在中國聯(lián)通聯(lián)合國內外多家Tier1運營商和設備商所倡導的G.metro標準化研究工作中，采用了基于低成本可調諧光模塊的波長自適應單纖雙向接入波分系統(tǒng)，具備波長自適應配置、海量尾端設備zero-touch、超低時延、高效透明傳輸和低功耗等特點，并于2018年2月在ITU-T SG15全會上正式通過并發(fā)布，編號為ITU-T G.698.4。

低成本可調諧激光技術是一種基于DFB激光器的流控或溫控技術，可實現(xiàn)C波段ITU標準波長的寬帶、快速可調諧功能，其應用領域可擴展至車聯(lián)網（V2X）和激光雷達（Lidar）方向，實現(xiàn)產業(yè)雙向打通和設備共用的局面。在響應國家提速降費號召的大背景下，有助于運營商尋找新的業(yè)務方向，開拓新的利潤增長點。

調頻連續(xù)波FMCW技術原理

顧名思義，調頻連續(xù)波是一種將激光器的輸出頻率隨時間線性調制的方法，其功能實現(xiàn)的一般性結構框圖如圖1所示。激光源發(fā)射的激光經過耦合器1后分成兩路光信號，一路經過耦合器2和前端鏡頭發(fā)射，另一路經過耦合器3到達探測器。反射回的激光信號依次經過鏡頭、耦合器2和耦合器3后，進入平衡探測器和第一路本地光進行混頻，利用數字處理電路將混頻后的電信號進行處理，得到對面物體的距離和速度信息。這種原理和相干光通信機制十分相似，具備抗背景噪聲干擾、發(fā)射功率低、人眼安全和探測精度高等諸多優(yōu)點。

圖1  FMCW激光雷達原理框圖

根據這種原理，作出發(fā)射和返回激光的頻率—時間曲線圖，如圖2所示，縱軸為頻率，橫軸為時間。在圖2上排圖中，在一個發(fā)射周期T內，激光器輸出連續(xù)線性調制的激光，從逐漸增加至最大，后由最大減小至，兩個過程所用時間相等為T/2。出射光經過空間飛行后，比直接進入耦合器3的本地光產生了的時間差，于是在同一時間產生了中頻差頻，如圖2下排圖所示。假設雷達和物體的距離為R，掃頻寬度為ΔF，則由此推導可知距離R=cT/4ΔF，其中c為真空中光速。如果物體發(fā)生移動，則會在差頻譜中產生多普勒頻移，此時，上升沿和下降沿的中頻分別為和，則物體的距離R1=（+）R/2，移動速度v=c（-）/4。

因此，我們只需要在數字電路中，依次提取，和，即可實時測算物體的距離和速度。進而從推導公式中可知，距離精度，即距離分辨率只與調制帶寬ΔF有關，因此對于低成本寬帶可調諧通信用激光器，使用此方法具備天然的探測精度優(yōu)勢。

圖2  FMCW測量原理頻率—時間曲線圖

低成本可調諧激光技術在激光雷達方向的應用與實踐

目前，激光雷達普遍存在于L3級別以上的自動駕駛場景中，能夠輔助駕駛員觀察路面情況并采取有效決策。配合視頻攝像頭、毫米波雷達和超聲波雷達，這種組合傳感器為車輛自動駕駛和車聯(lián)網提供了高效的安全保障。然而目前頭部激光雷達廠商大多采用成本十分昂貴（單個雷達在十萬元左右）且穩(wěn)定性（機械掃描）、安全性（905nm高功率脈沖激光）均較差的脈沖式（ToF）激光雷達技術路線，而成本低、安全性好、穩(wěn)定性高的調頻連續(xù)波（FMCW）制式激光雷達，則采用了傳統(tǒng)的C波段和可調諧工作模式，匹配相干光通信的部分簡化結構，可以將G.metro場景中使用的光源稍作修改投入使用，是運營商產業(yè)鏈可以直接打通并提前布局的業(yè)務創(chuàng)新點。

為了驗證FMCW原理的正確性和基于低成本可調光模塊的可用性，中國聯(lián)通研究院聯(lián)合中科院半導體所、海信和長飛進行了第一階段的測試實驗。實驗原理如圖3所示，圖中可調諧光源采用基于G.metro標準的光模塊進行改進開發(fā)，優(yōu)化了調諧速率，可實現(xiàn)太赫茲（THz）每秒的調制速率，遠高于波分系統(tǒng)中秒級波長切換速率，并且在所有現(xiàn)存FMCW光源調制速率報道中處于一流水準，提高調制速率是提高探測精度的重要指標。

在一期實驗中，采用光纖延遲線作為模擬空間光路的延遲辦法，根據相干原理設計探測距離，在接收端采用平衡探測器，將本地光和延遲光作外差輸出，通過示波器捕捉拍頻正弦信號，轉化為距離和速度信息。實驗中分別采用1米、20米和5千米光纖進行模擬，通過示波器的正弦波周期反推距離，證明了FMCW原理的正確性和可調光源的可用性。

圖3  激光器驗證光路圖

在二期實驗中，將延遲光纖光路打開變?yōu)榭臻g拓撲，使用發(fā)射準直器和接收透鏡組，并加以EDFA光放大器提高空間輸出光功率。實驗原理圖如圖4所示，EDFA為激光雷達專用開發(fā)的多通道放大器，輸出功率可調，能夠實現(xiàn)瓦級高功率輸出，覆蓋全C波段。在藍色箭頭處分別測量光功率，發(fā)現(xiàn)輸出功率在EDFA后為31.5dBm時，接收透鏡組后測量可接收功率高達25dBm，耦合進光譜儀后，峰值光功率為—56.7dBm，消光比大于20dB，充分證明可以從示波器讀取該頻率信息。

圖4  EDFA和透鏡組功能驗證實驗拓撲

至此，基于ITU-T G.698.4標準的改進型可調諧低成本光模塊的可用性和FMCW原理的正確性已基本驗證完成。第二階段擬開展基于FMCW原理的原型機的組裝和道路實測功能驗證實驗。

基于FMCW制式的激光雷達在車聯(lián)網中的應用和探索

談到車聯(lián)網（V2X）或智能網聯(lián)汽車時，首先想到的是基于5G無線空口（PC5和Uu）技術和5G組網架構下的無線通信系統(tǒng)，即基于蜂窩移動通信技術的C-V2X。結合切片和MEC等技術，可以實現(xiàn)超低時延和海量連接車輛與車輛（V2V）、車輛與設備（V2I）、車輛與行人（V2P）以及車輛與網絡（V2N）的多場景端到端通信。在超大帶寬通信需求下，可以使用激光雷達輔助空間光通信的手段，實現(xiàn)Tbit量級高速率信息處理速度。如圖5所示，車輛A&B可以實現(xiàn)直接通信，車輛A&B亦可和路測設備進行直接數據交換。其通信過程由激光雷達進行定位輔助，借助可調諧光模塊，收發(fā)不同波長的激光，區(qū)分通信和雷達掃描信號，將實時掃描的位置信息反饋給光學天線，進行時分復用的通信和掃描。

圖5 基于激光雷達的車聯(lián)網組網簡化示意圖

眾所周知，車聯(lián)網的距離基本處于視距，在無遮擋情況下，可以利用光通信的超大帶寬滿足車輛臨時數據需求，例如視頻、下載或車內VR請求。首先，利用激光空間傳輸可以有效避免頻譜重疊和空間電磁干擾，在視距下是一種很好的替代性選擇；其次，基于低成本波分前傳網絡，可以實現(xiàn)資源搬遷利用，避免開通路側5G基站，節(jié)約投資和建設成本，以光學信號的超低時延滿足客戶的通信需求。目前中國聯(lián)通研究院已經開始推動產業(yè)布局和生態(tài)的形成，以期與5G車聯(lián)網形成優(yōu)勢互補的局面。

綜上所述，基于G.metro的低成本可調諧激光技術在激光雷達和車聯(lián)網領域具有潛在的應用價值和出色的市場前景，是5G通信的一個重要補充手段。經過前期的一系列測試，已基本確定低成本可調諧光模塊的可用性與原理的正確性，在激光雷達輔助車聯(lián)網通信的專利布局中，優(yōu)先搶占賽道，并且已經具備了核心技術的孵化能力，為運營商數字化轉型中的業(yè)務發(fā)展方向提供了有力參考依據。

(作者：魏步征 張賀 王光全 沈世奎 趙春旭)