基于微波光子学的集中式光纤分布式数据通信与传感汇聚系统

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摘要：提出了一种面向扩展覆盖范围的微波应用的统一数据通信和传感系统，并进行了实验验证。在统一系统中，微波信号的传输和接收由微波光子学技术实现，正交频分复用（OFDM）信号同时用于通信和传感。超外差光学载波抑制（HeteroOCS）用于将中频（IF）OFDM信号上变频到中心局（CO）中的微波段。光学微波信号通过光纤传输到远程天线单元（RAU）。回波信号由RAU接收，RAU通过基于偏振调制器（PolM）的模拟光子链路远程连接到CO。在发射机和接收机链路中，光纤的色散分别由HeteroOCS和PolM克服。集中在CO中的基带单元（BBU）用于处理传感信号。

关键词：微波光子学；集中式光纤；数据通讯；传感

引言

微波光子学是对在微波频率下工作的光子器件及其在微波系统中的应用的研究，它将射频（RF）工程和光电子领域结合在一起。光子技术的优势，如大带宽、低损耗、轻重量和电子磁干扰抗扰度（EMI），为传统射频应用（包括数据通信和传感系统）带来了许多性能改进和新的有前途的解决方案。对于下一代电信技术，高速无线通信、物联网（IoT）和智能交通促使现有通信网络升级。为了实现高速无线通信，引入了微波频带，因为有更多的带宽可用。此外，在进一步的网络中设想了可访问的传感互连，以支持物联网和智能交通应用，如智能城市、机场交通和自动驾驶。由于RF信号在微波段具有高传播损耗，所以必须通过具有低损耗的光纤部署微波信号以提供有效的地理覆盖。

一、实验设置

实验示意图如图1所示。在发射机链路中，我们使用工作在1550nm的激光二极管（LD）作为光源。LD产生的光波被引导到在最小传输点偏置的MZM。MZM由频率为13.5GHz的微波信号施加，然后可以产生光载波抑制（OCS）信号。如图1所示，OCS信号可由不同的收发器（TRxs）拆分和使用，图1显示了可以在集中式系统中共享的资源。AWG生成的IF OFDM信号通过90°混合发送到DDMZM。如果DDMZM在正交点偏置，则可以生成单边带（SSB）信。如果OCS信号被引导到DDMZM，则可以生成HeteroOCS信号。

HeteroOCS信号将IF信号上变频为RF信号，这也使施加到MZM的微波信号的频率加倍。因此，可以使用诸如LO和MZM的低速光子和电子器件。RF和IF信号的频率分别为13.5GHz和1GHz。IF OFDM信号由AWG生成，AWG还生成同步触发信号以触发OSC。通过掺铒光纤放大器（EDFA）将光信号提高到3dBm，并通过2km长的光纤分配给RAU。在RAU中，光信号被引导到光检测器（PD），该光检测器具有50GHz的带宽和0.65A/W的响应度，用于光电转换。在光电转换之后，产生了一个电双边带（DSB）信号。电DSB信号的上边带和下边带的频率分别为28GHz和26GHz。因此，中心频率的偏差导致多普勒频率的偏差，并且测量误差将随着速度的增加而增大。为了减少高速场景中的测量误差，可以通过电滤波器滤除26GHz边带。由于我们在实验室中没有这样的滤波器，所以在我们的概念验证实验中忽略了上边带和下边带之间的差异。生成的电信号由两个级联放大器放大。第一放大器具有18dB的增益，第二放大器具有30dB的增益。放大的电信号由增益为19dBi的喇叭天线辐射。

位于RAU中的接收器由LD、偏振控制器（PC）、PolM、另一台PC和偏振器组成。回波信号由增益为19dBi的接收机天线接收。接收器天线连接到PolM并转换为光信号。PolM是一种特殊的相位调制器，它支持具有相反相位调制指数的TE和TM模式。通过在偏振器之前调谐PC，实现了具有可调节比率的强度调制和相位调制。该特征可以将色散链路的频率响应峰值移动到任何期望的频率，因此可以补偿色散引起的功率衰减效应。

在CO中，回波信号被PD转换回电信号，PD具有50GHz的带宽和0.65A/W的响应率。回波信号由30dB放大器放大，然后发送到混频器的RF端口。另一方面，LO信号的另一个分支被发送到电子倍频器，然后被倍频的LO信号被馈送到混频器的LO端口，以将回波信号下变频为IF信号。IF信号由34dB放大器放大，并由截止频率为3GHz的低通滤波器（LPF）进行低滤波。最后，滤波后的信号被发送到OSC以获得目标的距离和速度。OSC的采样率设置为5GHz。值得注意的是，上行链路通信信号也可以由接收机天线接收并发送到CO。由于系统中使用FDD，回波和上行链路通信信号可以容易地分离和处理。

为了获得光纤往返时间，直接连接到发射机和接收机天线的馈线。然后，触发器被分成两部分，其中一部分被发送，而另一部分触发OSC。通过测量触发信号的飞行时间（ToF），获得光纤链路的往返时间。在我们的实验设置中，测量的延迟为20.28μs。实际上，系统可以设置为两种模式，即校准模式和传输模式。在校准模式期间，无线传输被禁用，CO传输训练信号以获得光纤延迟。在传输模式下，光纤延迟被校准，并且可以获得无线延迟。

另一方面，与具有恒定幅度的FMCW信号相比，OFDM波形具有更高的峰值平均功率比（PAPR），这对链路的非线性很敏感。由于解调算法不依赖于符号，因此可以使用基于符号而非波形的PAPR降低方法。在我们的实验装置中，PTS方法用于降低PAPR。3984个符号的每个数据块被划分为V＝8个不相交的子块。每个分割的子块乘以相应的复相位因子，并通过IFFT变换到时域。相位矢量被选择为使得PAPR可以被最小化。可以观察到，PTS分割方法具有较低的PAPR概率。通过PTS方法减少了传统OFDM信号的峰值，导致了较低的PAPR。

二、实验结果

首先，我们调整偏振器之前的PC以将频率响应的峰值移动到28GHz。矢量网络分析仪测量的接收机链路的频移响应。

随后，我们在发射机天线前面放置一个金属板目标。测量了DDMZM和PolM之后放置的偏振器输出处的光谱，信号通过发射机链路的HeteroOCS调制被调制成光信号，而回波信号通过接收机链路的双边带（DSB）调制被调制。常规和PTS OFDM信号分别由AWG生成。目标的回波信号由RAU收集并传输到CO。OSC捕获用于信号处理的波形。传统OFDM信号的失真比PTS OFDM信号更严重。然后我们评估了窗口函数对距离分布的影响。旁瓣抑制从14.5dB增加到37.6dB，而主瓣的3dB带宽从0.27GHz增加到0.41GHz。由于PTS OFDM信号的PAPR降低，因此信号的失真得到缓解，从而导致距离分布中的较低噪声本底。在这两种情况下，目标的距离测量为1.69m。由于实际距离为1.88m，因此误差为0.19m。

然后在RAU前面布置两个目标。在这种情况下，仅发送PTS OFDM信号。还测量了IF信号的频谱，由于发射的信号被两个目标反射，频谱被严重失真。

在光谱中，我们可以区分两个固定目标。在应用汉宁窗之后，可以以主瓣的展宽为代价更清楚地区分两个目标。测量范围为1.64m和3.40m，而实际范围为1.82m和3.18m。因此，测量误差分别为0.18m和0.22m。

最后，我们测试了收敛系统的通信性能。在我们的实验中，图1所示的自零差接收机用于通信。空中OFDM信号由具有从18GHz到40GHz的带宽和19dBi的增益的天线接收。然后，接收信号被功率分配器分成两个分支。一个分支被延迟，两个分支连接到混频器的RF和IF端口。然后在混频器的LO端口处获得IF信号。IF信号被放大、低通滤波和数字化。自零差接收机放置在发射机天线前面，距离为1m。传统OFDM信号的失真比PTS OFDM信号更严重。为了解调IF OFDM信号，执行逆PTS以获得发送的数据。在接收机中实现最小二乘（LS）信道估计。测试了1m无线传输的误码率（BER）性能。在3.8×10?3的前向纠错（FEC）极限下，常规和PTS OFDM信号的接收机灵敏度分别为?7.9 dBm和?8.3 dBm。可以看出，在OFDM信号的PTS分割之后实现了灵敏度的提高。

三、结束语

总之，我们提出并实验演示了一种集中式光纤分布式数据通信和传感系统。在会聚系统中，OFDM信号同时用于通信和传感。我们使用HeteroOCS将IF OFDM信号上变频到微波段。HeteroOCS调制可以使微波信号的频率加倍，并克服发射机链路的色散引起的功率衰减效应。通过预延迟触发信号也克服了光纤链路的限制。此外，使用PolM来克服接收机链路的色散引起的功率衰落效应。OFDM信号的PTS分割用于降低OFDM信号的PAPR。在实验中，我们成功地检测到两个目标，并实现了1.56Gb/s的1m无线传输。我们相信所提出的系统在未来融合网络的潜在应用中具有巨大潜力。

参考文献：

[1]王子健，都聪，董玮.基于微波光子学的光载超宽带信号产生和传输技术[J/OL].半导体光电：1-5[2023-02-25].DOI：10.16818/j.issn1001-5868.2022112902.

[2]丁庆安，张丽君，李俊凯，杜刘革，郑丽，代振飞，刘慧欣，程旭东，李超凡.基于微波光子学的光纤无线电-无源光网络融合系统的研究进展[J].激光与光电子学进展，2022，59（23）：34-55.

[3]王俊嘉，房崇宝，Lawrence R Chen.硅基亚波长光栅波导在微波光子学中的应用[J].电子学报，2022，50（09）：2233-2241.