基于PDM-DPMZM的双频段RoF系统及调节方法

基于pdm
‑
dpmzm的双频段rof系统及调节方法
技术领域
1.本发明涉及光通信和微波技术领域，尤其是一种光载无线通信(radio
‑
over
‑
fiber)系统及调节方法。


背景技术：

2.3.5ghz已被全球多个国家视为5g网络的先锋频段，其产业链较为成熟，组网成本较低。然而，为了满足不同5g应用场景的需求，需要对5g系统候选频段采用全频段布局。其中，5g通信要达成高速传输的目标，重点就在高频毫米波的应用。28ghz作为众多国家选择的5g高段频谱，拥有高网速优势，但缺点是涵盖面积超小，布建需要更多成本与时间。因此，只有同时部署3.5ghz和28ghz频段基站时，人们才能真正体验到5g的网速与性能。目前，rof系统以其固有的高频段、大带宽、低损耗和抗电磁干扰等优势在低射频和高频射频信号的同时传输中备受关注。
3.目前业界已经报道了一种双频段rof传输系统，但是该系统仅能够实现低频射频和高频射频信号的传输，而无法解决低射频信号在传输过程中由调制器引入的非线性失真问题和高频射频信号在长距离光纤链路传输过程中由光纤色散引入的周期性功率衰落问题。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于pdm
‑
dpmzm的双频段rof系统及调节方法。本发明利用偏振复用双平行马赫曾德尔调制器(polarization division multiplexing dual
‑
parallel mach
‑
zehnder modulator，pdm
‑
dpmzm)、电移相器、电功分器、光分束器、偏振控制器(polarization controller，pc)、起偏器(polarizer)和光电探测器(photodetector，pd)实现高性能双频段rof系统，通过构造高性能的双频段rof系统，除了同时实现低频射频信号和高频射频信号在光纤中的传输之外，还能够解决低频射频信号和高频射频信号在传输过程中的非线性失真问题和功率衰落问题，可以在提高频谱利用率和节省物理链路成本之外，进一步提高信号的传输质量。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种基于pdm
‑
dpmzm的双频段rof系统，包括一个激光器、一个pdm
‑
dpmzm、一个90
°
电移相器、一个电功分器、一段光纤、一个光分束器、两个偏振控制器、两个起偏器和两个光电探测器，激光器的输出端口连接pdm
‑
dpmzm的光输入端口，pdm
‑
dpmzm的输出端口连接光纤的输入端口，光纤的输出端口连接光分束器的输入端口，光分束器的一个输出端口连接偏振控制器1的输入端口，偏振控制器1的输出端口连接起偏器1的输入端口，起偏器1的输出端口连接光电探测器1的光输入口；光分束器的另一个输出端口连接偏振控制器2的输入端口，pc2的输出端口连接起偏器2的输入端口，起偏器2的输出端口连接光电探测器2的光输入口。
7.所述pdm
‑
dpmzm包含一个y型光分路器、两个并行的dpmzm(记为x
‑
dpmzm和y
‑
dpmzm)、一个90度偏振旋转器(polarization rotator，pr)和一个偏振合束器(polarization beam combiner，pbc)；其中x
‑
dpmzm内部包含两个并联的子调制器(记为xa和xb)，y
‑
dpmzm内部包含两个并联的子调制器(记为ya和yb)，y
‑
dpmzm调制器输出的光信号通过pr发生90度偏振旋转，然后与x
‑
dpmzm调制器输出的光信号共同输入pbc，光信号在pbc合并称为偏振复用信号后从pdm
‑
dpmzm调制器输出。
8.所述偏振复用双平行马赫曾德尔调制器pdm
‑
dpmzm中，射频信号1(f1＝28ghz)经电功分器分为功率相等的两路，一路直接连接子调制器xa的射频端口，另一路经过90
°
电移相器后连接子调制器xb的射频端口；射频信号2(f2＝3.5ghz)直接连接子调制器yb的射频端口，子调制器ya空置；x
‑
dpmzm工作在负正交点，yb和y
‑
dpmzm均工作在最大点，调制在x
‑
dpmzm上的射频信号1和调制在y
‑
dpmzm上的射频信号2分别位于偏振态正交的激光束上，二者互相不受影响。
9.本发明还提供一种基于pdm
‑
dpmzm的双频段rof系统的调节方法，详细步骤如下：
10.射频信号1和射频信号2的表达式分别为v
rf1
(t)＝v
rf1
sin(ω
rf1
t)和v
rf2
(t)＝v
rf2
sin(ω
rf2
t)，其中，v
rf1
和v
rf2
分别为射频信号1和射频信号2的幅度，ω
rf1
和ω
rf2
分别为射频信号1和射频信号2的角频率，则所述pdm
‑
dpmzm输出光信号的表达式为：
[0011][0012]
其中，e
c
(t)为激光输出信号；μ为调制器损耗；和分别为子调制器xa、xb、ya和yb的直流偏置角，和分别为x
‑
dpmzm和y
‑
dpmzm的主偏置角；m1和m2分别为射频信号1和射频信号2对调制器的调制指数；和分别表示光场te模和tm模的单位矢量；j
n
(
·
)表示第一类n阶贝塞尔函数，在小信号调制下，可以忽略高阶边带；通过设置时，令x
‑
dpmzm输出单边带调制信号。
[0013]
所述pdm
‑
dpmzm的输出信号经过长度为l的光纤以后，表达式为：
[0014][0015]
其中，α
smf
为光纤的衰减系数；θ为二阶色散对调制信号的一阶光边带引入的相移；β2(ω
c
)为激光信号的二阶传播系数，ω
c
为激光信号的角频率，同时，设置
[0016]
光纤输出的光信号由光分束器分为等功率的两束，依次经过偏振控制器和起偏器进行偏振控制以后，分别得到只含有射频信号1的偏振光和只含有射频信号2的偏振光，并将只含有射频信号1的偏振光输入高速pd(pd1)中，将只含有射频信号2的偏振光输入低速pd(pd2)中，得到光电流，i
pd1
是只含有射频信号1的偏振光进入pd1以后解调得到的光电流，i
pd2
是只含有射频信号2的偏振光进入pd2以后解调得到的光电流，分别为：
[0017][0018][0019]
其中，γ
pd
为光电探测器的响应度；由式(3)可以发现，由于采用了单边带调制，最终解调得到的高频射频信号不存在功率衰落现象；
[0020]
将式(4)中的贝塞尔系数展开，并忽略高阶项可得：
[0021][0022]
可以发现，当时，公式(5)中信号i
pd2
(t)中代表非线性失真的三阶交调失真分量项(相关项)被消除，而有用的基频分量项(m2相关项)被保留，当设置公式(5)中代表非线性失真的量被完全消除，解决了低频射频信号和高频射频信号在传输过程中的非线性失真问题和功率衰落问题。
[0023]
本发明的有益效果在于利用一个集成的pdm
‑
dpmzm实现了双频段射频信号的同时调制，通过偏振控制，实现了低频射频信号和高频射频信号的分离，并且通过合理设置调制器的直流偏置角实现了高频射频信号的单边带调制和低频射频信号的非线性失真抑制，最终得到高性能的双频段rof系统。本发明结构简单，具有很强的可操作性；本发明实用性很强，可以广泛应用于目前的5g网络部署中。
附图说明
[0024]
图1为本发明基于pdm
‑
dpmzm的高性能双频段rof系统装置图。
[0025]
图2为经过偏振控制后得到的28ghz高频射频信号频谱图。
[0026]
图3为经过偏振控制后得到的3.5ghz低频射频信号频谱图。
[0027]
图4为实验组和对照组的系统频响曲线。
[0028]
图5为实验组和对照组的系统动态范围。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
[0030]
本实例中，装置包括：激光器、射频信号源1、射频信号源2、直流源、pdm
‑
dpmzm、电功分器、90
°
电移相器、光纤、光分束器、pc1、pc2、pol1、pol2、pd1和pd2。激光器的输出端连接pdm
‑
dpmzm的光输入端口，pdm
‑
dpmzm的输出端连接光纤的输入端，光纤的输出端连接光分束器的输入端。光分束器的一个输出端口连接pc1的输入端，pc1的输出端连接pol1的输入端，pol1的输出端与pd1相连，pd1的输出端口连接频谱仪；光分束器的另一个输出端口连接pc2的输入端，pc2的输出端连接pol2的输入端，pol2的输出端与pd2相连，pd2的输出端口连接频谱仪。
[0031]
本实例中，方法的具体实施步骤是：
[0032]
步骤一：激光器产生工作波长为1550nm、光功率为16dbm的光载波；射频信号源1产生频率为28ghz、功率为0dbm的高频射频信号；射频信号源2产生频率为3.5ghz、功率为0dbm的低频射频信号；pdm
‑
dpmzm的半波电压为3.5v，消光比为35db；光纤的长度为20km；pd1和pd2的响应度均为0.7a/w。
[0033]
步骤二：设置pdm
‑
dpmzm四个子调制器(xa、xb、ya和yb)的直流偏置角分别为135
°
、135
°
、199.2
°
和0
°
，设置x
‑
dpmzm和y
‑
dpmzm的主调制器直流偏置角分别为
‑
90
°
和0
°
。
[0034]
步骤三：调整pc1的偏振控制角为0
°
，可调谐相位差任意；调整pc2的偏振控制角为90
°
，可调谐相位差为0
°
，分别观察pd1和pd2的输出频谱。图2为仿真中经过偏振控制后得到的28ghz高频射频信号频谱，图3为仿真中经过偏振控制后得到的3.5ghz低频射频信号频谱。
[0035]
步骤四：保持步骤二中的偏振控制设置不变，在3.5ghz低频射频信号正常输入的情况下，改变高频射频信号的频率，观察pd1输出的射频信号功率。同时，使用一个正交偏置的mzm作为对照组，同样改变高频射频信号的频率，观察其最终输出的信号功率情况。图4为仿真中实验组和对照组的系统频响曲线。能够发现，对照组的系统增益具有明显的周期性衰落现象，而实验组的系统增益则相对比较平稳。
[0036]
步骤五：保持步骤二中的偏振控制设置不变，在28ghz高频射频信号正常输入的情况下调整低频射频信号为双音信号，频率为3.5ghz/3.6ghz。改变输入低频双音信号的功率，测量pd2输出信号的基频分量、imd3分量和噪声功率；同时，使用一个正交偏置的mzm作为对照组，保持射频信号频率不变。同样改变输入双音信号的功率，分别测量pd输出信号的基频分量、imd3分量和噪声功率。图5为实验组和对照组的系统动态范围，能够发现，测量得
到对照组的无杂散动态范围(spurious
‑
free dynamic range，sfdr)为102.9db
·
hz
2/3
，实验组的sfdr为123.4db
·
hz
2/3
。相比对照组，实验组的sfdr大约有20.5db的提高。
[0037]
综上，本方案利用pdm
‑
dpmzm进行低频射频信号和高频射频信号的并行调制，通过偏振控制实现两个频段信号的独立传输和偏振解调。在此过程中，通过设置合适的直流偏置点实现了高频射频信号的单边带调制和低频射频信号的非线性失真抑制。该方案可以得到高性能的双频段rof传输，结构简单易于实现，操作灵活，在当今的5g网络部署中具有潜在应用价值。
[0038]
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，高频射频信号频率、低频射频信号频率、光载波波长、光载波功率、光纤长度、射频信号功率、偏振控制角和调制器的直流偏置角等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。