一種多通道光域相控陣技術(shù)

一種多通道光域相控陣技術(shù)

在過去10年中，通信行業(yè)經(jīng)歷了深刻的變化。為了實現(xiàn)多用戶、高帶寬、穩(wěn)定可靠的語音和數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)的接入,不論是從網(wǎng)絡(luò)維護上還是網(wǎng)絡(luò)管理控制上講,無源光網(wǎng)絡(luò)PON(PassiveOpticalNetworks)被譽為最具有穩(wěn)定性、可行性的解決方案之一,這是由于無源光網(wǎng)絡(luò)具有大容量、高帶寬、易管理、網(wǎng)絡(luò)安全性高和易于升級等優(yōu)點。同時,下一代無線寬帶接入網(wǎng)必需滿足小區(qū)蜂窩快速切換、高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)刃枨?這一需求通過自適應(yīng)智能天線或多天線傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)。以上方案被應(yīng)用于未來的射頻信號通信當中,例如WiMax和WLAN協(xié)議。基于光域的相控陣技術(shù)應(yīng)用于自適應(yīng)智能天線和多天線系統(tǒng)中,具有瞬時延時范圍大、無波束傾斜、抗電磁干擾等優(yōu)點。國內(nèi)外已有相當數(shù)量的相控陣技術(shù)文獻報道,如基于注入鎖模激光器的自適應(yīng)指向天線技術(shù)、變換矩陣控制相移技術(shù)、色散光線相移技術(shù)、光線光柵技術(shù)、光子晶體光纖技術(shù)等。然而,這些技術(shù)都是基于激光器的相控陣結(jié)構(gòu),對于實現(xiàn)多路真延時就要采用多個激光器,這對系統(tǒng)的成本要求過高;此外,由于激光器需要控制電路和驅(qū)動電路來控制激光器的工作波長,光源的系統(tǒng)復(fù)雜度過高;國內(nèi)外現(xiàn)有方案僅著重于系統(tǒng)延時性能的測量,對信號傳輸方面并沒有明確的實現(xiàn)方法和結(jié)果論證。本文提出一種新型的成本相對低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單的光域相控陣技術(shù),該技術(shù)基于自發(fā)輻射(ASE)寬譜光源,并實現(xiàn)了nQAM矢量信號的20km無誤碼傳輸,并對實驗結(jié)果進行討論。1譜光機噪聲產(chǎn)生原因?qū)捵V光源是ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)自發(fā)輻射產(chǎn)生的,常見的寬譜光源為摻餌光纖放大器EDFA的自發(fā)輻射譜和發(fā)光二極管LED的發(fā)射譜。與傳統(tǒng)的激光器相比,寬譜光源具有光源結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于控制和維護、不需要驅(qū)動電路控制溫度和光波長等優(yōu)點,波長的變換只要改變光濾波器中心波長即可。但是由于激光器寬譜光源噪聲嚴重,動態(tài)范圍受噪聲限制。如果通過分析寬譜光源噪聲的來源,對寬譜光源噪聲進行有效的控制和抑制,將寬譜光源作為信號光源實現(xiàn)無線信號的傳輸和分配發(fā)射,勢必有效降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度,是一種新型的光載無線實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。圖1給出寬譜光源后置光濾波器的光譜圖,寬譜光源經(jīng)過可調(diào)諧光濾波器,得到的具有濾波器線性的寬譜,這樣只要改變?yōu)V波器的中心波長,就可以控制寬譜光源的中心波長。波長的控制和穩(wěn)定性較激光器相比,不需要控制電路和溫度檢測。本文研究使用的寬譜光源是增益平坦的,輸出譜寬為1528nm~1568nm,共40nm帶寬,輸出最大功率20dBm;可調(diào)諧光濾波器是美國Optplex公司生產(chǎn)的,是電控可調(diào)節(jié)的,調(diào)節(jié)范圍在1450nm~1600nm,調(diào)節(jié)步進0.01nm的準連續(xù)調(diào)節(jié),3dB帶寬0.8nm,20dB帶寬1.5nm。對于InGaAspinPD,工作在1550nm,典型值ID=0.4nA,負載電阻RL=50Ω輸入光功率為1.0mW(0dBm)PD接收帶寬10GHz,PD相應(yīng)R=0.8ΩPD出探測的平均電流為:散粒噪聲電流為:暗電流為:熱噪聲電流為:激光器的相對強度噪聲RIN噪聲(Relativeintensitynoise),發(fā)生于自發(fā)輻射過程中,與載流子壽命、光子壽命、注入電流有關(guān),同樣取激光器工作條件的典型值,輸出條件1mW,探測帶寬10GHz。激光器RIN噪聲電流計算如下:得到以下結(jié)論:接收光功率較低時,散粒噪聲和熱噪聲為主要噪聲;隨著PD處光功率的增加,寬譜光源ASE的差拍噪聲占主導(dǎo);RIN比寬譜差拍噪聲線低38dB,這就是選取激光器作為光源的主要原因。如圖2所示,當接收光功率在-12dBm~1dBm時,系統(tǒng)散粒噪聲、熱噪聲和ASE差拍噪聲在同一個數(shù)量級,三者的噪聲功率譜密度在-185dBm/Hz,這時無論是基于激光器的傳輸系統(tǒng)還是基于寬譜光源的傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)噪聲都是散粒噪聲、熱噪聲、ASE差拍噪聲共同占主導(dǎo),也就是說該PD探測功率條件下的基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)的噪聲是與基于激光器傳輸系統(tǒng)的噪聲相當?shù)?基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)在理論上是可行的。只要控制PD接收功率,有效降低差拍噪聲,就可以實現(xiàn)寬譜光源矢量信號傳輸。2信號格式和速率(1)傳輸特性圖3給出了基于寬譜光源的矢量信號傳輸實驗裝置圖,通過第1節(jié)對基于寬譜光源光副載波傳輸系統(tǒng)信道特性的分析得知,基于寬譜光源和濾波器的光傳輸系統(tǒng)噪聲,通過控制調(diào)制功率和PD處接收光功率,實現(xiàn)二者優(yōu)化選擇,實現(xiàn)較低EVM(ErrorVectorMagnitude),實現(xiàn)矢量信號傳輸。寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過光濾波器濾波后進入到Mach-Zehnder調(diào)制器,寬譜光源輸出功率16dBm,20dB帶寬41.2nm,中心波長1540nm,光濾波器帶寬0.8nm,差損2.6dB,PD處光功率-3dBm。傳輸距離為20km單模光纖。實驗中采取變換三個實驗條件來驗證以上結(jié)果。(1)調(diào)制信號由Agilent8267D矢量信號發(fā)生器發(fā)出,調(diào)制格式分別為QPSK、16QAM、64QAM;(2)速率1.25Mb/s、2Mb/s、3.5Mb/s、10Mb/s;(3)接收結(jié)果,分別為背靠背直接測量矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的質(zhì)量、加入寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號后直接探測、寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號傳輸20km探測。信號格式和速率的選取有實際應(yīng)用價值的信號格式,802.11nWiMax協(xié)議下的信號頻率和速率,在接收端利用Agilent89600矢量信號分析儀對傳輸?shù)馁|(zhì)量進行分析。由于光副載波系統(tǒng)對于電信號調(diào)制格式是透明,對于變化實驗條件(1)中的調(diào)制信號格式、實驗條件(2)中的調(diào)制信號速率,實驗結(jié)果具有相似性,這里不予贅述。以下選取具有代表性的信號2.4GHz載波10Mb/s64QAM信號重點分析。首先測量背靠背信號質(zhì)量,將矢量信號發(fā)射器發(fā)出的信號直接用矢量信號分析儀進行分析。在2.4GHz、信號格式為64QAM、數(shù)據(jù)率10Mb/s條件下輸入微波功率8dBm,PD光功率-3.2dBm,得到信號的星座圖和基帶眼圖如圖4所示,這是得到的信號源的EVM為2.8%。之后利用寬譜光源后置光濾波器方案,對矢量信號雙邊帶調(diào)制,PD處直接探測,經(jīng)過矢量信號分析儀分析,得到的星座圖和眼圖如圖4,接收信號EVM為3.2%。在經(jīng)過20km單模光線傳輸后,接收信號星座圖和眼圖如圖5,接收信號EVM為4.1%。對于64QAM信號,接收機要求在EVM<5%為最佳,由以上實驗得到的接收信號EVM,在控制一定的實驗條件下,無論是直接探測還是經(jīng)過20km傳輸,系統(tǒng)支持64QAM矢量信號穩(wěn)定可靠無誤碼率的傳輸。(2)延時特性通過調(diào)制器雙邊帶調(diào)制,在PD處直接探測得到信號,這種情況下,如果在PD前引入延時模塊(CFG、PCF、色散補償光纖等),通過控制光濾波器波長就可實現(xiàn)對復(fù)雜矢量信號包括QPSK、n-QAM信號的光域真延時控制,該技術(shù)應(yīng)用在光載無線(ROF)結(jié)構(gòu)中基站端,穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)了對無線矢量信號的空間分配和波束指向,滿足了電域下需要實現(xiàn)大瞬時帶寬、響應(yīng)速度快的要求。實驗中選擇啁啾光纖光柵(CFG)作為延時模塊,系統(tǒng)裝置如圖6所示,CFG延時為51.1ps/nm,通帶為帶寬1545.0~1555.0nm,實現(xiàn)真延時范圍509.5ps。圖7給出了光濾波器中心波長選取1545.0~1555.0nm,矢量信號真延時曲線。通過真延時可以對矢量信號的副載波相位進行控制,實現(xiàn)空間分配,分配結(jié)果用EVM來衡量,EVM為3.6%。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE8364B測量的4路輸出信號S21參數(shù),離線計算可以得到波束指向圖。在2.4GHz下,各路延時步進16.7ps,指向角度為34.2°時,波束方向指向圖如圖8所示,灰色為理論值,深色為實驗值,天線增益衰減0.9dB,旁瓣增益為1.6dB。以上工作實現(xiàn)了基于寬譜光源的單路微波信號延時技術(shù),本文利用實驗室現(xiàn)有研究基礎(chǔ),結(jié)合國家自然科學基金重點項目研究成果,實現(xiàn)了4路5bit真延時信號分配,各路功率一致性0.5dB以內(nèi),延時精度1ps。本章提出了基于寬譜光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳輸復(fù)雜矢量信號的實現(xiàn)方案。實現(xiàn)了2.4GHz載波下,64QAM10Mb/s矢量信號20km無