2022年10月JLT光通信论文评析
发布时间：2022-11-21 10:22:54 热度：1534
11/21/2022，光纤在线讯，光纤在线特邀编辑，邵宇丰，王安蓉，袁杰，左仁杰，刘栓凡，李彦霖，陈鹏，李冲，李文臣，陈超，柳海楠，杨林婕，胡文光。
2022年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤无线通信，任意波形生成，微波光子学，光学滤波，可见光通信等。笔者将逐一评析。
1、光纤无线通信
西班牙卡洛斯大学的Rubén Altuna等研究人员设计了应用不同带宽5G新空口（5G NR）基带信号的模拟光纤无线通信（AROF）系统，如图1所示。他们分析了光纤功率（PoF）引起的色散（CD）、非线性效应以及高功率激光器（HPL）不稳定性等负面效应对信号传输的影响。研究结果表明：当高功率激光器输出光功率为33dBm时，带宽10MHz和100MHz的5G NR信号在临界射频（RF）频率处的功率衰减值都小于27dB；前者由于色散影响导致的功率衰减值小于10dB；而且此时10MHz带宽的5G NR信号和17GHz载波频率的射频信号的EVM值也得到显著改善。[1]。该方案的设计为未来光纤无线通信系统的发展提供了候选方案。
国立中山大学的Chia-Chien Wei等研究人员设计了具有多输入多输出沃尔泰拉滤波（MIMO-Volterra）功能的3×3 60GHz正交频分复用光纤无线通信（OFDM-ROF）系统，如图2所示。考虑到信号在长距离无线传输时较大衰减将影响传输性能，研究人员采用MIMO Volterra滤波来减少射频（RF）功率放大器引起的非线性失真负面影响，并同时克服信道间干扰影响。研究结果表明，当数据传输速率为90 Gbps (或100 Gbps) 时，采用MIMO Volterra滤波能将最大无线传输距离从74 m (或40 m)提升至118 m (或70 m)[2]。因此，该方案的提出将为光纤无线通信系统延申信号传输距离提供有价值的设计参考。
2、任意波形生成
日本大阪大学的Konishi等研究人员设计了光子辅助型任意波形生成方案，如图3所示；他们采用非对称时域光脉冲整形生成了任意射频信号波形，并采用正弦信号和OFDM-QPSK信号进行了实验验证[3]。上述方案能应用于超5G（beyond 5G）上行链路中，支持传输信号频率从MHz提升至数十GHz，并可保持传统低频电子技术中高有效比特位数（ENOB）。研究结果表明：在50GHz下可实现的有效比特位数超过12位；实现高有效比特位数的关键是减少色散器件中的插入损耗，并需要在低频区域补偿电光调制器件的非线性。因此，上述方案在后5G时代有望应用于上行链路大数据传输系统中。
3、微波光子学
暨南大学的Yang Hu等研究人员设计了一种抑制频谱旁瓣的加窗二进制相位编码微波波形的光子生成方案，如图4所示。他们将双极化正交相移键控(DP-QPSK)载波信号与加窗编码信号输入相位调制器（PM）以产生正交极化相位调制信号，再经过偏振器与光电探测器生成二进制相位编码微波波形。实验研究结果表明：使用加窗的64位高斯伪随机双值序列编码信号生成的相位编码微波波形，其频谱旁瓣被抑制了20dB，脉冲压缩比可达133。研究结果不但证明了在双倍载波频率下生成二进制相位编码微波波形的可行性，还证明了该方案的频率可调谐性[4]。因此，上述方案有望在频率调谐范围较广的雷达系统中得以应用。
4、光学滤波
西班牙瓦伦西亚理工大学的Nazemosadat等研究人员设计了一种可重构少模光纤（FMF）型微波光子滤波器，如图5所示。他们将来自空间分集和波长分集的两类信号输入偏振分束器（PC）后，与矢量网络分析仪(VNA)生成的射频（RF）信号进行强度调制；通过模式复用器将极化后信号输入到所需模式中，再经模式解复用器将信号提取，从而构建连续可调型实时延迟线（TTDL）。研究结果表明：在应用空间分集时，当自由频谱范围为9.5-21.6Ghz时，滤波器抽头数可达5个；在应用波长分集时，当自由频谱范围为7.7-27.1Ghz时，滤波器抽头数可达10个 [5]。因此，该器件在应用相控阵天线形成光学波束、任意波形生成及整形等方面具有一定的应用价值。
5、可见光通信
英国爱丁堡大学的Hussien等研究人员在波分复用可见光通信（WDM-VLC）系统中设计了含导频辅助（PA）的直流偏置型光正交频分复用（DCO-OFDM）调制方案，如图6所示。在发射端，他们采用两片索雷博二向色滤镜将三种不同颜色的单色光耦合成一束光，经1米空间信道传输后，在接收端采用同类滤镜将三色复合光分离。研究结果表明，与传统的DCO-OFDM调制方案相比，上述方案可在降低信号峰均功率比（PAPR）后使传输速率提升约7%[6]；支持在减少限幅噪声时将发光二极管（LED）的非线性负面影响降至最低。因为该方案还能有效降低平均发光功率并增加LED的使用寿命，因此在未来波分复用可见光通信领域中具有潜在应用价值。
参考文献：
[1]R. Altuna, J. D. López-Cardona, F. M. A. Al-Zubaidi, D. S. Montero and C. Vázquez, "Power-Over-Fiber Impact and Chromatic-Induced Power Fading on 5G NR Signals in Analog RoF," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6976-6983, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3205743.
[2]C. -C. Wei, Z. -X. Xie, P. -H. Ting, Z. -W. Huang and C. -T. Lin, "3×3 MIMO 60-GHz OFDM-RoF System With Long-Distance Wireless Transmission Enabled by MIMO Volterra Filtering," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6860-6866, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3183992.
[3]T. Konishi, Y. Kaihori and M. Makino, "Photonic-Assisted Arbitrary Waveform Generation for Uplink Applications in Beyond 5G Taking Advantage of Low Frequency Technology," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6608-6615, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3186038.
[4]Y. Hu, E. H. W. Chan, X. Wang, X. Feng, B. -O. Guan and J. Yao, "Photonic Generation of a Windowed Phase-Coded Microwave Waveform With Suppressed Spectrum Sidelobes," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6813-6822, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3168065.
[5]E. Nazemosadat and I. Gasulla, "Reconfigurable Few-Mode Fiber-Based Microwave Photonic Filter," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 19, pp. 6417-6422, 1 Oct.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3197403.
[6]Alrakah, Hussien Theeb, et al. "PAPR Reduction in DCO-OFDM Based WDM VLC." Journal of Lightwave Technology 40.19 (2022): 6359-6365.
2022年10月出版的JLT主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纤无线通信，任意波形生成，微波光子学，光学滤波，可见光通信等。笔者将逐一评析。
1、光纤无线通信
西班牙卡洛斯大学的Rubén Altuna等研究人员设计了应用不同带宽5G新空口（5G NR）基带信号的模拟光纤无线通信（AROF）系统，如图1所示。他们分析了光纤功率（PoF）引起的色散（CD）、非线性效应以及高功率激光器（HPL）不稳定性等负面效应对信号传输的影响。研究结果表明：当高功率激光器输出光功率为33dBm时，带宽10MHz和100MHz的5G NR信号在临界射频（RF）频率处的功率衰减值都小于27dB；前者由于色散影响导致的功率衰减值小于10dB；而且此时10MHz带宽的5G NR信号和17GHz载波频率的射频信号的EVM值也得到显著改善。[1]。该方案的设计为未来光纤无线通信系统的发展提供了候选方案。
国立中山大学的Chia-Chien Wei等研究人员设计了具有多输入多输出沃尔泰拉滤波（MIMO-Volterra）功能的3×3 60GHz正交频分复用光纤无线通信（OFDM-ROF）系统，如图2所示。考虑到信号在长距离无线传输时较大衰减将影响传输性能，研究人员采用MIMO Volterra滤波来减少射频（RF）功率放大器引起的非线性失真负面影响，并同时克服信道间干扰影响。研究结果表明，当数据传输速率为90 Gbps (或100 Gbps) 时，采用MIMO Volterra滤波能将最大无线传输距离从74 m (或40 m)提升至118 m (或70 m)[2]。因此，该方案的提出将为光纤无线通信系统延申信号传输距离提供有价值的设计参考。
2、任意波形生成
日本大阪大学的Konishi等研究人员设计了光子辅助型任意波形生成方案，如图3所示；他们采用非对称时域光脉冲整形生成了任意射频信号波形，并采用正弦信号和OFDM-QPSK信号进行了实验验证[3]。上述方案能应用于超5G（beyond 5G）上行链路中，支持传输信号频率从MHz提升至数十GHz，并可保持传统低频电子技术中高有效比特位数（ENOB）。研究结果表明：在50GHz下可实现的有效比特位数超过12位；实现高有效比特位数的关键是减少色散器件中的插入损耗，并需要在低频区域补偿电光调制器件的非线性。因此，上述方案在后5G时代有望应用于上行链路大数据传输系统中。
3、微波光子学
暨南大学的Yang Hu等研究人员设计了一种抑制频谱旁瓣的加窗二进制相位编码微波波形的光子生成方案，如图4所示。他们将双极化正交相移键控(DP-QPSK)载波信号与加窗编码信号输入相位调制器（PM）以产生正交极化相位调制信号，再经过偏振器与光电探测器生成二进制相位编码微波波形。实验研究结果表明：使用加窗的64位高斯伪随机双值序列编码信号生成的相位编码微波波形，其频谱旁瓣被抑制了20dB，脉冲压缩比可达133。研究结果不但证明了在双倍载波频率下生成二进制相位编码微波波形的可行性，还证明了该方案的频率可调谐性[4]。因此，上述方案有望在频率调谐范围较广的雷达系统中得以应用。
4、光学滤波
西班牙瓦伦西亚理工大学的Nazemosadat等研究人员设计了一种可重构少模光纤（FMF）型微波光子滤波器，如图5所示。他们将来自空间分集和波长分集的两类信号输入偏振分束器（PC）后，与矢量网络分析仪(VNA)生成的射频（RF）信号进行强度调制；通过模式复用器将极化后信号输入到所需模式中，再经模式解复用器将信号提取，从而构建连续可调型实时延迟线（TTDL）。研究结果表明：在应用空间分集时，当自由频谱范围为9.5-21.6Ghz时，滤波器抽头数可达5个；在应用波长分集时，当自由频谱范围为7.7-27.1Ghz时，滤波器抽头数可达10个 [5]。因此，该器件在应用相控阵天线形成光学波束、任意波形生成及整形等方面具有一定的应用价值。
5、可见光通信
英国爱丁堡大学的Hussien等研究人员在波分复用可见光通信（WDM-VLC）系统中设计了含导频辅助（PA）的直流偏置型光正交频分复用（DCO-OFDM）调制方案，如图6所示。在发射端，他们采用两片索雷博二向色滤镜将三种不同颜色的单色光耦合成一束光，经1米空间信道传输后，在接收端采用同类滤镜将三色复合光分离。研究结果表明，与传统的DCO-OFDM调制方案相比，上述方案可在降低信号峰均功率比（PAPR）后使传输速率提升约7%[6]；支持在减少限幅噪声时将发光二极管（LED）的非线性负面影响降至最低。因为该方案还能有效降低平均发光功率并增加LED的使用寿命，因此在未来波分复用可见光通信领域中具有潜在应用价值。
参考文献：
[1]R. Altuna, J. D. López-Cardona, F. M. A. Al-Zubaidi, D. S. Montero and C. Vázquez, "Power-Over-Fiber Impact and Chromatic-Induced Power Fading on 5G NR Signals in Analog RoF," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6976-6983, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3205743.
[2]C. -C. Wei, Z. -X. Xie, P. -H. Ting, Z. -W. Huang and C. -T. Lin, "3×3 MIMO 60-GHz OFDM-RoF System With Long-Distance Wireless Transmission Enabled by MIMO Volterra Filtering," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6860-6866, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3183992.
[3]T. Konishi, Y. Kaihori and M. Makino, "Photonic-Assisted Arbitrary Waveform Generation for Uplink Applications in Beyond 5G Taking Advantage of Low Frequency Technology," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6608-6615, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3186038.
[4]Y. Hu, E. H. W. Chan, X. Wang, X. Feng, B. -O. Guan and J. Yao, "Photonic Generation of a Windowed Phase-Coded Microwave Waveform With Suppressed Spectrum Sidelobes," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 20, pp. 6813-6822, 15 Oct.15, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3168065.
[5]E. Nazemosadat and I. Gasulla, "Reconfigurable Few-Mode Fiber-Based Microwave Photonic Filter," in Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 19, pp. 6417-6422, 1 Oct.1, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3197403.
[6]Alrakah, Hussien Theeb, et al. "PAPR Reduction in DCO-OFDM Based WDM VLC." Journal of Lightwave Technology 40.19 (2022): 6359-6365.
