基于双级单边带调制产生光纤载太赫兹信号的系统.pdf

基于双级单边带调制产生光纤载太赫兹信号的系统
    【技术领域】

    本发明属于光纤通信和无线通信融合技术领域，具体涉及一种副载波复用方式产生太赫兹波的技术、双级单边带调制技术以及太赫兹信号的传输和接收组成的ToF通信系统。

    背景技术

    随着人们对高速率通信网络传输带宽的需求日益增加，通信系统向更高频段延伸的要求日益迫切。目前宽带无线通信的个域网标准已经规定了60GHz频段，频段进一步提高就进入了太赫兹波段(THz波频率在0.1～10THz范围)。因此，研究太赫兹波通信可以拓展下一代宽带无线移动通信的频谱，对于抢占频谱、有效利用资源将具有非常大的战略意义^[1]。太赫兹波通信具有带宽宽，定向性好，天线小，安全性好等特点^[4]，但是太赫兹波通信面临的最严重问题是该频段在大气传输中衰减严重，因此研究光纤载太赫兹通信技术具有非常重要的实用意义。

    ToF技术是把太赫兹信号作为中频调制到光波上然后在光纤中进行长距离传输，ToF技术具有高频率、高可靠性、超高带宽、低损耗和抗干扰能力强等优点^[4]。虽然ToF技术备受瞩目，但在传输高频信号时会面临光纤信道色度色散问题，不仅会产生频率衰落效应，而且会造成信息码元的时延啁啾，严重影响信号传输质量。其中，衰落效应导致传输的信号产生余弦波动式衰落，这意味着在某些衰落节点信号会消失，造成误码率增高，从而直接降低通信性能。据报道，有一些方案能克服色散衰落效应，例如：添加色散补偿光纤、利用啁啾布拉格光栅、多节DBR半导体激光器和等幅外差后均衡发处理信号等，但这些方法并没有从根本上解决色散衰落效应带来的影响。

    基于以上的一些事实，本发明首次提出了双级单边带(DSSB)方案组成的ToF系统。该系统能够有效抵抗0.1THz信号传输的色散致频率衰落影响，具有良好色散容忍度。由于采用DSSB调制，光电检测后的电信号频谱窄，因此可以有效利用带宽资源，并可以降低THz频段带通滤波器要求，有利于光纤载太赫兹系统的实用化。

    【发明内容】

    本发明的目的在于提供一种能够抵抗频率衰落影响，具有良好色散容忍度的ToF通信系统。

    本发明提出的ToF通信系统，由载波抑制调制方式产生的两条边带，经滤波器分别滤出，其中的一条边带作为载波以单边带调制方式调制数据后，与另一条边带拍频产生载有信息的太赫兹波，经光纤传输至天线发射。该系统的核心是在ToF通信系统中信息数据的调制部分，选择载波抑制双边带中的一个边带进行一级单边带数据调制，在数据调制过程中再次采用基带单边带调制技术，由此产生双级级联单边带调制。

    本发明提出的ToF通信系统由三部分组成(见图1)，A为光抑制载波双边带信号产生部分、B为双级单边带调制部分、C为太赫兹信号传输发射部分。A部分主要是采用载波抑制和光的副载波复用技术产生倍频信号。B部分是本发明的核心部分，选择载波抑制双边带中的一个边带进行一级单边带数据调制，在数据调制过程中再次采用基带单边带调制技术，由此产生双级级联单边带调制；第二级单边带调制技术，是基于信号的希尔伯特变换有限冲击响应数字滤波器，利用一个双臂的马赫哲德调制器级联一个相位调制器产生单边带信号。信号与信号的希尔伯特变换分别驱动双臂马赫哲德调制器和相位调制器。C部分是拍频后的太赫兹波经标准单模光纤传输至天线发射为无线信号。各部分具体结构如下：

    光抑制载波双边带信号产生部分，由N个DFB激光器组成的N个光源，第一波分复用器、第一双臂平衡马赫哲德调制器组成，其中，由N个DFB激光器组成的N个光源发出中心频率为f_N，均匀相隔为f_h的N路光，经第一波分复用器合成一路后，通过第一双臂平衡马赫哲德调制器，在同一信号源发出的反相信号作为交流驱动，交流幅度值V_m和双臂DC_bais，均取V_π/2的情况下生成N路合成载波抑制双边带调制信号，V_π为反向信号幅值。由载波抑制双边带调制方式的特性可知，该调制信号的主要能量集中在第一边带上，此处信号的第一边带共有2N个，频率分别为f₁±f_g+(n‑1)f_h，其中f₁为第1个光源的中心频率，n为光源排号，1≤n≤N，f_g为调制信号带宽，f_h为光源中心频率间隔；

    双级单边带调制部分，由第一解波分复器、希尔伯特变换器、第二双臂平衡马赫哲德调制器、相位调制器、下边带传输链路、第二波分复用器组成，其中，先由第一解波分复用器以中心频率分别为f₁±f_g+(n‑1)f_h，滤出上一部分产生的2N个第一边带，分别记为上边带f_N1和下边带f_N2；下边带f_N2直接进入下边带光纤传输链路传输；上边带f_N1则进入第二双臂平衡马赫哲德调制器，进行单边带调制；对于上边带f_N1，下边带f_N2被抑制掉，仅在f_N1进行调制，此处为第一级单边带调制。第二级单边带调制是由第二双臂平衡马赫哲德调制器与相位调制器级联组成，基带信号与其经希尔伯特变换器后的信号分别驱动第二双臂马赫哲德调制器和相位调制器；最后再由第二波分复用器将经过单边带调制的上边带和下边带拍频产生太赫兹波，进入下一部分；

    太赫兹波的传输与接收部分，由单模光纤、掺饵光纤放大器、衰减器、光纤探测器、带通滤波器、第二解波分复用器、第一天线、第二天线、信号源、解调器、低通滤波器和误码仪组成，带有信息的太赫兹信号进入该部分，经由标准单模光纤C‑1，掺饵光纤放大器C‑2，衰减器C‑3，光电探测器C‑4转化为电信号，再经以100GHz为中心频率，10GHz带宽的四阶贝塞尔带通滤波器C‑5滤波，然后由第二解波分复用器C‑6分开各路信号，由第一天线C‑7和第二天线C‑8发射接收，对接收到的低通信号采用截至频率5GHz的四阶贝塞尔低通滤波器C‑11以滤掉高频噪声，误码仪C‑12直接测出误码率。信号源C‑9和解调器C‑10是用于解调信号。

    本发明所采用的基于双级单边带调制产生光纤载太赫兹信号的系统能够有效的抵抗色散造成的频率衰落影响，其具体有如下的优势：

    1.本发明采用载波抑制和光的副载波复用技术产生太赫兹波，一方面提高了副载波的能量，有效利用资源；另一方面，避免使用高频信号发生器，节约成本。

    2.本发明所提出的双级单边带调制技术，能够有效的抵抗高频传输中色散造成的频率衰落影响，提高系统的色散容忍度，相对于传统的色散补偿方式(添加色散补偿光纤、利用啁啾布拉格光栅、多节DBR半导体激光器和等幅外差后均衡发处理信号等)，该技术是从根本上解决色散衰落效应带来的影响。

    3.本发明所提出的双级单边带调制技术，光电检测后的电信号频谱窄，因此可以有效利用带宽资源，并可以降低THz频段带通滤波器要求。

    4.本发明的第二级单边带调制，其信号产生简单，不需要额外的滤波器抑制边带，而一般的滤波法产生单边带需要非常精确的滤波器同时还会使传输功率减半。

    本发明所提出的基于双级单边带调制产生光纤载太赫兹信号的系统，成本低、器件可获得，系统搭建后传输性能良好，有利于光纤载太赫兹系统的实用化。

    【附图说明】

    图1为本发明系统结构图示。

    图2为本发明实施方案系统结构图示。

    图3为双边带调制系统结构图示。

    图4光抑制载波双边带信号产生原理图。

    图5SSB调制信号产生原理图。

    图6(a)SSB信号光谱图，(b)SSB信号电谱图(c)DSB信号光谱图，(d)DSB信号电谱图。

    图7SSB和DSB调制信号经过10km单模光纤传输后的功率衰落特性(a)非ToF系统中，(b)ToF系统中。

    图8DSB调制5Gb/s信号传输40‑100km后的BER曲线族和眼图，(a)back to back，(b)传输40km，(c)传输80km，(d)传输100km。

    图9DSSB 5Gb/s信号传输40‑100km后的BER曲线族和眼图，(a)back to back，(b)传输40km，(c)传输80km，(d)传输100km。

    图中标号：A‑1分布反馈激光器，A‑2第一波分复用器，A‑3第一双臂平衡马赫哲德调制器，B‑1第一解波分复用器，B‑2希尔伯特变换器，B‑3第二双臂平衡马赫哲德调制器，B‑4相位调制器，B‑5下边带传输链路，B‑6第二波分复用器，C‑1标准单模光纤，C‑2掺饵光纤放大器，C‑3衰减器，C‑4光电探测器，C‑5带通滤波器，C‑6第二解波分复用器，C‑7第一天线，C‑8第二天线，C‑9信号源，C‑10解调器，C‑11低通滤波器，C‑12误码仪。

    【具体实施方式】

    下面将根据本发明提出的基于双级单边带调制产生的光纤载太赫兹信号的系统，提供一种具体的实施方式。同时为了体现本方案抵抗色散衰落的效果，与同样传输条件的双边带传输系统进行对比。

    图2为本发明的具体实施方式的系统结构图，图3为双边带传输系统结构图。

    A光抑制载波双边带信号产生，原理图如图4所示。激光光源为DFB激光器产生的连续光源，中心频率为193.1*10¹²Hz，即波长为1553.6nm。为双臂平衡马赫哲德调制器(MZM)，上下臂的交流驱动为同一信号源发出的50Gb/s的反相信号，即相位相差π；且交流驱动幅度值V_m和双臂DC_bais，均取V_π/2，故输出信号

     $E_{\mathrm{OCSout}}\left(t\right)=E_0\cos \left\{\mathrm{\π}\right[\frac{V_m}{V_{\mathrm{\π}}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t\right)+\frac{V_{\mathrm{dc}}}{V_{\mathrm{\π}}}\left]\right\}\·\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right),$

     $=E_0\{\cos p\·\cos [m\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t\right)]-\sin p\·\sin [m\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t\right)\left]\right\}\·\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)$

    用贝塞尔函数表示：

     $E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=E_0\·\left\{\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\right[J_{2n-1}\left(m\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+(2n-1){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t-\mathrm{n\π})+J_{2n-1}\left(m\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t-(2n-1){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{RF}}t+\mathrm{n\π})\left]\right\}$

    从上式可清楚看到，该部分输出信号只有奇次边带，没有偶次边带，基带信号被抑制，两个第一边带相差100GHz。

    信号从A部分输出后，进入B双级单边带调制部分。由计算可知，A部分的输出信号能量主要集中在两个一阶边带上，进入B部分后，首先由解波分复用器B‑1(光滤波器)，滤出这两个边带。该滤波器选用中心频率分别为193.15×10¹²Hz和193.05×10¹²Hz为中心频率，带宽为10GHz的3阶高斯带通滤波器。下边带进入光纤链路B‑5传输；上边带则要进行单边带调制。基带码元为PRBS的NRZ码信，同时观察区间取为2⁹个码元，码元速率为5Gb/s。所使用的光纤为标准单模光纤，其中色散系数为D＝16ps/nm/km。调制后的上边带与下边带共同进入波分复用器B‑6，拍频产生0.1Thz波，进入下一部分。

    第二级单边带调制原理如图4所示。此处是由双臂平衡迈尔增德调制器B‑3与相位调制器B‑4级联组成，基带信号与其经希尔伯特变换器B‑2后的信号分别驱动双臂马赫哲德调制器和相位调制器。经双臂平衡迈尔增德调制器B‑3后的交流驱动信号为反向关系，直流驱动为0v。此处的输出信号为：$E_{\mathrm{OSSB}-\mathrm{MZMout}}\left(t\right)=\frac{E_{\mathrm{OSSB}-\mathrm{MZMin}}\left(t\right)}{2}[\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}.V_{\mathrm{OSSB}-\mathrm{MZMrf}\_\mathrm{upper}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}.V_{\mathrm{OSSB}-\mathrm{MZMrf}\_\mathrm{lower}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}\right)],$其中，$V_{\mathrm{OSSB}-\mathrm{MZMrf}\_\mathrm{upper}}\left(t\right)=x{V}_{\mathrm{\π}}m\left(t\right)-\frac{V_{\mathrm{\π}}}{4},$$V_{\mathrm{OSSB}-\mathrm{MZMrf}\_\mathrm{lower}}\left(t\right)=-x{V}_{\mathrm{\π}}m\left(t\right)+\frac{V_{\mathrm{\π}}}{4}.$相位调制器B‑4，其器件本质仍然是双臂平衡马赫哲德调制器，交流驱动的下臂为零，上臂为经过希尔伯特变换器B‑2的data信号，直流驱动为0v。该部分输出信号则表示为：$E_{\mathrm{PMout}}\left(t\right)=E_{\mathrm{PMin}}\left(t\right)\left[\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}.V_{\mathrm{PMrf}\_\mathrm{upper}}\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}\right)\right],$其中$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}},$$V_{\mathrm{PMrf}\_\mathrm{upper}}\left(t\right)=x{V}_{\mathrm{\π}}\hat{m}\left(t\right).$

    用泰勒级数表示为：

     $E_{\mathrm{OSSBout}}\left(t\right)=\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\·\left[\begin{array}{c}(\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{2}}\mathrm{zm}\left(t\right)-\frac{1}{2\sqrt{2}}{z}^2{m}^2\left(t\right)-\frac{1}{6\sqrt{2}}{z}^3{m}^3\left(t\right)+\·\·\·)\\ +j(\frac{1}{\sqrt{2}}z\hat{m}\left(t\right)+\frac{1}{\sqrt{2}}{z}^{2}m\left(t\right)\hat{m}\left(t\right)+\·\·\·)\end{array}\right],$

    取一阶泰勒级数，则有：

     $E_{\mathrm{OSSBout}}\left(t\right)=\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\·[\frac{1}{\sqrt{2}}+\frac{1}{\sqrt{2}}\mathrm{zm}\left(t\right)+j\frac{1}{\sqrt{2}}z\hat{m}\left(t\right)],$此时取z＝πx。

    图6所示为双级单边带和双边带调制信号的光谱图以及ToF系统拍频后的电谱图。其中(a)和(b)是单边带信号的光谱图和电谱图，(c)和(d)则是双边带信号的。图中清晰可示本发明提出的方案所产生的双级单边带信号。

    图7所示单边带和双边带调制信号经过10km单模光纤传输后的功率衰落特性。其中图(a)是非ToF系统的两种信号的功率衰减特性对比曲线图，图中清晰可见文献[10]中提到的DSB调制信号色散衰落节点信号消失的现象。DSB调制信号衰落点的衰落比达到‑25dB，而且衰落次数也较多；而SSB调制信号曲线相对平滑，抖动在5dB范围内，几乎没有出现信号消失的现象。图(b)是ToF系统中两种信号功率衰减性对比曲线图，从图中可以发现，ToF系统中DSB调制信号稳定性更差，最大衰落比达到‑40dB，而SSB的调制信号曲线却仍然保持平滑。两幅图清晰的对比出，DSB调制方式所无法回避的色散衰落现象和SSB调制方式对抗衰落现象的能力。

    C太赫兹信号传输和发射部分，带有信息的太赫兹信号进入该部分，经由标准单模光纤C‑1，掺饵光纤放大器C‑2，衰减器C‑3，光电探测器C‑4转化为电信号，再经以100GHz为中心频率，10GHz带宽的四阶贝塞尔带通滤波器C‑5滤波，然后由第二解波分复用器C‑6分开各路信号，由第一天线C‑7和第一天线C‑8发射接收，对接收到的低通信号采用截至频率5GHz的四阶贝塞尔低通滤波器C‑11以滤掉高频噪声，误码仪C‑12直接测出误码率，信号源C‑9和解调器C‑10是用于解调信号。

    图8、图9分别是DSB和DSSB调制系统传输特性曲线图和眼图。从图7、图8中嵌入的眼图可以发现，对于每种调制方式，随着传输距离的延长，接收到的信号均存在时间和幅度上的抖动，但是DSB信号的时间抖动现象更为明显，这主要是因为前面提到的光纤信道色散引起的；相比较，DSSB解调信号的抖动便平缓很多，即便是传输100km后，也有很好的稳定性。对比两幅图中的(e)图，同样可以发现，传输距离达到100km时，信号解调后的BER值，在图8(e)中的DSB调制方式中仅能达到10^‑9数量级，而图9(e)中的DSSB调制方案中却可达到10^‑11数量级。这说明DSSB调制信号在长距离传输中的优势，再次验证了在DSB调制方式中，光纤色散引起的衰落效应对传输距离的限制。从图中可以看到，光纤长度为100km时，DSSB调制接收机灵敏度为‑26.6dBm。

    研究表明，基于双级单边带调制产生光载太赫兹信号系统能有效的降低传输信号的色散衰落影响。随着传输距离的增加，这种改善效果更加显著，适合长距离传输。