一种多通道光域相控阵技术

一种多通道光域相控阵技术

在过去10年中，通信行业经历了深刻的变化。为了实现多用户、高带宽、稳定可靠的语音和数据等多业务的接入,不论是从网络维护上还是网络管理控制上讲,无源光网络PON(PassiveOpticalNetworks)被誉为最具有稳定性、可行性的解决方案之一,这是由于无源光网络具有大容量、高带宽、易管理、网络安全性高和易于升级等优点。同时,下一代无线宽带接入网必需满足小区蜂窝快速切换、高数据率传输等需求,这一需求通过自适应智能天线或多天线传输系统实现。以上方案被应用于未来的射频信号通信当中,例如WiMax和WLAN协议。基于光域的相控阵技术应用于自适应智能天线和多天线系统中,具有瞬时延时范围大、无波束倾斜、抗电磁干扰等优点。国内外已有相当数量的相控阵技术文献报道,如基于注入锁模激光器的自适应指向天线技术、变换矩阵控制相移技术、色散光线相移技术、光线光栅技术、光子晶体光纤技术等。然而,这些技术都是基于激光器的相控阵结构,对于实现多路真延时就要采用多个激光器,这对系统的成本要求过高;此外,由于激光器需要控制电路和驱动电路来控制激光器的工作波长,光源的系统复杂度过高;国内外现有方案仅着重于系统延时性能的测量,对信号传输方面并没有明确的实现方法和结果论证。本文提出一种新型的成本相对低廉、系统结构相对简单的光域相控阵技术,该技术基于自发辐射(ASE)宽谱光源,并实现了nQAM矢量信号的20km无误码传输,并对实验结果进行讨论。1谱光机噪声产生原因宽谱光源是ASE(AmplifiedSpontaneousEmission)自发辐射产生的,常见的宽谱光源为掺饵光纤放大器EDFA的自发辐射谱和发光二极管LED的发射谱。与传统的激光器相比,宽谱光源具有光源结构简单、成本低廉、易于控制和维护、不需要驱动电路控制温度和光波长等优点,波长的变换只要改变光滤波器中心波长即可。但是由于激光器宽谱光源噪声严重,动态范围受噪声限制。如果通过分析宽谱光源噪声的来源,对宽谱光源噪声进行有效的控制和抑制,将宽谱光源作为信号光源实现无线信号的传输和分配发射,势必有效降低系统成本和复杂度,是一种新型的光载无线实现结构。图1给出宽谱光源后置光滤波器的光谱图,宽谱光源经过可调谐光滤波器,得到的具有滤波器线性的宽谱,这样只要改变滤波器的中心波长,就可以控制宽谱光源的中心波长。波长的控制和稳定性较激光器相比,不需要控制电路和温度检测。本文研究使用的宽谱光源是增益平坦的,输出谱宽为1528nm~1568nm,共40nm带宽,输出最大功率20dBm;可调谐光滤波器是美国Optplex公司生产的,是电控可调节的,调节范围在1450nm~1600nm,调节步进0.01nm的准连续调节,3dB带宽0.8nm,20dB带宽1.5nm。对于InGaAspinPD,工作在1550nm,典型值ID=0.4nA,负载电阻RL=50Ω输入光功率为1.0mW(0dBm)PD接收带宽10GHz,PD相应R=0.8ΩPD出探测的平均电流为:散粒噪声电流为:暗电流为:热噪声电流为:激光器的相对强度噪声RIN噪声(Relativeintensitynoise),发生于自发辐射过程中,与载流子寿命、光子寿命、注入电流有关,同样取激光器工作条件的典型值,输出条件1mW,探测带宽10GHz。激光器RIN噪声电流计算如下:得到以下结论:接收光功率较低时,散粒噪声和热噪声为主要噪声;随着PD处光功率的增加,宽谱光源ASE的差拍噪声占主导;RIN比宽谱差拍噪声线低38dB,这就是选取激光器作为光源的主要原因。如图2所示,当接收光功率在-12dBm~1dBm时,系统散粒噪声、热噪声和ASE差拍噪声在同一个数量级,三者的噪声功率谱密度在-185dBm/Hz,这时无论是基于激光器的传输系统还是基于宽谱光源的传输系统,系统噪声都是散粒噪声、热噪声、ASE差拍噪声共同占主导,也就是说该PD探测功率条件下的基于宽谱光源传输系统的噪声是与基于激光器传输系统的噪声相当的,基于宽谱光源传输系统在理论上是可行的。只要控制PD接收功率,有效降低差拍噪声,就可以实现宽谱光源矢量信号传输。2信号格式和速率(1)传输特性图3给出了基于宽谱光源的矢量信号传输实验装置图,通过第1节对基于宽谱光源光副载波传输系统信道特性的分析得知,基于宽谱光源和滤波器的光传输系统噪声,通过控制调制功率和PD处接收光功率,实现二者优化选择,实现较低EVM(ErrorVectorMagnitude),实现矢量信号传输。宽谱光源发出的光经过光滤波器滤波后进入到Mach-Zehnder调制器,宽谱光源输出功率16dBm,20dB带宽41.2nm,中心波长1540nm,光滤波器带宽0.8nm,差损2.6dB,PD处光功率-3dBm。传输距离为20km单模光纤。实验中采取变换三个实验条件来验证以上结果。(1)调制信号由Agilent8267D矢量信号发生器发出,调制格式分别为QPSK、16QAM、64QAM;(2)速率1.25Mb/s、2Mb/s、3.5Mb/s、10Mb/s;(3)接收结果,分别为背靠背直接测量矢量信号发生器产生信号的质量、加入宽谱光源后置光滤波器调制信号后直接探测、宽谱光源后置光滤波器调制信号传输20km探测。信号格式和速率的选取有实际应用价值的信号格式,802.11nWiMax协议下的信号频率和速率,在接收端利用Agilent89600矢量信号分析仪对传输的质量进行分析。由于光副载波系统对于电信号调制格式是透明,对于变化实验条件(1)中的调制信号格式、实验条件(2)中的调制信号速率,实验结果具有相似性,这里不予赘述。以下选取具有代表性的信号2.4GHz载波10Mb/s64QAM信号重点分析。首先测量背靠背信号质量,将矢量信号发射器发出的信号直接用矢量信号分析仪进行分析。在2.4GHz、信号格式为64QAM、数据率10Mb/s条件下输入微波功率8dBm,PD光功率-3.2dBm,得到信号的星座图和基带眼图如图4所示,这是得到的信号源的EVM为2.8%。之后利用宽谱光源后置光滤波器方案,对矢量信号双边带调制,PD处直接探测,经过矢量信号分析仪分析,得到的星座图和眼图如图4,接收信号EVM为3.2%。在经过20km单模光线传输后,接收信号星座图和眼图如图5,接收信号EVM为4.1%。对于64QAM信号,接收机要求在EVM<5%为最佳,由以上实验得到的接收信号EVM,在控制一定的实验条件下,无论是直接探测还是经过20km传输,系统支持64QAM矢量信号稳定可靠无误码率的传输。(2)延时特性通过调制器双边带调制,在PD处直接探测得到信号,这种情况下,如果在PD前引入延时模块(CFG、PCF、色散补偿光纤等),通过控制光滤波器波长就可实现对复杂矢量信号包括QPSK、n-QAM信号的光域真延时控制,该技术应用在光载无线(ROF)结构中基站端,稳定可靠地实现了对无线矢量信号的空间分配和波束指向,满足了电域下需要实现大瞬时带宽、响应速度快的要求。实验中选择啁啾光纤光栅(CFG)作为延时模块,系统装置如图6所示,CFG延时为51.1ps/nm,通带为带宽1545.0~1555.0nm,实现真延时范围509.5ps。图7给出了光滤波器中心波长选取1545.0~1555.0nm,矢量信号真延时曲线。通过真延时可以对矢量信号的副载波相位进行控制,实现空间分配,分配结果用EVM来衡量,EVM为3.6%。通过网络分析仪AgilentE8364B测量的4路输出信号S21参数,离线计算可以得到波束指向图。在2.4GHz下,各路延时步进16.7ps,指向角度为34.2°时,波束方向指向图如图8所示,灰色为理论值,深色为实验值,天线增益衰减0.9dB,旁瓣增益为1.6dB。以上工作实现了基于宽谱光源的单路微波信号延时技术,本文利用实验室现有研究基础,结合国家自然科学基金重点项目研究成果,实现了4路5bit真延时信号分配,各路功率一致性0.5dB以内,延时精度1ps。本章提出了基于宽谱光源系统结构传输复杂矢量信号的实现方案。实现了2.4GHz载波下,64QAM10Mb/s矢量信号20km无