结合Sagnac环结构的相位调制器双向使用技术在光纤无线链路的应用

发布时间：2017-10-07 02:32

  本文关键词：结合Sagnac环结构的相位调制器双向使用技术在光纤无线链路的应用

  更多相关文章： 上变频 矢量信号产生 相干探测 动态范围 波长再利用

【摘要】：作为有效的传输宽带和高动态范围的微波、毫米波信号的一种技术,光纤无线链路在许多商业和军事领域,如微蜂窝无线接入系统,射频传感网络,都有需求。这些应用对通过带宽和动态范围等具体指标衡量的光纤无线链路性能有越来越高的要求,单纯从提升传统器件性能方面入手,越来越难以给出合适的链路方案。本文从传统器件的特殊使用方式和经典光学结构的特性入手,专注于基于用偏振分束器构成的Sagnac环结构和双向使用相位和偏振调制器技术,在毫米波,射频矢量信号的产生,延伸相位调制相干I/Q解调光链路的传输距离,和基站端波长再利用,这三个方面提出了新颖的链路方案,这些链路方案本身对优化现有链路提供了新的方案,也为基于新颖结构光电子器件的设计提供了参考。第二章提出并实现了一种通过频率上转换产生毫米波矢量信号的方案,该方案产生的光毫米波信号不受色散引起的频率选择性衰落和带内拍频干扰的影响。该方案将偏振调制器放置于由偏振分束器构成的Sagnac环结构内部,连续的激光源首先被载波抑制调制产生±1级边带,接着±1级边带被通过保偏光纤光栅,+1级边带的一个偏振方向和-1级边带的与之正交的偏振方向的光波将被滤除,得到偏振正交的±1级光波,随后偏振正交的±1级光波进入Sagnac环并分为顺时针和逆时针传输的光波。双向使用偏振调制器时,微波信号与光波速率匹配的方向能被调制,而速率失配的方向传播的光波不能被微波信号调制,这样加载到相位调制器的中频电矢量信号将被调制到与相位调制器中行波电极中射频信号传输方向一致的光波方向同时与行波电极中射频信号传输方向相反的光波方向将不会被调制。此外,由于沿着顺时针和逆时针方向传播的光波具有相同的光程,在Sagnac环的输出,当沿着两个方向传播的光波将重新偏振复用时,偏振正交的两个光波的相位仍然相关。经光纤传输后,在基站端偏振正交的两个光波通过一个检偏器之后在光电探测器上拍频将产生毫米波矢量信号。实验展示了产生和传输30.75 GHz频段100M和500 MSym/s的16-QAM信号,经过光纤传输25 km后100 MSym/s的16-QAM信号的质量高于无错数据传输标准,500 MSym/s的16-QAM信号的质量高于使用前向差错矫正情况下的无错数据传输标准。第三章,在第二章的基础上提出并实现了微波矢量信号产生的全光方案。该方案将一个偏振调制器和一个相位调制器分别放置于偏振分束器构成的Sagnac环结构内部,并满足沿着顺时针或逆时针传播的光波被其中一个调制器调制同时相反方向传播的光波被另外的调制器调制,I/Q中频输入信号分别加载到两个调制器,承载着I/Q中频信号的光波沿着Sagnac环相反方向传播,并在Sagnac环的输出通过PBS偏振正交复用,再经过一个光带通滤波器后通过光纤传输到远端基站,光带通滤波器的作用是分别滤除由相位和偏振调制产生的+1或-1阶边带。实验产生并传输了4.5 GHz频段625M的QPSK信号,经过光纤传输25 km后当接收端功率为6 dBm时625 MSym/s的QPSK信号的质量高于无错数据传输标准,通过数字信号处理补偿传输引起的I/Q信号失配,信号质量可以在2 dBm时高于无错数据传输标准。第四章将结合Sagnac环的相位调制器双向使用技术应用于相位调制相干I/Q解调的光链路的发射机端,延伸了链路的传输距离同时保持了链路的高动态范围。该方案的发射机由一个相位调制器,一个由偏振分束器构成的Sagnac环和一个激光器构成,激光器发出的光进入Sagnac环时将分为沿着相反方向传播的两束光波,双向使用相位调制器时,只有微波和光波速度匹配的方向可以被调制,这样如果需要传输的微波信号调制到顺时针方向传播的光波,逆时针方向传输的光波将不会被调制,成为参考光,在Sagnac环路的输出,沿着相反方向传输的调制光和参考光将被偏振正交复用,并经光纤传输。在接收机正交偏振复用的信号分别被双偏振相位多样化相干探测器用一个独立的光本振相干接收,由于调制信号和参考信号的相位保持相关,通过数据信号处理可以线性还原加载到相位调制器上的待传输信号。实验证实了微波信号可以被恢复,实验测得经过10 km传输后的相位调制相干接收链路的增益和动态范围分别是-9.5 dB和115.8dB-Hz2/3。第五章,将结合Sagnac环的相位调制器双向使用技术应用于光载无线的上行链路,上行链路数据可以直接相位调制到下行光信号后传回中心局,再通过相干接收在中心局还原出上行链路数据。该方案中,在基站端接收到的下行信号一部分经过光电转换发射出去,另一部分被耦合到上行链路的发射机,充当上行链路的载波。发射机包含一个偏振分束器构成的Sagnac环和一个相位调制器,光波进入Sagnac环路时将按照偏振分解成沿着相反方向传播的两束光波,上行链路的数据加载在相位调制器,由于双向使用相位调制器时只有和微波速率匹配的光波传播方向可以被调制微波信号,Sagnac环内沿着相反方向传播的两束光波,一个方向被微波信号调制,与之传播方向相反的方向没有被调制,作为参考信号,在Sagnac环的输出,参考信号和承载了上行数据的调制信号偏振复用后经同一段光纤中传播到中心局,在中心局,上行链路的信号会被双偏振相位多样化相干探测器用一个独立的光本振相干接收,由于调制信号和参考信号的相位保持相关,通过数据信号处理可以线性还原出加载到相位调制器的上行链路数据。实验中,上行和下行链路的信号采用两组数据不相关的2.5GHz中心625 MSym/s的QPSK,经过25km传输后信号达到无错传输标准的接收功率为-21dBm。
【关键词】：上变频 矢量信号产生 相干探测 动态范围 波长再利用
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.11;TN761
【目录】：

• 摘要4-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 绪论16-46
• 1.1 光纤无线链路16-18
• 1.1.1 光纤链路简介16-17
• 1.1.2 光纤无线链路的应用简介17-18
• 1.2 光纤无线链路的主要参数和基本技术18-27
• 1.2.1 链路增益18-19
• 1.2.2 动态范围19-21
• 1.2.3 强度调制直接探测传输系统模型21-22
• 1.2.4 相干探测传输系统模型22-27
• 1.3 光纤无线链路的研究现状27-34
• 1.3.1 微波/毫米波矢量信号的产生27-31
• 1.3.2 高动态范围模拟光链路31-33
• 1.3.3 面向微小蜂窝的波长再利用33-34
• 1.4 本文的主要创新工作及内容安排34-36
• 参考文献36-46
• 第二章 基于光上变频的毫米波矢量信号产生46-68
• 2.1 研究背景46-50
• 2.1.1 矢量信号46-48
• 2.1.2 已有方案的问题48-50
• 2.2 系统结构和原理50-58
• 2.2.1 系统结构50-53
• 2.2.2 基本原理53-56
• 2.2.3 模拟结果56-58
• 2.3 实验和结果58-63
• 2.3.1 实验装置58-61
• 2.3.2 实验结果61-63
• 2.4 讨论63-65
• 2.5 本章小结65
• 参考文献65-68
• 第三章 基于Sagnac环内双向使用相位和偏振调制器的光微波矢量信号产生68-88
• 3.1 研究背景68-72
• 3.2 基本原理和系统结构72-79
• 3.2.1 系统结构72-75
• 3.2.2 基本原理75-79
• 3.3 实验和结果79-84
• 3.3.1 实验装置79-81
• 3.3.2 实验结果81-84
• 3.4 讨论84-86
• 3.5 本章小结86
• 参考文献86-88
• 第四章 长距离相位调制I/Q相干解调光链路88-108
• 4.1 研究背景88-90
• 4.2 基本原理和系统结构90-96
• 4.2.1 系统结构90-92
• 4.2.2 基本原理92-96
• 4.3 实验和结果96-103
• 4.3.1 实验装置96-98
• 4.3.2 实验结果98-103
• 4.4 讨论103-105
• 4.5 本章小结105-106
• 参考文献106-108
• 第五章 基于相位调制相干I/Q解调的光载无线系统波长再利用技术108-120
• 5.1 研究背景108-110
• 5.2 基本原理和系统结构110-113
• 5.2.1 系统结构110-112
• 5.2.2 基本原理112-113
• 5.3 实验和结果113-117
• 5.3.1 实验装置113-116
• 5.3.2 实验结果116-117
• 5.4 本章小结117-118
• 参考文献118-120
• 第六章 总结和展望120-124
• 攻读硕士期间发表论文124-125
• 致谢125-127

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本文编号：986440