（光学专业论文）用于rof系统中的相干光通信及其仿真.pdf

摘要 摘要 论文建立了一个r o f ( 光纤无线电) 系统仿真平台。结合相干光通信的优势， 采用远程相干光外差探测技术能够获得很高频率的载波。并将该r o f 系统与先进 的调制技术o f d m ( 正交频分复用) 技术相结合，使系统性能得到极大的提高。 本文首先用o p t i s y s t e m 软件搭建了一个r o f 系统的仿真平台，采用远程光 外差探测技术产生所发送的毫米波信号。分析此时系统的性能，并对光纤色散所 造成的系统性能降低，实施了色散补偿。补偿方案采用一定长度的色散补偿光纤， 并比较经过色散补偿后的系统性能差异。 随后，将该r o f 系统与o f d m 技术相结合，设计了一个o f d m r o f 仿真系 统。用m a t l a b 编写了o f d m 调制与解调模块。同样由于多载波系统对如光纤色 散等的信道非线性效应比较敏感，它对系统性能造成的损失更大。对此，在o f d m 调制中设计了加入导频的方法来对信道估计，以达到信道补偿的目的。结果表明 经过信道补偿后，系统性能有了很大提高。 最后，针对大气信道设计了一个基于空间光载波的射频通信系统。该系统将 r o f 技术与空间光通信技术相结合，能够达到r o f 系统的最后一公里这样的作 用，具有很大的发展前景与实用价值。 关键词：光纤无线电、光通信、远程光外差、正交频分复用、大气信道 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n sar o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) s y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r m b y c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so fc o h e r e n to p t i c a lc o m m u n i c a t i o na n dr e m o t ec o h e r e n t o p f i c a lh e t e r o d y n ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , c a r r i e rw i 也v e r yh i g l lf r e q u e n c y c a l lb e p r o d u c e d f u r t h e r m o r e ，c o m b i n e dt h er o fs y s t e mw i t ha d v a n c e dt e c h n o l o g y ( o f d m m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ) t o g e t h e r , t h es y s t e m sp e r f o r m a n c ei sg r e a t l yi m p r o v e d t h i sa r t i c l ef i r s te m p l o y so p t i s y s t e ms o f t w a r et ob u i l dar o fs y s t e ms i m u l a t i o n p l a t f o r m ，u s e sar e m o t eo p f i c mh e t e r o d y n ed e t e c t o r ( r h d ) g e n e r a t i n gm i l l i m e t e r w a v es i g n a l t h e ni t a n a l y s e s t h es y s t e m s p e r f o r m a n c e ，e m p l o y sd i s p e r s i o n c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u et oc o m p e n s a t et h ep e r f o r m a n c ed e t r i m e n tc a u s e db yf i b e r d i s p e r s i o nu s i n gap a r t i c u l a rl e n g t ho fd i s p e r s i o nc o m p e n s a t i n gf i b e r i tc o m p a r e st h e p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es y s t e ma n dt h a to f p o s t d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o n s u b s e q u e n t l y , c o m b i n e dr o fs y s t e mw i t ho f d mt e c h n o l o g y , w ed e s i g n e da s i m u l a t i o ns y s t e mo fo f d m r o ft e c h n i q u e ，f a b r i c a t e do f d mm o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o nm o d u l e su s i n gm a t l a b s i m i l a r l y , b e c a u s em u l t i c a r r i e rs y s t e m sa r e e v e nm o r es e n s i t i v et od a m a g ec a u s e db yf i b e rd i s p e r s i o na n do t h e rn o n l i n e a re f f e c t s ， t h es y s t e m sp e r f o r m a n c ew i l ls u f f e r i nt h i sr e g a r d ，t h eo f d mm o d u l a t i o nd e s i g n t a k e sp i l o ti n s e r tt e c h n i q u ef o re x a c te s t i m a t i o n ，i no r d e rt os u p p o r tb e t t e rc h a n n e l c o m p e n s a t i o n r e s u l t ss h o w st h a ta f t e rc h a n n e lc o m p e n s a t i o n ，t h es y s t e mp e r f o r m a n c e g r e a t l yi m p r o v e d f i n a l l y , i td e s i g n e do p t i c a lc a r r i e rr fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m su s i n ga i rc h a n n e l t h es y s t e mc o m b i n e sr o ft e c h n o l o g ya n ds p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y t o g e t h e r , a c h i e v i n gt h e r o l eo f t h el a s t m i l e ，t h u sh a sg r e a tp r o s p e c t sf o r d e v e l o p m e n ta n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：r o f , o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，r h d ，o f d m ，a i rc h a n n e l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 签盗日期：加。年，月切曰 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丕凌 导师签名： 日期：汐，】d 年f 月) - 0 日 第一章引言 1 1 研究背景及意义 在过去的1 0 多年中，无线通信需求经过了巨大增长。在1 9 9 1 年，全世界只 有不到1 的人口能够获得移动电话。而到2 0 0 1 年底，世界上每六个人中就有一 人拥有一部移动电话，而现在则更多。同时，在全球范围来看，拥有移动网络的 国家，从最初的3 个国家，发展到现在的几乎每个国家都拥有。事实上，早在2 0 0 2 年移动用户数量就已经超过了固定电话用户得数量。据预测，这种增长将继续上 升，到2 0 1 0 年将有超过1 7 亿移动用户【l j 。 除了移动电话通信以外，于1 9 9 7 年才出现的无线局域网( w 乙埘s ) ，也经历 了显著的增长。在机场，码头等公共场所，w l a n 热点以惊人的速度扩散着。 事实上，无线局域网继x d s l 和线缆调制解调器以后，已经广泛使用在家庭中。 因此，无线互联网的用户数量预计将很快超过有线互联网的用户数量。 无线网络能如此惊人的速度快速增长一个最主要的原因就是，它与固定网络 相比具有安装简便的特点。而且，技术的进步和移动运营商之间的竞争也促进了 它的长足发展。到目前为止，移动通信的标准已经发展到了第四代。第一代的模 拟移动通信在2 0 世纪8 0 年代投产。在2 0 世纪9 0 年代，第二代( 2 g ) 数字移动 系统得到实用化，如全球移动通信系统( g s m ) 。g s m 标准一直非常成功，它 提供了国内、国际间的覆盖范围。现在3 g 系统已经投入使用，3 g 移动通信系统 与2 g 相比，它能提供更高的接入速率，极大的满足了人们对信息的需求。而4 g 系统，虽然现在还没有一个统一的标准，但在欧洲也已经有部分国家配置了l t e 等标准的4 g 系统。 1 g 和2 g 系统的目的主要是提供语音应用，并支持电路交换服务【2 1 。虽然， g s m 的数据通信主要是给用户提供语音服务，但它数据速率只是几十k b p s 。相 比之下，无线局域网则提供固定数据网络的扩展，它支持m b p s 的数据传输速率。 在1 9 9 7 年第一次提出的无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 中( 也称为w i f i 技术) ， 它能够提供2m b p s 的数据传输速度。自那时以来，该标准根据用户对数据传输 的不同要求已演变成很多不同的标准，如8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l g ，8 0 2 1 l n 等 等。目前，无线局域网都能够提供高达至5 4m b p s 的对i e e e8 0 2 1 l a g 的，和 1 电子科技大学硕+ 学位论文 h i p e r l a n 2 标准，在24 g h z 和5 g h z 经营许可证免费i s m 频段。然而，无线局 域网则不能提供移动系统所具各的流动性。 互联网的爆炸性增长加上2 0 系统与无线局域网的成功联台，已对我们沟 通的看法产生了深远的影响。首先，对绝大多数用户现在认可了“永远在线”的 沟通新概念。我们现在生活在一个可以随时，随地，与任何东西相连接的“通信 时代”。第二，宽带通信概念普及得很好。由于光纤的使用，使得通信更加接近最 终用户环境( 光纤到户路边，f y f h c ) ，有线传输速度将继续上升。抉至1 0 0 m b p s 的传输速度已经能够应用在家庭通信中。这种对带宽的需求给无线通信的传输容 量和覆盖范围带来了巨大的压力。 图1 - 1 说明了我们今天所知的一个窄带无线接入系统( 如g s m ) 的配置。中 心站用来处理用户的呼叫和交换而基站( b s ) 则担任移动终端( m u ) 或无线 终端( w t u ) 的接1 3 。该基站可通过模拟微波链路或数字光纾链路连接到中心站。 旦在基站端接收到了基带信号，他们就会经过适当的调制，加到载波上。基站 的信号覆盖半径称作蜂窝的覆盖半径。处于该蜂窝中的所有m u 和w t u 共享无 线电频谱。无线局域网的配置方式与此类似，该无线接口称为无线接入点( r a p ) 。 、l l c - o u 扑el l ：1 k b a c k b o n e b a g es l a t i o n 翻1 - 1 窄带无线挂入网络示意酎 一般来说，系统提供的信号带宽与该系统所使用的载波频率有关，低载波频 率只能提供低的带宽。因此，窄带无线接入系统( 如2 g ) 能够提供的带宽能力 有限，部分原因是因为他们工作在低频率范围。例如g s m 系统就工作在9 0 0 m h z 2 第一章引言 或1 8 0 0 m h z 的频率上，具有2 0 0 k h z 的带宽。通用移动电信系统( u m t s ) 的工 作在大约2 g h z 的频率，并有4 m h z 带宽。不过，在低于6g h z 载波频率的系统 中具有激烈的频谱竞争。其中包括广播和电视节目系统，和一些其他业余的无线 电用户，如机场，通讯服务，警察和消防，无线局域网等。低频系统能够使前端 的成本降低。且r f 有源器件( 如晶体管) 在低频阶段比高频阶段具有更高的效 率。例如，在毫米波频段器件的效率会降低至3 0 。因此工作在低频段的低功耗 系统优势相当明显。 此外，低频信号的波长比较长，这使得低频信号拥有较大蜂窝覆盖面积。较 大的蜂窝覆盖，使得系统的流动性高，但由于一个蜂窝内的所有m u 和w h f 共 享带宽，所以这也导致频谱效率的降低。 因此，一个提高无线通信系统的能力的比较简单的方法，就是采用更小的小 区或者微蜂窝来实现通信。这对于低频率的微波载波来说，通常是很难实现的， 但通过减小天线的辐射功率，蜂窝大小可能会有所减小。一般说来，微蜂窝系统 更容易在建筑物内形成，微波在其中的建筑物墙上的高损失有助于限制该单元尺 寸。与此同时，高频率的毫米波信号在大气中的高衰减特性也有助于微蜂窝的形 成。因此，在宽带无线通信系统中，要想达到我们所需要的高容量，我们不可避 免的要提高系统的载波频率并且减小蜂窝的覆盖面积。目前在i e e e 8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 标准中，规定载波频率为1 0 6 6 g h z ，并被使用在最后一公里的无 线接入( f w a ) 等方案中。 另一种提高无线通信系统能力的方法是提高载波频率，以避免相对拥挤的 i s m 频段的频率。更高的载波频率能够提供更大的调制带宽，但可能会导致设置 在基站或者m u w t u 处的无线电前端费用的增加。 较小的蜂窝尺寸使得系统的频谱效率得到了增加。但是，与此同时，较小的 蜂窝尺寸意味着，如果要覆盖相同面积的区域，该系统所需要的基站或者无线接 入点的数目必须大量的增加。此外，由于大量基站和无线接入点的需要广泛的网 络接入服务。因此，除非基站无线接入点和接入网络的成本足够低，否则整个系 统的安装和系统维护等方面的成本便会变得非常昂贵。此时，人们就提出了光纤 无线电技术( r o f ) 来解决这个问题。它将系统的无线电处理方面的功能放在中 心站中进行处理，并由很多个基站和无线接入点( 统称为远端天线单元，r a u s ) 所共享，这就使得远端天线单元得到很大程度上的简化。此外，还可以采用在系 统中使用廉价的多模光纤来进一步降低系统成本。 r o f 技术是针对人们对高速率大容量无线通信迫切需求，新研究出来的技 3 电子科技大学硕士学位论文 术。它是一种将光纤通信和无线通信相结合的无线接入技术。r o f 系统采用光纤 作为基站( b s ) 和中心站( c s ) 的传输信道，并通过光载波实现基站和中心站之 间的射频信号的传输。光纤在整个过程中仅仅起到传输作用，一些其他的功能， 诸如控制、交换和信号再生等都由中心站来完成。这样就可以使得一些昂贵的设 备集中在中心站中，而减化了基站的结构。由于基站数量远远多于中心站，所以 相应的系统的成本也就得到了降低。 数字光传输系统通常有两种类型：第一是通过将比特信号，转换为电信号来 直接调制光载波的强度，而在接收端通过光电二极管对光信号进行直接强度探测， 然后转换回原来的数字信号。这一方案采用的是强度调制直接检测( i m d d ) 的方式，它结构简单，是最古老的通讯方案之一。另一种方案是通过对光载波频 率或相位的调制，在接收端使用零差或外差探测来传输信号。这是现代无线电通 讯或微波通讯广泛使用的方案。由于光载波的相干性在这种方案的实现中起着重 要的作用，故称为相干光波通信技术，基于这种技术的光纤通信系统称为相干光 波系统。所以本文也将采用相干光外差检测的方式构成r o f 系统。 1 2 国内外研究现状和发展态势 1 2 1 相干光通信研究现状 到目前为止，相干光通信的研究已经经过了3 0 多个年头。在早期，由于它的 高接收灵敏度而被广泛研究【3 】。然而近2 0 年中，由于采用了掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的波分复用( w d m ) 系统的出现，使得传统光通信足以满足人们的要 求，以至于他们放弃了对相干光通信的研究。然而，在2 0 0 5 年，数字载波相位相 干接收机实验装置的出现，又一次激发了大家对相干光通信的广泛关注。 从0 5 年至今，每年都有大量关于相干光通信技术的文章在国际高水平会议 和期刊上发表，内容包括各种新型调制码型，如正交频分复用( o f d m ) ，偏振差 分四相移相键控( p o l m u x - d q p s k ) ，相干光通信关键技术的研究等。此外，由 于在检测后的光的相位信息可以得到保存，我们可以在后续的电学处理中，对其 进行色散和偏振模色散的补偿。这使得相干接收机与传统的接收机相比具有巨大 优势。 美国、只本、德国等在这些方面做了大量的研究。中国也做了一些研究，但 是相对来说比较少。近年来，相干光通信方面的理论研究也越来越被人们所关注。 4 第一章引言 2 0 0 6 年美国一家公司推出了一个相干光接收系统，该系统在传输信号为1 0 g b i t s 且要求系统误码率为1 0 _ 9 时，其接收灵敏度可达3 0 d b m 。 虽然相干光通信具有种种优势，但是他更多的还是被用在一些特殊的环境里 面，比如卫星通信，跨洋通信和沙漠通信等。因为在这些环境中，各种中继设备 都易受到破坏，而采用相干光通信系统可以大大减少中继设备的数量。是系统性 能稳定性增加。 1 2 2r o f 技术研究现状 r o f 技术的出现可以追溯到2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初。虽然r o f 技术 也已经经过了快2 0 年的发展，但是就目前的应用来看，r o f 技术主要还是多用 于诸如：智能交通管理系统、专用小范围通信和w i m a x ( i e e e 8 0 2 1 6 ) 等系统中， 它们都属于固定无线接入系统( f w a ) 。 r o f 中的r f 信号大多采用对半导体激光器直接调制而产生，在后面的介绍 中我们可以知道，该种方法对r f 信号的频率上限有很大的约束，只能产生低频 的r f 信号。而可以产生更高频率r f 信号的外差调制技术也进来才发展起来的一 种r f 产生技术。其传输的信道也是采用多模光纤。近几年，人们对4 g 通信的研 究越来越热，o f d m 技术作为4 g 通信的基础得到广泛使用，因此，采用单模光 纤传输o f d m 信号的r o f 系统也是近期的研究方向。 从全球范围来看，大约从2 0 世纪末开始，世界各国就开始了将o f d m 调制 技术与r o f 技术相结合的o f d m r o f 光无线传输技术的研究。其中比较著名的 是英国剑桥大学的几位相关的学者( m r d i a s r o d r i g u e s 等人) 。他们从2 0 0 0 年开 始便陆陆续续的在各种期刊与国际会议上发表他们对于o f d m r o f 技术的研究 成果【】，并引起了大家的广泛关注。目前也有不少学者的研究内容涉及到了r o f 系统中的o f d m 信号波形失真，以及对其产生的原因的探讨，并对系统的性能做 出了评估【6 一。 目前，国际上很多关于光学的期刊上都刊登了关于r o f 各方面技术的研究成 果2 1 。但是其中大多数研究都还停留在对信号处理技术与系统链路研究的层面 上，r o f 技术要广泛的使用在实际通信中，我们还有很多路要走。 由美国光学学会( o s a ) 主导的o f c n f o e c 大展，是全球光通讯展览中最重 要的活动，在各届o f c 会议中，都有很多r o f 技术相关的文章被收录。其中比 较典型的有【l 孓1 7 】：将o f d m 应用于r o f 系统，来增加频谱利用率并减小i c i ；研 5 电子科技大学硕士学位论文 究r o f 上行链路的波长再利用技术，使得基站不再需要光源，从而简化基站设备； 密集型光波复用( d w d m ) 技术与r o f 技术的结合；r f 信号的产生技术；将r o f 技术与w i m a x 技术相结合的研究等等。 用光学的方法生成毫米波，具有便捷、易调节和便于与光纤传输系统集成的 优点，是国际上r o f 技术研究中一个非常有吸引力的方向。目前从事该课题研究 的主要有日本、韩国及欧美的一些国家，其研究重点主要集中在基站和中心站间 的毫米波产生和传输技术。目前，在毫米波r o f 技术研究方面国外提出的比较有 价值的方案大致有四种：直接调制技术、上下变频技术、光自外差技术、电吸收 收发器技术。本文将采用光自外差技术。 1 3 本文主要工作内容和创新 全文共六章。在本文第二章中，简要叙述r o f 系统与相干光通信的基本理论。 在第三章，我们设计并仿真了一个使用相干探测的r o f 系统，分析了该r o f 系统 的性能，计算了色散对系统性能的影响，并进行了色散补偿。在第四章中我们将 0 f d m 调制技术与r o f 技术相结合，设计了一个0 f d m - r o f 实验仿真系统。并对系 统性能做了分析，最后用信道补偿的方法消除了光纤色散对系统性能的影响。在 第五章中，我们提出了一种基于空间光载波的射频通信传输方案，并搭建了一个实 验仿真系统，并分析了不同信道参数对系统性能的影响。最后，在第六章总结了 本论文所做的工作。 本文主要创新点有： 1 对r o f 相干光通信理论做了较为深入的研究，设计出了一个r o f 系统的 实验仿真平台。 2 针对o f d m r o f 系统受光纤色散影响比较严重的缺点提出了一些对光纤 色散进行补偿的方法。 3 提出了一种基于空间光载波的射频通信传输方案，并搭建了一个实验仿真 系统。 6 第二章使用相干探测的r o f 系统与o f d m 技术的基本理论 第二章使用相干探测的r o f 系统与o f d m 技术的基本理论 2 1r o f 技术 2 1 1r o f 技术基本原理 为了满足日益增加的带宽和无线用户的需求，人们提出了一种低成本的以 r o f 技术为基础的无线网络方案。r o f 技术可以被看做是一种将光纤通信和微波 通信相结合的通信手段。最早在1 9 9 0 年，c o o p e r 就对r o f 系统在无绳电话和移 动电话服务中的应用做了演示【1 8 】。随后人们针对限制r o f 系统性能的各个方面 做了大量的研究。 r o f 系统框图如图2 1 所示，包括中心站、基站、光链路和用户端四个部分。 其中基站仅由光电转换器件和放大器构成，而大部分功能，如编码、调制、多路、 上行转化都由中心站完成。这样使功能集中由中心站完成就可以更好地实现设备 共享、动态资源分配和更有效的管理。而且众所周知，基站的个数是远远要多于 中心站的个数，而基站成本设备的简单化，导致了基站成本的降低，因此就使得 整个系统的成本能够得到有效的控制。其实现通信的基本策略是：将基带信号先 用射频副载波调制，然后通过光链路传输，在接收端恢复射频信号。 图2 1r o f 系统 7 c u s t o m e ru n i t 电子科技大学硕士学位论文 对激光源的直接强度调制是r o f 技术中一种最简单的方法。因此这种使用随 处可见。当它与直接检测相结合时，我们称这种系统为直接强度调制直接检测 ( i m d d ) 系统。该系统的模拟光链路如图2 2 所示。这种调制方法中，激光器的 调制带宽限制了系统的使用。一般来说该激光器的调制带宽能够达到几个g 赫兹， 比如5 - 1 0 g h z 。虽然有报道说研制出了直接强度调制高达4 0 g h z 或者更高的产品， 但这些二极管的价格也是非常高昂的。这就直接导致了在较高的频率上不能使用 直接强度调制方法，而必须采用外部调制器。在传输毫米波信号时，还有另外一 个不利影响，那就是非线性的传输函数的影响。这会导致在光纤色散和激光的调 制边带的影响下，信号的传输距离极大的降低。 图2 - 2i m d dr o f 模拟光链路 图2 - 2 中传输的是射频信号，但这不是必须的，我们也可以传输其他信号。 例如：我们可以在基站( 无线接入点) 使用一个本振信号源将射频信号下变频为 一个中频信号用于上行链路传输。这样就使得上行链路传送的是低频信号，从而 降低了系统成本。 除了i m d d 技术，其他一些技术也被广泛使用。例如，频率上变换技术和分 布式天线技术和下一节我们将谈到的远端外差技术。 2 1 2r o f 技术的优缺点 r o f 技术与传统无线通信系统相比，具有以下一些优势t ( 1 ) 低损耗。无论是用于自由空间通信还是有线通信，处理高频信号的器件 由于技术的复杂度无疑是相当昂贵的。在自由空间中，由大气吸收和反射导致的 信号的损失随着信号的频率的增加而增加【1 9 1 。而在传输线中，阻抗随着频率的上 升而增加，这也导致了非常高的损失。因此高频无线电信号用于长距离传输中， 就需要昂贵的再生设备。至于毫米波信号，它们即使是在非常短的传输线内传输 r 第二章使用相干探测的r o f 系统与o f d m 技术的基本理论 也衰减也是不可承受的。解决这个问题的另一个方法是在中心站到基站这个传输 链路中，只传输基带信号或者中频信号，而到了基站以后再将其转换为所需的微 波或者毫米波信号，并在基站处放大后发射出去。然而这种方法却需要在基站处 使用一个高性能的本地振荡器用于信号的上变频。这样就导致了基站设备得复杂 度大大提高，与我们需要的基站的轻巧性相背离。然而，由于光纤具有非常低的 损耗，所以r o f 技术可以用来使传输的毫米波信号的损耗得到有效的控制，同时 也使得基站远端天线单元的结构得到简化。 商用的标准单模光纤( s m f ) 的损耗在1 5 5 0 n m 窗口已经可以达到0 2 d b k m ， 在1 3 0 0 h m 窗口可以达到0 5d b k m 。这种损耗远远低于信号在同轴电缆中的损耗。 实际上载同轴中的损耗要比在光纤中的损耗高出3 到4 个数量级。例如，一个半 英寸的衰减同轴电缆( r g 一2 1 4 ) ，在传输信号频率高于5 g l - i z 时的损耗大于5 0 0 d b k m 2 0 1 。因此，用光的形式来传播微波信号，则能在发射功率更低的情况下够 达到更远的传输距离。 ( 2 ) r o f 技术能够提供比传统无线通信系统更高的带宽。光纤提供了巨大的 带宽，它主要有三个第衰减的传输窗口，即8 5 0 n m ，1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 h m 的波长。对 一根单模光纤，三个窗口带宽之和超过了5 0 t h z 。但是，即使是目前最先进的设 施，和最先进的商用系统也只利用了不到1 6 t h z 的带宽。 光纤的巨大带宽除了传输大容量的微波信号以外还提供很多了其他的好处。 高光带宽可以实现电子系统很难做或者无法做的高速信号处理。换句话说，一些 条件苛刻的微波信号处理功能，如滤波，混频，和下变频，都可以在光域中实现 【2 。例如，毫米滤波的滤波可以通过先将其转换为电信号，然后使用诸如马赫曾 德尔干涉仪( 干涉仪) 或光纤光栅进行滤波，最后再将其转换为电信号以达到毫 米波滤波的效果。此外，由于是在光域处理，因此可以使用诸如激光二极管和调 制器等更便宜的低带宽的光学元件，当然它仍然能够处理高带宽的信掣2 2 】。 ( 3 ) r o f 技术抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰( e m i ) 的能力是光纤通信非 常有吸引力的特性，尤其是微波传输。这是因为在r o f 系统中，信号以光的形式 存在，通过光纤传输。由于这种能力，即使在较短的毫米波连接时，光缆也成为 了首选方案。抗电磁干扰是光纤通信的重要特征，因为它提供了数据隐私使得数 据更加安全。 ( 4 ) r o f 技术使得系统易于安装和维护。在r o f 系统，复杂和昂贵的设备设 置在中心站，从而使基站和无线接入点非常简单。例如，大多r o f 技术消除了基 站和无线接入点对本振源的需求。在这种情况下，一个光探测器，一个射频放大 9 电子科技大学硕士学位论文 器和天线就组成了无线接入点，而调制和交换设备存放在中心站，由几个无线接 入点共享。这种安排导致无线接入点更小，更轻，有效地降低了系统安装和维护 成本。一个易于安装和维修费用低得无线接入点设备对于毫米波通信系统是非常 重要的，因为这所需的大量无线接入点。这使得在应用中，劳斯节省了设备安装 与维修所带来的运营成本。较小的无线接入点减小了对环境的影响。 ( 5 ) r o f 技术使得系统的功耗更低。由于复杂的设备大部分是存放在中心站， 使得无线接入点设备得到简化，是这导致功耗降低的最直接的原因。在一些应用 中，无线接入点是工作在被动模式中。例如，在5 g h z 光纤无线电系统中可采用微 型电池让无线接入点在被动模式下运行。减少无线接入点的功耗非常重要，因为 它有时会被分布在没有电网的偏远地区。 虽然r o f 技术有很多优点，但是它也存在一些缺点。 由于r o f 技术包括模拟调制和光探测，所以说它基本上是一种模拟传输系统。 因此，在模拟通信系统的一个重要的信号损伤，诸如噪声和失真，对r o f 系统的 影响将是十分重要的。这些因素往往限制了r o f 链路的噪声系数( n f ) 和动态范 围( d r ) 2 3 】。动态范围是移动通信( 蜂窝通信) 系统非常重要的参数，如g s m ， 因为接收端从基站接收到得功率差别很大( 可达8 0 d b ) 。也就是说，在靠近基站 处和距离基站几公里以外的地方，在一个终端中接收到的r f 功率可以相差一万 詹芝 i 口。 模拟的光纤链路中的噪音来源包括：激光的相对强度噪声( r i n ) ，激光的相 位噪声，光电二极管的散粒噪声，放大器的热噪声，以及光纤的色散等。在基于 单模光纤的r o f 系统中，色散会限制有效传输的光纤链路长度，也可能会导致相 关度降低从而加大了射频载波相位噪声。在多模光纤r o f 系统中，模式色散严重 限制了链路的可用带宽和传输距离。必须指出，虽然r o f 传输系统本身是模拟系 统，但他经常被用做数字传输系统( 如w l a n ，u m t s ) ，使用多重信号调制，诸如 x q a m 或正交频分复用( o f d m ) 等。 2 1 3r o f 技术的应用 经过多年的发展，r o f 系统早已经脱离了实验室，得到了大家广泛而实际的 应用： ( 1 ) 作为室内覆盖。在早期的g s m 通信系统中，r o f 主要用来室内覆盖。比 如在一些比较大卖场，超市，办公楼中，由于建筑物的遮挡通信质量往往不好， 1 0 第二章使用相干探测的r o f 系统与o f d m 技术的基本理论 这时可以使用r o f 系统与室内无线基站和分布式天线系统相结合的办法提高通信 质量。并且使通信系统的容量得到增加。分布式天线系统使用高频模拟传输系统 将微波信号从中心站传输至各个分布天线。由于r o f 具有体积小重量轻和附加损 耗低等特点，因此对于分布式天线系统来说，r o f 技术是一个很好的选择。 ( 2 ) 用于宽带无线接入。近年来，宽带无线接入技术的研究、实现和应用受 到越来越普遍的关注，如w i m a x 等。虽然目前在无线接入系统中应用还存在着一 些问题，但是随着时间的推移和各种新技术的提出，这种阻碍正在快速的消失。 利用r o f 系统可以在比较长的距离上传输信号的特点，最大限度的使远端天线设 备的系统得到简化，并更加接近于终端用户，使得系统成本得到有效的控制。随 着宽带接入业务的普及，可以预见r o f 将会有更大的应用前景。 ( 3 ) 用于车载移动通信。汽车等各种交通工具的使用，给人们的远距离出行 带来了方便，现在也有越来越多的家庭正在使用汽车。而智能交通系统也得到了 大家的重视。理想得智能交通系统可以提供对路况的实时监测，和对行程的规划， 和提供一个高质量的车载通讯与i n t e r n e t 的接入等等。日本在该领域有较快的发 展，松下公司开发了工作于微波频段的智能交通系统。该系统采用3 6 g h z 的r o f 微波系统实现陆际到车辆的通信。它能够提供多种服务，同时具有简单的安装过 程和相对较为低廉的成本，这展示了r o f 接入网络的优势。目前围绕r o f 技术的 智能交通系统解决方案受到广泛的关注。 ( 4 ) 用于农村和边远地区宽带无线接入网络体系和有线电视( c a t v ) 等。宽 带无线接入网络( b w a n ) 与x d s l ，线缆调制解调器网络等相比，的确是一个用户 以低成本使用宽带服务的有效选择，因为和有线接入网络相比它大大减少了所需 的基础设施。因此，这些所谓“最后一英里 备受关注。将r o f 技术与已有的c a t v 网络结合，在利用原有光纤资源基础上，r o f 技术可以实现多种业务的接入，并 且具有接入设备简单、组网快捷的特点。 可以预期，随着技术的发展，毫米波r o f 技术的应用将更加宽阔。 2 2 光远程外差相干探测技术 在上一节中介绍的r o f 技术是以i m d d 方式为例的，i m d d 方式最大的优点 就是它的简单性。如果使用低色散光纤和外调制器的话，系统可以认为是线性的。 因此光纤链路就可以仅仅视为一个放大器或者衰减器，也就是说如调幅或者像 q a m 等多重调制信号都能够被直接传输。这种系统当调制格式发生改变时，只需 电子科技大学硕士学位论文 要对系统做很小的升级或不用升级就可以直接使用。 但是i m d d 方式也有很多缺点，如它不能应用于高频毫米波信号的传输。这 是因为产生诸如毫米这种更高频率的信号是，调制信号也必须要有同样高的频率。 但是对于直接调制激光器，由于受带宽和激光非线性的限制，使得内调制产生信 号失真。如马赫曾德尔调制器等外调制器能够调制产生毫米波信号，但这需要很 高的驱动电压，这必须使用非常昂贵的放大器。所以接下来我们研究产出毫米波 信号的另一种方法：远程光外差法。 2 2 1 光远程外差技术的基本原理 远程光外差技术( r e m o t eh e t e r o d y n ed e t e c tio n ( r h d ) ) 是依靠在接收端的 光电二极管内的相干混频原理产生毫米波信号的。在光纤上传输两个频率差等于 所需要的毫米波频率的窄线宽光波，其中之一携带了需要传输信息的基带数据， 在基站处通过外差产生毫米波载波信号。光电转换时，光电二极管同时也是一个 混频器，所以它是基于远程光外差技术的r o f 系统的一个关键器件。光外差法中 两个载波信号只有一个信号经调制带有数据，简化基站的结构和成本。 其原理可以描述如下【2 4 】：现有两个角频率为鳓和织的光信号，其中之一调制 了信号m ( t ) ，它们可以表示为： e l = m ( t ) e o ic o s ( t 一办) ( 2 1 ) 易= e 0 2c o s ( t 一唬) ( 2 - 2 ) 当两束光照射到p i n 光电探测器上，探测器表面的光电流是与它们电场和的 平方成正比。所以此时光电流f p d 可以表示为： i p do c ( 互+ 巨) 2 = 【m o ) 岛lc o s ( c o ：一破) + c o s ( c 0 2 t 一欢) 】 ：_ m ( t ) - e 2 0 , 【1 + c o s 2 ( q f 一秭) 】+ 譬【1 + c o s 2 ( 哆t - 欢) 】( 2 - 3 ) + m ( t ) e o 。c o s ( q + 锡) f + ( 磊+ 噍) + 似f ) 毛。c o s ( q 一哆) h - ( 识一唬) 由于q 和敛都很大，考虑到光电探测器的物理过程，频率为2 q ，2 鸱和 铂+ 吐的这三项超出了光电探测器的截止响应频率，这部分光波成分与探测器不 发生相互作用。因此上式可以化简为： l p d o cm ( f ) i 9 0 2c o s ( c o , 一哆v 一破+ 欢】+ i 1i ，卵o ) 2 e 三+ e 丕i ( 2 4 ) 滤去上式中的直流项，我们可以在光电探测器上得到两束光混频后的差频信 号： 1 2 第二章使用相干探测的r o f 系统与o f d m 技术的基本理论 k o cm ( t ) e 0 1 e 0 2c o s ( o q 一哆) f 一识+ 红】 ( 2 - 5 ) 这里我们只需要合理的选择c o l 和织就可以得到我们所期望的毫米波信号。 如果从光信号的功率来考虑，我们得到此时在光电探测器上的光功率可表示 为： l p o ( f ) = 2 r 4 p l ( f ) p 2 ( f ) 。c o s c o t ( t ) 一哆( f ) p + 识( f ) 一欢o ) ) ( 2 - 6 ) 此处，r 是光电探测器的响应度，t 是时间，p 。( f ) 和p ：( f ) 是两束瞬时角频率 为q ( f ) 和哆( f ) 的光信号的瞬时功率。鹕( t ) f e l 0 2 ( t ) 是这两束光的瞬时相位。 移动终端接收到该信号后，经过一个混频，即与一个角频率为c o t c 0 2 的本地 振荡器相乘，可得此时信号2 ： o ca m ( t ) e o l 五如+ a m ( t ) e o l 五c o s 2 ( c o t c 0 2 ) t 一孬+ 欢】 ( 2 7 ) 将此信号经过一个低通滤波器滤波后即可得发送的基带信号： o ca m ( t ) e o l e 0 2 ( 2 - 8 ) 方程( 2 6 ) 表明由远程光外差技术产生的毫米波信号频率的稳定性是由在光 电探测器上相干的两束光载波的稳定性所决定。因此在使用远程光外差技术时， 有必要控制两束激光的瞬时频率差的稳定性，以保证生成的毫米波信号频率的稳 定。换句话说，在发射端两束光频率的绝对变化并不重要，只要它们的频率差保 持恒定就可以。一般说来只有一束激光上调制了信号，上式表明生成信号的相位 噪声受两束激光线宽的影响。 对于密集的本地通信，6 0 g h z 的频带由于大气中氧的吸收作用，使得该频段 在大气中的衰减特别厉害，达到了1 0 一1 5 d b k m 。这样的衰减速度使得6 0g h z 频 段不适合在大气中作为远距离范围( 大于2 k m ) 的通信，因此它可以完全致力于 短距离( 小于1 k m ) 的通信。对于室内环境( 小于5 0 m ) 的通信这样的衰减速度并 不会对它产生很大的影响。在中心频率为6 0 g h z ，带宽在8 g h z 时，衰减超过 l o d b k m 。因此从理论上来说，密集的无线本地通信有大约8 千兆赫的带宽。这使 得各种短距离无线通信对6 0g h z 频带产生了极大的兴趣。在美国，联邦通信委员 会( f c c ) 为此预留的频带为5 9 6 4g h z 频带。因此本文也着重介绍工作在6 0 g h z 频带的r o f 系统。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 光远程外差技术的优缺点 远程光外差技术与i m d d 方式相比具有以下一些优点： ( 1 ) 利用光外差技术可以产生非常高的信号频率，它只受限于光电探测器的 带宽。此外，外差探测有很高的探测功率( 更高的链路增益) 和较高的载波噪声 比( a 恨) 。这是因为这两个光信号的功率都对产生的微波信号功率有贡献。 ( 2 ) 远程光外差技术对色散的抑制具有先天的优势。因为两束光载波只有一 束调制了信号，这使得系统对色散的敏感度大大降低。这是两个边带都调制了数 据的直接调制方式所不具备的优点。在q a m 等调制方式中，减少色散引起的相 位噪声显得尤为重要，它会导致加大发射机功率的代价【2 5 1 。 ( 3 ) 远程光外差技术的另一个优点是，它允许低频数据在中心站处调制到光 载波上，使得不需要高频的电光器件。因此与i n u d d 方式相比，远程光外差调制 技术可以对基带信号或者低频的射频信号在中心站处调制。低频调制器通常需要 较低的半波电压，因此它只需要更低的驱动水平。这也使得低频调制器很容易达 到线性化。此外，用于基带信号或者低频信号调制的线性放大器也更容易获得， 而且成本更低。 ( 4 ) 采用远程光外差技术能够产生调制深度达1 0 0 的调制信号。远程光外 差技术的其他优点包括，它能实现光信号处理和微波系统信号处理功能如相位控 制，滤波和频率