband modulation based on an injection-locked DFB lasers in radio-over-fiber systems[J]. IEEE Photon. Technol. Lett,2010,22(07):462-464.

[3]S. Mohrdiek, H. Burkhard,H. Walter. Chirp reduction of directly modulated semiconductor lasers at 10 Gb/s by strong CW light injection[J]. J. Lightw. Technol,1994,12(03):418-424.

[4].Jintian Xiong, Rong Wang, Tao Pu et al. A Novel Approach to Realizing SSB Modulation With Optimum Optical Carrier to Sideband Ratio[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2013,25(12):1114-1117.