專利名稱：一種基于全光譜利用和后補(bǔ)償技術(shù)的微波光子鏈路方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)微波光子鏈路的方法，更具體地說(shuō)，涉及全光譜利用和數(shù)字域的后補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
微波通信能夠在任意方向上發(fā)射、易于構(gòu)建和重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)設(shè)備的互聯(lián)；蜂窩式系統(tǒng)的出現(xiàn)，使微波通信具備高的頻譜利用率。但目前微波頻段的有限帶寬成為嚴(yán)重問(wèn)題，人們開(kāi)始考慮在更高的微波頻段甚至毫米波實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。然而毫米波波段在大氣中的損耗很大如60GHz信號(hào)在大氣中的傳輸損耗高達(dá)14dB/km,這意味著在蜂窩移動(dòng)通信中信道頻率可更加頻繁地重復(fù)使用。但傳統(tǒng)的微波傳輸介質(zhì)在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)具有很大損耗， 而光纖系統(tǒng)具有低損耗、高帶寬特性，對(duì)于微波傳輸和處理充滿吸引力。
微波光子鏈路概念最早于1993年被提出。它利用光纖和微波兩者的優(yōu)勢(shì)，可以將無(wú)線微波信號(hào)的傳輸距離大大增加。其主要研究?jī)?nèi)容是解決傳統(tǒng)的光纖通信技術(shù)向微波頻段發(fā)展中的問(wèn)題，包括激光器、光電調(diào)制器、中繼放大器、光電探測(cè)器和光纖傳輸鏈路的研究，以及整合在一起的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究。而是多年來(lái)，在微波光子鏈路從最初的直接對(duì)激光器功率進(jìn)行調(diào)制的直接調(diào)制技術(shù)發(fā)展到采用外強(qiáng)度調(diào)制器的外調(diào)制技術(shù)。在光學(xué)接收端， 從最初的光電探測(cè)器直接探測(cè)發(fā)展到利用光纖通信中的光學(xué)相干解調(diào)的方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化伴隨著性能的不斷提高。
衡量微波光子鏈路性能優(yōu)越性的主要品質(zhì)因素有增益、噪聲系數(shù)、交調(diào)失真以及動(dòng)態(tài)范圍。其中動(dòng)態(tài)范圍是綜合考慮噪聲系數(shù)和交調(diào)失真的評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，系統(tǒng)增益和動(dòng)態(tài)范圍逐漸成為人們關(guān)注的重要指標(biāo)。近年來(lái)，人們以提高系統(tǒng)指標(biāo)為目的對(duì)微波光子鏈路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究其中包括強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、相位調(diào)制、直接檢測(cè)、相干檢測(cè)、數(shù)字接收等。其中相位調(diào)制器由于沒(méi)有直流偏置，因此長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)不存在直流漂移的問(wèn)題，而且它本質(zhì)上是一個(gè)線性調(diào)制，而且可以容忍大調(diào)制深度?；谙辔徽{(diào)制的以上優(yōu)點(diǎn)，他成為了近些年的研究熱點(diǎn)。
然而，光學(xué)相位調(diào)制攜帶的相位信息是不能被光電探測(cè)器探測(cè)出來(lái)的，需要一種相位轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度的手段。采用色散光纖可以實(shí)現(xiàn)相位和強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換，但是由于光纖固有的非線性傳輸函數(shù)以及頻率相關(guān)的特性使得這種方式的帶寬很窄，而且難以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍。采用相位調(diào)制結(jié)合光濾波實(shí)現(xiàn)相位和幅度的轉(zhuǎn)換可以搭建成大帶寬的微波光子鏈路。 而且這種方式可以輕松的與全光下變頻結(jié)合，充分利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在數(shù)字域線性化、減小失真，從而提聞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
然而，相位調(diào)制結(jié)合光濾波的全光下變頻鏈路有兩個(gè)有待改進(jìn)的地方。第一，濾波器將光載波濾掉減小了光功率，降低了系統(tǒng)增益。第二，目前沒(méi)有一種計(jì)算復(fù)雜度較低的數(shù)字信號(hào)處理后補(bǔ)償?shù)乃惴▉?lái)抑制失真，提高動(dòng)態(tài)范圍。因此我們需要在光域內(nèi)將濾掉的光譜重新利用以提高系統(tǒng)增益，并且需要針對(duì)這種鏈路的非線性特性提出一種簡(jiǎn)單高效的數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)抑制交調(diào)失真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以利用全光譜以及后補(bǔ)償算法實(shí)現(xiàn)高性能微波光子鏈路的方法。該方法可用于光載無(wú)線(ROF)系統(tǒng)中。根據(jù)本發(fā)明，提供一種全光譜利用的方法。全光譜利用指的是用光纖光柵的反射譜將濾除的光譜重新利用。系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)保偏的環(huán)形器和一個(gè)布拉格光柵(FBG)來(lái)實(shí)現(xiàn)反射譜和透射譜的利用，并通過(guò)平衡探測(cè)器來(lái)就行光電變換，達(dá)到提高增益的目的。根據(jù)本發(fā)明，提供一種后補(bǔ)償?shù)姆椒?。后補(bǔ)償指的是用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域在就行變換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的功能。通過(guò)推導(dǎo)我們證明了這種鏈路的傳遞函數(shù)類似為正弦函數(shù)，通過(guò)對(duì)采樣下來(lái)的數(shù)字信號(hào)就行反正弦變換，提高系統(tǒng)的線性度。從而，增加動(dòng)態(tài)范圍。


通過(guò)下面結(jié)合附圖進(jìn)行的對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述和/或其他目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中圖I示出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框2示出系統(tǒng)增益改善3示出低功率本振的線性化改善4示出高功率本振的線性化改善5示出未經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的雙音測(cè)試頻譜6示出經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的雙音測(cè)試頻譜7示出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍改善圖
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述。圖I中描述了基于全光譜利用和后補(bǔ)償技術(shù)的微波光子鏈路的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中SlOl為輸入的微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電相位調(diào)制器S102，將微波信號(hào)調(diào)制到S103 :連續(xù)光激光器提供的光載波上。調(diào)制后的光載微波信號(hào)經(jīng)過(guò)第二個(gè)光電相位調(diào)制器S104, S104由S105代表的微波本振驅(qū)動(dòng)，將光載的微波信號(hào)從高頻下變換到SlOl和S105之間的差頻，從而實(shí)現(xiàn)了下變頻。光載的下變頻信號(hào)經(jīng)過(guò)全光譜利用模塊將布拉格光柵的透射譜和反射譜都利用了。全光譜利用模塊由S106 :保偏環(huán)形器、S107 :布拉格光柵；S108 :可調(diào)諧光延遲線以及S109 :平衡探測(cè)器組成。光經(jīng)過(guò)S106的輸入端口到達(dá)S107，S107的透射光譜經(jīng)過(guò)S108進(jìn)行延遲對(duì)準(zhǔn)后注入S109的一個(gè)接口 ；與此同時(shí)，S107的反射光譜反射回S106到達(dá)第二個(gè)輸出端口，這個(gè)端口直接連接S109的另一接。S109的兩個(gè)端口光電變換后的下變頻
微波信號(hào)的表達(dá)式如下
+QO
z.透射⑴=2RP Z Jm(mRF)Jm^x (mRF Vm (f^LOVm-A (mLO) cos co,Fl
W--OO

1-00
= ~2RPH Jm (mRF Vm-X (mRF Vm (^lo )J,n , ( r; ) COS
m- —oo其中R表示探測(cè)器的響應(yīng)度，P為光功率，mEF表示輸入的射頻功率相對(duì)于S102的靈敏度的調(diào)制指數(shù)，《IF為下變頻的頻率它等于加載在S102和S104上的微波信號(hào)的頻率差。從上面的表達(dá)式可以看出全光譜利用后的光電流表達(dá)式互為相反數(shù)，而平衡探測(cè)器的差分模式剛好可以使得光電流加倍，換算成功率則可以使得下變頻的微波功率增加4倍即6dB。為了驗(yàn)證，增益改善的效果如圖2所示。S201為改善前的光電流功率，S202為改善后的光電流功率。從這張實(shí)驗(yàn)圖我們可以看出探測(cè)出的微波信號(hào)的功率增加了 5.95dB，與理 論值非常接近。S109探測(cè)出的微波信號(hào)。經(jīng)過(guò)SllO :模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再Slll :數(shù)字信號(hào)處理模塊中利用特定系數(shù)的反正弦函數(shù)變換實(shí)現(xiàn)線性化。具體的函數(shù)表達(dá)式為iDSP = (4RPA/B) *arcsin (iBPD/4RPA)其中iBPD是S109輸出的光電流，而A和B的取值為A =人 mm)l ^fURPp0(mw)/3J0(mLO)-J2(min)B 二O/J0 (W70)其中IHuj為S104上加載的微波信號(hào)相對(duì)于S104靈敏度的調(diào)制指數(shù)。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，先按照上述表達(dá)式對(duì)信號(hào)除以4RPA，然后做反正弦變換，再乘以4RPA，除以校準(zhǔn)因子B。圖3和圖4分別給出了在Hiw為I和2時(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的歸一化線性度改善情況。S301和S401的線條為改善前的傳輸函數(shù)可以看出它的線性度不好，而改善后的傳遞函數(shù)曲線為S302和S402的曲線，線性度明顯改善了。而且這種方法在叫。為(I 2)的區(qū)間內(nèi)都有顯著的效果。圖5和圖6為實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖，我們采用雙音測(cè)試法來(lái)測(cè)量整個(gè)微波光子鏈路的交調(diào)失真的大小。雙音測(cè)試法就是將微波輸入端同時(shí)打入兩個(gè)有一定頻率差的信號(hào)。在解調(diào)端觀察兩個(gè)頻率交叉調(diào)制頻率項(xiàng)的大小。在圖5中可以看出三階交調(diào)項(xiàng)S501比較明顯。而經(jīng)過(guò)我們的算法后的解調(diào)頻譜圖為6圖。三階交調(diào)項(xiàng)S601較S501下降了 17dB。圖7表示整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量圖，其中S701曲線表示信號(hào)頻率項(xiàng)的輸出功率隨輸入功率的變化情況，S702表示沒(méi)有進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理算法的情況下，三階交調(diào)失真項(xiàng)的功率隨輸入功率的變化情況。S703表示經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法后的三階交調(diào)失真項(xiàng)的功率隨輸入功率的變化情況?？梢钥闯鰜?lái)，我們提出的數(shù)字信號(hào)處理算法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍大約4. 2dB。
權(quán)利要求
1.一種基于全光譜利用和后補(bǔ)償?shù)奈⒉ü庾渔溌贩椒?，該方法包括以下步驟 級(jí)聯(lián)的光電相位調(diào)制器將微波信號(hào)調(diào)制到連續(xù)波激光器發(fā)出的光載波上，并且結(jié)合一個(gè)微波本振下變頻到低頻。
使用全光譜利用模塊提高系統(tǒng)增益； 使用數(shù)字信號(hào)處理模塊(DSP)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍；
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，全光譜利用模塊包括以下步驟 下變頻后的光載微波信號(hào)進(jìn)入保偏環(huán)形器； 環(huán)形器出口連接一個(gè)布拉格光柵(FBG)，F(xiàn)BG的透射光譜連接一個(gè)可調(diào)諧光延遲線，進(jìn)行時(shí)延匹配。然后注入平衡探測(cè)器的一個(gè)端口 ； FBG的反射譜返回環(huán)形器從第二個(gè)出口引出，連接平衡探測(cè)器的另一端口 ；
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，數(shù)字信號(hào)處理步驟包括以下步驟 對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)A，進(jìn)行幅度歸一化； 對(duì)歸一化后的信號(hào)做飯正弦變換。
信號(hào)除以4RPA，然后做反正弦變換，再乘以4RPA，除以校準(zhǔn)因子B，回復(fù)原有強(qiáng)度。其中
全文摘要
提出了一種基于強(qiáng)光譜利用和后補(bǔ)償技術(shù)的微波光子鏈路的方法，該方法包括以下步驟兩個(gè)級(jí)聯(lián)的光電相位調(diào)制器將接受下來(lái)微波信號(hào)加載到光上并進(jìn)行全光下變頻。通過(guò)一個(gè)保偏環(huán)形器、布拉格光柵(FBG)以及平衡探測(cè)器組成的模塊同時(shí)利用了光柵的透射譜和反射譜。然后利用反正弦函數(shù)做數(shù)字信號(hào)處理(DSP)。本發(fā)明有效的利用了整個(gè)光譜的能量提高了系統(tǒng)增益，利用復(fù)雜度較低的DSP算法提高了系統(tǒng)線性度進(jìn)而提高了動(dòng)態(tài)范圍。
文檔編號(hào)H04B10/2575GK102983911SQ20121049974
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者喻松, 蔣天煒, 李健, 駱璁, 張阮彬, 謝倩, 顧畹儀 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)