基于IQ/CD的单光子载波矢量信号传输系统设计

查文刚，杨 真

(华东交通大学现代教育技术中心，江西 南昌330013)

1 引言

在过去几年，微波信号在光纤的传输已经成为了研究热点而被广泛的研究，无线信号与光纤技术(RoF)相结合的传输方式，在远程天线，有线电视和宽带无线接入方面得到了广泛的应用［1］。由于有限的频谱资源，系统需要采用高频谱效率的调制方式，比如说相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)，这些调制的信号也被称为矢量信号［2］。目前，已经提出了许多技术通过采用矢量信号调制用来实现RoF传输［3］。在RoF系统中，通常需要多个无线信号传输到一根光纤，然而在传统的RoF系统中，由于无线信号也许会有相同的载频，多个无线信号应被调制到不同的光载波，以避免频谱之间的干扰［4］。

例如，在一个多路输入/输出系统中，天线的无线信号具有相同的微波的载波频率［5］。另外，在一个光载波分多路复用无源光网络(WDM－PON)中，多个用户可以用相同频率的微波载波发送不同的信号。目前，主流的解决方案是使用不同的波长来携带不同的无线信号［6］，但系统会变得复杂和昂贵，这是因为要用到多个光波长和多个调制器［7］。相干检测在调制格式方面提供了极大的灵活性［8］，信息可以在幅度和相位进行编码，或者在这两个同相(I:in-phase)和正交的载波(Q:quadrature)分量中进行编码，该检测技术具有较低的噪声和很高的频谱效率，因此，研究基于IQ调制和相干检测来传输矢量信号，具有重要的实际意义。

2 相干检测原理

本文提出了一个通过采用IQ(I:in-phase，同相;Q:quadrature，正交)调制和相干检测(CD)的新颖的光子方法来在单微波载波中传输两个微波矢量信号。在所提出的系统中，线性偏振光波被分成两个正交极化光波，一个被调制的两个微波矢量信号和其他的无调制，但在同一根光纤中传输调制光波。在接收器处，这两个光波的正交偏振态被分离并传送到一个相干检测器，这里两个微波矢量信号被分离和解调。

假定应用到双平行马赫－曾德调制器(DPMZM)的两个矢量信号分别为I(t)和Q(t)，DPMZM工作在一个IQ调制条件(在最小发送点的子MZM基极和主MZM偏置引入π/21相移)，在DPMZM的输出的光信号可以表示为:

在式(1)中，考虑到了调制条件，输入光场到DP-MZM的幅度为Ex;角频率为ωc;DP-MZM的半波电压为Vπ，γ=π∕Vπ，两个矢量信号分别在光载波上的IQ调制。偏振分束器(PBS)的其他光波没有被调制，Ey是未调制光载波光场的振幅，在数学上可以表示为:

通过SMF传输的两个正交极化光波(A、B)，是偏振光束组合器(PBC)和多个波长复用的组合。在接收端，在特定的波长进行波分复用，两个正交极化光波通过第二个PBS分割并传送到一个相干检测器。相干检测器包括一个光混合器和两对光电探测器(PD)设备，通过光混合能使相位差分别为0°，180°，90°和90°的两个输入/输出信号结合，然后从四个输出端发送到两对PD设备，图1所示为相干检测器的工作原理图。

图1 相干检测器的工作原理Fig.1 The prinviple of coherent detector

方程(1)和(2)的两个光波发送到相干检测器上。在光混合器的输出端，将产生四个输出信号，它们分别表示为在上面一对PD设备的输出信号可表示为:

类似地，下面的一对PD设备的输出信号可表示为:

从方程(3)和(4)中可看出在相干检测器的输出端，成功恢复了两个微波矢量的信号。

3 基于IQ调制和相干检测微波矢量信号传输系统架构

根据上述的原理分析，可以建立相应的基于IQ调制和相干检测微波矢量信号传输系统，使用多载波发生器，从单波长光源产生的光多载波，然后将其解复用在一个光波长多路分离器中。对于给定的波长，在偏振分束器(PBS)中它被分裂成两个正交极化波的光波，在一个双平行马赫－曾德调制器上调制两个同样的微波频率携带的微波矢量信号，这两个信号在偏振光束组合器(PBC)上结合。所有的信号在被放大掺铒光纤放大器(EDFA)之前，使用波长复用器(MUX)进行多路复用，且通过单模光纤(SMF)进行传输。

在接收端，采用一个多路分用器进行分离波长。对于给定的波长，PBS是用来分隔两个正交极化光波，其随后发送到一个相干检测器。在相干检测器的输出端，可获得两个向量信号，对于有N个波长的系统，可以发送2N个矢量信号。对于给定的光波长，可在PBS中的输出端获得两个正交极化光波，其中一个发送到DP-MZM，另一个传送给PBC。图2为基于IQ调制和相干检测微波矢量信号传输系统框图。

图2 基于IQ调制和相干检测的微波矢量信号传输系统框图Fig.2 System chart of microwave vector signal transmission based on IQ/CD

接下来，可以建立如图3所示为仿真实验系统，激光器(LD)产生波长为1545．45 nm的光波，通过PC1发送到PBS1。PBS1中的一个输出口的光波通过PC2传送到DP-MZM，它由任意波形发生器产生两个2GHz微波携带的1Gbps的QPSK信号驱动，由2个电信号放大器(EA)进行放大处理，EA1和EA2具有10dB增益。在PBS1的其他输出端口的光波不进行调制，直接通过PC4发送到PBC。DP-MZM的两个子MZM都是基于最低传输点的，在DP-MZM偏置引入π/2相移，DP-MZM输出的光信号通过PC3发送到PBC。PC3和PC4用来使两个输入信号的偏振状态，对准PBC的两个正交的偏振方向，然后该光信号通过光学带通滤波器滤波，由EDFA放大后，以过滤出EDFA的放大自发发射噪声。然后，光信号通过25 km单模光纤传输，通过PC5发送到PBS2，从而分开产生两个正交极化光波，这两个物理上分离的正交偏振的光波，通过PC6和PC7，经两个输入端口发送到相干检波器上，最后检测到的电信号由一个数字采样示波器所捕获，然后通过计算处理进行解调。

图3 矢量信号传输及检测系统实验装置Fig.3 Experimental setup of vector signal trsnsmisson and detection system

4 矢量信号传输及检测仿真分析

为了验证系统的传输性能，首先测量有或没有通过光纤传输的两个正交相移键控(QPSK)信号的星座图。在实验中，控制PC1让两个正交极化光波在PBS2的输出端具有相同的光功率，在输出端获得两个QPSK信号I(t)和Q(t)由相干检测器恢复。表1所示为25 km的SMF传输三个特定接收到的光功率电平的星座图，两个QPSK信号的星座图经过25 km的SMF传输后，性能显著降低。这表明，经过单模光纤传输对传输性能的影响很小。同时还可看到两个QPSK信号与给定接收到的光功率的星座图的差异很小，这是由于DPMZM中测量的偏差漂移，以及应用到DP-MZM的电信号的幅度不相等而引起的。

表1 不同的接收光功率下两个QPSK信号的星座图Tab.1 Constellation maps of two QPSK signals under different received optical powers

然后，评估了2个QPSK信号在误差向量幅度(EVM)方面的性能。经过25 km长度的SMF传输后，观测两个QPSK信号的光功率为－3～－17 dBm时的EVM性能，图4所示为实验观测的结果，可以看出，经过25 km长度的SMF传输之后的I(t)和Q(t)的信号传输的EVM性能略有下降。

图4 误差向量幅度与接收光功率的关系Fig.4 The relationship between error vector amplitude and received optical power

对经过25 km长度的SMF传输的两个微波矢量信号，测量的方法需要有所区别，两个信号采用不相同测量方法的原因:

(1)将偏压应用到DP-MZM会使得实验偏离原设定值，这导致了两个QPSK信号的传输特性不稳定;

(2)在两个正交极化光波可能不完全正交，这可能会导致在光纤传输过程中有串扰;

(3)两个正交极化光波被分割且有2个PBS重新组合，由于环境的变化，比如说温度的变化，这可能会使这两个光波之间的相位差逐渐改变。然而，如果采用一个偏置控制电路可使这些问题得到解决。此外，如果分立器件是由一个光子集成电路所替代，在稳定性方面的性能也将得到改善。

5 结论

仿真验证结果表明，实验验证了基于IQ调制和相干检测的光子的方法来传输两个微波矢量信号，在光波中使用一个DP-MZM来调制两个具有相同微波载波频率的矢量信号，且在同样的光纤没有调制的情况下，传输正交偏振光波来相干检测，携带矢量信号的光载波和调制器的数量就只需要原来的一半。采用平衡检测及PD设备可以减少噪声，经过25 km的SMF传输之后系统性能并没有显著的降低，在短期内，该系统的传输性能在室内环境下没有明显的降低。与光纤链路中常规微波矢量信号传输方法相比，所做工作的关键和差异是使用一个单光纤载体来传输有着相同微波载体频率的两个不同的微波矢量信号，这大大降低了所需的携带的微波矢量信号的光载波和调制器的数目。另外，在所提出的相干检测方法中，从而降低了光电检测器的噪声的影响，用实验证明了这一理论，该系统是基于分立元件来实现的，后续需要研究其长期的稳定性问题。

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