（光学工程专业论文）rof系统中的信号发生器和微波光子滤波器的设计与实现.pdf

浙江大学硕士毕业论文 摘要 随着无线通信用户对信息速率要求的越来越高，需要使用频率更高的微波载波，这 将导致中继站和基站的数日增多，成本急剧增加。为了解决这一矛盾，r a d i o o v e r f i b e r 技术应运而生r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) 是把微波信号加载在光波上通过光纤传输到 远端，在远端通过光电转换恢复出所需要的微波信号并通过天线发射至移动目标的一种 技术。该技术利用了光纤通信的低损耗、大带宽、防电磁干扰等特性，结合了光纤通信 与无线通信的优势，具有很好的应用前景。本文实现了可用于r o f 系统中的高频电信 号发生器和微波光子滤波器两个重要器件。其中高频电信号发生器是基于锁相式频率合 成技术，实现了频率稳定在2 5 8 g h z 的正弦信号输出，该信号的电压幅度约为8 2 m v ， 相位抖动约为1 5 p s 。微波光子滤波器的设计思想来源于r o f 系统本身，r o f 系统是把 微波载在光波上传输，而微波光子滤波器是直接在光域实现微波信号的处理。我们通过 对光纤环滤波器性能的研究，设计了抑制比近2 0 d b 的非对称耦合环滤波器、自由谱范 围达到7 0 0 m h z 的滤波器、可调谐滤波器、并研究了级联滤波器的原理和性能。最后， 通过系统实验，显示了我们设计和实现的高频信号发生器和微波光子滤波器在r o f 系 统中具有实用性和有效性。 关键词：r a d i oo v e r tf i b e r ，信号发生器，微波光子滤波器 浙江大学硕士毕业论文 a b s t r a c t t h e u r g e n t l yi n c r e a s i n gd e m a n do f t h et r a n s m i s s i o ns p e e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c a u s e st h eu s eo fm i c r o w a v ec a r r i e rw i t l lh i g h e rf r e q u e n c y , w h i c hw i l lr e s u l ti na ni n c r e a s i n g n u m b e ro fr e g e n e r a t i o ns t a t i o n sa n db a s es t a t i o n s ，a n da l s oas h a r p l yi n c r e a s i n gc o s to ft h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m r a d i oo v e rf i b e r ( r o f ) t e c h n o l o g ya p p e a r st ob ea p r o m i s i n gs o l u t i o nt oo v e r c o m et h i sp r o b l e mi nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f o rt h e r o ft e c h n o l o g y , o p t i c a lc a r r i e rw h i c hi sm o d u l a t e dw i t ht h em i c r o w a v es i g n a li st r a n s m i t t e d o v e rf i b e r , a n dt h em i c r o w a v es i g n a li sr e c o v e r e di nt h er e m o t es t a t i o n sa n dr a d i a t e dt h r o u 曲 a n t e n n a st or e a c ht h em o b i l et a r g e t s b a s e do nt h el o wc o s t , h i g hb a n d w i d t ha n d e l e c t r o m a g n e t i ci m m u n i t y ( e m i ) p r o p e r t i e so fo p t i c a lf i b e r , t h er o ft e c h n o l o g yc o m b i n e s t h ea d v a n t a g e so f o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s , p o s s e s s i n go f a b r i g h tf u t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t w oi m p o r t a n td e v i c e si nr o fs y s t e m , h i 曲s p e e ds i g n a l g e n e r a t o r a n dm i c r o w a v e p h o t o n i c f i l t e r , h a v eb e e n i n v e s t i g a t e d b a s e d o n p h a s e - l o c k e d l o o p ( p l l ) ah i g hs p e e ds i n es i g n a lg e n e r a t o rw i t l lt h es p e e do f2 5 8 g h z , p e a kv o l t a g eo fa b o u t8 2 m va n dp h a s ej i t t e ro f1 5 p si sa c h i e v e d t h ei d e ao fm i c r o w a v e p h o t o n i cf i l t e rc o m e sf r o mr o fs y s t e mi t s e l f t h el a t t e ri st ot r a n s p o r tm i c r o w a v es i g n a lo v e r f i b e r , a n dt h ef o r m e ri st op r o c e s sm i c r o w a v es i g n a ld i r e c t l yi no p t i c a ld o m a i n b ys t u d y i n g f i b e rr i n gb a s e df i l t e r s w ed e s i g n e da na s y m m e t r i cc o u p l e dr i n gf i l t e rw i t ht h ee x t i n c t i o n r a t i oo f a b o u t 2 0 d b ，am i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r 嘶t l l7 0 0 m h zf r e es p e c t r a lr a n g e ( f s r ) 。a t u n a b l em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r , a n dt h ec a s c a d em i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r s f i n a l l y , e x p e r i m e n ti nar o fm o d e ls h o w st h a tt h ed e s i g n e dh i g hs p e e ds i g n a lg e n e r a t o ra n d m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e ra u s e f u la n de f f e c t i v ei nr o f s y s t e m k e yw o r d s ：r a d i oo v e rf i b e r , s i g n a lg e n e r a t o r , m i c r o w a v ep h o t o n i cf i l t e r n 浙江人学颐l ：毕业论文 第一章绪论 1 ir a d i oo v e rf i b e r 技术的背景和发展 光纤是现代化通信网中传输信息的一种媒质。光纤作为最理想的信号传输媒质，具 有极低的传输损耗( 普通单模光纤的传输损耗在0 2 d b k m 以内) 。光纤还具有极其巨大 的信号传输能力，光纤通信传输系统的单路波长信号传输速率可以高达上百gb i t s ，借 助于密集波分复用技术，一根光纤可以传输高达上百tb i t s 容量的信号。由于光纤技 术的这些优点，使得它在微波无线通信等领域的应用受到普遍的重视和关注。 波长范围在l o o c m 到0 i m m 的电磁波称为微波，对应的频率范围为0 3 g h z 到 3 0 0 0 g h z 在实际应用中，将微波按照频率划分成了四个频段，即0 3 - 3 g h z 的分米波( 波 长范围1 0 0 - 1 0 c m ) 、3 - 3 0 g h z 的厘米波( 波长范围l o - i c m ) ，3 0 - 3 0 0 g h z 的毫米波( 波长 范围l o - i m ) 、3 0 0 - 3 0 0 0 g h z 的亚毫米波( 波长范围卜0 1 r a m ) 【1 1 目前的无线通信中使 用的微波频段主要是分米波频段，其中公众数字移动通信常用的两种制式g s m 和i s 一9 5 采用的频段都在9 0 0 m h z ，即将推出的第三代数字移动通信都采用2 g h z 频段，无线局域 网( w l a n ) 采用的是2 4 g h z ，全球定位系统( g p s ) 采用1 6 g h z 频段1 2 】。 随着无线通信用户对信息速率要求的提高，需要采用工作频率更高的信道，例如厘 米波频段或毫米波频段的微波。但是伴随着使用更高的微波频段，遇到的困难也越来越 大，例如在大气中传播时频率越高的微波能量衰减越快，这就导致了信号传输的距离越 短，需要更多的中继站和基站，成本也相应提高。当微波频率达到6 0 g h z 时，在大气中 的传输距离甚至不能超过几十米，除去昂贵的超高频电子设备及其技术上的难度不谈， 中继站的数量和成本将迅速上升，可见用传统的无线通信方法实现高信息速率是很不现 实的。于是，主要针对毫米波信道，将有线( 光纤) 通信和无线通信相结合的r a d i oo v e r f i b e r 技术被提出。r a d i oo v e rf i b e r 简称r o f ，也称作“光纤无线电”，即把微波信号 加载在光波上，通过光纤将该复合信号传输到远端，在远端通过光电转换恢复出所需要 的微波信号的一种技术如图1 1 所示。 浙江人学颂i 毕业论文 基站( b s ) e o ：也光转换o e ：光电转换t r ：信号发射胺收机 豳i ir a d i oo v f l rf i b e r 系统示意图 在r o f 系统中，用光纤通信代替传统无线通信中从控制站( c s ，c o n t r o ls t a t i o n ) 到 基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 的一段微波传输，控制站通过光纤与多个功能简单的基站相连。 所有的处理功能，包括调制解调、编解码、路由等在控制站完成，基站的主要功能是实 现光信号和微波信号的转换。在最简基站模型方案中，基带电信号经过放大，通过混频 器和本地振荡器将基带信号搬移到无线信道的工作频段内，再经功率放大，送入光调制 器，将该复合电信号调制到光波上，以适用于光纤信道传输，以上这些都在控制站完成。 当光信号通过光纤被传输到基站时，光探测器接收到光波中载有的复合电信号，经过功 率放大，送入天线发送出去在移动用户终端，通过相应的移动设备( 例如手机) 将有 效信号从复合电信号中解调出来。在这种r o f 系统方案中，大部分昂贵设备都在控制 站，可以多用户共享；在光纤传输阶段，可以通过光放大器补偿光信号的损耗，而省略 了昂贵的微波中继站；基站虽然数目很多，但由于设备非常简单，价格便宜，大大降低 了用户需要承担的费用。 在r o f 系统中，为了有别于光载波，微波常被称作副载波需要传送的信息可以 被认为无论是在有线传输阶段还是无线传输阶段，都是载在这个副载波上的。在无线传 输阶段，载有信息的副载波( 即微波) 对应一定的无线信道在自由空间中传输；而在有 线传输阶段，这个副载波被载在了光波上按照加载在光波上的信号是否是有效信号本 身以及所使用的副载波的频段，r o f 系统方案可以分为r fo v e rf i b e r 、i fo v e rf i b e r 和 2 浙江大学硕i ：毕业论文 b bo v c rf i b e r 三种【3 1 其中r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 主要指毫米波频段的副载波：i f ( i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 指小于2 0 g h z 的副载波；b b ( b a s eb a n d ) 指基带信号，即 有效信号本身，不经过调制直接在满足该基带工作频段的信道上传输。对于不同的方案， 中心控制站和基站的设备也有所不同，将在第二章详细 既明。 1 2 高速电信号发生器的应用和发展 高速电信号发生器也常称作射频信号发生器，它在无线数据通信、光纤通信及其它 领域有着重要的应用价值。它可以被用作测量仪器中的时钟源，也可以作为本地振荡器 用在宽带无线接入、卫星通信系统、无线局域网以及无线通信基站中。在国内，由于市 场基本被少数国外公司产品垄断，成套信号发生器设备价格昂贵，因此开发一种成本低 廉、简单可靠和使用方便的高速信号发生器很有现实意义 在r o f 系统中，高速信号发生器可以用做本地振荡信号，用于控制站或基站中，根 据不同的系统方案，它输出的信号频率可以在2 5 g h z 的i f 频段，也可以在r f 频段。 由于r f 频段的电信号频率太高，用传统的高频电路很难实现，而且目前已可能用光波 拍频的方法得到r f 频段的微波信号【4 】，所以本文中将会设计并实现一种输出信号频率在 2 5 g h z 频段的高速信号发生器这种i f 频段的信号发生器在r fo v e rf i b e r 和i fo v e r f i b e r 系统方案中都会被用到。 目前的高速信号发生器均通过频率合成技术来实现，可以分为直接频率合成法、锁 相频率合成法和直接数字频率合成法【1 1 直接频率合成法是采用单个或多个不同频率的 晶体振荡器、倍频器、分频器和具有选频功能的滤波器的不同组合来实现频率合成的方 法。利用不同组合的四则运算，即可产生频率间隔较小的离散频率系列。锁相频率合成， 也称间接频率合成( i s ，i n d i r e c tf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 是基于锁相环同步原理，从一个高 准确度、高稳定度的参考晶体振荡器综合出大量离散频率的一种技术。锁相频率合成技 术由于系统结构简单，输出频率成分的频谱纯度高，而且易于得到大量离散频率，它已 成为目前频率合成技术的主要方式。直接数字频率合成( d d s ，d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i s ) 是一种基于全数字的从相位概念出发直接合成所需要波形的新的频率合成技 术，近年来，随着微电子技术发展的器件水平的提高，它在工作频率范围、频率转换速 度、相位连续性、正交输出、分辨力等方面已能超过传统的频率合成方式，得到了广泛 的应用在我们设计的信号发生器中，采用的是锁相频率合成法，因为这种方法最简单 浙江大学硕 ：毕业论文 和成熟，易于实现，也能达到我们的要求。 在国外，m i k e c u r t i n 运用锁相合成芯片a d f 4 1 0 6 设计了一个6 g h z 的本地振荡器1 5 1 ， 瑞士联邦技术研究所的t h o m a sa b o s 、f r i e d b e r tb a y e r 和u r sl o t t 设计了一个1 6 2 g h z 的锁相振荡器，并可通过改变参考频率得到1 5 6 1 g h z 到1 6 3 4 g h z 的输出i 引。在国内， 中国科技大学的阮福明、陈曦等应用锁相频率合成技术和l m x 2 3 0 6 频率合成芯片产生 了频率为6 1 4 4 m h z 、7 6 8 m h z 和9 2 1 6 m h z 的输出信号1 7 1 。另一篇芯片应用上的文 章基于d d s 和p l l 结合的频率合成方案，利用d d s 芯片a d 9 8 5 2 和集成锁相环s y 8 9 4 2 l 设计了一种输出频率为o 1 m h z 2 0 0 m h z 的高速时钟电路【”。在本文中，我们利用锁相 环技术实现了一种输出信号速率达到2 5 8 g h z 的单频信号发生器。 1 3 微波光子滤波器的应用和发展 微波光子滤波器，也可以被称作光子微波滤波器，它的作用是使有用的微波信号通 过而抑制噪声和无用信号，与传统的微波滤波器的不同之处在于这种微波滤波器是用光 纤和光器件来实现，是一个光纤或光学子系统。微波光子滤波器特别适用于r o f 系统 中，当光波中不止载有一路副载波信号时，可以在基站的光电转换之前放置微波光子滤 波器滤出想要的副载波信号而抑制不需要的信号；当多路副载波信号不可避免的发生交 调时，有可能用微波光子滤波器滤除噪声和交调项。微波光子滤波器与传统的微波滤波 器相比较，由于其与光纤有关的固有优点如低损耗、高带宽、抗电磁干扰，以及有可能 实现通带可调和频率响应曲线可重构等，引起了广泛的兴趣。 在研究微波光子滤波器的过程中，常常把它作为一个独立的子系统，而不是只把它 局限在r o f 系统中。因此可以不必局限于光源的数量。微波光子滤波器的示意图如图 1 2 所示。 电信号输入 出 图1 2 微波光子滤波器示意图 如果将光信号的输入输出看作是滤波器的输入和输出，那么可以仅仅把光信号处理 浙江大学硕上毕业论文 单元看作是滤波器；如果把需要的电信号的输入和输出看作是滤波器的输入和输出。那 么光源、调制器、光信号处理单元和光探测器的整体被看作是滤波器。在研究微波光子 滤波器时，由于把它作为独立的系统，而且由于它的功能是对微波信号进行处理。通常 取后者的定义。即光源、调制器、光信号处理单元和光探测器的整体被看作是滤波器。 如果把这个滤波器放在r o f 系统中，由于r o f 系统本身已含有光源、将电信号加载到 光波上的电光调制器、以及进行光，电转换的光探测器，那么需要设计的仅仅是光信号 处理单元。 近年来，对微波光子滤波器的研究很热门，既有研究滤波器结构的，也有研究滤波 器性能的。在国外，i e e e 的j o s ec a p m a n y , b e a t r i zo t r e g a 和d a n i e lp a s t o r 等对微波光子 滤波器作了比较系统的综述1 9 1 0 1 ，g n i n g , s a d i t y a 等运用在非线性光纤环镜中加入啁啾 光栅和相位控制器的方法设计了一个可调光子锾波滤波器i ”，悉尼大学的e h 。w c h a n 和l 乙a m i n a s i a n 对光纤延迟线微波信号处理的光源的相干性控制作了比较深入的研究 0 2 1 ，j o s ec a p m a n y 从理论上研究了非相干离散时间微波光子滤波器的级联特性，只针对 理论计算而不针对具体滤波结构得出了两个无限冲激响应滤波器级联不稳定的结论i 玎1 ， 但在我们后面的研究中可以发现，这种不稳定远不像他描述的那样严重，缴联滤波的性 能相对于单个滤波器滤波性能是可以有所改善的在国内，微波光子滤波器的研究刚刚 起步，浙江大学的池颖、章献民和沈林放设计了基于光纤环和啁啾光栅的无源可调谐微 波光子滤波器结构【1 4 1 在本文中，主要针对光纤环滤波器，对非对称耦合环路的性能、 增益介质的影响、级联的情况进行了详细研究，并基于光纤环结构设计了种可调微波 滤波器。 1 4 论文结构 该论文是针对r o f 通信技术中的设备而提出的，论文的内容是r o f 系统中的高速电 信号发生器和微波光子滤波器的设计与实现。该高速电信号发生器的输出信号频率在 2 5 g h z 频段，可以作为本地振荡器；而所设计的微波光子滤波器可以用在基站的光电转 换之前，在光域实现微波信号的滤波 本文第二章主要介绍r o f 系统的结构，第三章详细说明2 5 g h z 信号发生器的设计 原理和具体实现，第四章详细研究微波光子滤波器豹滤波原理、结构和性能，第五章将 我们设计的信号发生器和微波光子滤波器用于r o f 系统模型中进行测试。 浙江大学硕士毕业论文 第二章r a d i oo v e rf i b e r ( a o f ) 系统 2 1r o f 系统简介 目前的无线通信中使用的微波载波的频段在3 g h z 以下，信息传送速率在k h z ，未 来的无线网络必然要向高带宽高信息速率升级，这也意味着需要采用频率更高的微波作 为载波。但是微波频率越高，在自由空间中衰减就越快，传输距离就越短，中继和基站 的数目就越多，花费也将越大。而标准的单模光纤具有极低的损耗和较小的色散，如果 能用光纤来连接无线通信中从控制站( c s ，c o n t r o ls t a t i o n ) 到基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 的那一段，则能节省微波中继站的费用，极大的降低成本。因此，将有线( 光纤) 通信 与无线通信相结合的r a d i oo v e l f i b e r 技术应运而生。r a d i oo v e rf i b e r 翻译成中文是“光 纤无线电”，即把微波信号加载在光波上，通过光纤将该复合信号传输到远端，在远端 通过光电转换恢复出所需要的微波信号的一种技术，以下简称r o f 基于r o f 技术的 无线网络被认为是能同时满足用户对高带宽和移动性需求的一种经济的解决方案，具有 很好的应用前景。在r o f 系统中，控制站通过光纤与多个功能简单的基站相连，所有的 处理功能，包括调制解调、编解码、路由等在控制站完成：基站的主要功能是实现光信 号和微波信号的转换也就是说，r o f 系统利用高线性光纤链路在控制站和基站之间分 配电信号其中从控制站到基站( 或移动用户) 方向的信号传输称为下行链路，从基站 ( 或移动用户) 到控制站的信号传输称为上行链路。 从系统设备来看，一个r o f 系统需要将高频电信号( 微波信号) 载到光波上的硬 件设备，光纤链路，以及从光载波中恢复出高频电信号的硬件设备。光载波的波长通常 选在标准单模光纤具有最小色散的1 3 3 u r n 窗口或者具有最小损耗的1 5 5 u m 窗口。 为了有别于光载波，微波载波常被称做副载波。需要传送的信息可以被认为不管是 在有线传输阶段还是无线传输阶段，都是载在这个副载波上的：而在有线传输阶段，这 个副载波被载在了光波上在r o f 系统中，可以把加载在光波上的电信号分为基带( b b ， b a s eb a n d ) 信号、“中频”( i f , i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ) 信号和“射频”( 贼r a d i of r e q u e n c y ) 信号。其中基带信号指的是需要传输的信号本身，即不需要调制到副载波上；“中频” 信号指的是小于2 0 g h z 的副载波信号，这个中频是相对于毫米波而言，而在电子设备 中，信号的速率达到几百g t t z 以上已属高频信号；“射频”信号指的是毫米波频段的副 6 浙江大学硕 毕业论文 载波信号，这个射频是指通过天线发射到自由空间的信号频率，在r o f 系统的讨论中 都是指的毫米波，因此远比传统射频电路中的所说的“射频”高得多。在r o f 系统的 研究中，常把最后通过天线发送到自由空问的信号定在毫米波段在以下的内容中，将 用c s 代表控制站，b s 代表基站，m h ( m o b i l eh e a d ) 代表移动用户终端，b b 代表基 带信号，i f 代表。中频”信号，r f 代表“射频”信号在本文中，把载在光波上的微 波信号称作副载波信号或高频电信号，在自由空间的微波信号称作微波信号或无线电信 号。 2 2r o f 光链路 2 2 1r o f 模拟光链路 传统光网络中主要传输的是数字信号，而r o f 系统由于其在控制站到基站之间的 光纤上传输的是被调制的波形信号，因此是一个模拟传输系统。事实上，在光纤中传输 的模拟信号可以是r f 信号、i f 信号、或者b b 信号。对于传输i f 和b b 信号的情况， b s 中需要额外的硬件设备来实现从i f 信号或b b 信号到r f 信号的上变频转换。在光 发送机中，r f i f b b 信号可以通过直接调制或外调制加到光载波上。在理想情况下，希 望光链路的输出信号与输入信号相同，然而，激光器或调制器和探测器的非线性以及光 纤中的色散会对系统性能有所限制【1 5 1 2 2 2 基本的信号产生方法 目前的实际应用中，所有传输副载波信号的光链路用的都是光的强度调制。有三种 方法可以实现在强度调制的光链路上传输副载波信号，即直接强度调制、间接强度调制 和远端外差法。 1 直接强度调制 直接强度调制是用载有信息的副载波信号调制光源的电参数，在实际应用中，这个 电参数是光发送机中激光器的注入电流。通过调制激光器的注入电流来改变输出光强。 2 问接强度调制 间接强度调制是用一个外部光强度调制器调制光源输出的连续光在副载波频率大 于1 0 g h z 的系统中，一般用外调制。外调制器一般有电吸收型( e a m ) 和马克曾德电 浙江人学顾| i ：毕业论文 光调制型( e o m ) 图2 1 是强度调制直接检测的示意图 册 幽2 1 强度调制直接检测 3 远端外差法 在远端外差法中，微波信号是通过光在远端基站处产生外差作用产生的。光源产生 两个或两个以上的光信号，其中有一个是用载有信息的副载波信号调制了的，这些光信 号经过光纤传输后在基站通过光电探测器或光拍频产生所需的微波信号如果在控制站 中将毫米波段的微波信号直接加载到光波上，光纤色散以及已调光信号的上下边带的相 干混频会极大的限制传输距离，例如，对于1 5 5 u m 波长光以6 0 g h z 副载波强度调制时 会在l k m 的光纤长度内产生一个传输零点( 此点的副载波信号强度为零) ，在这种情况 下，应该用微波信号的光外差法而不是直接传输r f 信号。 2 2 3 r o f 系统的线路结构 在从控制站到基站的下行链路方向，来自公共交换电话网( p s t n ) 、互连网 ( i n t e r a c t ) 、或其它控制站的信息信号被送到本地控制站的微波调制解调器( r a d i o m o d e m ) 中，解调出的r f 、礤或者b b 波段的信号调制激光器( l d ，l a s e r d i o d e ) 输出 的连续光波，如图2 2 所示。由前文可知，如果副载波频段较低，我们可以用副载波信 号直接调制l d ；如果副载波频段较高，例如毫米波段，可以用外部光调制器。已调光 信号通过光纤传到b s ，在b s 中，用光探测器( p d ，p h o t o n d e t e c t o r ) 探测已调光信号， 得到r f i f b b 副载波信号。在这里，我们假设最后天线发送到自由空间的微波定在r f 频段，因此，被恢复的副载波信号，如果是i f 或b b ，则需要上变频到r f ，然后通过 基站的天线发射给移动用户终端。按照加载在光波上的信号是否是有效信号本身以及所 使用的副载波的频段，r o f 系统方案可以分为r fo v e rf i b e r 、i fo v e rf i b e r 和b bo v e r f i b e r 三种。其结构分别如图2 2 ( a ) ，c o ) ，( c ) 所示。另外，直接调制激光器传输微波信号的 模型如图2 2 ( d ) 所示【3 】 浙江大学硕七毕业论文 p 吼 兰掣 吧磐 酩 k 舄响 ：f j j - i k 二 讳枉 哳姓 f _ 气僻 7 由。 1 u 柏 f - 牝 ，；、- jm1 ( 粥tm 叫嘶m b s恤q r m t 竺塑上 幽 叫型卜 ：f f、z、* oq_一、f州 u m 可 ( 0 哥群3 ( c ) p a s o 粤謦 鹊 广i 一 ( 0 ) 卜 砖。姆 u 黼 善一、? 、亡岣瞳 蒿滞哪j 咽一 图2 2 ( a ) r fo v c rf i b e r , ( b ) i fo y c i f i b e r , ( c ) b bo v e rf i b e r , ( d ) 直接强度调制 在图2 2 ( a ) 中，控制站中接收到有效信息并通过i f 频段的本地振荡器和r f 频段的 本地振荡器变频到r f 频段，通过光调制器( e o m ) 载到光波上传输到基站，由于光波 上直接载有的是r f 频段的微波信号，被称为“r f - o v e r - f i b e r 在每个基站，通过探测 器( p d ，p h o t od i o d e ) 从已调光信号中恢复出r f 信号，通过天线发送给用户终端。 r f - o v e r - f i b e r 方案的优点是基站简单，缺点是光传输过程中易受光纤色散影响，严重限 制了传输距离。在图2 2 c o ) 中，控制站中接收有效信息并通过i f 频段的本地振荡器变频 到球频段，通过e o m 载到光波上传输到基站，由于这种方式中光波上载有的是i f 频 9 浙江大学硕士毕业论文 段的微波信号，被称为“i f - o v e r - f i b e r ”。在每个基站，通过p d 探测已调光信号来恢复 出i f 信号，上变频到r f 频段，然后发送绘用户终端。在这种方案中，虽然基站需要 r f 频段的本地振荡器( l 0 ，l o c a lo s c i l l a t o r ) 来实现上、下变频，但是传输途中的光纤 色散影响被减轻了。在图2 2 ( c ) 中，控制站中的有效信号( 也就是基带信号) 通过e o m 直接载到光波上被传输到基站，由于这种方式中光纤传输的是基带信号，被称为 “b b - o v e r - f i b e r ”。在每个基站，通过p d 探测已调光信号来恢复出基带信号，通过i f 频段和r f 频段的本地振荡器上变频到r f 频段，然后发送到m h 。在这种方案中，光 纤色散效应可以被忽略，但是这种方案的基站结构复杂，而且由于要传送的基带信号的 频率范围一般差不多，不能采用频分复用，只能采用时分复用或码分复用。图2 2 ( d ) 中，在控制站中用基带信号或载有信息的副载波信号直接调制激光器，在每个基站，通 过p d 探测已调光信号来恢复出调制信号，上变颓到r f 频段，然后发送到m h 。这种 方案适用于传送频率小于1 0 g h z 的信号。 从基站到控制站的上行链路是相反的过程。在( a ) 中，基站接收到的信号通过e o m 调制连续光波( 这个光波来自基站中的激光器，或者可以通过光纤将一路光波从控制站 传输到基站) ，经过放大直接传输到控制站。在( b ) 和( c ) 中，基站接收到的信号经放大 和下变频到i f 频段或基带，然后通过e o m 调制连续光波后传输到控制站。( d ) 中，基站 接收到的信号经放大和下交频到i f 频段或基带，然后直接调制l d 产生光信号后传输到 c s 。 由以上的结构比较可以看出，通过降低控制站中调制信号的频带，例如i f - o v e r - f i b e r 或b b - o v e r - f i b e r ，光调制器需要的带宽( 调制频率) 大大降低了，这对于r o f 结合密 集波分复用( d w d m ) 非常重要然而，由于在下行链路中需要上变频以及在上行链路 中需要下变频而增加了基站中的设备在r f 副载波传输中，只有毫米波光调制器和高 频p d 分别被用做电光转换( e o ) 和光电转换( o ，e ) ，基站的结构才能得到简化，而 且光纤色散对信号传输有比较严重的影响。综合考虑，i fo v c tf i b e r 方案略占优势，但 目前i fo v e rf i b e r 方案和r fo v e rf i b e r 方案都是主要的研究对象。 2 3r o f 系统中的本地振荡器和滤波器 鉴于我们的实验设备，在第五章的系统实验中将采用i f - o v e r - f i b e r 模型，即在光波 上加载的是i f 频段的副载波信号( 实验中不考虑基站的上变频部分) 。设计的副载波信 浙江大学硕l 毕业论文 号源( 本地振荡器，在后文中称为信号发生器) 的频率在2 5 g h z 频段；同时由于所用 d i b 激光器的内调制( 直接调制) 频率不够商( 2 7 0 h z ，l k l i z 和2 k t t z ) ，且必须是数字方 波调制，而已有的m z 电光调制器( m z - e o m ) 的带宽达到1 0 g h z ，因此采用e o m 外 调制，即用调制器调制光源输出的连续波：另外，基站中的微波信号可能需要滤波，我 们用设计的光子微波滤波器取代了传统的微波滤波器，在进行光电转换前实现滤波功 能。本地振荡器( 信号发生器) 和光子微波滤波器的设计与实现将在第三章和第四章详 细既明。 浙江大学硕i 毕业论文 第三章2 , 5 g h z 信号发生器的设计与实现 3 1 高速信号发生器的实现原理 3 1 1 频率合成技术简介 信号发生器是产生一定频率一定波形的电信号输出的电路系统，根据不同的需求或 不同的用途常被称作信号源或时钟源，可以被用作本地振荡或时钟恢复。当前高性能的 信号发生器均通过频率合成技术来实现1 7 1 。 频率合成是从一个或几个单一频率的低频晶体振荡器出发合成产生大量需要的频 率的方法，合成出的频率的准确度和长期稳定性与低频晶体振荡器的准确度和稳定性一 致。目前主要的频率合成技术是锁相法和直接数字法。在这里主要介绍锁相式频率合成 技术。因为这种技术最普遍和成熟，而且我们的信号发生器是用这种技术来实现的。在 将锁相环路用于频率合成之前，先来介绍一下锁相环的基本组成、工作原理和性能指标。 3 1 2 锁相环的基本组成与原理 3 1 2 1 锁相环的基本组成 锁相环( p l l , p h a s el o c k e dl o o p ) 是由鉴相器( p d ，p h a s ed e t e c t o r ) 、环路滤波器 ( l f l o o pf i l t e r ) 和压控振荡器( v c o ，v o l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ) 三个基本部件组成的 一种相位反馈控制系统，基本组成如图3 1 所示。 图3 1 锁相环的组成 它是通过比较输入信号和压控振荡器输出信号的相位，产生与该相位差成正比的电 压作为误差电压来控制压控振荡器的振荡频率，使其与输入信号的频率相等。锁相环的 信号输入端为鉴相器参考频率输入端，信号输出端为压控振荡器的输出端锁相环系统 浙江大学碗l ：毕业论文 的响应是对输入输出信号的相位或频率而言，而不是它们的幅度。 下面介绍一下锁相环的三个基本组成部件。 1 鉴相器 鉴相器有两个输入信号。一个是角频率为q ，对应频率为z 的参考输入信号电压： 一( f ) = 1 k s i n ( q ，+ 仍) = v s i n ( 2 # f ，+ 仍) ( 3 1 ) 另一个是压控振荡器的输出信号电压设j 丌环( 没有反馈回路) 时压控振荡器的自 由振荡角频率为蛾( 即不受外部电压控制时的振荡角频率) ，闭环( 有反馈回路) 时其 瞬时角频率从q 变到。对应频率的变化从f 到五输出电压为： v o ( t ) = v _ c o s ( c o o t + c z ) = v o c o s ( 2 x f o t + 够2 ) ( 3 2 ) 其中砚和仍为信号的初始相位为了分析方便，假设仍和仍均为零并将叶( f ) 和匕( ，) 均 以压控振荡器的自由振荡角频率q 为参考，写为 其中仍o ) = ( q q ) ， 称为输入相位， 对应厶谚= ( 哆一哆) 称为固有输入角频差； 仍( f ) = ( 一q ) ， 称为输出相位， 对应眈= ( 一q ) 称为控制角频差。 并定义误差相位为纯( f ) = 够( f ) 一纯( ，) = ( q 一) f ， 对应的皱= h 一哝) 为瞬时角频差。 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ”o 叫俐咿枷 蜓 叫h r = = 1 弘裟叭帕砷”哟删 浙江大学硕士毕业论文 鉴相器的功能有两个，一是比较两输入信号的相位( 即相位相减) ，二是将相位差 变为电压【2 】，该电压称为误差电压产生的误差电压的平均分量是相位差纯( 也即前文 的误差相位) 的函数，即 o ) = ，【纯( ，) 】= 厂【仍( ，) 一纯( ，) 】 ( 3 io ) 厂【】表示相位差与电压之间的函数关系，它与鉴相器的电路形式有关 理想鉴相器的功能是：产生的输出电压的平均分量屹与两输入信号的相位差呈线性 关系，即 ( f ) = 以纯( r )( 3 1 1 ) 其中4 为鉴相灵敏度，单位是v l r a d ，这是鉴相器的一个重要指标一个理想鉴相器的 鉴相灵敏度应与输入信号的幅度无关。当鉴相特性不为线性时，一般定义为仍= o 点上 的灵敏度。 鉴相器的另一个重要指标是线性鉴相范围，因为在很多情况下线性鉴相特性不一定 满足。实际应用中，鉴相器的工作频率也是要注意的，需要保证参考输入信号和进入鉴 相器的反馈信号的频率在这个范围内。 常用鉴相器可以分为模拟鉴相器和数字鉴相器两大类。模拟鉴相器的输入是各种模 拟信号，适用于锁相和解调；数字鉴相器的输入必须是数字信号，在频率合成器中用得 较多【1 1 数字鉴相器中有一种边延触发的鉴频鉴相器性能最好用得最多，它既可鉴相又 可鉴频，可以实现锁相环的快速锁定，我们的电路中就是选用的这种鉴频鉴相器。将在 3 2 2 节详细介绍。 2 环路滤波器 锁相环路中的滤波器是一个线性低通滤波器，它的输入是鉴相器的输出电压屹( r ) ， 它滤除电压( f ) 中的高频成分和噪声，取出平均分量匕( ，) 去控制压控振荡器的工作频 率。环路滤波器可以改善控制电压的频谱成分，增加系统的稳定性，对锁相环路的各项 性能都有着重要的影响。 表示滤波器输入输出关系的是滤波器的传递函数4 ( s ) v c ( j ) = a p ( s ) ( j ) 1 4 ( 3 1 2 ) 浙江大学硕士毕业论文 其中s 是系统的复频率，屹( s ) 和叱( s ) 分别对应( ，) 和v c ( f ) 的拉普拉斯变换。当求系统 的稳态响应时，可将s = ，q 代入，此时4 u q ) 就是滤波器的频率特性。如果用微分算 子p 代替复频率s ，即可得到环路滤波器的时域方程： v c ( ，) = a r ( p ) ( f ) ( 3 13 ) 环路滤波器由电阻、电容和运算放大器等线性元件组成。锁相坏中通常采用一阶电 路，常用的环路滤波器如图3 2 所示 rr i ( a ) 简单r c 滤波器 ( b ) 无源比例积分滤波器( c ) 有源比例积分滤波器 图3 2 常用的环路滤波器 本信号发生器中所选用的环路滤波器结构及计算将在3 2 3 4 节详细介绍。 3 压控振荡器 在锁相环中，压控振荡器( v c o ) 是在外加控制电压k ( f ) 的作用下，输出信号频率 按一定规律变化的振荡电路。压控振荡器的工作原理及电路与调频电路基本相同，如图 3 3 所示 制输出 图3 3 压控振荡器工作原理图 以直接调频电路来说明压控振荡器的工作原理。在l c 回路决定振荡频率的振荡器 中，将一个可变电抗元件接入回路，使可变电抗元件的电抗值随调制电压而变化，即可 浙江大学硕士毕业论文 使振荡器的振荡频率随调制信号而变化。即 8 ) = 脚；+ g 【( f ) 】 3 。1 4 ) 其中q 是压控振荡器的自由振荡角频率，即控制电压匕( ，) = o 时的振荡频率g 【】表示 频率随电压变化的函数关系。适当设计电路参数，并在定的电压变化范围内时，压控 振荡器的频率变化可以与控制电压呈线性关系 蛾( r ) = q + 4 0 v a ( t ) ( 3 1 5 ) 其中，4 为压控灵敏度，单位是( r a d s ) v 。 在锁相环路中，v c o 的输出作为鉴相器的输入，但在鉴相器中起作用的是瞬时相 位丽不是角频率畋由于相位是频率的积分t 即 i 眈( f ) d r = c a t + f 以咋( f ) 办 ( 3 1 6 ) 得到输出相位纯( f ) = 4 f 匕( r ) j r = 告吃( ，) ( 3 1 7 ) 由此可见，v c o 在锁相环中起了一次积分作用，因此也被称为环路中的固有积分环节。 综上所述，将三个基本部件的模型合