（通信与信息系统专业论文）radiooverfiber系统中多频率光载毫米波的产生与接收研究.pdf

鼢( 1 i n o v 。r _ f i b e rt f l 彩频；鍪光我毫、术波的j 6 ：生与接收研究 摘要 r a d i o o v e 卜f b e r ( r o f ) 技术的最初目的是为了提高无线频谱资源的利用率和 简化远程基站的模块。随着r o f 技术研究的发展，基于r o f 技术的通信系统具 有丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、低损耗等优点，使其在未来的宽 带无线通信中扮演着重要的角色。本文正是基于这样的一种考量，对r o f 系统中 多频率光载毫米波的产生和接收技术做了一定的研究，主要内容包括： 首先，提出并验证了基于光载波重用实现无源基站的全双工粕m r o f 通信系 统，该系统配置简单，代价低，功率利用率高。在中心站采用强度调制器调制产 生下行链路数据的密集波分复用的光载毫米波信号，在基站通过滤波器分离 d w d m 信号，并同时实现了上行链路的光载波重用。利用数值仿真比较了毫米波 信号传输不同距离后的眼图。结果表明，采用最佳射频信号驱动强度调制器，避 免高阶边带的产牛，可以极大地降低了色度色散的限制。通过分析其上下行链路 的毫米波和基带信号眼图，发现传输6 0k m 后的眼开度损伤较小。 其次，研究了毫米波光纤链路中色散对基带信号码形的影响。尽管载波抑制 产生的光毫米波能抵抗信号的衰落效应，但是高比特率的基带信号在光纤中传输 后仍然有很大的劣化，主要原因就是光纤色散导致了信号码元的走离，因此也限 制了基带信号的最大传输距离。为了克服色散导致的基带信号码元失真，我们提 出了解决方案，利用外部强度调制器产生载波抑制双边带光载毫米波，而基带信 号只调制在其中一个边带上。最后通过理论推导验证了该方法的可行性。 再次，基于波长重用技术，提出并仿真研究了一个新颖的全双工多频率光载 毫米波通信方案，成功实现了6 0k m 传输距离、数据速率达2 5 g b ；t s 的双向通 信。该方案将多路不同频率的射频信号祸合后再驱动光相位调制器，分别产生频 率间隔不同的双边带信号，利用相应的各双频一阶边带传输不同下行数据，而中 心载波则作为上行链路的光载波实现波长重用。该方案不仅产生了2 倍于调制信 号频率的多个毫米波，而且采用了双边带光信号中较高功率的中心载波作为上行 链路的光载波，从而使光信号的全部功率都得到了合理利用，简化了系统配置。 最后，实验研究了一种采用单个光载波和一个单臂l i n b 0 。调制器同时产生多 个不同频率光载毫米波的光无线通信系统。在中心站，多路不同频率的射频( r f ) 信号与相应的基带数据信号进行混频，再用功率耦合器将它们耦合成一路信号， 输出信号用于驱动单臂l i n b 0 3 调制器进行载波抑制调制去产生多频率的光载毫 l v 硕 j 学位论文 米波信号。经过光纤传输后，在基站，利用光滤波器将载有不同频率光毫米波的 光频成分进行分离，之后再分别进入光电检测器进行检测。实验结果显示，采用 频率为1 0 g h z 与2 0 g h z 的r f 信号源可以产生频率为2 0 g h z 与4 0 g h z 的光载毫米 波，2 0 g h z 的光载毫米波携带2 5 g b s 的下行基带数据信号在单模光纤中可以传输 4 0k m 以上，因此这种方案是有效和可行的。 关键词：光纤无线通信；多频率光载毫米波产生；波分复用；全双工；波长重用； 微波副载波调制；光交错复用器 v r a d i o o v ( r f i i ) p rf 1 1 多频串光投毫米波的，。7 卜接收研究 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fr a d i o - o v e r - f i b e r ( r o f ) i so r i g i n a l l yt oi m p r o v ee f n c i e n c yo f s p e c t r u ma n dr e d u c et h es i z eo fr e m o t eb a s es t a t i o n a st h ef u r t h e rs t u d i e so fr o f t h e t e c h n o i o g yh a sm a n yo u t s t a n d i n gc a p a b i l i t i e s ， s u c ha sl o wp e n a i t y ， b r o a d b a n d ， h i g h c a p a c i t i e sa n ds e a m i e s st r a n s m i s s i o na n ds oo n s oi ti sf o r e c a s t e da so n ek e y t e c h n o l o g yf o rt h eu l t r aw i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b a s e do nt h e c o n s i d e r a t i o n s ，w eh a v ei n v e s t i g a t e dt h eo p t i c a ig e n e r a t i o na n dd e m u l t i p l e x i n go f m u l t i p l ef r e q u e n c ym i l i i m e t e r - w a v es i g n a l si nr o fs y s t e m s ，s p e c i n c a l l yi n c l u d i n g ： f i r s t l y ，af u l l - d u p l e xw d m r o fs y s t e mw i t hp a s s i v eb a s es t a t i o nb a s e do n o p t i c a lc a r r i e rr e u s eh a sb e e np r o p o s e da n de x p e r i m e n t l yd e m o n s t r a t e d t h i ss y s t e m h a ss i m p l ea n dc o s t - e f n c i e n tc o n f i g u r a t i o n ，t h eo p t i c a lp o w e ri se f 艳c t i v e i yu t i l i z e d a tc e n t r a ls t a t i o n ，ao p t i c a li n t e n s i t ym o d u l a t o ri su s e dt og e n e r a t ed w d m o p t i c a l m i l l i m e t e r ( m m ) w a v es i g n a l sf o rc a r r y i n gd o w n s t r e a md a t a a t b a s es t a t i o n ，t h e d w d 小do p t i c a lm m w a v es i g n a l sa r es e p a r a t e db yao p t i c a lf i l t e rb e f o r eo p t i c a l c a r r i e r sa r er e u s e di nu p li n k w er e c i e v e dt h ee y ed i a g r a m so ft h em m w a v es i g n a l s a r e rt r a n s m i t t i n gd i f 佗r e n td i s t a n c eb yn u m e r i c a ls i m u i a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h el i m i t a t i o no fc h r o m a t i cd i s p e r s i o ni s g r e a t l yr e d u c e dd u et oa v o i d i n gt h e g e n e r a t i o n o fh i g h e ro r d e rs i d e b a n d sv i a d r i v i n gt h ei n t e n s i t ym o d u l a t o rw i t h o p t i m i z e dr fs i g n a l a r e rt r a n s m i s s i o no v e r6 0 k m ，t h ee y eo p e np e n a l t yo fm m w a v e s i g n a l sa n db a s e b a n dd a t as i g n a i sf i o rd o w n l i n ka n du p l i n ka r eb o t hs m a l l s e c o n d l y ，w eh a v et h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h et r a n s m i s s i o np e r f 0 r m a n c eo ft h e o p t i c a lm m w a v eg e n e r a t i o nb yu s i n ga ne x t e r n a lm o d u i a t o rb a s e do no p t i c a lc a r r i e r s u p p r e s s i o n t h o u g ht h eo c sm i l l i m e t e r ( m m ) w a v ec a ni m m u n et h ef a d i n ge f f e c t ， t h eb a s e b a n ds i g n a l sw i t hah i g hb i tr a t ea r ed e g r a d e dg r e a t l ya r e rt r a n s m i s s i o na l o n g 6 b e r t h em a i nr e a s o ni st h a tt h ef i b e rd i s p e r s i o nc a u s et h et i m es h i ro ft h ec o d e e d g e s ；t h e r e f o rt h em a x i m u mt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo ft h eb a s e b a n ds i g n a i si si i m i t e d w eh a v ep r o p o s e das c h e m et oo v e r c o m et h ed i s p e r s i o na f 佬c t i o na n de x t e n dt h e t r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ， i nw h i c ha ne x t e r n a l i n t e n s i t ym o d u l a t o ri se m p l o y e dt o g e n e r a t et h ed s bs i g n a lw i t hs u p p r e s s i o nc e n t r a lc a r r i e r ，w h il et h eb a s e b a n dd a t a a r em o d u i a t e do n l yo n t oo n eo ft h et w oo p t i c a lc a r r i e r s o u rt h e o r e t i c a la n a l y s i s v i 硕f j 学位论文 r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ef - e a s i b 1 i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m ea ti a s t t h i r d l y ，b a s e do nw a v e l e n g t hr e u s et e c h n i q u e ，w ep r o p o s e da n ds i m u l a t i o n d e m o n s t r a t e dan o v e lf u l l - d u p i e xm u l t i p l ef r e q u e n c yo p t i c a lm m w a v e ss y s t e mi n w h i c ht h eb i d i r e c t i o n a l2 5 g b i t sd a t as i g n a l sh a v eb e e ns u c c e s s f u i l yt r a n s m i t t e do v e r 6 0k ms i n g l e m o d e 舶e r m u i t i p l ed i f f e r e n tr fs i g n a i sa r ec o m b i n e db ya nc o u p i e r a n dt h e nt od r i v eap h a s em o d u l a t o ra n dt og e n e r a t ed i f 诧r e n to p t i c a lm m w a v e sw i t h d o u b l er ff r e q u e n c i e s e a c ht w of i r s t - o r d e rs i d e b a n d ja r eu s e dt o c a r r yd i f f e r e n t d o w n l i n kd a t a ，r e s p e c t i v e i y w h i i et h es e p a r a t e do p t i c a ic a r r i e ri su s e di nu p l i n kw i t h w a v e l e n g t hr e u s e i nt h i sn o v e ls c h e m e ，n o to n l ys u c c e s s f i u l l yg e n e r a t e dd o u b l e d f r e q u e n c ym m - w a v e ，b u ta l s om a k et h eb e s tu s eo ft h ew h o l eo p t i c a lp o w e rb y r e a l i z i n gt h ew a v e l e n g t hr e u s et e c h n i q u e ，s i m p l i f i e dt h ec o n f i g u r a t i o n f i n a l l y an o v e lr a d i o o v e r - 行b e rs y s t e mh a sb e e ne x p e r i m e n t a l l yd e m o n s t r a t e d t og e n e r a t em u l t i p i ed i f f e r e n tf r e q u e n c yo p t i c a lm m - w a v es i g n a l ss i m u l t a n e o u s l yb y u s i n gs i n g l eo p t i c a lc a r r i e ra n do n es i n g l e a r ml i n b 0 3m o d u l a t o r a tc e n t r a is t a t i o n ， m u l t i p l ed i f f e r e n tb a s e b a n ds i g n a l sa r ee l e c t r i c a l l yu p - c o n v e n e dw i t hc o r r e s p o n d i n g r fs i g n a l si nm i x e r s ，t h ec o n v e n e dr fs i g n a l sa r ec o m b i n e db ya ne l e c t r i c a lp o w e r c o u p l e rt od r i v eas i n g l e - a n nl i n b 0 3m o d u l a t o rb a s e do no p t i c a lc a r r i e rs u p p r e s s i o n t h ed i f f e r e m to p t i c a lm m w a v es i g n a l s ，a r e rt r a n s m i t t e dt ob a s es t a t i o n ，a r ed i r e c t l y s e p a r a t e db yao p t i c a l6 l t e r t h e nd e t e c t e db yd i f k r e n th i g h s p e e dp h o t o - d i o d e s ， r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n tr e s u i t ss h o wt h a tt h er e p e t i t i v e f r e q u e n c yo ft h e g e n e r a t e dm m - w a v es i g n a i si s2 0 g h za n d4 0 g h z ，w h i c hi st h ed o u b l eo ft h el o f r e q u e n c yb a s e do no c sm o d u l a t i o n ，a n d2 5 g b i t sd a t ao n2 0 g h zm m - w a v ec a nb e t r a n s m i t t e da tl e a s t4 0k mo v e rf l b e r t h e r e i o r et h es c h e m ei sp o t e n ta n df c a s i b i l i t y k e y w o r d s ：r a d i o - o v e 卜f i b e r ( r o f ) ；g e n e r a t i o no fm u l t i p l ef r e q u e n c yo p t i c a lm m - w a v es i g n a l s ；w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u i t i p l e x i n g ；f u l l d u p l e x c o m m u n i c a t i o n ；w a v e l e n g t h - r e u s e ；s u b - c a r r i e rm o d u l a t i o n ；i n t e r l e a v e r v l i r a d i o o v ( - r f i l ) e r i 彩频；# 光载毫水波的j 。牛与坛收 j 舛究 插图索引 1 1密集蜂窝覆盖交叠区域信号干扰图8 2 11 5 5 0 n md w d m 系统的构成及频谱示意图1 3 2 2副载波调制原理图1 4 2 3基于副载波调制的全双工w d m r o f 系统原理图1 6 2 4基于副载波调制的w d m r o f 系统仿真装置1 8 2 5 w d m 光信号调制前后的光谱图1 8 2 6在基站被滤波器分离后的w d m 信号光谱图1 9 2 7中心波长为1 5 3 9 1 n m 的4 0 g h z 电毫米波眼图1 9 2 8基于直流分量解调出的下行基带信号经不同长度光纤传输后的眼 图变化2 0 图2 9基于4 0 g h z 电毫米波解调出的f 行基带信号经不同长度光纤传输 后的眼图变化2 0 3 1r o f 蜂窝系统示意图2 2 3 2改进的多频率光载毫米波系统结构框图2 3 3 3外部调制系统中去“时间走离”原理2 5 3 4微波副载波复用系统的组成2 7 3 5 采用宽带接收机进行多频光载毫米波的接收原理2 9 3 6i n t e r l e a v e r 的功能原理3 0 3 72 5 5 0 g h z 交叉复用器的响应曲线3 0 3 85 0 1 0 0 g h z 交叉复用器的响应曲线3 l 3 9 采用光调制的改进多频光载毫米波系统模型3 2 3 1 0 系统装置图3 3 3 1 1 仿真得到的处于不同位置下的光谱图3 5 3 1 2 接收端4 0 g h z 毫米波与解调后基带信号眼图3 6 3 1 3 接收端2 0 g h z 毫米波与解调后基带信号眼图3 6 3 1 4 上行基带信号眼图3 6 4 1利用单个强度调制器同时产生2 个毫米波的方案原理3 8 4 2图4 1 中不同位置标记处的光谱4 0 4 3p d 端2 0 g h z 电毫米波眼图4 l v l l i 图图图图图图图图图 图图图图图图图图图图图图图图图图图 硕 。学化论文 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 p d 端4 0 g h z 电毫米波眼图4 1 2 0 g h z 毫米波解调后基带信号的眼罔4 2 4 0 g h z 毫米波解调后基带信号的h 艮图4 2 利用单个强度调制器同时产生2 个毫米波的实验装置4 3 图4 7 中不同标记点的光谱图4 3 实验得到2 0 g h z 毫米波眼图4 4 i x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重卢明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果南本人承担。 作者签名：即为啦 日期：川年呤刖g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：训翅穆日期：力呷年4 月g 日 剥哺氢夕啊醐：川仙刖绷 ； 硕卜学化论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 r a dio o v e r f b e r 无线接入技术 为了满足宽带无线接入的高容量要求，蜂窝小区数量的连续增长和高频波段 的利用成为了今后的发展趋势。小区数量的增长导致了基站数量的大量增加，出 于减少系统成本的考虑，人们提出了光纤无线通信( r a d i oo v e rf i b e r ，r o f ) 技术。 该技术将宽带无线通信的可移动性、点对多点接入等特点与光纤通信的宽带宽、 高可靠性有机的结合起来，为大容量、低成本的无线电信号的有线传输和超过l g b i t s 的超宽带无线接入提供了理想的解决方案，近几年来正受到世界各国的高度 关注n 3 1 。 目前，第三代数字通信( 3 r dg e n e r a t i o n ，3 g ) 系统仍然采用传统的蜂窝结构， 传输速率能达到2 m b i t s ，系统容量比较大，能实现无缝覆盖。第四代无线技术的 设计速率则在l o o m b i t s 以上，用户也将比3 g 系统的高出一个数量级，若仍然采 用传统的蜂窝结构，由于信号在自由空间中受多径衰落等影响严重，就必须减小 蜂窝小区的半径，然而干扰也将随之增强，从而严重地制约了系统容量的增大； 同时，小区半径的减小会带来基站密度的增加，导致切换频率大大增加，系统的 复杂度和成本呈指数级上升。此时，第四代无线接入网就很难以合理的成本满足 高速、大容量以及高覆盖率的要求。另一方面，光纤通信中大量的已铺设光纤光 缆并未得到充分利用，目前已使用的带宽不到光纤带宽的干分之一，造成了严重 的带宽资源闲置。并且这些频率资源的费用又非常廉价，每线成本不到l o o 美元。 因此，如何充分利用这些廉价的闲置资源，并解决无线通信中的频带紧张问题， 已成为加快全球通信技术发展的关键问题。 r o f 技术的提出改进了传统的蜂窝结构，它利用光纤链路在中心站( c e n t r a l s t a t i o n ，c s ) 和基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 之间传输微波毫米波等无线电信号， 在b s 实现了简化和集中化控制，不需要对接收到的无线电信号进行调制和解调， 仅仅执行光电转换和无线电信号的接收发送功能。而几乎所有的信号处理工作 都是在c s 完成，包括编码、复用、无线频率上下变换和光调制等。这与传统的 无线通信不同，由于各移动终端共享中心站，并且所有昂贵、复杂的光电器件和 r 1 i o o v e r f i b p rt f ，多频率光载毫米波的产生与接收研究 设备都集中在c s ，这样大幅度地缩小和简化了b s 的装置和体积，凶此，b s 的建 设成本成为了接入网性能提升的一个关键部分h 1 。r o f 通信技术兼具光纤通信和 无线通信的优点，必将成为满足人们对宽带业务需求的极具竞争力的解决方案之 一口 但是，我们目前所使用的无线频带带宽还是比较窄的，若要进行大容量的信 息传送，还是存在一定的困难。特别是在城市中通信，现有的低频段的频率资源 己经几乎都被占用了。由表1 1 可以看出，我国目前的大多数业务都集中在3 g h z 以下，而在3 0 g h z 以上的频率资源几乎没有被利用。 表1 。1 无线频率资源分配情况 业务名称占用频带 无线接入网 2 4 g h z 本地多点业务分配 2 6 g h z 移动通信无线电业务5 15 5 3 5 g h z ，5 4 7 5 7 2 g h z 固定无线接入系统5 2 5 5 3 5 g h z 中国联通g s m o 9 6 g h z 微波无线接入系统2 4 g h z ，3 5 g h z ，5 8 g h z 卫星移动通信系统1 9 8 2 o l g h z ，2 1 7 - 2 2 g h z 多路微波有线电视传输 2 5 3 5 2 5 9 9 g h z 为了提高通信容量，避免信道拥挤和相互干扰，就要求无线通信能突破拥挤 的低频波段，从微波向更高频率的毫米波段扩展，即从目前常用的9 0 0 m h z 频段 提高到数十g h z ，从而提供更为广阔的传输带宽。由于光纤传输比大气传输在许 多方面都很优越，如光纤可以很容易地实现空分复用、波分复用和时分复用，这 是大气所无法替代的，而且大气存在窗口频率( 1 0 g h z ) ，并且带宽有限。另外， 距离也是大气传输的一个约束条件，而光纤在一定程度上来讲却有着海量的带宽 和相对长的传输距离，这都将使得r o f 通信技术倍受青睐。 由于毫米波很容易被氧和水分子吸收，衰减极大，大气中的氧对6 0 g h z 附近 的毫米波吸收峰为1 6 d b 依m ，这么大的衰减可以有效的限制毫米波信号的传输距 离，缩小小区范围，形成所谓的微蜂窝( 直径小于几百米) 。这样不相邻的小区可 以重复使用同一频率，使频率的利用率大为提高m 1 。所有这些优点，使得基站和 中心站之间利用光纤连接成为移动通信发展的主流，而无线通信频率的提高，即 从微波扩展到毫米波段也成为发展的必然趋势。 2 硕 ：学位论文 r o f 技术利用低损耗、大带宽的光纤在中心站和基站之间传输高频宽带射频 ( r f ) 信号，同时也加强了天线布置的延伸性和灵活性；天线的模式从集中式改为 分布式结构，可以有效均匀化下行发送功率并缩短移动终端到天线的距离，从i 减小发送功率，此时系统可以采用大量成本低、体积小j 射频功率小的远程天线 单元提供大范围的视线内通信，加大覆盖范围，提高频谱利用效率和系统容量， 并且由于一个中心站可以负责多个基站，所以在中心站中可以对每个基站的信道 进行动态分配，系统部署由此变得简单而且容易进行集中升级。同时，系统层次 结构并没有变化，所以r o f 可以很好地接入各个标准、各个频段的蜂窝移动通信 网络，给用户提供更大的带宽，从而实现光纤和无线网络的无缝融合。 1 1 2 波分复用技术的应用和发展 带宽需求对通信特别是骨干通信提出了很高的要求，主要表现为信息容量大、 通信距离长、通信质量高、系统可靠性好等。在目前使用的光纤通信系统中，还 沿用传统的强度调制直接检测( i n t e n s i t vm o d u l a t i o n d i r e c td e t e c t i o n ，i m d d ) 的系统方式，即电光转换和光电转换的信号传输方式。虽然随着大规模集成电 路的不断发展，系统容量也得到了不断提高，但电子器件处理信息的速率还远远 低于光纤所能提供的巨大负荷量。为了进一步满足各种宽带业务对网络容量的需 求，进一步挖掘光纤的频带资源，开发和使用新型的光纤通信系统将成为未来发 展的趋势，其中波分复用( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术便是 构建高速率大容量的光纤通信系统和网络的重要技术途径，它在光纤中通过增加 并行传输波长的数量来提高系统容量，是目前最为成熟的技术。w d m 技术只需在 发、收端分别增加复用、解复用器，并对链路做一定的改造，就能以较低的成本 实现升级扩容，可以是单向传输信号，也可以是双向传输信号哺1 。 w d m 技术之所以在近几年得到迅猛发展，是因为它具有下述优点： ( 1 ) 超大容量传输。 由于w d m 系统的复用光通路速率可以为2 5 g b i t s 、1 0 g b i t s 等，而复用光 通路的数量可以是4 、8 、1 6 、3 2 ，甚至更多，因此系统的传输容量可以达到3 0 0 4 0 0 g b i t s ，甚至更大。 ( 2 ) 节约光纤资源。 对于单波长系统而言，1 个s d h 系统就需要一对光纤；而对于w d m 系统来 讲，不管有多少个s d h 分系统，整个复用系统只需要一对光纤。例如，对于1 6 个2 5 g b i t s 系统来说，单波长系统需要3 2 根光纤，而w d m 系统仅需要两根光 3 r i i o o v e r f i b p rl f l 多频率光载毫米波的”生j 接收研究 纤。 ( 3 ) 各信道透明传输，平滑升级、扩容。 只要增加复用信道数量与设备就可以增加系统的传输容量以实现扩容，w d m 系统的各复用信道是彼此相互独立的，所以各信道可以分别透明地传送不同的业 务信号，如语音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。 ( 4 ) 利用e d f a 实现超长距离传输。 e d f a 具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，能在1 5 5 0 n m 通信窗口提供近 3 0 n m ( 经过扩展可以达到6 0 n m 以上) 的增益带宽，它几乎可以覆盖w d m 系统 的1 5 5 0 n m 的工作波长范围。所以用一个带宽很宽的e d f a 就可以对w d m 系统 的各复用光通路信号同时进行放大，以实现系统的超长距离传输，并避免了每个 光传输系统都需要一个光放大器的情况。w d m 系统的超长传输距离可达数百公 里同时节省大量中继设备，降低成本。 ( 5 ) 提高系统的可靠性。 由于w d m 系统大多数是光电器件，而光电器件的可靠性很高，因此系统的 可靠性也可以保证。 ( 6 ) 可组成全光网络。 全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、 交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的，从而消除了e o 转换 中电子器件的瓶颈。w d m 系统可以与o a d m 、o x c 混合使用，以组成具有高度 灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络，以适应带宽传送网的发展需要。 正是由于w d m 技术具有上述的突出优势，可以在原有线路基础上，经济、 迅速的实现传输容量的急剧增加，因此对w d m 技术的研究、开发与应用十分活 跃。在国际上，体现在电信装备公司投巨额资金竞相研究、开发、宣传展示产品， 甚至出现了各公司之问的联合、兼并，以增强在w d m 技术领域里的竞争能力。 就现有w d m 系统传输容量的试验水平来看，北电等公司1 6 t b i t s ( 1 6 0 1 0 g b i t s ) w d m 系统已经成功。在后来的展览上，北电推出8 0 8 0 g b i t ，s 的w d m 系统，总 容量为6 4 t b i t s 。此外，朗讯公司采用8 0 n m 谱宽的光放大器创造了波长数高达 1 0 2 2 的世界记录。在国内，w d m 技术的研究和开发不仅活跃，而且进展也十分 迅速。武汉邮电科学研究院( w r i ) 、北京大学、清华大学、邮电部五所先后进行 了传输实验或者建设试验工程。例如：武汉邮电科学研究院在19 9 7 年1 0 月成功 地进行了1 6 2 5 g b i t s 的6 0 0k m 单向传输系统，1 9 9 8 年l o 月在北京9 8 国际通 信展览会上展示了3 2 x 2 5 g b i t s 的w d m 传输系统，并且容量为4 0 x 1 0 g b i t s 的 4 硕十学化论文 w d m 系统也进行了传输实验，更高技术水甲的w d m 系统正在实验当中。 w d m 技术的应用第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波 分复用( 即频率复用) 的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，不再 回到电信号上处理，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。因此，从 某种意义上讲，w d m 技术的应用标志着光通信时代的“真正”到来。 w d m 是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络“全光网”将是光 通讯的最高阶段。建立一个以w d m 和光交叉连接( o x c ) 为基础的光网络层，实 现用户端到端的全光网连接，用一个纯粹的“全光网”消除光电转换的瓶颈，将是 未来发展的趋势。现在w d m 技术还足基于点到点的方式，但点到点的w d m 技 术作为全光网通讯的第一步，也是最重要的一步。w d m 技术具有明显的技术优 势，对于一个幅员辽阔的发展中国家来说，推广应用w d m 技术显得尤为重要。 而全光网络是未来信息传送网的发展方向，它可以直接对光信号进行处理，不仪 大大简化了网络结构，降低了成本，而且极大地提高了网络的稳定性与可靠性。 随着因特网的迅猛发展，通信传输容量剧烈膨胀。尽管w d m 技术自出现以 来一直飞速发展，相关研究方兴未艾。但随着波长间距的逐渐减小，它对光源和 滤波器的要求也愈加苛刻，光源和滤波器在满足系统性能方面越来越力不从心： 另外随着复用波长数的增加，光纤中的光强越来越大，光纤非线性也越来越严重； 这些因素使得w d m 技术只能允许在有限数目的波长复用，从而只能实现有限的 扩容，在未来的网络中可能出现波长资源的匮乏，因此还需要考虑其他的技术。 1 2 国内外现状 随着人们服务业务的不断多样化，例如语音、数据、图像、多媒体等业务， 要求r o f 系统有更大的传输容量，于是想到了采用现有的、成熟的w d m 和密集波 分复用( d e n s ew d m ，d w d m ) 技术 9 1 ，而其中多路毫米波的全光上变频成为 了其中的关键技术。2 0 0 5 年，在第3 l 届欧洲光通信会议( e c o c ) 上提出了采用 外强度调制器进行载波抑制调制去实现3 2 路2 5 g b i t sd w d m 信号的同时上变频 n 0 1 ，这种方案实现了高的接收机灵敏度，低频谱占用率、小的功率代价和只需要 较低带宽的射频信号源，并且比较容易实现，可以使多路d w d m 信道在没有任何 功率饱和与其他非线性损害的前提下同时升级。但是，这种方案要求系统结构尽 量简单和使用一些低频率的电域和光域器件。同年，韩国的h o j i ns o n g 提出了另 外一种无差错的方案1 ，采用一个半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a l 5 r a d i o o v e r - f i b e rl | i 多频率尤投毫米波的产q ：与接收研究 a m p l i n e r ，s o a ) 和马赫曾德尔延时干涉仪( m a c h z e h n d e rd e l a yi n t e r f e r o m e t e r ， m z d i ) 相结合并作为频率转换器在波分复用r o f 系统中同时实现全光一卜变频，这 样也只需要一个s o a m z l 就可以同时服务多个r o f 信道，因此降低了系统的复杂 度和成本。 之后，在2 0 0 7 年的光电光纤通讯研讨会和展览会( o p t i c a lf i b e rc o n f e r e n c e ， o f c ) 上：提出了波分复用无源光网络( w d m p o n ) 与r o f 系统相结合2 叫引，在 增加系统传输容量的同时，利用波长重用技术提高成本效率，并且光线路终端 ( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t i 可以不做任何变化，对固定用户和移动用户提供 更加灵活的服务。但是，在w d m p o n 与r o f 相结合的系统中，文献【1 5 】中的全光 上转换方案都存在转换效率低下的问题，它们采用的外部强度调制器需要高输入 光功率和精密的外电路去控制驱动信号，同时对偏振敏感，根据这个问题美国亚 特兰大的z h e n s h e n gj i a 提出了改进方案n 引，采用外部相位调制器( p h a s e m o d u l a t o r ，p m ) 去产生多路光毫米波信号，与外部强度调制器不同，光相位调 制器没有直流偏置，从而不需要消除直流偏置漂移的控制电路。这样也提供了简 单的系统结构，并且比较稳定、性能很好，适合于毫米波的长距离通信；另外， 在这篇文献中还着重考虑基站的进一步简化，在基站使用一个半导体光放大器同 时调制上行基带数据和进行放大，取代了以前的分别用光放大器去补偿功率的损 耗和外调制器去调制上行数据的方案，降低了基站的成本。 另一方面，毫米波由于具有较高的调制频率，在远距离光纤中传输时色散问 题和调制格式问题成了不可忽视的因素。2 0 0 5 年法国的y a n n i sl eg u e n n e c 提出了 采用不经过光电( o e ) 和电光( e o ) 转换，实现多路数字信号的副载波频率上 下转换的光载毫米波混频技术引，用电光相位调制器实现全光副载波频率上转 换，将相位调制信号转换成强度调制信号，抵抗了光纤色散，取代了以前遭受光 纤色散的调制技术n 8 2 0 1 。 综上所述，在光纤无线通信系统中，通过光纤能够透明的传输毫米波射频信 号到远程天线单元，那么，到底怎样实现高质量毫米波的产生与传输呢? 这仍是 一个挑战! 虽然文献【1 0 】实现了怎样用外调制器去同时上转换3 2 路信道信号，但 是到目前为止，都是采用w d m 或者d w d m 技术，将射频信号调制到多个不同 的光载波上面，产生多波长的毫米波信号，但在高速率的传输系统当中，这样的 系统会存在比较大的信道干扰( i n t e 卜c h a n n e li n t e r f e r e n c e ，l c i ) 和码问串扰 ( i n t e r - s v m b o l i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，并且要考虑全光上变频转换效率低下的问题： 并且在中心站采用多个不同波长的激光器用来产生不同波长的光载毫米波信号， 6 硕卜位论文 系统成本也是比较昂贵的，斟此，需要寻求新的技术去改善r o f 系统的成本效率。 另一方面，宽带无线接入的移动化进程非常引人瞩目，随着蜂窝数晕的不断 增多，造成了人量蜂窝所覆盖的区域产生重叠，使邻近摹站在重叠区域的同频率 信号之间产生干扰。所以在提高r o f 系统信道容量的同时，降低甚至消除同频率 信号之间的干扰成了急待解决的问题。于是，在2 0 0 7 年第3 3 届e c