一种基于少模光纤的远端真时延波束赋形实现方法

1.本发明涉及微波光子学领域，具体为一种通过放大自发辐射光源(以下简称ase光源)作为光载波，消除信号与模间串扰之间的相干性，避免模间干涉对于时延抖动的影响，从而实现基于少模光纤的远端真时延波束赋形方法。


背景技术：

2.波束赋形是5g移动通信中的一项关键技术，它能有效地降低无线链路中的电磁干扰，极大的提高特定方向的辐射增益。利用光学真时延实现的波束赋形器，可以避免波束斜视的问题，从而支持宽带射频信号的接入。由于这一优点，大量的本地波束赋形方案在近几年被提出。然而在5g移动通信系统中，密集而复杂的本地基站将不可避免地增加无线接入网的成本和功耗；而在中心局产生真时延信号，并通过光纤传送到远端无线单元，则可以大大简化无线基站的结构，有力地支持大规模移动网络。随着空分复用(sdm)技术的发展，弱耦合少模光纤和多芯光纤在真时延信号的传输中具备很强的竞争力。
3.在此之前，数个基于多芯光纤的远端真时延传输方案被提出，例如m.morant等人在[m.morant,et al.“multi-beamforming provided by dual-wavelength true time delay pic and multicore fiber,”j.light.technol.38,5311
–
5317(2020)]中提出的基于多芯光纤的多波束赋形器。但是，基于少模光纤的远端波束赋形方案却不易实现，一个重要的原因是模式串扰。对于短距(1km或更短)弱耦合少模光纤链路，串扰主要在模式解复用器处引入，其典型水平为-20db或更高，相比多芯光纤要高数个量级。由于串扰与信号的相干性，信号与串扰之间会发生干涉，从而严重影响了少模系统的性能。这种干涉效应被称为模间干涉。对于非多入多出(mimo-less)的强度调制直检系统，模间干涉的影响和解决方法曾被讨论，包括采用波长交织的方法抑制多径干涉[y.tian,et al.“wavelength-interleaved mdm-wdmtransmission over weakly-coupled fmf,”opt.express25,16603
–
16617(2017)]。
[0004]
在基于少模光纤的远端真时延波束赋形系统中，由各个信道输出时延拷贝信号，其相位受到模间干涉的严重影响。由于相位和时延存在转换关系，信道间的时延差也发生了剧烈的变化，从而严重影响了远端无线波束的方向稳定性，并引起波束斜视问题。在使用典型的低串扰模式复用器/解复用器时(串扰水平-20db)，存在超过23
°
的相位抖动(对应10ghz射频信号，转化为6.4ps的时延抖动)。模间干涉的影响使得基于少模光纤的远端真时延波束赋形系统难以投入应用。


技术实现要素：

[0005]
为了克服模间干涉导致的时延抖动，本发明提供一种采用ase光源作为光载波的解决方法。由于ase光源具有极短的相干时间：对于1nm量级带宽的ase光源，其相干时间在ps量级。因此通过将待传的射频信号调制在ase光源上，使少模光纤系统中各模式传输的光载射频信号与模间串扰的时延差远大于ase光源的相干时间。此时光载射频信号(即被射频
调制的ase光信号)和串扰可视为完全不相干，从而消除了模间干涉，避免了时延抖动。光载波可选择不同带宽的ase光源，满足信号和串扰不相干即可(需要说明的是，不同带宽的ase光源对光电探测后射频信号的信噪比存在影响)。两个不相干的ase信号相拍，将得到两倍ase带宽的自发辐射拍频噪底。所以，采用ase光源作为光载波时，模间干涉经光电探测后成为宽带噪底，与待传射频信号同频的干扰将不再存在，其导致的时延抖动会被消除(如果采用传统的相干光源作为光载波，模间干涉经过光电探测器探测后，得到的射频信号与待传射频信号同频，会影响待传信号的相位和时延；本发明采用ase光源作为光载波可以解决此问题)。通过信噪比分析，在使用在7％冗余的前向纠错编码时，ase光源拍频噪底导致的信噪比恶化不会影响1ghz带宽多制式射频信号的无误码传输。从而使得基于少模光纤的远端真时延波束赋形系统能够投入应用。
[0006]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007]
一种基于少模光纤的远端真时延波束赋形实现方法，其步骤包括：
[0008]
1)根据待传射频信号的信噪比需求调整ase光源的带宽，将调整后的ase光源作为光载波；
[0009]
2)将该光载波经过该待传射频信号调制后，得到光载射频信号并将其分为n路时延拷贝信号；其中第i路时延拷贝信号经模式复用器注入到少模光纤链路中的第i个模式传输至远端的模式解复用器，i＝1～n；
[0010]
3)模式解复用器对该n路时延拷贝信号解复用，并耦合至n路单模尾纤中；其中解复用的第i路时延拷贝信号输入第i路单模尾纤，第i路单模尾纤长度满足使得第i路时延拷贝信号与模间串扰之间时延差远大于ase光源的相干时间；
[0011]
4)将该n路单模尾纤输出信号通过光电探测器接收和电放大器放大后，注入天线阵的n个单元，实现远端波束赋形信号的发射。
[0012]
进一步的，使用ase光源作为基于少模光纤波束赋形系统的光源，并根据ase光源的带宽确定光源的相干长度和匹配的每一路单模尾纤长度。
[0013]
进一步的，对于带宽不大于1ghz，调制格式不高于16qam的待传射频信号，ase光源的带宽为1nm或更大，对应的相干时间为τ
ase
≤5ps、相干长度为l
ase
≤1mm。
[0014]
进一步的，该光载波经过该待传射频信号调制并放大后，通过1*n耦合器分为n路时延拷贝信号。
[0015]
进一步的，控制每一路时延拷贝信号的输出功率、时延以及色散补偿。
[0016]
进一步的，对于第i路时延拷贝信号，通过串接可调衰减器控制第i路时延拷贝信号的输出功率、通过串接可调时延线控制第i路时延拷贝信号的时延、通过串接啁啾光栅补偿少模光纤第i个模式对第i路时延拷贝信号引入的色散。
[0017]
本发明在远程真时延波束赋形系统的中心局中，使用经过窄带光滤波器滤过的ase光源作为光载波。光源带宽可根据待传射频信号的信噪比需求进行调整。信噪比需求越高，所需ase光源带宽越大。对于带宽不大于1ghz，调制格式不高于16qam的待传射频信号，ase光源带宽1nm即可满足信噪比需求，其对应的相干时间为τ
ase
＝5ps、相干长度l
ase
＝1mm标准单模光纤。窄带ase光载波经过待传射频信号调制并放大后，通过1*n耦合器分为n路时延拷贝信号。对于每一路，通过串接可调衰减器控制输出功率；串接可调时延线控制各路之间时延差；串接啁啾光栅补偿少模光纤各模式引入的色散。通过模式复用器，n路延时拷贝
信号被分别注入至弱耦合少模光纤的n个模式中，并在少模光纤链路里传输。在远端无线单元处，通过模式解复用器将n路时延拷贝信号解复用，并耦合至n路单模尾纤中。通过合理设计n路单模尾纤长度，使得在模式解复用器引入串扰处，每个模式的信号和串扰之间时延差远大于ase光源的相干时间。对于带宽为1nm的ase光源，n路单模尾纤的长度可以以dl＝10l
ase
＝1cm为间距递增呈等差数列，即可满足需求。n路输出信号通过光电探测器接收和电放大器放大后，注入天线阵的n个单元，实现远端波束赋形信号的发射。对于带宽为1nm及以上带宽的ase光源，n路单模尾纤的长度差异仅需要大于等于1cm左右即可；至于具体使用多少cm的尾纤、尾纤间距是否相等，均不会影响到系统性能。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
1.提供了一种消除模间干涉的方法，即采用ase光源作为光载波。通过使用ase光源作为光载波，模间干涉造成的相位和时延抖动得以消除，使得基于少模光纤的远端真时延波束赋形系统得以实现，从而可以在未来简化无线接入网的复杂性和部署成本。
[0020]
2.采用ase光源作为光载波大大降低了对于载波光源的需求，从而进一步降低了中心局的成本。
附图说明
[0021]
图1为本发明基于少模光纤的远端真时延波束赋形系统原理图；
[0022]
图2为本发明使用不同带宽的ase光源时，能够达到的最大信噪比；
[0023]
图3为本发明(fmf)和单模光纤背靠背(btb)的时延抖动性能对比。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图对本发明的方案进行进一步详细描述。
[0025]
本发明的方案原理如图1所示。这里的实施方案以采用lp01和lp02模式传输的两个单元波束赋形系统为例。在中心局，用光滤波器对ase光源进行窄带滤波。窄带滤波的ase光源经过光放大器放大，注入强度调制器。将待调的射频信号调制在ase光载波上，再次通过光放大器放大，并用1*2耦合器分束为第一时延拷贝信号和第二时延拷贝信号。第一时延拷贝信号通过可调光衰减器和可调光延时线后，采用模式复用器注入少模光纤的lp01模式，传输至远端；第二时延拷贝信号直接通过模式复用器注入少模光纤的lp02模式，传输至远端。这里使用少模光纤的lp01和lp02模式具有相同的色散系数。在实际的应用中，对于模式n，中心局还需追加色散率为-dnl的啁啾光栅进行补偿，这里dn为模式n的色散系数，l为少模光纤链路长度。在远端无线单元处，通过模式解复用器将第一时延拷贝信号和第二时延拷贝信号解复用，并分别通过单模尾纤注入光电探测器。光电探测后，第一时延拷贝信号和第二时延拷贝信号被电放大器放大，并通过两个单元天线阵分别发射。
[0026]
设第一时延拷贝信号在中心局的路径时延为τa，可调延时线引入的时延为τv；第二时延拷贝信号在中心局的路径时延为τb；第一时延拷贝信号、第二时延拷贝信号在少模光纤链路中引入的群时延分别为τ
01
和τ
02
；第一时延拷贝信号、第二时延拷贝信号在远端无线单元引入的路径时延分别为τc和τd，因此，两路信号的时延差为τ，有：
[0027]
τ＝(τa τv τ
01
τc)-(τb τ
02
τd).
[0028]
在解复用器处，对于第一时延拷贝信号，其串扰相比于信号的时延差为：
[0029]
(τa τv τ
01
)-(τb τ
02
)＝τ (τ
c-τd)；
[0030]
对于第二时延拷贝信号，其串扰相比于信号的时延差为：
[0031]
(τb τ
02
)-(τa τv τ
01
)＝-τ-(τ
c-τd).
[0032]
通过合理设计两单元在远端无线单元的单模尾纤长度，使得τ (τ
c-τd)＞＞τ
ase
，这里τ
ase
为ase光源的相干时间。例如对于1nm的ase光源，其相干时间约为5ps，因此两单元在远端的尾纤长度差只需要在1cm(对应τ
c-τd＝50ps)水平，即可使得信号和串扰不相干。本实施方案中，两单元在远端的尾纤长度差为20cm。对于n路系统，远端各单元的尾纤长度可按照等差数列排列，两两相差10τ
ase
，即可满足各路信号与串扰不相干。
[0033]
使用ase光源作为光载波后，由于ase自拍噪声的影响，接收射频信号的信噪比会有所下降。可以通过增大ase光源的带宽，减少信噪比的恶化。这是由于对于相同功率的光载波，ase光源带宽越宽，ase拍频噪声的功率谱密度越小，单位带宽的噪底越低。如图2所示，本发明给出了不同ase光源带宽对应的最大信噪比，这里调制的射频信号带宽取1ghz。对于1nm带宽的ase光源，其信噪比大于15db，在使用7％冗余的前向纠错编码后，可支持1ghz带宽ook，qpsk，16qam信号的无误码传输；对于5nm带宽的ase光源，其信噪比大于20db，在使用7％冗余的前向纠错编码后，可支持1ghz带宽64qam信号的无误码传输[r.a.shafik,et al.“on the extended relationships among evm,ber and snr as performance metrics,”in 2006international conferenceon electricaland computer engineering,(2006),pp.408
–
411]。
[0034]
如图3所示，本发明给出了采用ase光源作为光载波的基于少模光纤远端波束赋形系统(fmf)和单模光纤背靠背系统(btb)的时延抖动性能对比。这里本发明采用ase光源的带宽为1nm，调制的射频信号为9.2ghz的单音信号；通过示波器采集远端输出射频第一时延拷贝信号和第二时延拷贝信号的波形，可得到第一时延拷贝信号、第二时延拷贝信号之间时延差的标准差。这里分别在时延差为0和
±
27.15ps(对应相位差为0
°
和)的三个场景进行测试。测试时使用了示波器的直接采样模式和16次平均采样模式。使用后者的原因是避免热噪声、散粒噪声以及示波器的量化噪声的影响。图3表明，本发明的时延抖动性能和单模光纤背靠背系统(btb)的时延抖动性能完全相当，无明显恶化。在直接采样模式下，二者的时延抖动均在0.7ps左右；在16次平均采样模式，二者的时延抖动均在0.2ps左右。因此，本发明通过采用ase光源作为光载波，解决了少模光纤中模间干涉造成的时延抖动问题，使得基于少模光纤的远端真时延波束赋形系统得以实现。
[0035]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。