2019年10月JLT光通信论文评析
发布时间：2019-11-18 15:11:23 热度：1968
光纤在线特邀编辑：邵宇丰，王安蓉，龙颖，胡钦政，王壮，杨杰
2019年10月出版的JLT主要刊登了以下方向的一些文章，包括：信号发生器，光纤传感技术，光纤通信系统，室内光无线通信系统以及可见光通信技术等，笔者将逐一评析。
1. 信号发生器
西安电子科技大学的Weile Zhai等科研人员设计了一种具有可调倍频因子的新型双频多相编码微波信号发生器，该信号发生器由一个双极化正交相移键控（DP-QPSK）调制器、一个极化调制器（PolM）以及一个平衡检测器组成。工作原理是：在适当调整DP-QPSK调制器的偏置电压后，该系统会生成一个双边带信号（其中一个边带沿偏振膜的X偏振方向，另一个边带沿偏振膜的Y偏振方向）；然后在PolM中利用相位编码微波信号对光信号进行调制；调制之后的信号在经过光电平衡检测之后，就可以得到倍频系数分别为1、2和4的多相编码微波信号，还可以同时产生两个不同载波频率的相位编码微波信号，因此该系统在双频雷达中具有潜在的应用价值。实验结果表明，使用该系统可以生成具有5.5、11和22 GHz载波频率的二进制或四相编码信号[1]。
图1 具有可调倍频系数的光子双频多相编码微波信号发生器的系统
2. 光纤传感技术
以往的研究结果证明，利用游标效应可以有效增强光纤传感器的灵敏度，但在目前的实际应用中还面临着许多困难：系统结构复杂、精确的制造工艺以及昂贵的材料等。吉林大学的Jun Deng等科研人员利用游标效应，并基于两个级联的法布里-珀罗干涉仪设计了一种具有高灵敏度的光纤应变传感器。在该传感器内部的两个干涉仪中，一个干涉仪实施传感应用，另一个干涉仪则用于参考信号的生成。它们由两对通过飞秒激光脉冲照明的光纤内反射镜构成，可以在纤芯中感应出折射率的变化。值得注意的是，这两个干涉仪必须保持独立运行。该系统易于制造，可以通过3D微加工平台精确控制空腔的长度；由于该设备基于光纤的内部结构，因此还具有良好的鲁棒性。实验结果表明，该传感器的应变灵敏度可以达到28.11 pm/με，温度灵敏度可达到278.48 pm/°C[2]。
图2 （a）制作装置 （b）显微镜图像
3. 光纤通信系统
日本东洋电机株式会社的Abdelmoula Bekkali等科研人员设计了一种具有自适应频率传输分集的宽带中频光纤（IFoF）系统，可应用于下一代移动前传技术（MFH）中。科研人员首先利用双并行Mach-Zehnder调制器（DPMZM）、探测信号和高斯过程回归技术得到精确的系统频率响应，然后再利用所获得的系统频率响应对DPMZM端口的中频（IF）信道进行灵活分配，以减轻由色散引起的功率衰减所带来的影响。为评估系统性能，科研人员采用不同接收光功率和不同数量（数量分别为6、12、14、15和16）的IF信道（带宽为1.2 GHz）对系统进行实验。研究结果表明，在20 km 的标准单模光纤下，通用公共无线接口（CPRI）等效数据速率可达到近1.18 Tbps。而且，采用更高带宽的射频（RF）信道或光学设备可以更大程度地提升系统性能，带宽容量可以达到1.2 Tbps以上。因此，科研人员设计的该IFoF系统可以满足5G网络等高容量通信的需求[3]。
图3 针对大容量MFH设计的宽带IFoF体系结构
4. 室内光无线通信系统
为了减少室内光无线通信（OWC）链路中光束衰减的影响，墨尔本大学的Tingting Song等科研人员对基于2×1多输入单输出（MISO）的OWC发射机分集技术进行了研究，系统地比较了重复编码（RC）和Alamouti空时编码（STBC）这两个方案的性能。在实验中科研人员利用不同的光传输功率来模拟不同程度的光束衰减，对两种方案的误码率（BER）性能进行比较。另外，科研人员还对RC和STBC方案在两个光信道路径（一个比特间隔内）引起的光延迟性能进行了实验（两者均采用OOK调制）。实验结果表明，相比于STBC方案，RC方案的BER性能更优，且具有更低的光延迟[4]。
图4 系统实验装置
5. 可见光通信技术
在可见光通信（VLC）中，LED的非线性特性是限制系统传输性能的一个主要因素，华南师范大学的Guowu Zhang等科研人员通过研究发现，VLC系统中的非线性均衡可视为稀疏恢复问题。他们分别采用了三种不同的贪婪稀疏恢复算法来构建VLC系统中的稀疏感知非线性均衡器，即匹配追踪（MP）算法、正交匹配追踪（OMP）算法和正则化正交匹配追踪（ROMP）算法。采用这些算法可以大幅减少非线性均衡器中的内核数量，实现高性能低复杂度的非线性均衡。在基于RGB-LED和正交频分复用（OFDM）调制技术的VLC系统中，科研人员对稀疏感知非线性均衡器的性能进行了研究。实验结果表明，采用贪婪稀疏恢复算法，在信噪比损失为0.5 dB的情况下非线性均衡器内核数可减少32.5%至62.5%。因此，在OFDM-VLC系统中采用基于ROMP的非线性均衡器配置可以降低系统的复杂性，只需一半内核数量就可达到采用传统Volterra时域非线性均衡器相同的系统性能[5]。
图5 具有不同信道均衡器的OFDM调制VLC系统的实验装置
参考文献：
[1]. Weile Zhai, Aijun Wen. “Photonic Generation of a Dual-Band Polyphase-Coded Microwave
Signal With a Tunable Frequency Multiplication Factor”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37,
no. 19, pp. 4911–4920, October 1, 2019.
[2]. Jun Deng, D. N. Wang, “Preserving Nearly Diffraction-Limited Beam Quality Over Several
Hundred Meters of Transmission Through Highly Multimode Fibers”[J], IEEE J. Lightw.
Technol., vol. 37, no. 19, pp. 4935–4939, October 1, 2019.
[3]. Abdelmoula Bekkali, Shota Ishimura, “Multi-IF-Over-Fiber System With Adaptive
Frequency Transmit Diversity for High Capacity Mobile Fronthaul”[J], IEEE J. Lightw.
Technol., vol. 37, no. 19, pp. 4957–4966, October 1, 2019.
[4]. Tingting Song, Ampalavanapillai Nirmalathas, “Performance Analysis of Repetition-Coding
and Space-Time-Block-Coding as Transmitter Diversity Schemes for Indoor Optical Wireless
Communications”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 18, pp. 5170–5177, October 15, 2019.
[5]. Guowu Zhang, Xiaojian Hong, “Sparsity-Aware Nonlinear Equalization With Greedy
Algorithms for LED-Based Visible Light Communication Systems”[J], IEEE J. Lightw.
Technol., vol. 37, no. 18, pp. 5273–5281, October15, 2019.
2019年10月出版的JLT主要刊登了以下方向的一些文章，包括：信号发生器，光纤传感技术，光纤通信系统，室内光无线通信系统以及可见光通信技术等，笔者将逐一评析。
1. 信号发生器
西安电子科技大学的Weile Zhai等科研人员设计了一种具有可调倍频因子的新型双频多相编码微波信号发生器，该信号发生器由一个双极化正交相移键控（DP-QPSK）调制器、一个极化调制器（PolM）以及一个平衡检测器组成。工作原理是：在适当调整DP-QPSK调制器的偏置电压后，该系统会生成一个双边带信号（其中一个边带沿偏振膜的X偏振方向，另一个边带沿偏振膜的Y偏振方向）；然后在PolM中利用相位编码微波信号对光信号进行调制；调制之后的信号在经过光电平衡检测之后，就可以得到倍频系数分别为1、2和4的多相编码微波信号，还可以同时产生两个不同载波频率的相位编码微波信号，因此该系统在双频雷达中具有潜在的应用价值。实验结果表明，使用该系统可以生成具有5.5、11和22 GHz载波频率的二进制或四相编码信号[1]。
图1 具有可调倍频系数的光子双频多相编码微波信号发生器的系统
2. 光纤传感技术
以往的研究结果证明，利用游标效应可以有效增强光纤传感器的灵敏度，但在目前的实际应用中还面临着许多困难：系统结构复杂、精确的制造工艺以及昂贵的材料等。吉林大学的Jun Deng等科研人员利用游标效应，并基于两个级联的法布里-珀罗干涉仪设计了一种具有高灵敏度的光纤应变传感器。在该传感器内部的两个干涉仪中，一个干涉仪实施传感应用，另一个干涉仪则用于参考信号的生成。它们由两对通过飞秒激光脉冲照明的光纤内反射镜构成，可以在纤芯中感应出折射率的变化。值得注意的是，这两个干涉仪必须保持独立运行。该系统易于制造，可以通过3D微加工平台精确控制空腔的长度；由于该设备基于光纤的内部结构，因此还具有良好的鲁棒性。实验结果表明，该传感器的应变灵敏度可以达到28.11 pm/με，温度灵敏度可达到278.48 pm/°C[2]。
3. 光纤通信系统
日本东洋电机株式会社的Abdelmoula Bekkali等科研人员设计了一种具有自适应频率传输分集的宽带中频光纤（IFoF）系统，可应用于下一代移动前传技术（MFH）中。科研人员首先利用双并行Mach-Zehnder调制器（DPMZM）、探测信号和高斯过程回归技术得到精确的系统频率响应，然后再利用所获得的系统频率响应对DPMZM端口的中频（IF）信道进行灵活分配，以减轻由色散引起的功率衰减所带来的影响。为评估系统性能，科研人员采用不同接收光功率和不同数量（数量分别为6、12、14、15和16）的IF信道（带宽为1.2 GHz）对系统进行实验。研究结果表明，在20 km 的标准单模光纤下，通用公共无线接口（CPRI）等效数据速率可达到近1.18 Tbps。而且，采用更高带宽的射频（RF）信道或光学设备可以更大程度地提升系统性能，带宽容量可以达到1.2 Tbps以上。因此，科研人员设计的该IFoF系统可以满足5G网络等高容量通信的需求[3]。
4. 室内光无线通信系统
为了减少室内光无线通信（OWC）链路中光束衰减的影响，墨尔本大学的Tingting Song等科研人员对基于2×1多输入单输出（MISO）的OWC发射机分集技术进行了研究，系统地比较了重复编码（RC）和Alamouti空时编码（STBC）这两个方案的性能。在实验中科研人员利用不同的光传输功率来模拟不同程度的光束衰减，对两种方案的误码率（BER）性能进行比较。另外，科研人员还对RC和STBC方案在两个光信道路径（一个比特间隔内）引起的光延迟性能进行了实验（两者均采用OOK调制）。实验结果表明，相比于STBC方案，RC方案的BER性能更优，且具有更低的光延迟[4]。
图4 系统实验装置
5. 可见光通信技术
在可见光通信（VLC）中，LED的非线性特性是限制系统传输性能的一个主要因素，华南师范大学的Guowu Zhang等科研人员通过研究发现，VLC系统中的非线性均衡可视为稀疏恢复问题。他们分别采用了三种不同的贪婪稀疏恢复算法来构建VLC系统中的稀疏感知非线性均衡器，即匹配追踪（MP）算法、正交匹配追踪（OMP）算法和正则化正交匹配追踪（ROMP）算法。采用这些算法可以大幅减少非线性均衡器中的内核数量，实现高性能低复杂度的非线性均衡。在基于RGB-LED和正交频分复用（OFDM）调制技术的VLC系统中，科研人员对稀疏感知非线性均衡器的性能进行了研究。实验结果表明，采用贪婪稀疏恢复算法，在信噪比损失为0.5 dB的情况下非线性均衡器内核数可减少32.5%至62.5%。因此，在OFDM-VLC系统中采用基于ROMP的非线性均衡器配置可以降低系统的复杂性，只需一半内核数量就可达到采用传统Volterra时域非线性均衡器相同的系统性能[5]。
图5 具有不同信道均衡器的OFDM调制VLC系统的实验装置
参考文献：
[1]. Weile Zhai, Aijun Wen. “Photonic Generation of a Dual-Band Polyphase-Coded Microwave
Signal With a Tunable Frequency Multiplication Factor”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37,
no. 19, pp. 4911–4920, October 1, 2019.
[2]. Jun Deng, D. N. Wang, “Preserving Nearly Diffraction-Limited Beam Quality Over Several
Hundred Meters of Transmission Through Highly Multimode Fibers”[J], IEEE J. Lightw.
Technol., vol. 37, no. 19, pp. 4935–4939, October 1, 2019.
[3]. Abdelmoula Bekkali, Shota Ishimura, “Multi-IF-Over-Fiber System With Adaptive
Frequency Transmit Diversity for High Capacity Mobile Fronthaul”[J], IEEE J. Lightw.
Technol., vol. 37, no. 19, pp. 4957–4966, October 1, 2019.
[4]. Tingting Song, Ampalavanapillai Nirmalathas, “Performance Analysis of Repetition-Coding
and Space-Time-Block-Coding as Transmitter Diversity Schemes for Indoor Optical Wireless
Communications”[J], IEEE J. Lightw. Technol., vol. 37, no. 18, pp. 5170–5177, October 15, 2019.
[5]. Guowu Zhang, Xiaojian Hong, “Sparsity-Aware Nonlinear Equalization With Greedy
Algorithms for LED-Based Visible Light Communication Systems”[J], IEEE J. Lightw.
Technol., vol. 37, no. 18, pp. 5273–5281, October15, 2019.
