光载无线系统中的线性化技术

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。

1 光载无线系统的非线性特征

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均有着自有的特征。

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

1.1 电光调制中的频谱演化

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，