隨著無線信號載波頻率向微波頻率甚至毫米波頻率擴展，信號帶寬向數(shù)吉赫茲甚至更高頻率發(fā)展，無線信號所能覆蓋的范圍進一步縮小，對系統(tǒng)的寬帶性能也提出了更高的挑戰(zhàn)[1]。光載無線技術(shù)因其高達太赫茲量級的帶寬能力，以及極低的光傳輸損耗，近十年來被廣泛地研究用于微波以及毫米波頻段高頻寬帶信號的傳輸與處理。此外，微波與毫米波信號的光子學產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸以及探測技術(shù)不僅被研究用于無線通信領(lǐng)域，還包括其他諸如儀器、雷達、傳感、深空探測等領(lǐng)域[2]。
在常見的光載無線系統(tǒng)中，馬赫-曾德爾調(diào)制器(MZM)被廣泛地用于將微波、毫米波信號調(diào)制到光載波上，承載了無線信號的光波在光纖中進行分配傳輸，接收端采用直接強度探測的方式探測光強從而獲得微波、毫米波電信號[3]。然而由于調(diào)制器固有的非線性特性，在電光調(diào)制的過程中對微波、毫米波信號產(chǎn)生了非線性失真，這將影響到整個光載無線(ROF)系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。隨著無線信號調(diào)制格式的復雜化和信號帶寬的增加，對系統(tǒng)線性度的要求越來越高。對于ROF應用而言，其無雜散動態(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)。
對于信號而言，非線性所帶來的直接影響，在頻譜上表現(xiàn)為由原來的頻率分量產(chǎn)生出新的頻率分量，這些新生的頻率分量分別是原來各個頻率及其倍頻項之間的差與和的組合，包括諧波頻率失真(倍頻項)以及交叉調(diào)制失真(差項與和項)。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)對非線性的貢獻最大。在微波、毫米波系統(tǒng)中，通常信號的帶寬遠小于載波頻率，此時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質(zhì)量的決定性因素。非線性的補償策略則以抑制系統(tǒng)的IMD3為主。
近十幾年來，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以提高光載無線系統(tǒng)的動態(tài)范圍，已經(jīng)發(fā)表了許多研究成果。例如文獻[5]中采用雙平行的馬赫-曾德爾調(diào)制器(DPMZM)；文獻[6]中采用雙電極的MZM，通過抑制部分非線性光頻率來減輕探測到的電信號的IMD3。但這兩種方法只消除了部分IMD3，對線性度的改善能力有限。文獻[7]中采用了偏振獨立的MZM；文獻[8]中使用帶偏振控制的混合偏振的雙電極MZM，通過在兩個偏振態(tài)下產(chǎn)生的非線性分量在光強探測時互相抵消來達到抑制非線性的效果。
本文基于光載無線系統(tǒng)的非線性特征，在光譜中構(gòu)造IMD3的兩個不同來源，采用光載波相位偏移技術(shù)[9]以及光邊帶處理技術(shù)[10]來提高光載無線系統(tǒng)的動態(tài)范圍。
1 光載無線系統(tǒng)的非線性特征
在采用強度調(diào)制-直接探測的光載無線系統(tǒng)中，電光調(diào)制以及光強檢測都屬于非線性過程。兩者的非線性對信號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)律曲線實際上同時統(tǒng)合了電光調(diào)制以及光強檢測兩個過程。在不考慮光電探測器響應度非線性的情況下，要在光鏈路中對系統(tǒng)非線性采用模擬的辦法進行處理，就需要把電光與光電兩個過程對非線性的影響剝離研究，本文將分別介紹這兩個過程的頻譜演化特征。
圖1 典型MZM的調(diào)制曲線
1.1 電光調(diào)制中的頻譜演化
把一個微波、毫米波信號看作一個具有某種確定關(guān)系的頻率集合。在電光調(diào)制的過程中，由于非線性的影響，這個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。以一個具有很小頻率間隔的雙音信號(角頻率分別為Ω1和Ω2)為例，輸入光載波角頻率為ωc，對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個較為顯著的光譜邊帶，并以光載波為中心對稱分布。分別為一個0階邊帶，兩個1階邊帶和兩個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個邊帶：0階邊帶和兩個1階邊帶。
(3)每個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基頻的幅度與相位之間，除了滿足微波毫米波信號自身的頻率關(guān)系以外，同時也滿足三角函數(shù)的貝塞爾展開，各頻率的相對相位與幅度之間具有確定的相對關(guān)系。
在眾多的基頻以及交調(diào)失真頻率分量中，對信號質(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 光強檢測中的頻譜演化
由于光電探測器為強度探測，滿足平方律檢波的關(guān)系，這種非線性過程將對上述畸變信號的光譜進一步產(chǎn)生作用，所有的光譜頻率在光電探測中發(fā)生第二次重組，各頻率間互相差拍，進行重新的排列組合，產(chǎn)生出包括信號頻率在內(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 光電探測中的頻譜演化
(1)光譜中各個頻率做差拍，產(chǎn)生出以微波、毫米波為中心頻率的信號頻帶。
(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帶(如圖3中藍色虛線標示)，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帶(如圖3中紅色虛線標示)，其所包含的頻率與特征(2)中產(chǎn)生的頻率相同，但是在相對相位與幅度上不同。總體上這一份信號比特征(2)中產(chǎn)生的信號功率要低。
(4)兩份信號相加成為最終所探測到的電信號。
綜合以上特征，由于經(jīng)過光載無線系統(tǒng)的電信號的非線性頻率來源于光譜中的多個頻率之間的相互差拍，尋找出合適的兩對差拍源，并分別進行控制，就可實現(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)可方便的實現(xiàn)光載無線系統(tǒng)的IMD3抑制，實現(xiàn)其高線性化。而在頻帶寬裕的情況下，綜合考慮上述5個邊帶，采用可編程的光邊帶處理技術(shù)，可實現(xiàn)多通道、可編程控制的高線性化光載無線系統(tǒng)。
2 光載波相位偏移技術(shù)
2.1 載波相位偏移機制
在以上分析中，當不考慮2階光譜邊帶，只考慮0階邊帶和1階邊帶時，光強檢測過程中的特征(3)和特征(4)將不再具備。在此情況下，只有0階邊帶和對稱的兩個1階邊帶，重新考量光電探測過程的光譜演化，可找到IMD3的兩個不同來源，其具備新的特點：
(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)成了最終探測到的IMD3。
通過控制此特征(1)和特征(2)兩份IMD3的相對相位，可以實現(xiàn)這兩份IMD3相互抵消，從而實現(xiàn)高線性化的光載無線系統(tǒng)。從特征(1)可知，改變0階邊帶的光載波頻率的相位，即可實現(xiàn)其中一份IMD3的相位改變，當光載波相位偏移至使IMD3反相時，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。采用單信號驅(qū)動的雙平行馬赫-曾德爾調(diào)制器(SD-DPMZM)可實現(xiàn)載波相位偏移技術(shù)。通過三維偏置點調(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：光電探測器
RF：射頻信號
SD-DPMZM：單信號驅(qū)動的雙平行馬赫-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：無雜散動態(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)無雜散動態(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際測量的系統(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，輸入微波信號功率為15 dBm，系統(tǒng)的載波干擾比從原來的15 dBc提高至60 dBc，獲得了35 dB的非線性抑制。圖5(c)所示為實際測量的系統(tǒng)無雜散動態(tài)范圍(SFDR)性能。在-161 dBm/Hz的理論噪底下，光載無線系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍從原來的99.3 dB?Hz2/3提高至補償后的122.9 dB?Hz2/3，獲得了超過23 dB的動態(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)制器來實現(xiàn)光載無線系統(tǒng)的高線性化，其分析模型簡化了頻譜構(gòu)成，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單。在該模型的基礎(chǔ)上，進一步研究整個頻譜，同時提出了另一種獨立于調(diào)制器的非線性補償技術(shù)——光邊帶處理技術(shù)。
3.1 光邊帶處理機制
前面介紹的電光-光電變換過程中的頻譜演化機制，在光電檢測過程中，產(chǎn)生了兩份信號，最終相加成為實際探測信號。每一份信號都同時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。且這兩份信號的功率存在差異：0階邊帶與1階邊帶產(chǎn)生的信號功率大于1階邊帶與2階邊帶產(chǎn)生的信號功率。其中1階邊帶為兩份信號的公共來源，從而通過獨立處理0階邊帶和2階邊帶，可實現(xiàn)兩份信號的分別控制。因此，無論這兩份信號的相對關(guān)系如何，只要能確定其關(guān)系，便總存在一種控制方法，使得這兩份信號中的IMD3分量大小相等，符號相反，從而在相加的過程中相互抵消。通過獨立控制0階邊帶的幅度，以及2階邊帶的相位，可實現(xiàn)所需的非線性補償功能。
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光譜在空間上進行分離，不同的波長輻射到不同的空間分布位置；空間光幅相調(diào)制器對空間中不同位置的光進行獨立的幅度和相位改變，實現(xiàn)對信號頻譜的處理；經(jīng)過處理的空間光信號經(jīng)由光譜空間合成器合成為光信號并經(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)制器后端實現(xiàn)后補償。該技術(shù)具有多通道、可編程控制能力，同時對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)的無雜散動態(tài)范圍從原來的99.8 dB?Hz2/3提高至124.8 dB?Hz2/3，獲得了超過25 dB的動態(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)無雜散動態(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
光載無線技術(shù)已作為一種微波、毫米波信號遠端傳輸和處理的技術(shù)得到了廣泛的研究。在無線和光纖技術(shù)的雙驅(qū)動下，光載無線技術(shù)已成為未來融合兩者優(yōu)勢的非常有潛力的技術(shù)之一。光載無線系統(tǒng)的重要考慮指標之一為其動態(tài)范圍，提高光載無線系統(tǒng)線性度的技術(shù)應運而生。我們對光載無線系統(tǒng)的非線性過程進行了深入研究，從調(diào)制器的結(jié)構(gòu)以及與調(diào)制器獨立的后補償兩個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)有光載無線系統(tǒng)的動態(tài)范圍，減小非線性失真對系統(tǒng)性能的影響。
5 參考文獻
[1]StOhr a, Akrout a, BuB r, et al. 60 GHz radio-over-fiber technologies for broadband wireless services [J]. Journal of Optical Communications and Networking,2009,8(5): 471-487.
[2]Thacker D L, Shillue B.Atacama large millimeter array local oscillator: How photonics is enabling millimeter-wave astronomy [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’11), Mar 6-11, 2011,Los Angeles, CA,USA.Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2011:3p.
[3] Hirata a, Harada m, Nagatsuma t. 120-GHz wireless link using photonic techniques for generation, modulation, and emission of millimeter-wave signals [J].Journal of Lightwave Technology,2003,21(10): 2145-2153.
[4] Wake d, Webster m, Wimpenny g, et al. Radio over fiber for mobile communications [C]//Proceedings of the 2004 IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP’04),Oct 4-6,2004, Ogunquit, ME,USA. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2004:157-160.
[5] Korotky s k, de Ridder r m. Dual parallel modulation schemes for low-distortion analog optical transmission [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1990,8(7):1377-1381.
[6] Lim c, Nirmalathas a, LEE K L,et al. Intermodulation distortion improvement for fiber-radio applications incorporating OSSB+C modulation in an optical integrated-access environment [J].Journal of Lightwave Technology, 2007,25(6):1602-1612.
[7] Johnson l m, Roussell h v. Reduction of intermodulation distortion in interferometric optical modulators [J]. Optics Letters, 1998,13(10):928-930.
[8]Masella b, Hraimel b, Zhang x. Enhanced spurious-free dynamic range using mixed polarization in optical singlesideband Mach-Zehnder modulator [J].Journal of Lightwave Technology, 2009,27(15):3034-3041.
[9]LI Shangyuan, ZHENG Xiaoping, ZHANG Hanyi, et al. Highly linear radio-over-fiber system incorporating a single-drive dual-parallel Mach-Zehnder modulator [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2010,22(24):1775-1777.
[10]Zhang g, Zheng x, Li s, et al. Postcompensation for nonlinearity of Mach-Zehnder modulator in radio-over-fiber system based on second-order optical sideband processing [J].Optics Letters, 2012,37(5):806-808.
收稿日期：2012-07-05
作者簡介
張國強，清華大學電子工程系在讀博士研究生；主要研究領(lǐng)域為光載微波毫米波信號的光譜處理技術(shù)；先后參與基金項目3項；已發(fā)表被SCI/EI檢索論文3篇。
李尚遠，清華大學電子工程系博士后；主要研究領(lǐng)域為光載無線系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究；先后參與基金項目等8項；已發(fā)表被SCI/EI檢索論文10余篇。
鄭小平，清華大學電子工程系教授、博士生導師；長期致力全光通信網(wǎng)絡與微波光子學的研究，先后負責、參與基金項目20余項；獲省部科技進步二等獎2項，三等獎2項，獲國家發(fā)明專利16項；已發(fā)表論文100余篇。