蘭子林，鄒喜華，白文林，李沛軒，李 陽(yáng)，潘 煒，閆連山，蔣靈明，陳 亮

（1. 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 611756；2. 北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

1 引言

當(dāng)前，隨著5G/6G通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)［1，2］的迅速發(fā)展，小型化、密集化的微基站和感知前端被大規(guī)模部署以提供大容量寬帶業(yè)務(wù)、泛在感知和互聯(lián)能力［3，4］. 然而，海量微基站和感知前端給其部署成本和能耗帶來(lái)了極大壓力. 光載信息能量同傳技術(shù)為新型微微基站和感知前端的部署提供了一種新的有效解決方案［5］，具有鏈路簡(jiǎn)單無(wú)源、維護(hù)方便、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)勢(shì).

光載信息能量同傳技術(shù)利用不同類(lèi)型激光器分別產(chǎn)生寬帶信號(hào)光和高功率能量激光，并通過(guò)單根光纖從中心站遠(yuǎn)距離傳送至基站. 其中，信號(hào)光通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為待傳信息；能量光通過(guò)光伏或光電探測(cè)轉(zhuǎn)換為電能，為終端有源器件提供能源.1978年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室搭建了基于光纖傳能（Power over Fiber，PoF）技術(shù)的原理樣機(jī)，為遠(yuǎn)端的聲音報(bào)警系統(tǒng)供電［6］. 隨后，該實(shí)驗(yàn)室通過(guò)PoF 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基站和遠(yuǎn)端單元之間語(yǔ)音信號(hào)的雙向傳輸［7］，但傳輸能量和通信速率都比較低.2003 年，Tetsuya 團(tuán)隊(duì)［8］利用PoF 系統(tǒng)通過(guò)基站發(fā)送了2.4 GHz 帶寬的無(wú)線(xiàn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了通信速率的提升. 2008 年，Wake 團(tuán)隊(duì)［9］通過(guò)基站部署的大功率激光器為遠(yuǎn)端單元供電，實(shí)現(xiàn)了基于IEEE 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)的64-QAM OFDM 寬帶信號(hào)傳輸，而且，該P(yáng)oF系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電功率被調(diào)節(jié)成不同電壓為多個(gè)終端供電. 2012 年，Lethien團(tuán)隊(duì)［10］將多終端供電的概念擴(kuò)展到能量自主的微微小區(qū)遠(yuǎn)端天線(xiàn)單元的光纖無(wú)線(xiàn)電（Radio over Fiber，RoF）系統(tǒng)，功率信號(hào)、射頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)被組合在一根多模光纖中，實(shí)現(xiàn)了100 m 多模光纖傳輸及5 m無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋. 此后，日本的Matsuura 團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于大功率長(zhǎng)距離PoF 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn).2015 年，該團(tuán)隊(duì)提出了使用雙包層光纖（Double-Cladding Fiber，DCF）的60 W 光纖功率饋電［11］，用于帶有光功率遠(yuǎn)程天線(xiàn)單元的光纖無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光纖傳輸距離為300 m，在接收端能夠提供10 W 的電能. 而且，該團(tuán)隊(duì)使用DCF 進(jìn)行功率信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的傳輸［12］：DCF 單模內(nèi)核用于數(shù)字信號(hào)的上行鏈路和下行鏈路的同時(shí)傳輸，DCF 多模內(nèi)包層用于對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)單元（Remote Access Unit，RAU）進(jìn)行光功率傳輸，實(shí)現(xiàn)了DCF 上的雙向RoF 傳輸，光載傳能功率為400 mW.2018 年，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)偏移發(fā)射技術(shù)［13］和中心發(fā)射技術(shù)［14］改善了多模光纖的模式色散，使用多模光纖實(shí)現(xiàn)了4 km 長(zhǎng)度的光功率饋電［15］.2019年，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出了使用雙包層光纖的150 W 光纖功率饋電系統(tǒng)［16］，實(shí)現(xiàn)了光載1 km 傳輸?shù)?.08 W 電能傳送，是目前為止最大的功率距離乘積.另外，2018 年，Umezawa 團(tuán)隊(duì)［17］設(shè)計(jì)并制造了通過(guò)多芯光纖進(jìn)行光載信息能量同傳方案測(cè)試，RoF系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了92 GHz 頻段的12 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速率. 上述方案都是通過(guò)多芯光纖、雙包層光纖和多模光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖的信能共傳. 然而，2021 年Al-Zubaidi 等人［18］使用單模光纖（Single Mode Fiber，SMF）也同樣實(shí)現(xiàn)了光纖的信能共傳，實(shí)驗(yàn)演示了經(jīng)過(guò)10 km的SMF鏈路傳輸后可為光伏電池提供870 mW的光功率.

本文設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于光纖一體化分布式鏈路的光載信息能量同傳方案，利用直調(diào)型微波光子模擬收發(fā)前端，同步實(shí)現(xiàn)了低成本的能量遠(yuǎn)程配送與高頻寬帶信號(hào)的采集傳輸. 首先，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)距離傳輸?shù)腜oF 子鏈路，實(shí)現(xiàn)了165 mW 功率的2 km 多模光纖長(zhǎng)度的能量傳送. 在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)演示了基于PoF系統(tǒng)的RoF和電磁干擾檢測(cè)子鏈路. 在RoF子鏈路中，完成了2.4 GHz 載頻、1 GHz 帶寬的16QAM-OFDM信號(hào)的2 km 單模光纖傳輸；在電磁干擾檢測(cè)子鏈路中，驗(yàn)證了對(duì)高鐵GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway）通信系統(tǒng)內(nèi)的電磁信號(hào)的遠(yuǎn)程采集與檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶內(nèi)、鄰帶和帶外等多種干擾信號(hào)的高精度檢測(cè)和識(shí)別.

2 光載信息能量同傳總體方案設(shè)計(jì)

光載信息能量同傳總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示. 在中心站，布置多組模擬微波光子前端模塊，該微波光子前端由直調(diào)激光器（Directly Modulated Lasers，DML）、光電探測(cè)器（PhotoDetector，PD）和光環(huán)形器組成，分別完成下行鏈路的電光轉(zhuǎn)換與上行鏈路的光電轉(zhuǎn)換. 每個(gè)微波光子前端模塊發(fā)射不同波長(zhǎng)的信息光載波，通過(guò)波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）復(fù)用至一根光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸. 另外，由多個(gè)高功率激光器構(gòu)成了集中式光纖饋電裝置，且利用錐形光纖耦合技術(shù)進(jìn)行激光能量耦合. 這里DML 與高功率激光器（High-Power Laser Diode，HPLD）的工作光波段分別為1 550 nm 和980 nm. 然后，信息光載波和激光能量信號(hào)通過(guò)N×1錐形光纖束耦合器將傳輸能量光（紅色）的多模光纖（MultiMode Fiber，MMF）和傳輸信息光（藍(lán)色）的SMF 進(jìn)行耦合至一體化DCF 中. 該DCF 是由單模光纖內(nèi)芯和多模光纖內(nèi)包層組成，兩者分離且獨(dú)立完成高功率能量光和信號(hào)光的傳輸［12］. 接著，通過(guò)DCF鏈路遠(yuǎn)距離傳輸至遠(yuǎn)端N個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)的微波光子前端. 在遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)處，首先通過(guò)可調(diào)光耦合器靈活分配每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)端微波光子前端所需要的光功率. 配置智能化能量反饋系統(tǒng)，根據(jù)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息量大小和所需能耗的大小，配置節(jié)點(diǎn)的能量占比. 然后，在不同的節(jié)點(diǎn)處通過(guò)光插分復(fù)用器（Optical Add Drop Multiplexer，OADM）來(lái)選擇對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的信息傳輸信道，利用1×N錐形光纖束分束器分離信息光與能量光. 光伏激光能量轉(zhuǎn)換器（Photovoltaic Power Converter，PPC）將大功率能量光轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)端微波光子前端中DML 和PD 所需的電能.DML 將天線(xiàn)接收的電磁信號(hào)調(diào)制到光載波上，通過(guò)光環(huán)形器和回傳鏈路發(fā)送至中心站，構(gòu)成上行通信鏈路；PD 將來(lái)自中心站的信息光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送給用戶(hù).

圖1 光載信息能量同傳方案

此外，通過(guò)對(duì)中心站的多組微波光子模組進(jìn)行不同定義，可以實(shí)現(xiàn)該能量信息同傳方案各節(jié)點(diǎn)的不同功能，各個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同完成寬帶通信、多域探測(cè)等多種業(yè)務(wù)，以模擬微波光子一體化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化能量分發(fā)和信息協(xié)同.

3 光纖傳能方案設(shè)計(jì)及測(cè)試

光纖傳能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由HPLD、多模傳能光纖、PPC、DC-DC 升降壓模塊［19］和遠(yuǎn)端負(fù)載模塊組成.HPLD 作為發(fā)射機(jī)，產(chǎn)生數(shù)瓦大功率激光，通過(guò)傳能光纖遠(yuǎn)距離將激光能量傳送至接收機(jī). 在接收機(jī)中，PPC 將激光能量光電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓和電流，從而為遠(yuǎn)端負(fù)載供電. 值得注意的是，PPC 可以提供最高8 V 的電壓，DC-DC 升降壓模塊將輸出電壓轉(zhuǎn)換成±5 V的穩(wěn)定電壓.

圖2 光纖傳能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

進(jìn)而，測(cè)試PoF 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率. 通過(guò)改變HPLD 的輸出激光功率和多模光纖的傳輸長(zhǎng)度，測(cè)試PPC 輸出的電壓和電流來(lái)完成PoF 系統(tǒng)的能效轉(zhuǎn)換檢測(cè). 圖3給出了HPLD的輸出光功率為3 W時(shí)，PoF系統(tǒng)在20 m 和2 km 多模光纖傳輸?shù)腎-V 特性曲線(xiàn)、P-V 特性曲線(xiàn). 由圖中可以得到，輸出電壓為0～7.1 V 時(shí)PoF 系統(tǒng)處于線(xiàn)性工作區(qū)域，可以保持穩(wěn)定的工作電流輸出和線(xiàn)性的功率增長(zhǎng)［20］. 當(dāng)輸出電壓為7.1 V 時(shí)，PPC 達(dá)到其最大工作功率點(diǎn)（Maximum Power Point Track，MPPT）［21］. 此時(shí)，PoF 系統(tǒng)在2 km 長(zhǎng)度的最大輸出電功率為165 mW. 由于多模光纖的傳輸損耗為3.5 dB/km，傳輸2 km 光功率損耗7 dB，相較于20 m 系統(tǒng)最大輸出電功率損耗662.2 mW.

圖3 20 m和2 km傳輸距離下PoF系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換特性

表1 給出了PoF 系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)設(shè)置為MPPT. 當(dāng)HPLD 的輸出光功率為1 W 時(shí)，20 m和2 km 長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率分別為30.4%和6.4%. 當(dāng)HPLD 的輸出光功率為3 W 時(shí)，20 m 和2 km 長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率分別為27.6%和5.5%. 因此，相同距離下，隨著輸出光功率提升，輸出電功率相應(yīng)線(xiàn)性提升，但轉(zhuǎn)換效率降低；在相同輸出光功率下，隨著距離增加，輸出電功率和能量轉(zhuǎn)換效率均顯著降低.

表1 PoF能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試結(jié)果

4 光載信息能量同傳方案的通信檢測(cè)應(yīng)用

基于上述PoF子鏈路，設(shè)計(jì)了光載信息能量同傳方案，并通過(guò)單節(jié)點(diǎn)RoF 通信傳輸和鐵路電磁干擾檢測(cè)進(jìn)行功能和性能驗(yàn)證.

4.1 基于PoF的大帶寬信號(hào)傳輸

光載信息能量同傳的RoF 通信鏈路結(jié)構(gòu)如圖4 所示.PoF系統(tǒng)設(shè)置為MPPT，HPLD 的輸出光功率為3 W，通過(guò)2 km 多模光纖傳輸至遠(yuǎn)端，DC-DC 降壓模塊將PPC 的輸出電壓轉(zhuǎn)換為±5 V，從而為遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的DML供電. 實(shí)驗(yàn)中使用的DML（KG-DML-15-18G-10-SM-FA）的額定功率為110 mW，根據(jù)表1 可知PoF 系統(tǒng)在2 km多模光纖傳輸長(zhǎng)度的最大輸出電功率為165 mW，該P(yáng)oF 系統(tǒng)僅可支持單個(gè)DML 的信息傳輸，因此通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證PoF系統(tǒng)的RoF傳輸.

圖4 基于PoF的大寬帶信號(hào)傳輸方案

RoF 鏈路中，利用任意波形產(chǎn)生器生成2.4 GHz 載頻、1 GHz帶寬的16QAM-OFDM 矢量信號(hào)，通過(guò)DML調(diào)制至光載波上. 然后，通過(guò)2 km單模光纖傳輸至中心站后，利用PD完成光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)傳輸?shù)碾娛噶啃盘?hào). 采用采樣率為40 GSa/s的實(shí)時(shí)示波器完成數(shù)字采集并結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)16QAM-OFDM矢量信號(hào)進(jìn)行解調(diào).

首先，分析RoF 鏈路中B 點(diǎn)處的電信號(hào)頻譜. 圖5給出了背靠背和2 km 傳輸后16QAM-OFDM 的信號(hào)頻譜，由圖可知基于光載信息和能量共傳2 km 后信噪比仍可達(dá)到24 dB.

圖5 PoF-RoF 鏈路中背靠背和2 km 單模光纖傳輸后16QAM-OFDM信號(hào)頻譜圖

然后，對(duì)基于PoF的RoF 鏈路中寬帶信號(hào)的傳輸性能進(jìn)行分析.2 km 信息能量共傳距離下，系統(tǒng)的誤碼率曲線(xiàn)和星座圖如圖6 所示. 分別取輸入光功率為-3 dBm、-6 dBm 和-9 dBm 時(shí)的星座圖進(jìn)行對(duì)比. 隨著PD 輸入光功率減小，BER 增大，星座圖模糊，系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)性能相應(yīng)變差；當(dāng)PD輸入光功率大于-4.1 dBm時(shí)，RoF系統(tǒng)解調(diào)信號(hào)的BER達(dá)到前向糾錯(cuò)門(mén)限3.8×10-3.

圖6 PoF-RoF鏈路中傳輸距離為2 km時(shí)BER曲線(xiàn)及星座圖

4.2 基于光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測(cè)

GSM-R 系統(tǒng)是我國(guó)及歐盟各國(guó)鐵路通信專(zhuān)用的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，一旦受到電磁干擾或電磁攻擊，支撐高鐵無(wú)線(xiàn)車(chē)地通信的GSM-R 系統(tǒng)可能會(huì)被干擾或中斷，輕則導(dǎo)致延誤、堵塞，重則導(dǎo)致交通事故［22］. 因此，針對(duì)鐵路無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行寬帶電磁干擾檢測(cè)極為重要. 目前，鐵路管理部門(mén)主要通過(guò)來(lái)巡檢列車(chē)定時(shí)對(duì)高鐵GSM-R 通信系統(tǒng)的電磁干擾進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)“五步干擾清除法”來(lái)清除高鐵沿線(xiàn)的干擾源［23，24］. 然而，這種方法主要針對(duì)靜態(tài)干擾源，無(wú)法實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和處理鐵路沿線(xiàn)的電磁干擾源，尤其難以應(yīng)對(duì)實(shí)際鐵路環(huán)境中的一些突發(fā)干擾. 對(duì)此，國(guó)內(nèi)的一些高鐵線(xiàn)路實(shí)施了GSM-R 網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如武廣高鐵），但覆蓋頻段有限且成本高昂，不利于進(jìn)一步的推廣應(yīng)用［25，26］. 本文作者在前期工作中，提出了一種基于微波光子學(xué)的鐵路電磁干擾檢測(cè)方法，通過(guò)光纖鏈路傳輸電磁信號(hào)，可以遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)鐵路沿線(xiàn)的電磁干擾［27］. 并且，本文提出的光載信息能量同傳的方式可通過(guò)電磁不敏感的光纖傳輸電能，為遠(yuǎn)端收發(fā)設(shè)備提供或儲(chǔ)備能量. 它能夠在高電壓、高磁場(chǎng)、高輻射等極端場(chǎng)景下正常工作，這對(duì)于頻繁暴露在高壓列車(chē)牽引供電等環(huán)境下的高鐵GSM-R 通信系統(tǒng)以及電磁干擾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行具有重要意義. 在此基礎(chǔ)上，利用該光載信息能量同傳系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高鐵GSM-R通信以及電磁干擾監(jiān)測(cè).

基于光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測(cè)方案如圖7所示，其基本結(jié)構(gòu)與光載信能同傳方案相同，PoF系統(tǒng)為遠(yuǎn)端DML供電. 在電磁干擾檢測(cè)應(yīng)用中，將遠(yuǎn)端微波光子前端模塊分布式布置于高鐵沿線(xiàn)軌旁監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于高鐵沿線(xiàn)電磁信號(hào)的采集與接收. 實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)矢量信號(hào)源設(shè)置GSM-R專(zhuān)用的GMSK調(diào)制格式信號(hào)（中心頻率設(shè)置為930 MHz，符號(hào)速率為270.83 Kb/s）為工作頻點(diǎn). 同時(shí)，通過(guò)微波源產(chǎn)生3種不同頻率（930 MHz，930.2 MHz和932 MHz）的正弦單音信號(hào)作為電磁干擾源，分別模擬GSM-R系統(tǒng)受到的帶內(nèi)干擾、鄰帶干擾和帶外干擾. 采集的電磁信號(hào)通過(guò)2 km RoF鏈路傳輸至中心站，通過(guò)信號(hào)分析儀觀(guān)測(cè)接收信號(hào)的頻譜圖、星座圖和眼圖，進(jìn)而分析GSM-R系統(tǒng)所受到的電磁干擾類(lèi)型.

圖7 基于光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測(cè)方案圖

在帶內(nèi)干擾、鄰帶干擾和帶外干擾情形下，GSM-R信號(hào)的頻譜圖、星座圖及眼圖如圖8 所示. 無(wú)干擾時(shí)，頻譜圖中無(wú)異常頻點(diǎn)，星座圖集中，眼圖清晰，信號(hào)質(zhì)量好；受到帶內(nèi)干擾時(shí)，工作頻點(diǎn)峰值功率略高于無(wú)干擾情形，星座圖分散，眼圖模糊，信號(hào)質(zhì)量差；受到鄰帶干擾時(shí)，工作頻點(diǎn)附近出現(xiàn)相鄰頻率為930.2 MHz 的異常信號(hào)，星座圖分散，眼圖模糊，信號(hào)質(zhì)量差；受到帶外干擾時(shí)，在932 MHz 頻點(diǎn)處出現(xiàn)異常信號(hào)，星座圖集中、眼圖清晰，信號(hào)質(zhì)量好.

圖8 不同干擾下GSM-R 鐵路無(wú)線(xiàn)通信專(zhuān)網(wǎng)的電磁信號(hào)的頻譜圖、星座圖及眼圖對(duì)比

因此，該方案可以通過(guò)頻域、時(shí)域有效識(shí)別GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)中的多種干擾類(lèi)型，而且對(duì)隱秘性強(qiáng)、影響大的帶內(nèi)干擾仍可以精準(zhǔn)識(shí)別，從而為高鐵通信干擾預(yù)警與干擾清除提供依據(jù). 該光載信息能量同傳的高鐵電磁干擾檢測(cè)方案將有助于推動(dòng)廣域、長(zhǎng)距離覆蓋的高鐵沿線(xiàn)電磁干擾檢測(cè)應(yīng)用.

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種光載信息能量同傳方案，基于光纖一體化分布式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離多節(jié)點(diǎn)的無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建，利用集中式光纖饋電裝置和微波光子前端同步實(shí)現(xiàn)了高頻寬帶模擬信號(hào)與高功率激光能量的傳輸. 在實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)PoF 方案的整體性能進(jìn)行測(cè)試，在2 km多模光纖傳輸距離下實(shí)現(xiàn)了165 mW電能供應(yīng). 在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了RoF和電磁干擾檢測(cè)，RoF傳輸方案中完成了2.4 GHz載頻、1 GHz帶寬的16QAMOFDM矢量信號(hào)的2 km單模光纖傳輸；在電磁干擾檢測(cè)方案中，通過(guò)頻域和時(shí)域同時(shí)對(duì)高鐵GSM-R無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)內(nèi)的帶內(nèi)、鄰帶和帶外干擾進(jìn)行高精度檢測(cè)與識(shí)別.因此，本文提出的光纖分布式一體化的光載信息能量同傳方案，可以為強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)輻射等的特殊場(chǎng)景中的通信探測(cè)提供極具應(yīng)用價(jià)值的解決方案.