近10年來(lái)，通信行業(yè)經(jīng)歷著深遠(yuǎn)的變化。為了實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)、高帶寬、穩(wěn)定可靠的語(yǔ)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(hù)上還是網(wǎng)絡(luò)管理控制上講，無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)PON(Passive Optical Networks)被譽(yù)為最具有穩(wěn)定性、可行性的解決方案之一，這是由于無(wú)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(jí)等優(yōu)點(diǎn)[1]。同時(shí)，下一代無(wú)線(xiàn)寬帶接入網(wǎng)必需滿(mǎn)足小區(qū)蜂窩快速切換、高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)刃枨螅@一需求通過(guò)自適應(yīng)智能天線(xiàn)或多天線(xiàn)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[2-4]。以上方案被應(yīng)用于未來(lái)的射頻信號(hào)通信當(dāng)中，例如WiMax和WLAN協(xié)議[5]。

    基于光域的相控陣技術(shù)應(yīng)用于自適應(yīng)智能天線(xiàn)和多天線(xiàn)系統(tǒng)中，具有瞬時(shí)延時(shí)范圍大、無(wú)波束傾斜、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)數(shù)量的相控陣技術(shù)文獻(xiàn)報(bào)道,如基于注入鎖模激光器的自適應(yīng)指向天線(xiàn)技術(shù)[6]、變換矩陣控制相移技術(shù)[7]、色散光線(xiàn)相移技術(shù)[8]、光線(xiàn)光柵技術(shù)[9]、光子晶體光纖技術(shù)[10]等。然而，這些技術(shù)都是基于激光器的相控陣結(jié)構(gòu)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)多路真延時(shí)就要采用多個(gè)激光器，這對(duì)系統(tǒng)的成本要求過(guò)高；此外，由于激光器需要控制電路和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制激光器的工作波長(zhǎng)，光源的系統(tǒng)復(fù)雜度過(guò)高；國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有方案僅著重于系統(tǒng)延時(shí)性能的測(cè)量，對(duì)信號(hào)傳輸方面并沒(méi)有明確的實(shí)現(xiàn)方法和結(jié)果論證。本文提出一種新型的成本相對(duì)低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了nQAM矢量信號(hào)的20 km無(wú)誤碼傳輸，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論。
1 基本理論分析
    寬譜光源是ASE(Amplified Spontaneous Emission)自發(fā)輻射產(chǎn)生的，常見(jiàn)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(jiǎn)單、成本低廉、易于控制和維護(hù)、不需要驅(qū)動(dòng)電路控制溫度和光波長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，波長(zhǎng)的變換只要改變光濾波器中心波長(zhǎng)即可。但是由于激光器寬譜光源噪聲嚴(yán)重，動(dòng)態(tài)范圍受噪聲限制。
    如果通過(guò)分析寬譜光源噪聲的來(lái)源，對(duì)寬譜光源噪聲進(jìn)行有效的控制和抑制，將寬譜光源作為信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸和分配發(fā)射，勢(shì)必有效降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，是一種新型的光載無(wú)線(xiàn)實(shí)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(guò)可調(diào)諧光濾波器，得到的具有濾波器線(xiàn)性的寬譜，這樣只要改變?yōu)V波器的中心波長(zhǎng)，就可以控制寬譜光源的中心波長(zhǎng)。波長(zhǎng)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(cè)。本文研究使用的寬譜光源是增益平坦的，輸出譜寬為1 528 nm~1 568 nm，共40 nm帶寬,輸出最大功率20 dBm;可調(diào)諧光濾波器是美國(guó)Optplex公司生產(chǎn)的，是電控可調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)范圍在1 450 nm~1 600 nm，調(diào)節(jié)步進(jìn)0.01 nm的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)節(jié)，3 dB帶寬0.8 nm，20 dB帶寬1.5 nm。

    由寬譜光源產(chǎn)生的差拍噪聲，需要對(duì)寬譜光源進(jìn)行建模，在下面的章節(jié)中進(jìn)行闡述。如圖給出了基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)的各個(gè)噪聲曲線(xiàn)以及激光器RIN噪聲曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)為PD處接收光功率，縱坐標(biāo)為單位帶寬下的噪聲。
    得到以下結(jié)論：接收光功率較低時(shí)，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(xiàn)低38 dB，這就是選取激光器作為光源的主要原因。
    如圖2所示,當(dāng)接收光功率在-12 dBm~1 dBm時(shí)，系統(tǒng)散粒噪聲、熱噪聲和ASE差拍噪聲在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，三者的噪聲功率譜密度在-185 dBm/Hz，這時(shí)無(wú)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(shuō)該P(yáng)D探測(cè)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(dāng)?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(shí)現(xiàn)寬譜光源矢量信號(hào)傳輸。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果討論
    (1) 傳輸特性
    圖3 給出了基于寬譜光源的矢量信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)裝置圖，通過(guò)第1節(jié)對(duì)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(guò)控制調(diào)制功率和PD處接收光功率，實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)化選擇，實(shí)現(xiàn)較低EVM(Error Vector Magnitude），實(shí)現(xiàn)矢量信號(hào)傳輸。

　寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光濾波器濾波后進(jìn)入到Mach-Zehnder調(diào)制器，寬譜光源輸出功率16 dBm，20 dB帶寬41.2 nm，中心波長(zhǎng)1 540 nm，光濾波器帶寬0.8 nm，差損2.6 dB，PD處光功率-3 dBm。傳輸距離為20 km單模光纖。
    實(shí)驗(yàn)中采取變換三個(gè)實(shí)驗(yàn)條件來(lái)驗(yàn)證以上結(jié)果。
?、?調(diào)制信號(hào)由Agilent8267D矢量信號(hào)發(fā)生器發(fā)出，調(diào)制格式分別為QPSK、16 QAM、64 QAM；
?、?速率1.25 Mb/s、2 Mb/s、3.5 Mb/s、10 Mb/s；
　③ 接收結(jié)果,分別為背靠背直接測(cè)量矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的質(zhì)量、加入寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號(hào)后直接探測(cè)、寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號(hào)傳輸20 km探測(cè)。
   信號(hào)格式和速率的選取有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的信號(hào)格式，802.11n WiMax協(xié)議下的信號(hào)頻率和速率，在接收端利用Agilent89600矢量信號(hào)分析儀對(duì)傳輸?shù)馁|(zhì)量進(jìn)行分析。
　由于光副載波系統(tǒng)對(duì)于電信號(hào)調(diào)制格式是透明，對(duì)于變化實(shí)驗(yàn)條件①中的調(diào)制信號(hào)格式、實(shí)驗(yàn)條件②中的調(diào)制信號(hào)速率，實(shí)驗(yàn)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(hào)2.4 GHz載波10 Mb/s 64 QAM信號(hào)重點(diǎn)分析。
    首先測(cè)量背靠背信號(hào)質(zhì)量，將矢量信號(hào)發(fā)射器發(fā)出的信號(hào)直接用矢量信號(hào)分析儀進(jìn)行分析。在2.4 GHz、信號(hào)格式為64 QAM、數(shù)據(jù)率10 Mb/s條件下輸入微波功率8 dBm，PD光功率-3.2 dBm，得到信號(hào)的星座圖和基帶眼圖如圖4所示，這是得到的信號(hào)源的EVM為2.8%。

　對(duì)于64QAM信號(hào)，接收機(jī)要求在EVM<5%為最佳，由以上實(shí)驗(yàn)得到的接收信號(hào)EVM，在控制一定的實(shí)驗(yàn)條件下，無(wú)論是直接探測(cè)還是經(jīng)過(guò)20 km傳輸，系統(tǒng)支持64 QAM矢量信號(hào)穩(wěn)定可靠無(wú)誤碼率的傳輸。
   (2) 延時(shí)特性
　通過(guò)調(diào)制器雙邊帶調(diào)制，在PD處直接探測(cè)得到信號(hào)，這種情況下，如果在PD前引入延時(shí)模塊（CFG、PCF、色散補(bǔ)償光纖等），通過(guò)控制光濾波器波長(zhǎng)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜矢量信號(hào)包括QPSK、n-QAM信號(hào)的光域真延時(shí)控制，該技術(shù)應(yīng)用在光載無(wú)線(xiàn)（ROF）結(jié)構(gòu)中基站端，穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線(xiàn)矢量信號(hào)的空間分配和波束指向，滿(mǎn)足了電域下需要實(shí)現(xiàn)大瞬時(shí)帶寬、響應(yīng)速度快的要求。
    實(shí)驗(yàn)中選擇啁啾光纖光柵（CFG）作為延時(shí)模塊，系統(tǒng)裝置如圖6所示，CFG延時(shí)為51.1ps/nm，通帶為帶寬1 545.0~1 555.0 nm，實(shí)現(xiàn)真延時(shí)范圍509.5 ps。圖7給出了光濾波器中心波長(zhǎng)選取1 545.0~1 555.0 nm，矢量信號(hào)真延時(shí)曲線(xiàn)。通過(guò)真延時(shí)可以對(duì)矢量信號(hào)的副載波相位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)空間分配，分配結(jié)果用EVM來(lái)衡量，EVM為3.6%。

　通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE8364B測(cè)量的4路輸出信號(hào)S21參數(shù)，離線(xiàn)計(jì)算可以得到波束指向圖。在2.4 GHz下，各路延時(shí)步進(jìn)16.7 ps，指向角度為34.2&deg;時(shí)，波束方向指向圖如圖8所示，灰色為理論值，深色為實(shí)驗(yàn)值，天線(xiàn)增益衰減0.9 dB，旁瓣增益為1.6 dB。

　以上工作實(shí)現(xiàn)了基于寬譜光源的單路微波信號(hào)延時(shí)技術(shù)，本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目研究成果，實(shí)現(xiàn)了4路5 bit真延時(shí)信號(hào)分配，各路功率一致性0.5 dB以?xún)?nèi)，延時(shí)精度1 ps。
    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(hào)的實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)現(xiàn)了2.4 GHz載波下，64 QAM 10 Mb/s矢量信號(hào)20 km無(wú)誤碼傳輸，EVM代價(jià)1.3%，并在基站本地實(shí)現(xiàn)了該信號(hào)的4路真延時(shí)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的基站端的信號(hào)空間分配。對(duì)于符合IEEE802.11協(xié)議的無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)格式也有類(lèi)似結(jié)果。
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