近10年來，通信行業(yè)經(jīng)歷著深遠的變化。為了實現(xiàn)多用戶、高帶寬、穩(wěn)定可靠的語音和數(shù)據(jù)等多業(yè)務(wù)的接入，不論是從網(wǎng)絡(luò)維護上還是網(wǎng)絡(luò)管理控制上講，無源光網(wǎng)絡(luò)PON(Passive Optical Networks)被譽為最具有穩(wěn)定性、可行性的解決方案之一，這是由于無源光網(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等優(yōu)點[1]。同時，下一代無線寬帶接入網(wǎng)必需滿足小區(qū)蜂窩快速切換、高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)刃枨螅@一需求通過自適應(yīng)智能天線或多天線傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)[2-4]。以上方案被應(yīng)用于未來的射頻信號通信當(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)智能天線和多天線系統(tǒng)中，具有瞬時延時范圍大、無波束傾斜、抗電磁干擾等優(yōu)點。國內(nèi)外已有相當(dāng)數(shù)量的相控陣技術(shù)文獻報道,如基于注入鎖模激光器的自適應(yīng)指向天線技術(shù)[6]、變換矩陣控制相移技術(shù)[7]、色散光線相移技術(shù)[8]、光線光柵技術(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)，對于實現(xiàn)多路真延時就要采用多個激光器，這對系統(tǒng)的成本要求過高；此外，由于激光器需要控制電路和驅(qū)動電路來控制激光器的工作波長，光源的系統(tǒng)復(fù)雜度過高；國內(nèi)外現(xiàn)有方案僅著重于系統(tǒng)延時性能的測量，對信號傳輸方面并沒有明確的實現(xiàn)方法和結(jié)果論證。本文提出一種新型的成本相對低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡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，并實現(xiàn)了nQAM矢量信號的20 km無誤碼傳輸，并對實驗結(jié)果進行討論。
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)簡單、成本低廉、易于控制和維護、不需要驅(qū)動電路控制溫度和光波長等優(yōu)點，波長的變換只要改變光濾波器中心波長即可。但是由于激光器寬譜光源噪聲嚴重，動態(tài)范圍受噪聲限制。
    如果通過分析寬譜光源噪聲的來源，對寬譜光源噪聲進行有效的控制和抑制，將寬譜光源作為信號光源實現(xiàn)無線信號的傳輸和分配發(fā)射，勢必有效降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度，是一種新型的光載無線實現(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)過可調(diào)諧光濾波器，得到的具有濾波器線性的寬譜，這樣只要改變?yōu)V波器的中心波長，就可以控制寬譜光源的中心波長。波長的控制和穩(wěn)定性較激光器相比，不需要控制電路和溫度檢測。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0.01 nm的準連續(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，需要對寬譜光源進行建模，在下面的章節(jié)中進行闡述。如圖給出了基于寬譜光源傳輸系統(tǒng)的各個噪聲曲線以及激光器RIN噪聲曲線，橫坐標為PD處接收光功率，縱坐標為單位帶寬下的噪聲。
    得到以下結(jié)論：接收光功率較低時，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，系統(tǒng)散粒噪聲、熱噪聲和ASE差拍噪聲在同一個數(shù)量級，三者的噪聲功率譜密度在-185 dBm/Hz，這時無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)，也就是說該PD探測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)模趯捵V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，就可以實現(xiàn)寬譜光源矢量信號傳輸。

2 實驗裝置及結(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傳輸實驗裝置圖，通過第1節(jié)對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，通過控制調(diào)制功率和PD處接收光功率，實現(xiàn)二者優(yōu)化選擇，實現(xiàn)較低EVM(Error Vector Magnitude），實現(xiàn)矢量信號傳輸。

　寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)過光濾波器濾波后進入到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。
    實驗中采取變換三個實驗條件來驗證以上結(jié)果。
　① 調(diào)制信號由Agilent8267D矢量信號發(fā)生器發(fā)出，調(diào)制格式分別為QPSK、16 QAM、64 QAM；
　② 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量矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的質(zhì)量、加入寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號后直接探測、寬譜光源后置光濾波器調(diào)制信號傳輸20 km探測。
   信號格式和速率的選取有實際應(yīng)用價值的信號格式，802.11n WiMax協(xié)議下的信號頻率和速率，在接收端利用Agilent89600矢量信號分析儀對傳輸?shù)馁|(zhì)量進行分析。
　由于光副載波系統(tǒng)對于電信號調(diào)制格式是透明，對于變化實驗條件①中的調(diào)制信號格式、實驗條件②中的調(diào)制信號速率，實驗結(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2.4 GHz載波10 Mb/s 64 QAM信號重點分析。
    首先測量背靠背信號質(zhì)量，將矢量信號發(fā)射器發(fā)出的信號直接用矢量信號分析儀進行分析。在2.4 GHz、信號格式為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，得到信號的星座圖和基帶眼圖如圖4所示，這是得到的信號源的EVM為2.8%。

　對于64QAM信號，接收機要求在EVM<5%為最佳，由以上實驗得到的接收信號EVM，在控制一定的實驗條件下，無論是直接探測還是經(jīng)過20 km傳輸，系統(tǒng)支持64 QAM矢量信號穩(wěn)定可靠無誤碼率的傳輸。
   (2) 延時特性
　通過調(diào)制器雙邊帶調(diào)制，在PD處直接探測得到信號，這種情況下，如果在PD前引入延時模塊（CFG、PCF、色散補償光纖等），通過控制光濾波器波長就可實現(xiàn)對復(fù)雜矢量信號包括QPSK、n-QAM信號的光域真延時控制，該技術(shù)應(yīng)用在光載無線（ROF）結(jié)構(gòu)中基站端，穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)了對無線矢量信號的空間分配和波束指向，滿足了電域下需要實現(xiàn)大瞬時帶寬、響應(yīng)速度快的要求。
    實驗中選擇啁啾光纖光柵（CFG）作為延時模塊，系統(tǒng)裝置如圖6所示，CFG延時為51.1ps/nm，通帶為帶寬1 545.0~1 555.0 nm，實現(xiàn)真延時范圍509.5 ps。圖7給出了光濾波器中心波長選取1 545.0~1 555.0 nm，矢量信號真延時曲線。通過真延時可以對矢量信號的副載波相位進行控制，實現(xiàn)空間分配，分配結(jié)果用EVM來衡量，EVM為3.6%。

　通過網(wǎng)絡(luò)分析儀AgilentE8364B測量的4路輸出信號S21參數(shù)，離線計算可以得到波束指向圖。在2.4 GHz下，各路延時步進16.7 ps，指向角度為34.2&deg;時，波束方向指向圖如圖8所示，灰色為理論值，深色為實驗值，天線增益衰減0.9 dB，旁瓣增益為1.6 dB。

　以上工作實現(xiàn)了基于寬譜光源的單路微波信號延時技術(shù)，本文利用實驗室現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，結(jié)合國家自然科學(xué)基金重點項目研究成果，實現(xiàn)了4路5 bit真延時信號分配，各路功率一致性0.5 dB以內(nèi)，延時精度1 ps。
    本章提出了基于寬譜光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳輸復(fù)雜矢量信號的實現(xiàn)方案。實現(xiàn)了2.4 GHz載波下，64 QAM 10 Mb/s矢量信號20 km無誤碼傳輸，EVM代價1.3%，并在基站本地實現(xiàn)了該信號的4路真延時，實現(xiàn)了無線信號的基站端的信號空間分配。對于符合IEEE802.11協(xié)議的無線通信信號格式也有類似結(jié)果。
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