基于二级MZM相干调制实现高速长距离RoF通信

李 广 ，陈 银，黄旭光

(1.广东科学技术职业学院机械与电子工程学院，珠海519090;2.华南师范大学光子信息技术广东省高校重点实验室，广州510006)

无线和宽带是当今信息通信业的热点. 1990年，Cooper 提出光纤微波传输(Radio over Fiber，RoF)［1］，是指利用光纤代替大气作为传输媒质来传送宽带射频信号的一种传输技术［2］. 该技术充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，能实现未来大都市网络大容量、低成本的射频信号有线传输和超过1 Gb/s 的超宽带无线接入［3］. 3GPP 组织已经把RoF 技术确定为LTE-Advanced 系统架构中基站与基站间信息传输的备选方案之一.

近年来，关于RoF 系统设计方面的研究已有很多报道［4－8］. 关于RoF 的光信息编码研究报道较少，并且码元传输速率难突破10 Gb/s. 本文提出并计算仿真证明了基于二级光电双臂相干调制及双二进制光信息编码技术实现超高速超长距离光纤微波传输系统设计方案.

1 系统整体设计

基于二级光电双臂相干调制及双二进制光信息编码技术实现超高速超长距离RoF 系统的原理如图1 所示.

图1 RoF 传输系统Figure 1 Radio over Fiber system

在接收端，光电复合载波信息经光循环控制器处理后通过PIN 光电探测器(Photo-detector PIN)、低通贝塞尔滤波器(Low Pass Bessel Filter)、3R 恢复产生器(3R Regenerator)后进入误码分析仪(BER Analyzer).

2 仿真分析

PRBS Generator 产生速率为40 Gbit/s 的伪随机信号，通过Duo-binary Pre-coder、Duo-binary Generator 输出电双二进制信息. 在图1 中A 点获取NRZ码二进制信号仿真频谱图(图2A);在B 点获取电双二进制信号仿真频谱图(图2B). 电双二进制信息通过第1个双臂偏置电压分别为1 V 与5 V、消光比为20 dBm、调制电压分别为4 V 与－ 4 V 的LiNbO3MZM 调制器调制输出功率为0 dBm、中心波段为1 550 nm 直流激光(CW Laser)，在图1 中C 点获取一级调制光载波信号仿真光谱图(图2C);一级调制后的光载波信号通过第2个双臂偏置电压为0 V、消光比为20 dBm、调制电压分别为2 V 与－2 V的LiNbO3MZM 调制器被40 GHz 正弦微波信号调制的二级光载波信号仿真光谱图见图2D，即图1中D 点处的光谱图.

二级调制后的光电复合载波信息通过由循环次数为25 的光循环控制器(Loop Control)经过25 km的标准单模光纤(SSMF)、增益为5 dB 噪声系数为6 dB 的参铒光纤放大器(EDFA)、色散为－85 ps/(nm·km)衰减为0.5 dB/km 的10 km 色散补偿光纤(DCF)、增益为5 dB 噪声系数为6 dB 的参铒光纤放大器(EDFA)、25 km 的标准单模光纤(SSMF)、增益为5 dB 噪声系数为6 dB 的参铒光纤放大器(EDFA)组成循环传输线路. 长距离传输后的光载波信号仿真光谱图见图2E，即图1 中E 点处的光谱图.

长距离传输后的光载波信号通过PIN 光电探测(PIN 管的接收带宽1.6 ×1012Hz、响应度1 A/W、暗电流10 nA、热噪声10－22W/Hz)后生成40 GHz 微波载波信号频谱图(图2F)，即图1 中F 点处的频谱图.

由图2A 的NRZ 码二进制信号仿真频谱图及图2B 的电双二进制信号仿真频谱图对比来看，普通NRZ 编码的数字信号在按40 Gb/s 的速度传输时，其所占用频谱带宽是电双二进制编码数字信号在按40 Gb/s 速度传输时的2 倍，即在有限的一定宽带的频谱资源的情况下，进行频分复用时，用NRZ 编码进行数字信号通信其传输容量要比用电双二进制编码容量减半. 因此电双二进制编码比NRZ 编码在大容量通信传输方面有明显的带宽优势.

由图2C 的一级调制光载波信号仿真光谱图及图2D 的二级调制光载波信号仿真光谱图对比来看，光载波中心频率没有发生变化，光载波波段为1 550 nm(即在193.414 THz 附近)，然而中心频率左右两边的谐波边带的带宽却不一样. 一级调制光载波信号其谐波边带的产生是由于电双二进制数字信号调制激光光波产生的，其每个谐波带宽与电双二进制的传输带宽(20 GHz)保持一致，而二级调制光载波信号器谐波边带的产生是由于40 GHz 正弦微波信号调制一级调制光载波信号产生的，其每个谐波带宽与正弦微波调制信号相同，即40 GHz 的带宽. 双臂LiNbO3MZM 调制器的数学机理［9］:

图2 系列信号仿真频谱图Figure 2 Series of signal spectrum simulation

其中Ein(t)是输入的调制信号，EO(t)是调制后的光载波信号，v1(t)、v2(t)是射频调制电压，vbias1、vbias2是双臂的直流偏置电压，γ 是双臂调制器的激光功率分配比例，VπDC是直流驱动电压，insertionloss 是双臂光电调制器的插入损耗.

40 GHz 的微波载波信号通过降频、低通滤波、3R 获取系统传输眼图(图3). 虽然信号经过了1 500 km 的长距离高速射频光纤传输，系统传输码型眼图依然很清晰，眼图的眼张开度较大说明信号经长距离传输后信噪比相对较好，信号恶化程度较低;眼图的眼边厚度，其下边较好，上边厚度较大，说明数字0 低电平信号码间串扰较低，数字1 高电平信号的码间串扰较大;眼图的眼边上升沿和下降沿相对清晰规整，说明在接收端信号的抖动和判决误差较小. 系统传输眼图可综合地定性分析出该系统传输整体性能相对较好.

图3 系统传输眼图Figure 3 Eye diagram of the radio over fiber transmission system

传输系统误码率与激光发射功率、PIN 光电探测管接收到的光功率之间的关系如图4 所示. 由误码率与发射端(图4A)、接收端(图4B)光功率关系曲线图来看，信号经过长距离传输、处理后，仍保持较低的误码率，误码率基本维持在10－8～10－13之间，这就定性地得出了系统传输可靠性、优越性. 但随着发射功率的增大或者接收端信号的重新放大处理都会导致系统误码率的增加，因为增强有用信号的功率来提高信噪比或减低误码率不现实，增强信号降低误码率有一定的限度或空间，信号的增强同时也放大了噪声和干扰信号，因此超出一定限度或空间将使系统的整体信噪比或误码率降低.

图4 误码率与发射端、接收端光功率关系Figure 4 Relation between bit error rate and laser beamed and optical received power

3 结论

提出并仿真证明了基于二级光电双臂相干调制及双二进制光信息编码技术实现超高速超长距离光纤微波传输(RoF)系统的设计方案. 通过第一级光电双臂相干调制构建光双二进制信号，其信号占用频谱带宽比NRZ 码降低了50%. 通过第二级光电双臂相干调制加载40 GHz 超高频微波载波信号，实现光纤射频传输. 计算机仿真结果表明:CW 激光光源发射功率为0 dBm，经过多级EDFA 光信号放大与色散补偿，在色散系数为17 ps/(nm·km)，衰减系数为0.2 dB/km 的标准单模光纤中单通道传输，系统码元传输速率可达40 Gb/s、传输距离1 500 km 以上. 该RoF 传输系统具有传输距离长、速率高等优点，在无线局域网中有着较大的优势，并且也是解决未来移动个人、无线办公等超大容量、LTE Advanced 的相邻eNode B 间高速数据传输的可行方案之一.

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