隨著無(wú)線信號(hào)載波頻率向微波頻率甚至毫米波頻率擴(kuò)展，信號(hào)帶寬向數(shù)吉赫茲甚至更高頻率發(fā)展，無(wú)線信號(hào)所能覆蓋的范圍進(jìn)一步縮小，對(duì)系統(tǒng)的寬帶性能也提出了更高的挑戰(zhàn)[1]。光載無(wú)線技術(shù)因其高達(dá)太赫茲量級(jí)的帶寬能力，以及極低的光傳輸損耗，近十年來(lái)被廣泛地研究用于微波以及毫米波頻段高頻寬帶信號(hào)的傳輸與處理。此外，微波與毫米波信號(hào)的光子學(xué)產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸以及探測(cè)技術(shù)不僅被研究用于無(wú)線通信領(lǐng)域，還包括其他諸如儀器、雷達(dá)、傳感、深空探測(cè)等領(lǐng)域[2]。
在常見的光載無(wú)線系統(tǒng)中，馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)被廣泛地用于將微波、毫米波信號(hào)調(diào)制到光載波上，承載了無(wú)線信號(hào)的光波在光纖中進(jìn)行分配傳輸，接收端采用直接強(qiáng)度探測(cè)的方式探測(cè)光強(qiáng)從而獲得微波、毫米波電信號(hào)[3]。然而由于調(diào)制器固有的非線性特性，在電光調(diào)制的過(guò)程中對(duì)微波、毫米波信號(hào)產(chǎn)生了非線性失真，這將影響到整個(gè)光載無(wú)線(ROF)系統(tǒng)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。隨著無(wú)線信號(hào)調(diào)制格式的復(fù)雜化和信號(hào)帶寬的增加，對(duì)系統(tǒng)線性度的要求越來(lái)越高。對(duì)于ROF應(yīng)用而言，其無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍至少需要大約95 dB?Hz2/3甚至更高[4]。隨著頻率的升高，需要采用合適的高線性化ROF系統(tǒng)。
對(duì)于信號(hào)而言，非線性所帶來(lái)的直接影響，在頻譜上表現(xiàn)為由原來(lái)的頻率分量產(chǎn)生出新的頻率分量，這些新生的頻率分量分別是原來(lái)各個(gè)頻率及其倍頻項(xiàng)之間的差與和的組合，包括諧波頻率失真(倍頻項(xiàng))以及交叉調(diào)制失真(差項(xiàng)與和項(xiàng))。而在這諸多失真頻率中，以2階交調(diào)失真(IMD2)和3階交調(diào)失真(IMD3)對(duì)非線性的貢獻(xiàn)最大。在微波、毫米波系統(tǒng)中，通常信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于載波頻率，此時(shí)IMD2通常在倍頻程以外，可直接使用帶通濾波器濾除，從而IMD3的大小成為影響信號(hào)質(zhì)量的決定性因素。非線性的補(bǔ)償策略則以抑制系統(tǒng)的IMD3為主。
近十幾年來(lái)，許多單位和組織一直在關(guān)注如何抑制電光調(diào)制器的IMD3以提高光載無(wú)線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，已經(jīng)發(fā)表了許多研究成果。例如文獻(xiàn)[5]中采用雙平行的馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)；文獻(xiàn)[6]中采用雙電極的MZM，通過(guò)抑制部分非線性光頻率來(lái)減輕探測(cè)到的電信號(hào)的IMD3。但這兩種方法只消除了部分IMD3，對(duì)線性度的改善能力有限。文獻(xiàn)[7]中采用了偏振獨(dú)立的MZM；文獻(xiàn)[8]中使用帶偏振控制的混合偏振的雙電極MZM，通過(guò)在兩個(gè)偏振態(tài)下產(chǎn)生的非線性分量在光強(qiáng)探測(cè)時(shí)互相抵消來(lái)達(dá)到抑制非線性的效果。
本文基于光載無(wú)線系統(tǒng)的非線性特征，在光譜中構(gòu)造IMD3的兩個(gè)不同來(lái)源，采用光載波相位偏移技術(shù)[9]以及光邊帶處理技術(shù)[10]來(lái)提高光載無(wú)線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
1 光載無(wú)線系統(tǒng)的非線性特征
在采用強(qiáng)度調(diào)制-直接探測(cè)的光載無(wú)線系統(tǒng)中，電光調(diào)制以及光強(qiáng)檢測(cè)都屬于非線性過(guò)程。兩者的非線性對(duì)信號(hào)波形的影響有著自有的特征。
典型的MZM調(diào)制器如圖1所示。隨著調(diào)制器偏置電壓的增加，調(diào)制器輸出光信號(hào)的功率具有正弦曲線的變化規(guī)律，然而這一規(guī)律曲線實(shí)際上同時(shí)統(tǒng)合了電光調(diào)制以及光強(qiáng)檢測(cè)兩個(gè)過(guò)程。在不考慮光電探測(cè)器響應(yīng)度非線性的情況下，要在光鏈路中對(duì)系統(tǒng)非線性采用模擬的辦法進(jìn)行處理，就需要把電光與光電兩個(gè)過(guò)程對(duì)非線性的影響剝離研究，本文將分別介紹這兩個(gè)過(guò)程的頻譜演化特征。
圖1 典型MZM的調(diào)制曲線
1.1 電光調(diào)制中的頻譜演化
把一個(gè)微波、毫米波信號(hào)看作一個(gè)具有某種確定關(guān)系的頻率集合。在電光調(diào)制的過(guò)程中，由于非線性的影響，這個(gè)集合中的頻率將和光載波頻率相互排列組合，產(chǎn)生出新的頻率。以一個(gè)具有很小頻率間隔的雙音信號(hào)(角頻率分別為Ω1和Ω2)為例，輸入光載波角頻率為ωc，對(duì)MZM調(diào)制器的研究表明，其非線性所產(chǎn)生的頻譜(光譜)演化(如圖2所示)具有如下特征：
(1)微波、毫米波頻率將被搬移至以光載波為中心頻率的頻率帶。
(2)調(diào)制器產(chǎn)生5個(gè)較為顯著的光譜邊帶，并以光載波為中心對(duì)稱分布。分別為一個(gè)0階邊帶，兩個(gè)1階邊帶和兩個(gè)2階邊帶。通常研究中所用的電光調(diào)制只考慮了中間的3個(gè)邊帶：0階邊帶和兩個(gè)1階邊帶。
(3)每個(gè)邊帶中都包含非線性頻率分量。其中0階邊帶包含光載波，偶數(shù)階交調(diào)失真分量；1階邊帶包含信號(hào)基頻以及奇數(shù)階交調(diào)失真分量；2階邊帶包含偶數(shù)階交調(diào)失真分量。
新產(chǎn)生的非線性失真頻率與信號(hào)基頻的幅度與相位之間，除了滿足微波毫米波信號(hào)自身的頻率關(guān)系以外，同時(shí)也滿足三角函數(shù)的貝塞爾展開，各頻率的相對(duì)相位與幅度之間具有確定的相對(duì)關(guān)系。
在眾多的基頻以及交調(diào)失真頻率分量中，對(duì)信號(hào)質(zhì)量起主要作用的，是0階邊帶中的光載波和2階交調(diào)失真，1階邊帶中的基頻和3階交調(diào)失真，以及2階邊帶中的2階交調(diào)失真。
MZM：馬赫-曾德爾調(diào)制器
圖2 電光調(diào)制中的頻譜演化
1.2 光強(qiáng)檢測(cè)中的頻譜演化
由于光電探測(cè)器為強(qiáng)度探測(cè)，滿足平方律檢波的關(guān)系，這種非線性過(guò)程將對(duì)上述畸變信號(hào)的光譜進(jìn)一步產(chǎn)生作用，所有的光譜頻率在光電探測(cè)中發(fā)生第二次重組，各頻率間互相差拍，進(jìn)行重新的排列組合，產(chǎn)生出包括信號(hào)頻率在內(nèi)的新頻率，其頻譜演化(如圖3所示)具有如下特征：
IMD3：3階交調(diào)失真
圖3 光電探測(cè)中的頻譜演化
(1)光譜中各個(gè)頻率做差拍，產(chǎn)生出以微波、毫米波為中心頻率的信號(hào)頻帶。
(2)原光譜中的0階邊帶與1階邊帶差拍，產(chǎn)生出一份以微波、毫米波為中心頻率的信號(hào)帶(如圖3中藍(lán)色虛線標(biāo)示)，帶中包含基頻分量和高階交調(diào)分量，其中2階交調(diào)失真分布在帶外，一般不重點(diǎn)考慮，本文只考慮3階交調(diào)失真。
(3)原光譜中的1階邊帶與2階邊帶差拍，產(chǎn)生出另一份以微波、毫米波為中心頻率的信號(hào)帶(如圖3中紅色虛線標(biāo)示)，其所包含的頻率與特征(2)中產(chǎn)生的頻率相同，但是在相對(duì)相位與幅度上不同?？傮w上這一份信號(hào)比特征(2)中產(chǎn)生的信號(hào)功率要低。
(4)兩份信號(hào)相加成為最終所探測(cè)到的電信號(hào)。
綜合以上特征，由于經(jīng)過(guò)光載無(wú)線系統(tǒng)的電信號(hào)的非線性頻率來(lái)源于光譜中的多個(gè)頻率之間的相互差拍，尋找出合適的兩對(duì)差拍源，并分別進(jìn)行控制，就可實(shí)現(xiàn)IMD3的抑制。在只考慮0階邊帶和1階邊帶的情況下，采用載波相位偏移技術(shù)可方便的實(shí)現(xiàn)光載無(wú)線系統(tǒng)的IMD3抑制，實(shí)現(xiàn)其高線性化。而在頻帶寬裕的情況下，綜合考慮上述5個(gè)邊帶，采用可編程的光邊帶處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多通道、可編程控制的高線性化光載無(wú)線系統(tǒng)。
2 光載波相位偏移技術(shù)
2.1 載波相位偏移機(jī)制
在以上分析中，當(dāng)不考慮2階光譜邊帶，只考慮0階邊帶和1階邊帶時(shí)，光強(qiáng)檢測(cè)過(guò)程中的特征(3)和特征(4)將不再具備。在此情況下，只有0階邊帶和對(duì)稱的兩個(gè)1階邊帶，重新考量光電探測(cè)過(guò)程的光譜演化，可找到IMD3的兩個(gè)不同來(lái)源，其具備新的特點(diǎn)：
(1)0階邊帶的光載波頻率與1階邊帶的3階頻率分量差拍產(chǎn)生一份IMD3。
(2)0階邊帶的2階頻率分量與1階邊帶的基頻分量差拍產(chǎn)生另一份IMD3。
(3)這兩份IMD3相加，構(gòu)成了最終探測(cè)到的IMD3。
通過(guò)控制此特征(1)和特征(2)兩份IMD3的相對(duì)相位，可以實(shí)現(xiàn)這兩份IMD3相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)高線性化的光載無(wú)線系統(tǒng)。從特征(1)可知，改變0階邊帶的光載波頻率的相位，即可實(shí)現(xiàn)其中一份IMD3的相位改變，當(dāng)光載波相位偏移至使IMD3反相時(shí)，兩份IMD3相互抵消。
2.2 采用光載波相位偏移技術(shù)的系統(tǒng)
載波相位偏移技術(shù)裝置如圖4所示。采用單信號(hào)驅(qū)動(dòng)的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(SD-DPMZM)可實(shí)現(xiàn)載波相位偏移技術(shù)。通過(guò)三維偏置點(diǎn)調(diào)節(jié)，可在0到360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)光載波頻率的相位。優(yōu)化其相位偏移參數(shù)，使得IMD3最小，可達(dá)到消除非線性的目的。
EDFA：摻鉺光纖放大器
ESA：電頻譜儀
PD：光電探測(cè)器
RF：射頻信號(hào)
SD-DPMZM：?jiǎn)涡盘?hào)驅(qū)動(dòng)的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器
圖4 載波相位偏移技術(shù)裝置
CIR：載波干擾比
DPMZM：雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器
FOH：基頻諧波
IMD3：3階交調(diào)失真
SFDR：無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍
(a)載波相位偏移后的載波干擾比
(b)載波相位偏移前的載波干擾比
(c)系統(tǒng)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍性能
圖5 采用光載波相位偏移技術(shù)系統(tǒng)的載波干擾比性能和實(shí)際測(cè)量的系統(tǒng)SFDR性能
圖5(a)、圖5(b)所示為系統(tǒng)的載波干擾比(CIR)性能。采用載波相位偏移技術(shù)，調(diào)制器半波電壓為5 V，輸入微波信號(hào)功率為15 dBm，系統(tǒng)的載波干擾比從原來(lái)的15 dBc提高至60 dBc，獲得了35 dB的非線性抑制。圖5(c)所示為實(shí)際測(cè)量的系統(tǒng)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)性能。在-161 dBm/Hz的理論噪底下，光載無(wú)線系統(tǒng)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍從原來(lái)的99.3 dB?Hz2/3提高至補(bǔ)償后的122.9 dB?Hz2/3，獲得了超過(guò)23 dB的動(dòng)態(tài)范圍增益。
3 光邊帶處理技術(shù)
光載波相位偏移技術(shù)采用了一種新型結(jié)構(gòu)的調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)光載無(wú)線系統(tǒng)的高線性化，其分析模型簡(jiǎn)化了頻譜構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在該模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究整個(gè)頻譜，同時(shí)提出了另一種獨(dú)立于調(diào)制器的非線性補(bǔ)償技術(shù)——光邊帶處理技術(shù)。
3.1 光邊帶處理機(jī)制
前面介紹的電光-光電變換過(guò)程中的頻譜演化機(jī)制，在光電檢測(cè)過(guò)程中，產(chǎn)生了兩份信號(hào)，最終相加成為實(shí)際探測(cè)信號(hào)。每一份信號(hào)都同時(shí)包含了基頻頻率分量和高階交調(diào)失真分量(文中只考慮IMD3)。這兩份信號(hào)分別由0階邊帶和1階邊帶，1階邊帶和2階邊帶產(chǎn)生。且這兩份信號(hào)的功率存在差異：0階邊帶與1階邊帶產(chǎn)生的信號(hào)功率大于1階邊帶與2階邊帶產(chǎn)生的信號(hào)功率。其中1階邊帶為兩份信號(hào)的公共來(lái)源，從而通過(guò)獨(dú)立處理0階邊帶和2階邊帶，可實(shí)現(xiàn)兩份信號(hào)的分別控制。因此，無(wú)論這兩份信號(hào)的相對(duì)關(guān)系如何，只要能確定其關(guān)系，便總存在一種控制方法，使得這兩份信號(hào)中的IMD3分量大小相等，符號(hào)相反，從而在相加的過(guò)程中相互抵消。通過(guò)獨(dú)立控制0階邊帶的幅度，以及2階邊帶的相位，可實(shí)現(xiàn)所需的非線性補(bǔ)償功能。
圖6所示為光邊帶處理器的結(jié)構(gòu)框圖。光邊帶處理包括3個(gè)部分：光譜空間分離器，空間光幅相調(diào)制器，光譜空間合成器。由光譜空間分離器將光信號(hào)光譜在空間上進(jìn)行分離，不同的波長(zhǎng)輻射到不同的空間分布位置；空間光幅相調(diào)制器對(duì)空間中不同位置的光進(jìn)行獨(dú)立的幅度和相位改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻譜的處理；經(jīng)過(guò)處理的空間光信號(hào)經(jīng)由光譜空間合成器合成為光信號(hào)并經(jīng)由光纖傳輸。
圖6 光邊帶處理器框圖
EDFA：摻鉺光纖放大器
ESA：電頻譜儀
PD：光電探測(cè)器
RF：射頻
MZM：馬赫-曾德爾調(diào)制器
圖7 光邊帶處理技術(shù)裝置圖
3.2 采用光邊帶處理技術(shù)的系統(tǒng)
采用光邊帶處理技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。光邊帶處理器放置在普通MZM調(diào)制器后端實(shí)現(xiàn)后補(bǔ)償。該技術(shù)具有多通道、可編程控制能力，同時(shí)對(duì)原始光路不造成破壞。圖8所示為系統(tǒng)的CIR和SFDR性能。調(diào)制器半波電壓為5 V，在8 dBm的輸入微波功率下，載波干擾比從原來(lái)的39 dBc提高至75 dBc，獲得了36 dB的非線性抑制；在-161 dBm/Hz的理論噪底下，系統(tǒng)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍從原來(lái)的99.8 dB?Hz2/3提高至124.8 dB?Hz2/3，獲得了超過(guò)25 dB的動(dòng)態(tài)范圍增益，與光載波相位偏移技術(shù)獲得同等的非線性補(bǔ)償效果。
IMD3：3階交調(diào)失真
(a)邊帶處理前的載波干擾比
(b)邊帶處理后的載波干擾比
(c)系統(tǒng)無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍性能
圖8 采用光邊帶處理技術(shù)系統(tǒng)的載波干擾比性能和SFDR性能
4 結(jié)束語(yǔ)
光載無(wú)線技術(shù)已作為一種微波、毫米波信號(hào)遠(yuǎn)端傳輸和處理的技術(shù)得到了廣泛的研究。在無(wú)線和光纖技術(shù)的雙驅(qū)動(dòng)下，光載無(wú)線技術(shù)已成為未來(lái)融合兩者優(yōu)勢(shì)的非常有潛力的技術(shù)之一。光載無(wú)線系統(tǒng)的重要考慮指標(biāo)之一為其動(dòng)態(tài)范圍，提高光載無(wú)線系統(tǒng)線性度的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。我們對(duì)光載無(wú)線系統(tǒng)的非線性過(guò)程進(jìn)行了深入研究，從調(diào)制器的結(jié)構(gòu)以及與調(diào)制器獨(dú)立的后補(bǔ)償兩個(gè)方面提出光載波相位偏移技術(shù)和光邊帶處理技術(shù)，兩種技術(shù)均可大幅提高現(xiàn)有光載無(wú)線系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，減小非線性失真對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
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收稿日期：2012-07-05
作者簡(jiǎn)介
張國(guó)強(qiáng)，清華大學(xué)電子工程系在讀博士研究生；主要研究領(lǐng)域?yàn)楣廨d微波毫米波信號(hào)的光譜處理技術(shù)；先后參與基金項(xiàng)目3項(xiàng)；已發(fā)表被SCI/EI檢索論文3篇。
李尚遠(yuǎn)，清華大學(xué)電子工程系博士后；主要研究領(lǐng)域?yàn)楣廨d無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究；先后參與基金項(xiàng)目等8項(xiàng)；已發(fā)表被SCI/EI檢索論文10余篇。
鄭小平，清華大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師；長(zhǎng)期致力全光通信網(wǎng)絡(luò)與微波光子學(xué)的研究，先后負(fù)責(zé)、參與基金項(xiàng)目20余項(xiàng)；獲省部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專利16項(xiàng)；已發(fā)表論文100余篇。