近10年來，通信行業經歷著深遠的變化。為了實現多用戶、高帶寬、穩定可靠的語音和數據等多業務的接入，不論是從網絡維護上還是網絡管理控制上講，無源光網絡PON(Passive Optical Networks)被譽為最具有穩定性、可行性的解決方案之一，這是由于無源光網絡具有大容量、高帶寬、易管理、網絡安全性高和易于升級等優點[1]。同時，下一代無線寬帶接入網必需滿足小區蜂窩快速切換、高數據率傳輸等需求，這一需求通過自適應智能天線或多天線傳輸系統實現[2-4]。以上方案被應用于未來的射頻信號通信當中，例如WiMax和WLAN協議[5]。

    基于光域的相控陣技術應用于自適應智能天線和多天線系統中，具有瞬時延時范圍大、無波束傾斜、抗電磁干擾等優點。國內外已有相當數量的相控陣技術文獻報道,如基于注入鎖模激光器的自適應指向天線技術[6]、變換矩陣控制相移技術[7]、色散光線相移技術[8]、光線光柵技術[9]、光子晶體光纖技術[10]等。然而，這些技術都是基于激光器的相控陣結構，對于實現多路真延時就要采用多個激光器，這對系統的成本要求過高；此外，由于激光器需要控制電路和驅動電路來控制激光器的工作波長，光源的系統復雜度過高；國內外現有方案僅著重于系統延時性能的測量，對信號傳輸方面并沒有明確的實現方法和結果論證。本文提出一種新型的成本相對低廉、系統結構相對簡單的光域相控陣技術，該技術基于自發輻射(ASE)寬譜光源，并實現了nQAM矢量信號的20 km無誤碼傳輸，并對實驗結果進行討論。
1 基本理論分析
    寬譜光源是ASE(Amplified Spontaneous Emission)自發輻射產生的，常見的寬譜光源為摻餌光纖放大器EDFA的自發輻射譜和發光二極管LED的發射譜。與傳統的激光器相比，寬譜光源具有光源結構簡單、成本低廉、易于控制和維護、不需要驅動電路控制溫度和光波長等優點，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無線信號的傳輸和分配發射，勢必有效降低系統成本和復雜度，是一種新型的光載無線實現結構。
    圖1給出寬譜光源后置光濾波器的光譜圖，寬譜光源經過可調諧光濾波器，得到的具有濾波器線性的寬譜，這樣只要改變濾波器的中心波長，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;可調諧光濾波器是美國Optplex公司生產的，是電控可調節的，調節范圍在1 450 nm~1 600 nm，調節步進0.01 nm的準連續調節，3 dB帶寬0.8 nm，20 dB帶寬1.5 nm。

    由寬譜光源產生的差拍噪聲，需要對寬譜光源進行建模，在下面的章節中進行闡述。如圖給出了基于寬譜光源傳輸系統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；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,當接收光功率在-12 dBm~1 dBm時，系統散粒噪聲、熱噪聲和ASE差拍噪聲在同一個數量級，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還是基于寬譜光源的傳輸系統，系統噪聲都是散粒噪聲、熱噪聲、ASE差拍噪聲共同占主導，也就是說該PD探測功率條件下的基于寬譜光源傳輸系統的噪聲是與基于激光器傳輸系統的噪聲相當的，基于寬譜光源傳輸系統在理論上是可行的。只要控制PD接收功率，有效降低差拍噪聲，就可以實現寬譜光源矢量信號傳輸。

2 實驗裝置及結果討論
    (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節對基于寬譜光源光副載波傳輸系統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噪聲，通過控制調制功率和PD處接收光功率，實現二者優化選擇，實現較低EVM(Error Vector Magnitude），實現矢量信號傳輸。

　寬譜光源發出的光經過光濾波器濾波后進入到Mach-Zehnder調制器，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果。
?、?調制信號由Agilent8267D矢量信號發生器發出，調制格式分別為QPSK、16 QAM、64 QAM；
?、?速率1.25 Mb/s、2 Mb/s、3.5 Mb/s、10 Mb/s；
?、?接收結果,分別為背靠背直接測量矢量信號發生器產生信號的質量、加入寬譜光源后置光濾波器調制信號后直接探測、寬譜光源后置光濾波器調制信號傳輸20 km探測。
   信號格式和速率的選取有實際應用價值的信號格式，802.11n WiMax協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的質量進行分析。
　由于光副載波系統對于電信號調制格式是透明，對于變化實驗條件①中的調制信號格式、實驗條件②中的調制信號速率，實驗結果具有相似性，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量，將矢量信號發射器發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、數據率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過20 km傳輸，系統支持64 QAM矢量信號穩定可靠無誤碼率的傳輸。
   (2) 延時特性
　通過調制器雙邊帶調制，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對復雜矢量信號包括QPSK、n-QAM信號的光域真延時控制，該技術應用在光載無線（ROF）結構中基站端，穩定可靠地實現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大瞬時帶寬、響應速度快的要求。
    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，實現空間分配，分配結果用EVM來衡量，EVM為3.6%。

　通過網絡分析儀AgilentE8364B測量的4路輸出信號S21參數，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。

　以上工作實現了基于寬譜光源的單路微波信號延時技術，本文利用實驗室現有研究基礎，結合國家自然科學基金重點項目研究成果，實現了4路5 bit真延時信號分配，各路功率一致性0.5 dB以內，延時精度1 ps。
    本章提出了基于寬譜光源系統結構傳輸復雜矢量信號的實現方案。實現了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%，并在基站本地實現了該信號的4路真延時，實現了無線信號的基站端的信號空間分配。對于符合IEEE802.11協議的無線通信信號格式也有類似結果。
參考文獻
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