毫米波、超宽带和基带信号混合传输的光纤系统

黄亚楠 ,陈新桥,柴 佳,张 薇

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

毫米波、超宽带和基带信号混合传输的光纤系统

黄亚楠 ,陈新桥,柴 佳,张 薇

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

提出了一种60 GHz毫米波、UWB(超宽带)信号和基带信号混合传输的光纤通信系统。在中心站采用10 GHz RF(射频)信号驱动两个并行PM(相位调制器)产生三阶边带,在基站通过PD(光检测器)拍频生成6倍频的60 GHz毫米波;利用高斯电脉冲驱动双极型MZM(马赫―曾德调制器)生成二阶UWB信号;UWB信号和基带信号通过偏振复用调制在同一光载波上。仿真结果表明,2.5 Gbit/s的信号经20 km单模光纤传输后,眼图清晰;生成的UWB信号中心频率为5.5 GHz,相对带宽达到98%,符合FCC(美国联邦通信委员会)标准。

毫米波;超宽带;并行相位调制器;马赫―曾德调制器;偏振复用

0 引 言

近年来,人们对语音、数据和多媒体业务的需求越来越高,传统的无线传输技术已无法满足日益增长的带宽需求,因此涌现出ZigBee、UWB(超宽带)无线通信和毫米波等新型的短距通信技术。UWB通信是一种高速短距无线通信技术,在学术界、工业界都得到了广泛的应用[1]。FCC(美国联邦通信委员会)规定UWB的频段为3.1～10.6 GHz,功率谱密度小于―41.3 d Bm/MHz,其一部分频谱与现有的无线通信共享信道。IR-UWB(脉冲超宽带)由于其低复杂度、低成本和低功率损耗的特点,受到广泛关注。60 GHz毫米波通信是另外一种短距通信解决方案,采用全球无需许可即可使用的7～9 GHz频带宽度,室内传输速率可达数Gbit/s[2]。由于IR-UWB的功率密度限制以及60 GHz波段在自由空间传输时衰减严重,长距离传输时需要用光纤作为载体,即UWB-over-fiber(光载超宽带)和Ro F (光载射频)技术,如何在光域生成毫米波信号和UWB信号是光载UWB和RoF的关键。

毫米波光学生成技术大致分为光外差调制技术、上变频和外部调制技术[3]3类。目前常用的方法是基于外调制器结构的毫米波光学生成,该方法结构简单、成本较低。使用MZM(马赫―曾德调制器)或PM(相位调制器)作为外部调制生成倍频毫米波的方法已经相当成熟[4-6],相对于MZM,PM不需要复杂的电路提供偏置电压,系统结构更加简单[7]。光域生成UWB脉冲信号的方法也有很多,常用的有基于相位调制/强度调制的转换、半导体光放大器的非线性效应[8]、频谱整形和频域到时域映射以及通过改变MZM的调制点来产生一阶或二阶UWB脉冲信号[9]。文献[10]提出了一种时分复用和频分复用相结合的方法共同传输毫米波和UWB信号,文献[11]实现了一种毫米波、UWB和基带信号共同传输的密集波分复用系统。为了更好地利用有限的频谱资源,本文设计了一种在一个波长内,通

过频分复用和偏振复用共同传输60 GHz毫米波、UWB和基带信号的光纤通信系统,并通过Optisystem光子仿真软件验证了其可行性。

1 系统设计及原理分析

1.1 系统设计

图1所示为本文所提出的系统结构框图。在中心站侧,CWL(连续激光器)产生的光载波通过分光器均分为3路,第1路和第2路光载波分别注入两个并联的PM,10 GHz的RF(射频)信号经过分束器后分别调制这两个PM,生成的三阶边带间隔为60 GHz。再经过MZM将基带信号调制到边带上。第3路光载波通过PBS(偏振分束器)分成两路偏振态正交的光载波,其中一路光载波由基带信号经MZM直接调制,另一路由高斯脉冲调制MZM,生成二阶高斯脉冲。然后经合波器将3路信号合成一路信号,经光纤传输到基站。在基站侧,首先通过反射型FBG(光纤布拉格光栅)分离出载波和三阶边带。其中分离出的三阶边带经过PD(光检测器)拍频生成60 GHz毫米波信号;分离出的载波经过PBS分离出两个偏振态正交的光载波,这两路信号经过PD实现光/电转换,分别恢复出基带信号和UWB信号。

图1 同时传输60 GHz毫米波、UWB和基带信号的光纤通信系统框图

1.2 60 GHz毫米波和UWB信号生成原理

设PM输入光场为Ein(t)=Ecexp(―jωct),RF信号为V(t)=VRFcos(ωmt+θ),式中,Ec、ωc分别为光载波振幅和角频率;VRF、ωm、θ分别为RF信号的振幅、角频率和初始相位。光载波和RF信号注入PM后的输出光场为

式中,Δφ为PM相移常量。式(1)取实部并根据雅可比―安格尔恒等式可得:

调节相移常量使J1(ΔφVRF)=0,即可抑制一阶边带。设置第1路RF信号的初始相位为0,第2路RF信号的初始相位为180°,两路信号经减法器相减,同时忽略三阶以上边带,可得:

式(3)只包括上下三阶边带,如果RF信号为10 GHz,则上下三阶边带经过PD拍频后即可生成60 GHz毫米波。

采用电高斯脉冲调制双极型MZM,经MZM调制后生成的二阶高斯脉冲如图2所示,当MZM的偏置点位于最小偏置点略微偏左侧时,高斯脉冲在上升沿会先经过小段下降,再上升到最大点,下降沿则相反。调制后生成类似正极性二阶微分高斯脉冲,在基站侧经PD转换即可恢复出UWB信号。

图2 经MZM调制后生成的二阶高斯脉冲

2 仿真实验及分析

2.1 仿真设置

根据图1所示的系统框图,采用Optisystem光子模拟软件,设计出了同时传输60 GHz毫米波、二阶UWB信号和基带信号的仿真系统。在中心站,设置CWL的输出频率为193.1 THz,功率为0 dBm,线宽为10 MHz。设RF本振频率为10 GHz,加到PM上的两路RF信号相位差为180°,PM相移常量取439°,双极型MZM的Vπ设为5 V,两臂直流偏置电压分别为0和4 V。基带信号速率为2.5 Gbit/s。单模光纤衰减量为0.2 dB/km,色散为16.75 ps/(nm·km),PMD(偏振模色散)系

2.2 仿真结果

在基站侧,通过反射型FBG分离出光载波和边带。载波经PBS分离出基带信号和UWB信号。一路偏振光经光/电转化后恢复出调制在其上的基带信号,基带信号的眼图如图3所示。

图3 调制在光载波上的基带信号眼图

另一路偏振光经光/电转换后生成UWB信号,其时域和频域图如图4所示。可见UWB信号的中心频率为5.5 GHz,在―10 dB带宽时达到5.4 GHz,相对带宽达到98%,符合FCC标准。

图4 生成的二阶UWB信号时域频域图

图5 所示为上下三阶边带经PD拍频生成的60 GHz毫米波频谱图,产生的60 GHz毫米波信号峰值为―10 d Bm,同时还包含载波和其他边带成分,这是由于高阶边带并不能完全忽略,反射型FBG无法完全滤除载波的缘故。图6所示为解调60 GHz毫米波上的数据所得到的眼图。

图5 光生成60 GHz毫米波的频谱图

图6 解调60 GHz毫米波上数据得到的眼图

2.3 偏振复用对误码率的影响

图7所示为毫米波单独传输、毫米波和UWB、毫米波和基带信号以及3路信号共同传输时的毫米波信号的误码率曲线图。由于前3种情况没有加入偏振复用,误码率曲线几乎重合。信号速率为2.5 Gbit/s,传输20 km,在保证误码率不大于10―9时,4种情况下接收灵敏度分别为―27.6、―27.2、―27.5和―25.9 dBm。偏振复用带来的功率代价约为1.7 d B。

图7 误码率与接收功率的关系

3 结束语

本文提出了一种单波长共同传输60 GHz毫米波、UWB信号和基带信号的系统方案。采用两个并行PM即可生成6倍频毫米波,电高斯脉冲调制单个双极型MZM生成二阶UWB信号,采用偏振复用实现基带信号和UWB信号的共同传输。仿真得到60 GHz毫米波,中心频率为5.5 GHz,相对带宽为98%的二阶UWB。调制在60 GHz毫米波和光载波上的2.5 Gbit/s基带信号,经20 km单模光纤传输后眼图清晰。所提系统方案的特点是系统只采用一个波长,利用高阶边带产生高倍频毫米波,利用偏振复用将基带和UWB共同调制在载波上,结构简单,能实现无线信号(毫米波、UWB)和有线信号(基带信号)的混合接入,在未来光接入网中具有广泛的应用前景。

[1]Park C,Rappaport T S.Short-Range Wireless Communications for Next-Generation Networks:UWB,60 GHz Millimeter-Wave WPAN,And ZigBee[J]. IEEE Wireless Communications,2007,14(4):70―78.

[2]卓兰,郭楠.60 GHz毫米波无线通信技术标准研究[J].信息技术与标准化,2011,(11):40―43.

[3]吴君钦,余艳芳.基于双平行PM调制的60 GHz光毫米波RoF系统研究[J].半导体光电,2012,33 (5):715―717.

[4]O'Reilly J J,Lane P M.Fibre-supported optical generation and delivery of 60 GHz signals[J].Electronics Letters,1994,30(16):1329―1330.

[5]Qi G,Yao J,Seregelyi J,et al.Generation and distribution of a wide-band continuously tunable millimeterwave signal with an optical external modulation technique[J].IEEE Transactions on Microwave Theory &Techniques,2005,53(10):3090―3097.

[6]Shen Y,Zhang X,Chen K.Optical Carrier-Suppression of Microwave Signals with Stimulated Brillouin Scattering in Long Fiber Ring[J].Microwave&Optical Technology Letters,2004,43(3):258―260.

[7]胡善梅,陈林.基于相位调制器产生六倍频光毫米波的OFDM信号光传输系统研究[J].光子学报,2010,39(4):699―703.

[8]张震,陈新桥,王瑞东,等.基于非线性光学环镜中SOA的XPM效应生成UWB信号的研究[J].半导体光电,2013,34(6):1032―1035.

[9]李晶,宁提纲,裴丽,等.Optical ultra-wideband pulse generation and distribution using a dual-electrode Mach-Zehnder modulator[J].Chinese Optics Letters,2010,8(2):138―141.

[10]徐刚.毫米波与UWB信号共同传输的RoF系统研究[D].北京:清华大学,2010.

[11]Shao T,Yao J.Millimeter-Wave and UWB over a Colorless WDM-PON Based on Polarization Multiplexing Using a Polarization Modulator[J].Journal of Lightwave Technology,2013,31(16):2742―2751.

A Optical Fiber Communication System on Simultaneous Transmission of Millimeter-wave,UWB and Baseband Signal

HUANG Ya-nan,CHEN Xin-qiao,CHAI Jia,ZHANG Wei
(College of Information Engineering,Communication University of China,Beijing 100024,China)

A optical fiber communication system simultaneous transmitting millimeter-wave、Ultra Wide Band(UWB)signal and baseband signal is proposed.In central station,a 10 GHz radio frequency signal is used to drive two parallel Phase Modulator (PM)to produce third-order sideband.In base station,60 GHz millimeter wave is generated from the beating of optical detector.Electronic Gaussian pulses are utilized to drive dual Mach-Zehnder Modulator(MZM)to generate the second-order UWB signal.The UWB and baseband signals are modulated on the same optical carrier through polarization multiplexing.Simulation results show that the eye pattern is still clear after the 2.5 Gbit/s signal transmitting over 20 km signal model fiber.The generated UWB signal meets the criterion of the U.S.Federal Communications Commission(FCC),which has a central of 5.5 GHz and a relative bandwidth of 98%.

millimeter-wave;UWB;parallel PM;MZM;polarization multiplexing

TN915

A

1005-8788(2016)06-0026-04

10.13756/j.gtxyj.2016.06.007

2016-07-04

黄亚楠(1991―),男,河南南阳人。硕士研究生,主要研究方向为光纤通信。