基于偏振复用光调制器产生PDM-16QAM射频信号 
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1 引言
随着云计算、交互式游戏和4K/8K超清视频服务等新型应用的飞速发展,人们对于通信网络带宽和容量的需求近几年快速增长。在此背景下,光子辅助毫米波产生技术[1-19]拥有大带宽的优势,可以克服传统电信号产生方式中电子器件的带宽瓶颈,同时结合先进矢量调制等技术,可以有效提高系统的频谱效率和接收机灵敏度,解决频谱资源不足的问题,将是未来宽带通信网络中重要的备选技术方案。
光子辅助毫米波常用的产生方案主要有:外差拍频方案[11-14]和外部调制器方案[15-19]。外差拍频方案是将矢量调制信号通过调制器调制到光载波上,然后与另外一路具有不同频率且未经调制的光波拍频产生毫米波。该方案中虽然产生的信号具有较高的信噪比,但是系统中用于拍频的独立激光器难以锁频和锁相,会出现“漂移”现象。与此对比,外部调制器方案则是利用两个同源光边带拍频而产生频率稳定的矢量毫米波,并不会受到频率和相位抖动的影响。在文献[ 15]中,数据首先通过第一个调制器生成基带信号,而后利用射频驱动后面的调制器产生携带数据的光学边带,这种使用多个调制器级联来产生毫米波的方法虽能产生频率稳定的毫米波,但是系统结构复杂。而在一些利用单个调制器传输矢量信号的系统中[16-19],如文献[ 16]所述,利用6 GHz的预编码信号驱动马赫-曾德尔调制器(MZM),通过控制MZM的直流偏压和射频信号的相位差,实现了载波的抑制调制,并在80 km单模光纤中实现了2 Gbaud PDM-QPSK信号的传输。通过使用单个调制器,可以实现矢量调制格式为PDM-QPSK的信号传输,但是该方案下的数据传输速率和频谱效率却有待进一步提升。
针对上述问题,本文提出了一种采用单个光调制器产生频率稳定、偏振复用的矢量毫米波信号新方案。通过结合光子毫米波生成技术、光偏振复用、副载波复用、无线2×2多输入多输出(MIMO)技术以及先进的矢量调制格式和数字信号处理(DSP),搭建基于双极化马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)的PDM-16QAM光纤-无线融合通信系统,通过实验成功实现64 Gbit/s@28 GHz PDM-16QAM信号的有效传输,并将误码率(BER,RBE)控制在4.2×10-2以内。
2 系统原理
图 1. 基于双极化马赫-曾德尔调制器产生偏振复用毫米波信号的产生原理,其中插图(a)-(c)为简化的频谱
Fig. 1. Principle of generation of polarization multiplexing millimeter-wave signal based on a dual-polarization Mach-Zehnder modulator, in which illustrations (a)-(c) are simplified spectra
在BS中,PBS将偏振复用信号进行偏振分集,以获得两个相互正交的偏振分量(X、Y),随后该偏振分量分别进入各自链路中的PD。携带信息的fc±f一阶边带与中心频率为fc的光载波在PD中进行拍频生成频率为f的电矢量射频信号。
需要注意的是,从DP-MZM耦合输出后的偏振复用信号在光纤中的传输会带来一定程度的偏振旋转,而且光信号在PBS输入端的偏振态具有任意性,所以PBS的两个输出端其实是将X和Y偏振方向上的数据信号混合,但为了方便表述,在本研究分别用X偏振分量以及Y偏振分量来定义PBS的两个输出端。
在光传输系统中,人们对先进的矢量调制格式进行了广泛的研究,而单个符号能携带4 bit信息的16QAM作为一种联合幅度和相位的调制格式,受到了越来越多的关注。在下一部分的实验中,本研究采用16QAM高阶调制格式,并结合副载波复用、无线2×2 MIMO技术以及先进的DSP算法,搭建基于DP-MZM的PDM-16QAM光纤-无线融合通信系统,以进一步提高系统的频谱利用率和器件带宽效率。
3 实验装置及结果
图 2. PDM-16QAM射频矢量信号光纤-无线融合传输实验系统装置,其中插图(a)为FTM7981EDA,(b)为光谱图
Fig. 2. Experimental setup for fiber-wireless integration transmission of PDM-16QAM vector RF signal, in which illustrations (a) and (b) are FTM7981EDA and optical spectrum, respectively
表 1. 实验装置关键器件参数表
Table 1. List of key device parameters in the experimental setup
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将分布反馈式布拉格半导体激光器(DFB-LD)产生的波长为1552.1 nm的连续波输入至DP-MZM(FTM7981EDA)进行调制。该调制器的3 dB带宽为30 GHz,插入损耗为6 dB,实物如
本实验中的2×2 MIMO无线链路是由两对同极化状态(水平极化或垂直极化)的喇叭天线(TX1、RX1和TX2、RX2)组成。喇叭天线的频率工作范围为26.5~40.0 GHz,增益为25 dBi,将X偏振方向和Y偏振方向中的无线链路设置为并行结构,并将发射天线到接收天线之间的无线传输距离调整为1 m。
在接收端,同极化的喇叭接收天线(RX1、RX2)用于同时接收来自发射天线(TX1、TX2)的X、Y偏振分量,随后信号经过增益为30 dB、工作在直流60 GHz的电放大器EA5和EA6放大后被一个3 dB带宽为62 GHz、采样率为160 GSa/s的示波器(OSC)捕获,从模拟域转化为数字域,最后离散数字信号进入离线DSP模块,以恢复出原始的数据信号。
离线DSP模块的主要流程为:下变频、级联多模算法(CMMA)均衡[20]、频偏估计、相位估计、判决反馈-最小均方误差算法(DD-LMS)均衡[21]和BER计算。其中,CMMA模块和DD-LMS模块采用2×2多输入多输出(MIMO)结构,抽头数分别设置为25和155。在偏振敏感的系统中,通常需要利用偏振追踪子系统来解偏振复用[22],因为本系统发射端产生的是幅值不唯一的方形16QAM,故在DSP模块中利用CMMA来代替偏振追踪子系统,以实现PDM-16QAM信号的偏振解复用、调制信号的多模恢复和两对喇叭天线间多径效应的抑制[23],简化了实验结构。
图 3. 接收到的6 Gbaud PDM-16QAM星座图。X偏振:(a)下变频后;(b) CMMA均衡后;(c)频偏估计后;(d)相偏估计后。Y偏振:(e)下变频后;(f) CMMA均衡后;(g)频偏估计后;(h)相偏估计后
Fig. 3. Received PDM-16QAM constellations at the baud rate of 6 Gbaud. X-polarization: (a) After down conversion; (b) after CMMA equalization; (c) after frequency-offset estimation; (d) after carrier phase estimation. Y-polarization: (e) after down conversion; (f) after CMMA equalization; (g) after frequency-offset estimation; (h) after carrier phase estimation
图 4. 6 Gbaud PDM-16QAM信号BER与PD输入功率的关系曲线
Fig. 4. BER of 6 Gbaud PDM-16QAM signal at different input powers into PD
图 5. 频谱及星座图。(a) 28 GHz矢量射频信号的频谱;(b) DD-LMS均衡后,在X方向上解调出的信号星座图;(c) DD-LMS均衡后,在Y方向上解调出的信号星座图
Fig. 5. Frequency spectrum and constellations. (a) Frequency spectrum of 28 GHz vector RF signal; (b) demodulated constellation in X-polarization after DD-LMS equalization; (c) demodulated constellation in Y-polarization after DD-LMS equalization
图 7. PDM-16QAM信号BER与DD-LMS抽头数的关系曲线
Fig. 7. BER of PDM-16QAM signal versus DD-LMS taps number
4 结论
在光载无线通信网络中实现结构简单、高谱效率的毫米波系统是十分重要的。本研究通过实验证明在光纤无线系统中仅使用偏振复用光调制器可以生成频率稳定、偏振复用的矢量毫米波信号。结合多种先进技术,创新性地基于DP-MZM的光纤-无线融合链路,使用PDM-16QAM信号调制技术,在BTB和1 m 2×2 MIMO无线链路中实现了信号的有效传输,并且证明1 km DSF光纤的加入,几乎没有引入任何功率代价。通过改变信号波特率,实现了最大速率为64 Gbit/s的PDM-16QAM信号在1 m无线链路上的传输,最大误码率控制在4.2×10-2以内。
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