毫米波、超寬帶和基帶信號混合傳輸?shù)墓饫w系統(tǒng)

黃亞楠 ,陳新橋,柴 佳,張 薇

(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)

毫米波、超寬帶和基帶信號混合傳輸?shù)墓饫w系統(tǒng)

黃亞楠 ,陳新橋,柴 佳,張 薇

(中國傳媒大學信息工程學院,北京 100024)

提出了一種60 GHz毫米波、UWB(超寬帶)信號和基帶信號混合傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)。在中心站采用10 GHz RF(射頻)信號驅(qū)動兩個并行PM(相位調(diào)制器)產(chǎn)生三階邊帶,在基站通過PD(光檢測器)拍頻生成6倍頻的60 GHz毫米波;利用高斯電脈沖驅(qū)動雙極型MZM(馬赫―曾德調(diào)制器)生成二階UWB信號;UWB信號和基帶信號通過偏振復用調(diào)制在同一光載波上。仿真結(jié)果表明,2.5 Gbit/s的信號經(jīng)20 km單模光纖傳輸后,眼圖清晰;生成的UWB信號中心頻率為5.5 GHz,相對帶寬達到98%,符合FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)標準。

毫米波;超寬帶;并行相位調(diào)制器;馬赫―曾德調(diào)制器;偏振復用

0 引 言

近年來,人們對語音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的需求越來越高,傳統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)已無法滿足日益增長的帶寬需求,因此涌現(xiàn)出ZigBee、UWB(超寬帶)無線通信和毫米波等新型的短距通信技術(shù)。UWB通信是一種高速短距無線通信技術(shù),在學術(shù)界、工業(yè)界都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)規(guī)定UWB的頻段為3.1～10.6 GHz,功率譜密度小于―41.3 d Bm/MHz,其一部分頻譜與現(xiàn)有的無線通信共享信道。IR-UWB(脈沖超寬帶)由于其低復雜度、低成本和低功率損耗的特點,受到廣泛關(guān)注。60 GHz毫米波通信是另外一種短距通信解決方案,采用全球無需許可即可使用的7～9 GHz頻帶寬度,室內(nèi)傳輸速率可達數(shù)Gbit/s[2]。由于IR-UWB的功率密度限制以及60 GHz波段在自由空間傳輸時衰減嚴重,長距離傳輸時需要用光纖作為載體,即UWB-over-fiber(光載超寬帶)和Ro F (光載射頻)技術(shù),如何在光域生成毫米波信號和UWB信號是光載UWB和RoF的關(guān)鍵。

毫米波光學生成技術(shù)大致分為光外差調(diào)制技術(shù)、上變頻和外部調(diào)制技術(shù)[3]3類。目前常用的方法是基于外調(diào)制器結(jié)構(gòu)的毫米波光學生成,該方法結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。使用MZM(馬赫―曾德調(diào)制器)或PM(相位調(diào)制器)作為外部調(diào)制生成倍頻毫米波的方法已經(jīng)相當成熟[4-6],相對于MZM,PM不需要復雜的電路提供偏置電壓,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單[7]。光域生成UWB脈沖信號的方法也有很多,常用的有基于相位調(diào)制/強度調(diào)制的轉(zhuǎn)換、半導體光放大器的非線性效應(yīng)[8]、頻譜整形和頻域到時域映射以及通過改變MZM的調(diào)制點來產(chǎn)生一階或二階UWB脈沖信號[9]。文獻[10]提出了一種時分復用和頻分復用相結(jié)合的方法共同傳輸毫米波和UWB信號,文獻[11]實現(xiàn)了一種毫米波、UWB和基帶信號共同傳輸?shù)拿芗ǚ謴陀孟到y(tǒng)。為了更好地利用有限的頻譜資源,本文設(shè)計了一種在一個波長內(nèi),通

過頻分復用和偏振復用共同傳輸60 GHz毫米波、UWB和基帶信號的光纖通信系統(tǒng),并通過Optisystem光子仿真軟件驗證了其可行性。

1 系統(tǒng)設(shè)計及原理分析

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

圖1所示為本文所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。在中心站側(cè),CWL(連續(xù)激光器)產(chǎn)生的光載波通過分光器均分為3路,第1路和第2路光載波分別注入兩個并聯(lián)的PM,10 GHz的RF(射頻)信號經(jīng)過分束器后分別調(diào)制這兩個PM,生成的三階邊帶間隔為60 GHz。再經(jīng)過MZM將基帶信號調(diào)制到邊帶上。第3路光載波通過PBS(偏振分束器)分成兩路偏振態(tài)正交的光載波,其中一路光載波由基帶信號經(jīng)MZM直接調(diào)制,另一路由高斯脈沖調(diào)制MZM,生成二階高斯脈沖。然后經(jīng)合波器將3路信號合成一路信號,經(jīng)光纖傳輸?shù)交尽Ｔ诨緜?cè),首先通過反射型FBG(光纖布拉格光柵)分離出載波和三階邊帶。其中分離出的三階邊帶經(jīng)過PD(光檢測器)拍頻生成60 GHz毫米波信號;分離出的載波經(jīng)過PBS分離出兩個偏振態(tài)正交的光載波,這兩路信號經(jīng)過PD實現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換,分別恢復出基帶信號和UWB信號。

圖1 同時傳輸60 GHz毫米波、UWB和基帶信號的光纖通信系統(tǒng)框圖

1.2 60 GHz毫米波和UWB信號生成原理

設(shè)PM輸入光場為Ein(t)=Ecexp(―jωct),RF信號為V(t)=VRFcos(ωmt+θ),式中,Ec、ωc分別為光載波振幅和角頻率;VRF、ωm、θ分別為RF信號的振幅、角頻率和初始相位。光載波和RF信號注入PM后的輸出光場為

式中,Δφ為PM相移常量。式(1)取實部并根據(jù)雅可比―安格爾恒等式可得:

調(diào)節(jié)相移常量使J1(ΔφVRF)=0,即可抑制一階邊帶。設(shè)置第1路RF信號的初始相位為0,第2路RF信號的初始相位為180°,兩路信號經(jīng)減法器相減,同時忽略三階以上邊帶,可得:

式(3)只包括上下三階邊帶,如果RF信號為10 GHz,則上下三階邊帶經(jīng)過PD拍頻后即可生成60 GHz毫米波。

采用電高斯脈沖調(diào)制雙極型MZM,經(jīng)MZM調(diào)制后生成的二階高斯脈沖如圖2所示,當MZM的偏置點位于最小偏置點略微偏左側(cè)時,高斯脈沖在上升沿會先經(jīng)過小段下降,再上升到最大點,下降沿則相反。調(diào)制后生成類似正極性二階微分高斯脈沖,在基站側(cè)經(jīng)PD轉(zhuǎn)換即可恢復出UWB信號。

圖2 經(jīng)MZM調(diào)制后生成的二階高斯脈沖

2 仿真實驗及分析

2.1 仿真設(shè)置

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)框圖,采用Optisystem光子模擬軟件,設(shè)計出了同時傳輸60 GHz毫米波、二階UWB信號和基帶信號的仿真系統(tǒng)。在中心站,設(shè)置CWL的輸出頻率為193.1 THz,功率為0 dBm,線寬為10 MHz。設(shè)RF本振頻率為10 GHz,加到PM上的兩路RF信號相位差為180°,PM相移常量取439°,雙極型MZM的Vπ設(shè)為5 V,兩臂直流偏置電壓分別為0和4 V。基帶信號速率為2.5 Gbit/s。單模光纖衰減量為0.2 dB/km,色散為16.75 ps/(nm·km),PMD(偏振模色散)系

2.2 仿真結(jié)果

在基站側(cè),通過反射型FBG分離出光載波和邊帶。載波經(jīng)PBS分離出基帶信號和UWB信號。一路偏振光經(jīng)光/電轉(zhuǎn)化后恢復出調(diào)制在其上的基帶信號,基帶信號的眼圖如圖3所示。

圖3 調(diào)制在光載波上的基帶信號眼圖

另一路偏振光經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換后生成UWB信號,其時域和頻域圖如圖4所示。可見UWB信號的中心頻率為5.5 GHz,在―10 dB帶寬時達到5.4 GHz,相對帶寬達到98%,符合FCC標準。

圖4 生成的二階UWB信號時域頻域圖

圖5 所示為上下三階邊帶經(jīng)PD拍頻生成的60 GHz毫米波頻譜圖,產(chǎn)生的60 GHz毫米波信號峰值為―10 d Bm,同時還包含載波和其他邊帶成分,這是由于高階邊帶并不能完全忽略,反射型FBG無法完全濾除載波的緣故。圖6所示為解調(diào)60 GHz毫米波上的數(shù)據(jù)所得到的眼圖。

圖5 光生成60 GHz毫米波的頻譜圖

圖6 解調(diào)60 GHz毫米波上數(shù)據(jù)得到的眼圖

2.3 偏振復用對誤碼率的影響

圖7所示為毫米波單獨傳輸、毫米波和UWB、毫米波和基帶信號以及3路信號共同傳輸時的毫米波信號的誤碼率曲線圖。由于前3種情況沒有加入偏振復用,誤碼率曲線幾乎重合。信號速率為2.5 Gbit/s,傳輸20 km,在保證誤碼率不大于10―9時,4種情況下接收靈敏度分別為―27.6、―27.2、―27.5和―25.9 dBm。偏振復用帶來的功率代價約為1.7 d B。

圖7 誤碼率與接收功率的關(guān)系

3 結(jié)束語

本文提出了一種單波長共同傳輸60 GHz毫米波、UWB信號和基帶信號的系統(tǒng)方案。采用兩個并行PM即可生成6倍頻毫米波,電高斯脈沖調(diào)制單個雙極型MZM生成二階UWB信號,采用偏振復用實現(xiàn)基帶信號和UWB信號的共同傳輸。仿真得到60 GHz毫米波,中心頻率為5.5 GHz,相對帶寬為98%的二階UWB。調(diào)制在60 GHz毫米波和光載波上的2.5 Gbit/s基帶信號,經(jīng)20 km單模光纖傳輸后眼圖清晰。所提系統(tǒng)方案的特點是系統(tǒng)只采用一個波長,利用高階邊帶產(chǎn)生高倍頻毫米波,利用偏振復用將基帶和UWB共同調(diào)制在載波上,結(jié)構(gòu)簡單,能實現(xiàn)無線信號(毫米波、UWB)和有線信號(基帶信號)的混合接入,在未來光接入網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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A Optical Fiber Communication System on Simultaneous Transmission of Millimeter-wave,UWB and Baseband Signal

HUANG Ya-nan,CHEN Xin-qiao,CHAI Jia,ZHANG Wei
(College of Information Engineering,Communication University of China,Beijing 100024,China)

A optical fiber communication system simultaneous transmitting millimeter-wave、Ultra Wide Band(UWB)signal and baseband signal is proposed.In central station,a 10 GHz radio frequency signal is used to drive two parallel Phase Modulator (PM)to produce third-order sideband.In base station,60 GHz millimeter wave is generated from the beating of optical detector.Electronic Gaussian pulses are utilized to drive dual Mach-Zehnder Modulator(MZM)to generate the second-order UWB signal.The UWB and baseband signals are modulated on the same optical carrier through polarization multiplexing.Simulation results show that the eye pattern is still clear after the 2.5 Gbit/s signal transmitting over 20 km signal model fiber.The generated UWB signal meets the criterion of the U.S.Federal Communications Commission(FCC),which has a central of 5.5 GHz and a relative bandwidth of 98%.

millimeter-wave;UWB;parallel PM;MZM;polarization multiplexing

TN915

A

1005-8788(2016)06-0026-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.007

2016-07-04

黃亞楠(1991―),男,河南南陽人。碩士研究生,主要研究方向為光纖通信。