随着无线信号载波频率向微波频率甚至毫米波频率扩展，信号带宽向数吉赫兹甚至更高频率发展，无线信号所能覆盖的范围进一步缩小，对系统的宽带性能也提出了更高的挑战[1]。光载无线技术因其高达太赫兹量级的带宽能力，以及极低的光传输损耗，近十年来被广泛地研究用于微波以及毫米波频段高频宽带信号的传输与处理。此外，微波与毫米波信号的光子学产生、调制、传输以及探测技术不仅被研究用于无线通信领域，还包括其他诸如仪器、雷达、传感、深空探测等领域[2]。
在常见的光载无线系统中，马赫-曾德尔调制器(MZM)被广泛地用于将微波、毫米波信号调制到光载波上，承载了无线信号的光波在光纤中进行分配传输，接收端采用直接强度探测的方式探测光强从而获得微波、毫米波电信号[3]。然而由于调制器固有的非线性特性，在电光调制的过程中对微波、毫米波信号产生了非线性失真，这将影响到整个光载无线(ROF)系统的无杂散动态范围(SFDR)。随着无线信号调制格式的复杂化和信号带宽的增加，对系统线性度的要求越来越高。对于ROF应用而言，其无杂散动态范围至少需要大约95 dB∙Hz2/3甚至更高[4]。随着频率的升高，需要采用合适的高线性化ROF系统。
对于信号而言，非线性所带来的直接影响，在频谱上表现为由原来的频率分量产生出新的频率分量，这些新生的频率分量分别是原来各个频率及其倍频项之间的差与和的组合，包括谐波频率失真(倍频项)以及交叉调制失真(差项与和项)。而在这诸多失真频率中，以2阶交调失真(IMD2)和3阶交调失真(IMD3)对非线性的贡献最大。在微波、毫米波系统中，通常信号的带宽远小于载波频率，此时IMD2通常在倍频程以外，可直接使用带通滤波器滤除，从而IMD3的大小成为影响信号质量的决定性因素。非线性的补偿策略则以抑制系统的IMD3为主。
近十几年来，许多单位和组织一直在关注如何抑制电光调制器的IMD3以提高光载无线系统的动态范围，已经发表了许多研究成果。例如文献[5]中采用双平行的马赫-曾德尔调制器(DPMZM)；文献[6]中采用双电极的MZM，通过抑制部分非线性光频率来减轻探测到的电信号的IMD3。但这两种方法只消除了部分IMD3，对线性度的改善能力有限。文献[7]中采用了偏振独立的MZM；文献[8]中使用带偏振控制的混合偏振的双电极MZM，通过在两个偏振态下产生的非线性分量在光强探测时互相抵消来达到抑制非线性的效果。
本文基于光载无线系统的非线性特征，在光谱中构造IMD3的两个不同来源，采用光载波相位偏移技术[9]以及光边带处理技术[10]来提高光载无线系统的动态范围。
在采用强度调制-直接探测的光载无线系统中，电光调制以及光强检测都属于非线性过程。两者的非线性对信号波形的影响有着自有的特征。
典型的MZM调制器如图1所示。随着调制器偏置电压的增加，调制器输出光信号的功率具有正弦曲线的变化规律，然而这一规律曲线实际上同时统合了电光调制以及光强检测两个过程。在不考虑光电探测器响应度非线性的情况下，要在光链路中对系统非线性采用模拟的办法进行处理，就需要把电光与光电两个过程对非线性的影响剥离研究，本文将分别介绍这两个过程的频谱演化特征。
图1 典型MZM的调制曲线
把一个微波、毫米波信号看作一个具有某种确定关系的频率集合。在电光调制的过程中，由于非线性的影响，这个集合中的频率将和光载波频率相互排列组合，产生出新的频率。以一个具有很小频率间隔的双音信号(角频率分别为Ω1和Ω2)为例，输入光载波角频率为ωc，对MZM调制器的研究表明，其非线性所产生的频谱(光谱)演化(如图2所示)具有如下特征：
(1)微波、毫米波频率将被搬移至以光载波为中心频率的频率带。
(2)调制器产生5个较为显著的光谱边带，并以光载波为中心对称分布。分别为一个0阶边带，两个1阶边带和两个2阶边带。通常研究中所用的电光调制只考虑了中间的3个边带：0阶边带和两个1阶边带。
(3)每个边带中都包含非线性频率分量。其中0阶边带包含光载波，偶数阶交调失真分量；1阶边带包含信号基频以及奇数阶交调失真分量；2阶边带包含偶数阶交调失真分量。
新产生的非线性失真频率与信号基频的幅度与相位之间，除了满足微波毫米波信号自身的频率关系以外，同时也满足三角函数的贝塞尔展开，各频率的相对相位与幅度之间具有确定的相对关系。
在众多的基频以及交调失真频率分量中，对信号质量起主要作用的，是0阶边带中的光载波和2阶交调失真，1阶边带中的基频和3阶交调失真，以及2阶边带中的2阶交调失真。
MZM：马赫-曾德尔调制器
图2 电光调制中的频谱演化
由于光电探测器为强度探测，满足平方律检波的关系，这种非线性过程将对上述畸变信号的光谱进一步产生作用，所有的光谱频率在光电探测中发生第二次重组，各频率间互相差拍，进行重新的排列组合，产生出包括信号频率在内的新频率，其频谱演化(如图3所示)具有如下特征：
IMD3：3阶交调失真
图3 光电探测中的频谱演化
(1)光谱中各个频率做差拍，产生出以微波、毫米波为中心频率的信号频带。
(2)原光谱中的0阶边带与1阶边带差拍，产生出一份以微波、毫米波为中心频率的信号带(如图3中蓝色虚线标示)，带中包含基频分量和高阶交调分量，其中2阶交调失真分布在带外，一般不重点考虑，本文只考虑3阶交调失真。
(3)原光谱中的1阶边带与2阶边带差拍，产生出另一份以微波、毫米波为中心频率的信号带(如图3中红色虚线标示)，其所包含的频率与特征(2)中产生的频率相同，但是在相对相位与幅度上不同。总体上这一份信号比特征(2)中产生的信号功率要低。
(4)两份信号相加成为最终所探测到的电信号。
综合以上特征，由于经过光载无线系统的电信号的非线性频率来源于光谱中的多个频率之间的相互差拍，寻找出合适的两对差拍源，并分别进行控制，就可实现IMD3的抑制。在只考虑0阶边带和1阶边带的情况下，采用载波相位偏移技术可方便的实现光载无线系统的IMD3抑制，实现其高线性化。而在频带宽裕的情况下，综合考虑上述5个边带，采用可编程的光边带处理技术，可实现多通道、可编程控制的高线性化光载无线系统。
在以上分析中，当不考虑2阶光谱边带，只考虑0阶边带和1阶边带时，光强检测过程中的特征(3)和特征(4)将不再具备。在此情况下，只有0阶边带和对称的两个1阶边带，重新考量光电探测过程的光谱演化，可找到IMD3的两个不同来源，其具备新的特点：
(1)0阶边带的光载波频率与1阶边带的3阶频率分量差拍产生一份IMD3。
(2)0阶边带的2阶频率分量与1阶边带的基频分量差拍产生另一份IMD3。
(3)这两份IMD3相加，构成了最终探测到的IMD3。
通过控制此特征(1)和特征(2)两份IMD3的相对相位，可以实现这两份IMD3相互抵消，从而实现高线性化的光载无线系统。从特征(1)可知，改变0阶边带的光载波频率的相位，即可实现其中一份IMD3的相位改变，当光载波相位偏移至使IMD3反相时，两份IMD3相互抵消。
载波相位偏移技术装置如图4所示。采用单信号驱动的双平行马赫-曾德尔调制器(SD-DPMZM)可实现载波相位偏移技术。通过三维偏置点调节，可在0到360度范围内旋转光载波频率的相位。优化其相位偏移参数，使得IMD3最小，可达到消除非线性的目的。
EDFA：掺铒光纤放大器
ESA：电频谱仪
PD：光电探测器
RF：射频信号
SD-DPMZM：单信号驱动的双平行马赫-曾德尔调制器
图4 载波相位偏移技术装置
CIR：载波干扰比
DPMZM：双平行马赫-曾德尔调制器
FOH：基频谐波
IMD3：3阶交调失真
SFDR：无杂散动态范围
(a)载波相位偏移后的载波干扰比
(b)载波相位偏移前的载波干扰比
(c)系统无杂散动态范围性能
图5 采用光载波相位偏移技术系统的载波干扰比性能和实际测量的系统SFDR性能
图5(a)、图5(b)所示为系统的载波干扰比(CIR)性能。采用载波相位偏移技术，调制器半波电压为5 V，输入微波信号功率为15 dBm，系统的载波干扰比从原来的15 dBc提高至60 dBc，获得了35 dB的非线性抑制。图5(c)所示为实际测量的系统无杂散动态范围(SFDR)性能。在-161 dBm/Hz的理论噪底下，光载无线系统的无杂散动态范围从原来的99.3 dB∙Hz2/3提高至补偿后的122.9 dB∙Hz2/3，获得了超过23 dB的动态范围增益。
光载波相位偏移技术采用了一种新型结构的调制器来实现光载无线系统的高线性化，其分析模型简化了频谱构成，实现结构简单。在该模型的基础上，进一步研究整个频谱，同时提出了另一种独立于调制器的非线性补偿技术——光边带处理技术。
前面介绍的电光-光电变换过程中的频谱演化机制，在光电检测过程中，产生了两份信号，最终相加成为实际探测信号。每一份信号都同时包含了基频频率分量和高阶交调失真分量(文中只考虑IMD3)。这两份信号分别由0阶边带和1阶边带，1阶边带和2阶边带产生。且这两份信号的功率存在差异：0阶边带与1阶边带产生的信号功率大于1阶边带与2阶边带产生的信号功率。其中1阶边带为两份信号的公共来源，从而通过独立处理0阶边带和2阶边带，可实现两份信号的分别控制。因此，无论这两份信号的相对关系如何，只要能确定其关系，便总存在一种控制方法，使得这两份信号中的IMD3分量大小相等，符号相反，从而在相加的过程中相互抵消。通过独立控制0阶边带的幅度，以及2阶边带的相位，可实现所需的非线性补偿功能。
图6所示为光边带处理器的结构框图。光边带处理包括3个部分：光谱空间分离器，空间光幅相调制器，光谱空间合成器。由光谱空间分离器将光信号光谱在空间上进行分离，不同的波长辐射到不同的空间分布位置；空间光幅相调制器对空间中不同位置的光进行独立的幅度和相位改变，实现对信号频谱的处理；经过处理的空间光信号经由光谱空间合成器合成为光信号并经由光纤传输。
图6 光边带处理器框图
EDFA：掺铒光纤放大器
ESA：电频谱仪
PD：光电探测器
RF：射频
MZM：马赫-曾德尔调制器
图7 光边带处理技术装置图
采用光边带处理技术的系统结构如图7所示。光边带处理器放置在普通MZM调制器后端实现后补偿。该技术具有多通道、可编程控制能力，同时对原始光路不造成破坏。图8所示为系统的CIR和SFDR性能。调制器半波电压为5 V，在8 dBm的输入微波功率下，载波干扰比从原来的39 dBc提高至75 dBc，获得了36 dB的非线性抑制；在-161 dBm/Hz的理论噪底下，系统的无杂散动态范围从原来的99.8 dB∙Hz2/3提高至124.8 dB∙Hz2/3，获得了超过25 dB的动态范围增益，与光载波相位偏移技术获得同等的非线性补偿效果。
IMD3：3阶交调失真
(a)边带处理前的载波干扰比
(b)边带处理后的载波干扰比
(c)系统无杂散动态范围性能
图8 采用光边带处理技术系统的载波干扰比性能和SFDR性能
光载无线技术已作为一种微波、毫米波信号远端传输和处理的技术得到了广泛的研究。在无线和光纤技术的双驱动下，光载无线技术已成为未来融合两者优势的非常有潜力的技术之一。光载无线系统的重要考虑指标之一为其动态范围，提高光载无线系统线性度的技术应运而生。我们对光载无线系统的非线性过程进行了深入研究，从调制器的结构以及与调制器独立的后补偿两个方面提出光载波相位偏移技术和光边带处理技术，两种技术均可大幅提高现有光载无线系统的动态范围，减小非线性失真对系统性能的影响。
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收稿日期：2012-07-05
作者简介
张国强，清华大学电子工程系在读博士研究生；主要研究领域为光载微波毫米波信号的光谱处理技术；先后参与基金项目3项；已发表被SCI/EI检索论文3篇。
李尚远，清华大学电子工程系博士后；主要研究领域为光载无线系统的关键技术研究；先后参与基金项目等8项；已发表被SCI/EI检索论文10余篇。
郑小平，清华大学电子工程系教授、博士生导师；长期致力全光通信网络与微波光子学的研究，先后负责、参与基金项目20余项；获省部科技进步二等奖2项，三等奖2项，获国家发明专利16项；已发表论文100余篇。
