（光学工程专业论文）基于光子倍乘法的毫米波rof光传输系统性能的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，一种新的宽带接入技术毫米波r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术已经逐渐 成为当今通信领域中的一个研究热点。这种技术结合了无线传输和光纤传输的优点，它既 可以增大通信容量又可以降低设备成本。毫米波r o f 光传输系统的研究中有三个关键技术， 分别是毫米波信号的生成方法、光纤色散效应对系统传输性能的影响和基站( b a s e s t a t i o n ) 设备的低成本。本论文对前两种关键技术作了深入的研究，重点是毫米波r o f 信号的光学生成方法。 首先，论文综述了r o f 技术的研究背景，毫米波r o f 光传输系统的结构、技术特点、 研究现状和关键技术；理论分析和比较了几种毫米波r o f 信号的光学生成方法的特点。 然后，论文重点分析了一种基于光子倍乘法的毫米波信号发生器技术。在理论分析了 光子倍乘法原理，扫频光波产生原理以及周期性光滤波器的滤波特性之后，建立了一种基 于该方法的6 0 g h z - r o f 信号发生器的系统模型，并选用m a c h - z e h n d e r 干涉仪和 f a b r y p e r o t 光滤波器作为周期性光滤波器：根据系统模型结构，论文分别对三角扫频波 和正弦扫频波的系统性能进行了数学分析和数值仿真，并对系统性能进行了优化，仿真的 结果表明：四种扫频波系统都可以产生6 0 g h z 的毫米波载波信号，但从输出信号频谱特性 和工程实现角度等方面综合比较，选择正弦波作为扫频信号较为适宜。此外，论文还提出 了一种对上述系统的改进方案，即用频率可调的预啁啾激光器代替原来的系统模型中扫频 光波产生装置，并且通过数值仿真验证了这种方案的有效性。 接着，论文分析了光纤色散对两种毫米波r o f 光传输系统传输性能的影响，这两种系 统分别是双边带光强度调制的系统和基于光子倍乘法的系统。通过数值仿真，说明了基于 光子倍乘法的毫米波r o f 光传输系统具有很好的容忍光纤色散的优点。 最后，论文介绍了r o f 技术在各种不同领域中的应用，体现了该项技术良好的实用价 值。 关键字：r o f 。光子倍乘法周期性光滤波器预啁啾光纤色散 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y , an e w k i n do fb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g y , t h a ti sm i l l i m e t e r - w a v er o f ( r a d i o o v e rf i b e r ) t e c h n o l o g y , i sb e c o m i n gar e s e a r c hh o t s p o to ft e l e c o m m u n i c a t i o n sa r e a t h i sk i n do f t e c h n o l o g yw h i c hi n t e g r a t e st h ea d v a n t a g eo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n df i b e rt r a n s m i s s i o n , c a n i n c r e a s et h ec a p a c i t yo fc o m r m m i c a t i o na n dd e c r e a s et h ec o s to fd e v i c e t h e r ea r et h r e ek e y t e c h l o g i e s i nt h es t u d yo fm i l l i m e t e r - w a v er o fo p f i c a l - t r a n s m i s s i o ns y s t e m , w h i c ha r e g e n e r a t i o nm e t h o d so fm i l l i m e t e r - w a v es i g n a l ，a f f e c to fs y s t e mp e r f o r m a n c ec a u s e db yf i b e r d i s p e r s i o na n dc o s td e c r e a s i n go fb a s e s t a t i o nd e v i c e t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef i r s tt w o k e yt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yo no p f i c a l - g e n e r a t i o nm e t h o d so f m i l l i m e t e r - w a v es i g n a l f i r s t l y , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fr o ft e c h n o l o g y , t h es t r u c t u r e ，f e a t u r e ，r e s e a r c h s i t u a t i o na n dk e yt e c h n o l o g i e so fm i l l i m e t e r - w a v er o fo p t i c a l - t r a n s m i s s i o ns y s t e ma l e s u m m a r i z e di nt h i sp a p e r b e s i d e st h a t , af e wo fo p t i c a l - g e n e r a t i o nm e t h o d so fm i l l i m e t e r = w a v e s i g n a la r ea l s oa 叫y z e da n dc o m p a r e dt h e o r e t i c a l l y s e c o n d l y , i ta n a l y z e se m p h a t i c a l l yo n e k i n do fm i l l i m e t e r - w a v es i g n a lg e n e r a t o rb a s e do n o f m ( o p t i c a lf l c q u e n c ym u l t i p l y i n g ) t e c h n o l o g yi nt h i sp a p e r a r e ra n a l y z i n gt h e o r e t i c a l l yo n t h ep r i n c i p l eo fo f m ，t h eg e n e r a t i o nt h e o r yo fs w e e p i n go p t i m a l - w a v ea n dt h ef i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fp e r i o d i c a lo p t i c a l f i l t e r , t h e6 0 g h zs y s t e mm o d e lo fm i l l i m e t e r - w a v eg e n e m t o r b a s e do no f m t e c h n o l o g yw h i c hu s e sm a c h - z c h n d e ri n t e r f e r o m e t e ro rf a b r y p e r o to p t i m a l f i l t e r a sp e r i o d i c a lo p d c a l - f i l t e ri sb u i l t a c c o r d i n gt ot h es y s t e mm o d e ls t r u c t u r e ，t h i sp a p e rm a k e s m a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o n sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sr e s p e c t i v e l yo nt h es y s t e m se m p l o y i n g t r i a n g u l a r - w a v ea n ds i n u s o i d a l - w a v ea ss w e e p i n gw a v e ，a n do p t i m a i z e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e s a l ls i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ef o u rk i n d so fs y s t e m sc a n g e n e r a t e 6 0 g h z m i l l i m e t e r - w a v es i g n a l h o w e v e r , c o m p a r i n gs p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so fo u t p u ts i g n a l sa n d t a k i n ge n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o no ft h es y s t e m si n t oa c c o u n t , t h es i n u s o i d a l - w a v ei sc h o s ea s p r o p r i a t es w e e ps i g n a l i na d d i t i o n , i tp r e s e n t sa ni m p r o v e m e n ts c h e m eo fo f ms y s t e mw h i c h a d o p t i n gap r e - c h i r p - l a s e rw i t ht u n a b l e f r e q u e n c yi n s t e a do fs w e e p i n gd e v i c ei no r i g 妇am o d e l t h ec o r r e c t n e s so ft h i si m p r o v e m e n ts c h e m ei st u r n e do u tv i an u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e n , i ta n a l y z e so nt h ea f f e c to ft w ok i n d so fm i l l i m e t e r - w a v er o fo p t i m a lt r a n s m i s s i o n s y s t e mp e r f o r m a n c ec a u s e db yd i s p e r s i o n , w h i c ha r ed o u b l es i d e b a n do p f i c a im o d u l a t i o nr o f s y s t e ma n do f m r o fs y s t e ma r e ra n a l y z i n gt h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e ro ff i b e ra n dt h ea f f e c t o ff i b e r - c o m m u n i c a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c ec a u s e db yd i s p e r s i o n i tp r o v e st h a tt h el a t t e r s y s t e mh a sg o o dt o l e r a n c eo ff i b e rd i s p e r s i o nb ym e a n so fs i m u l a t i o n f i n a l l y , av a r i e t yo fa p p l i c a t i o n so fr o ft e c h n o l o g yi nd i f f e r e n tf i e l d sa r ei n t r o d u c e d i t 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文摘要 s h o w st h a tt h ep r a c t i c a lv a l u eo fr o ft e c h n o l o g yi sv e r yg o o d k e y w o r d s ：r a d i o - o v e r - f i b e r o p t i c a lf r e q u e n c ym u l t i p l yp e r i o d i c a lo p t i c a l - f i l t e r p r e - c h i r p f i b e rd i s p e r s i o n i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得南京邮电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 的说明并表示了谢意。 研究生签名：装主公日期：! 军差鱼座2 1 1 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期间的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：装；惑导师签名：盈丝丝日期：型啦 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 r o f 技术的研究背景 第一章绪论 进入二十一世纪以来，随着人们对数据、图像以及视频点播( v o d ) 等宽带业务的需 求不断增长，宽带接入技术进入了一个快速发展的时期。目前，各种宽带接入技术的发展 方兴未艾，呈现出多样化的发展趋势。宽带接入技术可划分为有线接入技术和无线接入技 术。以w i m a x 等技术为代表的宽带无线接入技术是宽带接入领域中的一支生力军，与有线 接入方式相比，这类技术具备建设周期短、工作频带宽、可按用户需求动态分配系统资源、 系统维护成本低等优势，因此拥有着广阔的发展前景。 目前所用的无线频带带宽比较窄，微波以下的频段均被占用，为了避免信道拥挤和相 互干扰，进一步提高接入速率，增大带宽，那么必然就要提高工作频率，即要求无线通信 能突破拥挤的低频波段，向更高频率的毫米波段扩展( 从目前常用的9 0 0 m h z 频段提高到 几到数十g h z ) 。然而，无线通信易受大气环境的影响，尤其是高频段的毫米波很容易被大 气中的氧和水分子吸收，衰减极大，不能实现长距离的传输。例如氧对6 0 g h z 的毫米波吸 收峰为l o d b k m 。这么大的衰减会显著限制毫米波信号的传输距离。光纤传输系统具有传 输带宽大、距离长和抗电磁干扰能力强等一系列的优点如果选用毫米波作为基站一移动 终端的宽带接入方案，选用光纤作为中心站一基站间信号的传输介质，那么就可以使目前 的移动通信系统达到更高的传输容量，同时实现超长距离的传输。 于是，一种新的宽带无线技术r o f 技术就应运而生了。将光纤通信技术融合到无 线通信网中就构成了射频光传输系统，即r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 系统。因为6 0 g h z 频段 允许很高的频谱重复利用率，目前也尚未有统一的频谱分配标准。这个频段的系统传送信 息的速率可达1 0 0 - 2 0 0 m b p s 量级，频带非常宽，而且系统的天线可以设计得更小更轻。所 以毫米波r o f 光传输技术倍受青睐，6 0 g h z - r o f 系统也成为当前各国学者们研究的热点。 1 2 毫米波r o f 光通信系统概述 1 2 1毫米波r o f 光通信系统的基本结构 典型的毫米波r o f 通信系统的结构如图1 - 1 所示，基站( b a s es m t i o n b s ) 与中心站 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( c e n t r a ls t a t i o n , c s ) 之间通过光纤连接。在中心站，对激光器发出的光载波进行强度调制得 到光信号，经下行链路的光纤传送到基站，由光电探测器对光信号进行解调，获得基站所 需的毫米波信号，放大后通过天线发射到移动终端。在上行链路，基站将接收到移动终端 的信号，经过下变频处理，调制数据后送回到中心站进行操作处理。为了简化基站结构， 信号处理工作几乎都在中心站完成，包括多路交换、路由，上下变频及频率管理，完成e o 的转换和滤波功能。而基站只实现o e 转换、滤波、放大以及无线信号发射和接收。这样 就可以简化基站，从而到达降低系统成本的目的。 图卜lr o f 光传输系统的基本机构框图 1 2 2 毫米波r o f 光通信系统的特点 将光纤通信技术引入无线通信的目的就是要利用光纤的一些特性对无线通信网络进 行优化。毫米波r o f 通信系统具有以下特点： 第一，r o f 通信所采用的载波频率高，传输距离长。毫米波频率约在3 0 - 3 0 0 g h z 范围 内，可以传送大量的视频和语音信号。 第二，光纤的衰减损耗低，抗电磁干扰性强。光纤的极低损耗，使得小区的范围仅仅 取决于毫米波信号的传输距离和传输环境。 第三，该系统具有动态的资源管理。光纤传输链路对于所有射频信号是“透明一的， 也就是说系统具有很大的灵活性，可在不对传输链路进行改造的基础上，方便地对每个小 区的调制方式或载波频率进行改变。 第四，易于安装和维护。在r o f 系统中，复杂而昂贵的设备都在中心站，简化了远端 天线单元( r e m o t ea n t e n n au n i t ，r a u ) 的结构。这种结构可以使r a u 更加轻便小巧，有 效的降低了系统的安装和维护成本。 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。由于 日益增长的宽带移动通信的需要和在较低频段的拥挤，r o f 系统中的无线频率由微波向毫 米波发展是不可避免的。全球移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a lm o b il et e l e c o m m u n i c a t i o n 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 s y s t e m ) 要求速率达到2 m b p s ，下一代无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl a n s ) 要求速率达到 5 4 m p b s ，其他第三代无线通信系统如移动宽带业务m b s ( m o b i l eb r o a d b a n ds y s t e m ) 的 b - i s d n 数据速率高达1 5 0 m p b s ，速率的增加必然要求其微波载波频率的增加。如i e e e 8 0 2 1 l b 无线局域网w l a n 的速率为1 1m p b s 时，其微波载波频率要求为2 g h z 频带内，而对 i e e e 8 0 2 1 6 a 的w l a n 其速率为5 4 m b p s ，微波载波频率为5 g h z 频带内。移动宽带业务( 皿s ) 则要求是6 0 g h z 毫米波作为载波。因此，无线通信频率的提高也成为了一个发展的重要趋 势。 1 2 3 毫米波r o f 光通信系统的关键技术 当载波频率提高到了数十g h z 的毫米波范围，r o f 系统首先要解决的问题是毫米波的 产生。作为通信系统的心脏，不但在中心站( c s ) 和基站( b s ) 的光发送机中需要毫米波 信号发生器，而且在光接收机后如果对电信号做外差检测，即把毫米波变成更低频率( 如 l - 2 g h z ) 的微波再行数据解调，也需要毫米波本机振荡源。但是传统的毫米波振荡器比较 昂贵，怎样经济地实现毫米波发生器就成了毫米波r o f 技术的第一难题。毫米波信号的生 成方法，包括电域生产方法的和光学生成方法两种。纵观国际上针对毫米波光学生成方法 的研究，大致可以分为4 种方案：光自外差技术、外调制技术、光学上下变频技术、电 吸收收发器技术和光子倍乘技术。 其次要遇到的问题是光纤色散对系统的影响。虽然r o f 系统的传输距离最长不超过几 十公里，但是由于光波携带的是毫米波信号，已调光波的占用频谱很宽，特别是要采用光 纤放大器和波分复用( d w 蹦) 技术而工作于1 5 5 0 n m 波段时，光纤色散的影响将不得不加 以考虑。为了减轻光纤色散，有人设想在中心站( c s ) 和基站( b s ) 之间的光纤链路上不 传输毫米波，只传输1 2 g h z 的微波，而在b s 中进行微波毫米波的变换和反变换。这样 又必须给b s 提供上下变频器所必需的毫米波振荡器，成本很高。 第三个要考虑的重要问题是就是b s 中的设备必须十分廉价，因为在一个毫米波无线 通信网络中的基站数量较现有的网络多很多，如果我们不实现基站的低成本，那么毫米波 无线通信网就没有实用价值，我们这里研究毫米波r o f 技术也就失去了意义。 以上就是毫米波r o f 光通信系统研究中亟待解决好的三个关键技术。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 4 毫米波r o f 技术的研究现状 近年来国外许多大学及研究单位都对r o f 通信系统中光载毫米波的产生方法及其传 输特性进行了研究，目的在于产生高性能的光载毫米波，延长传输距离，降低中心站和基 站的成本。已有的大量研究集中在毫米波的产生和传输技术上，包括毫米波段低噪声无线 信号的光学生成和克服光纤色散效应限制的毫米波信号传输。 数据加载到光毫米波的方式及其传输特性也有大量的研究，大部分文献描述的方法都 是先将数据调制到光载波上，然后再利用外部调制器产生不同调制格式的光载毫米波，这 种方式产生的光载毫米波由于受到色散的影响，导致携带数据信息的边带纵模到达接收端 的延时不同，从而产生码间干扰；系统的功率代价增大，且缩短了毫米波的最大传输距离 此外，有人还提出了一些其他光载毫米波产生方案或基带信号的上传方案。它们大多 数基于波导器件，其非线性效应使信号的转换效率低，并且需要较高的光输入功率。其他 的有基于半导体光放大器的交叉增益调制方案和基于半导体光放大器型m a c h - z e h n d e r 干 涉仪的交叉相位调制方案。基于半导体光放大器的交叉增益调制方案的主要缺点是半导体 光放大器的调制带宽较窄，很难将高频本振信号( 例如6 0 g h z ) 与数据信号进行有效地混合。 而基于半导体光放大器型m a c h - z e h n d e r 干涉仪的交叉相位调制方案结构复杂难于控制。另 一个主要障碍是半导体光放大器的交叉增益调制效应，导致波分复用( w d m ) 信号之间的互 相串话，从而不适合于w d m 信号的同时上传，因而大大限制了无线终端用户数量。 近年来，国内相关科研单位也相继对毫米波光载波产生和传输进行了研究，包括清华 大学、北京大学、中科院、北京邮电大学、浙江大学、上海大学及湖南大学等，并且也有 了一些科研成果报道。 1 3 论文的研究内容和结构安排 本论文的题目为基于光子倍乘法的毫米波r o f 光传输系统性能的研究，主要针对这种 光传输系统中的几个关键技术进行研究。首先对毫米波信号的光学生成技术展开研究，重 点是基于光子倍乘法的毫米波发生技术，采用数值仿真方法对这种信号发生器的性能进行 研究；其次是分析光纤色散对r o f 系统传输性能的影响。本论文研究的目的为毫米波r o f 光传输系统的实用化提供理论依据，因此具有重要的理论意义和实用价值。文章具体安排 如下： 第一章为绪论，主要内容包括：r o f 技术的研究背景；毫米波r o f 光通信系统的基本 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 结构、毫米波r o f 光通信系统的特点、毫米波r o f 光通信系统的关键技术、毫米波r o f 光 通信系统的研究现状：论文的研究内容和结构安排。 第二章为毫米波r o f 信号的光学生成方法，主要内容包括：光自外差技术、外调制技 术、上下变频技术和电吸收收发器技术。对上述几种技术分别进行了理论分析，最后引 出了基于光子倍乘技术的毫米波光学生产方法。 第三章为基于光子倍乘法的毫米波r o f 信号发生器，主要内容包括：光子倍乘法的原 理分析，包括毫米波载波的产生、参量的约束条件和基带信号的传输等；扫频光波的概念、 产生和几种常用的扫频信号的介绍；周期性光滤波器的原理和性能分析；然后选用 m a c h z e h n d e r 干涉仪和f a b r y - p e r o t 光滤波器作为周期性光滤波器搭建光子倍乘法的毫米 波r o f 信号发生器系统模型，对采用不同扫频信号的系统分别进行数学分析和数值仿真， 并对系统进行优化；最后提出了一种毫米波信号发生器的改进方案，即用预啁啾激光器取 代光子倍乘法系统中的扫频光波产生装置，并对改进系统进行仿真以验证其有效性。 第四章为光纤色散对毫米波r o f 光传输系统的影响，主要内容包括：光纤的传输特性； 色散效应对光纤通信系统的影响；光纤色散对双边带光强度调制的毫米波r o f 系统的影响 以及对光子倍乘法毫米波r o f 系统的影响等。 第五章为r o f 技术的应用，主要介绍了毫米波r o f 技术在各种不同领域的实际应用和 价值。 1 4 本章小结 本章首先介绍了一种新型无线宽带接入技术r o f ( r a d i o - o v e r - f i b e r ) 技术的产生 背景，然后给出毫米波r o f 光传输系统的结构图并简单说明了系统的基本原理，接着对毫 米波r o f 系统的特点、关键技术和研究现状分别作了介绍，最后给出了本论文的研究内容 以及文章的框架。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 参考文献 【i 】甘忠民，张更新等，毫米波通信技术与系统【m 】，电子工业出版社，2 0 0 3 【2 】薛良金，毫米波工程基础【m 】，哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 4 【3 】方祖捷，叶青，刘峰，瞿荣辉，毫米波副载波光纤通信技术的研究进展阴，中国激光， 第3 3 卷第4 期，2 0 0 6 4 ，4 5 1 - 4 5 5 【4 】周波，张汉一，郑小平，陈锐，微波光子学发展动态叨，激光与红外，第3 6 卷第2 期， 2 0 0 6 2 ，8 1 - 8 4 【5 】韦乐平，光通信系统技术的发展与展望叨，电信技术2 0 0 2 6 ，2 6 【6 】t h e o d o r es r a p p a p o r t ，a a n n a m a l a i ，e ta 1 1 w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s - p a s te v e n t sa n da f u t u r ep e r s p e c t i v e j ，i e e ec o m m u n i c a t i o n sm a n a z i n e5 0 t ha n n i v e r s a r yc o m m e m o r a t i v e i s s u e ，2 0 0 2 5 。1 4 8 - - - 1 6 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章毫米波r o f 信号的光学生成方法 2 1 引言 第二章毫米波r o f 信号的光学生成方法 以光学的方法生成毫米波信号，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 e 技术研究中一个非常有吸引力的方向。目前从事该项研究的主要有日本、韩 国及欧美的一些国家，其研究重点主要集中在中心站和基站间毫米波信号的产生和传输技 术。国内外现在已经提出的毫米波r o f 信号的生成技术方案大致有光自外差、外调制、上 下变频、电吸收光收发器和光学倍频这五种技术。 2 2 毫米波r o f 信号的光学生成技术 2 2 1 光自外差技术 由于光速很高，两个激光器波长的微小差异所对应的频率差异就是毫米波频率，例如 在1 5 5 0 n m 波段，0 8 r i m 的波长差异对应i o o g h z 的频率差异。因此若有两个波长相近、相 位相干、偏振相符的激光器，将它们所产生的光波同时投射到具有平方率电场检测特性的 光探测器上，就能产生出毫米波，其频率是两个光源的频率之差。这种方法在原理上是简 单的，实现的关键是如何获得两个相干的光源。如果使用两个独立的激光器作为光源，要 得到稳定可用的毫米波信号是非常困难的。这是由于每个激光器输出的光波相位随机，很 难保持两路光波的严格相干，而且温度或偏置电流的变化也会引起激光器输出中心波长的 漂移，使差拍出来的毫米波频率也发生漂移，例如：激光器中心波长偏移0 1 r i m 对应的频 偏就是1 2 5 g h z 。为了获得频谱纯净的相干光源，学者们提出了许多方案，包括光锁相环、 锁模激光二极管( m l l d ) 和双步光外差技术等。 ； i m i e r c a m , v c i t ) d 啦 | 一。一。器 ( - 3- 刮 = 二= i i = r 1 1 = 二厂 f = = 。广= 。r = l中心站 基站 图2 - 1 光t l 外差技术生成毫米波的系统框图 图2 1 所示为锁模激光二极管产生了几个相干的波长，经波导阵列光栅取出其中的两 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章毫米波r o f 信号的光学生成方法 个，频差为需要的毫米波频率。一个光波被数据调制，与另一个一起经光纤传输到达基站， 在光探测器上差拍出己调毫米波信号，经放大后向外发射。 双步光外差技术( t w o - s t e ph e t e r o d y n i n g ) 是光外差法r o f 技术中兼顾了无线终端 设计的一种方案，其特色在于设计和使用一种四模双步外差法生成毫米波，如图2 - 2 所示。 f 一1 o c 嘶s 劬加 l 脚嘶一s i 叫 l 一橱n a - p s k b a s e $ m i o a 尉 尚 皿罔 i 匝剧咄篡山罗 e 阻 1 堕i 7 l i 叫 图2 2 双步外差法r o f 系统框图 中心站( c s ) 发送端由两个激光器( l d l ，l d 2 ) 、一个光耦合器、一个光调制器( m z m ) 、 一个掺饵光纤放大器( e d f a ) 、一个中频信号源及一个基带信号调制器组成。两个独立激光 器l d i 、l d 2 产生两个光波( 频差为6 2 g h z ) ，每一个都在m z m 中受中频信号( 频率为矗2 ) 的强度调制，产生载波抑制的双边带( 频率差为磊) 。这种四模光波通过光纤传输后在b s 中由一个零偏置的单向传输载流子光探测器( u t c p d ) 进行外差检测，完成光波到毫米波的 转换。用u t c - p d 代替传统的光探测器，是由于u t c - p d 具有频带宽和高饱和输出的特点， 在6 2 g h z 频段其输出可达l o d b m 。 由各点的电场量。、：、可以看出从c s 到b s6 2 g h z 毫米波信号和中频 信号的生成过程： 1 c o s 2 n f l t + 事i ( t ) + c o s 2 7 r f 2 t + # 2 ( t ) ( 2 2 1 ) 皇啊2 c o s 2 刀 ( l + 厶2 ) t + 衫2 口i + i i i o ) ) + c o s 2 万( 石一厶2 ) t - 衫2 q + 钙( r ) ) + c o s 2 似+ _ ，2 ) t + 衫2 口j + 欢( ，) ) + c o s 2 万c 磊一2 ) f 一衫2 q + 缟( r ) ) ( 2 2 2 ) e 置f c o s 2 刀( 石市一，) ，+ 万q + 红( f ) 一a ( r ) ) + c o s 2 万i r + 唬( f ) 一死( ，) + c o s 2 z ( 肝+ 厶) ，+ 万q + 唬( r ) 一西o ) ( 2 2 3 ) 啄c l c4 c o s 2 嘛t + n a j + c o s 4 n , f 肛t ( 2 2 4 ) 其中，f l ，。f 2 ，f 6 i ( f ) 和唬( f ) 分别是l d i 、l d 2 的中心频率和l d i 、l d 2 的相位噪声。频 率差五一z = 压；厶和口i 是中频和二进制数据。 这样选择适当波长的激光器l d i 和l d 2 ，就可以在无线接入点的u t c - p d 输出端得到 6 2 g h z 毫米波信号输出，即由光波转换成了毫米波。 r 南京邮电大学碗i 研究生学位论文 第= 章毫米波r o f 信号的光学生壁方垫 光学自外差法的好处在于基站不需要毫米波的本振源和高速光调制器设备比较简 单，但都对光源的性能要求很高由于相干载波的产生过程比较复杂要么要用精密的激 光器，要么需要复杂的温度、偏簧电流的控制，技术要求非常高，难以实现- 一种更简单的光自外差的办法是，只使用一个普通的m a t h z e h n d e r 外调制器，通过 d s b 调制的方法在调制器的输出中产生两个或多个频率不同的光波，再利用这些光波的差 拍来产生毫米波。由于几个光波具有完全相同的随机相位，差拍的结果能被完全抵消，这 样就可以产生频谱很纯净的毫米波。 c o m , t + a o ) 一 留甘 图2 - 3 l i n b 0 3m a c h - z e h n d e r 外调制器 g a c h z e h n d e r 外调制器由两个l i n b o ，分支平面波导构成，如图2 - 3 所示。在偏置电 极加上适当的直流电压v 。，控制两个分支臂的起始相移a 少，再在两个射频电极上施加相 位差为引 勺射频电压外调制器输出端的光波电场可表示为； 毛o ) = ；( c o s 【吲+ 琶一告z c o s 刚+ 一时+ 毒z c o 叫+ a 剐) ( 2 25 ) 其中，是光载波角频率，q 是射频信号角频率，u 是交流驱动电压的振幅，v 。是 直流偏置电压，v r 是使光波相位倒相的电压值。对上式进行傅立叶展开( 只取到基波项) ， 发现不同的a y = 导f 和不同的a 0 导致不同的输出光谱。当a y = a o = z 产生载波抑制职 v r 边带光谱，当= a o = 口2 则产生单边带光谱。 光谱中的上下两个边频含有相同的激光源相位噪声，故外调制器的输出光波经光纤传 输后在光探测器上差拍，就在b s 产生纯净的毫米波。信号调制可以施加到其中任一个边 频上只要用光滤波器取出那个边频，然后通过另一个光调制器将信号调上去即可。 这种使用边带频率差拍的方法不需要双光源差拍法所必需的差频维持电路，但为了在 基站中获得毫米波，中心站必须使用毫米波副载波比如对于产生6 0 g h z 的毫米波载波而 言，中心站使用载波抑制双边带频谱时需要3 0 g h z 副载波使用带边带频谱时需要6 0 g i 忆, 副载波，因而系统必需高频率的光调制器( m 删) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章毫米波r o f 信号的光学生成方法 2 2 2 外调制技术 一般光波的调制方法主要分直接调制和外调制。直接调制技术的原理就是用毫米波副 载波直接调制光波。直接调制虽然简单，但不能保持激光器频谱稳定，而且无法工作在 i o g h z 以上，所以不适合用于毫米波调制。外调制采用独立的光源和调制器，发光器件和 光调制器都能够工作在最佳状态，同时外调制器可以工作在更高的频段。 外调制技术方案是在c s 中用基带信号调制毫米波副载波，然后再用光调制器把己调 毫米波信号调制到光波上。图2 - 4 是采用外调制法的系统结构jc s 中将毫米波本振源的输 出信号一分为二，一路先经过毫米波调制器与基带信号混合，成为携带基带信号的已调毫 米波( 5 9 6 g h z ) ，然后通过电吸收光调制器( e a m ) 对光波( 波长丑) 进行强度调制，另外一路 纯净的毫米波( 5 7 g h z ) 通过电吸收光调制器( e a m ) 对光波( 波长疋) 进行强度调制。基站中通 过解波分复用器将接收到的两个波长的光波分路，用高速的光探测器对携带基带信号的一 路( 波长丑) 光波进行检测，就直接生成已调毫米波信号( 5 9 6 g h z ) 。另外一路( 波长五) 光 波用作b s 上行光源，通过电吸收光调制器( e a m ) 用接收到的来自无线用户的毫米波信号 ( 5 9 6 g h z ) 对携带5 7 g h z 副载波的光波进行调制的同时，已经将5 9 6 g h z 信号变成了光波 上携带的2 6 ( ；h z 信号，然后经过光纤传送回中心站。 一一卅妒1掣 b s c d z l 组o q 下巨p 毫乎怔乎否 o。f 忑h 厂： 。一 z 蛐i 巨p 咂丑却酌 7 l = =竺r _ 1 竺r 岬 p 圳匹) 斟堕卜- j h c r n广= 。 一、 一一一一、l ：= ri = ：r 。7 c s 图2 _ 4 外调制技术系统结构 外调制技术的一个主要问题是所产生的光双边带信号( d s b ) 在光纤传输过程中会受到 光纤色散的影响。假设使用非色散位移单模光纤，高于1 3 0 0 h m 的光d s b 信号在长距离传 输过程中，其下边带( l s b ) 滞后于上边带( u s b ) 。而在基站光信号接收端，l s b 和u s b 波分 别携带的毫米波副载波分量，经平方律探测器产生差拍，差拍产生的毫米波信号沿光纤轴 线呈周期性的衰落。 总的来说，外调制技术具有结构简单的优点，但光纤色散影响较严重，调制深度不高， 有非线性响应。另外从经济角度考虑，中心站需要毫米波本振和毫米波调制器，尤其是基 站也需要使用毫米波段的光调制器，这些器件都是相当昂贵的，不利于实际系统的推广。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章毫米波r o f 信号的光学生成方法 2 2 3 上下变频技术 上下变频技术在中心站中使用中频信号( 卜3 g h z ) 作为副载波，数据信息调制在中频 信号上，已调制的中频信号再直接调制光波。基站中需要毫米波本振源，进行中频信号的 上变频和毫米波信号的下变频，分别应用于基站的下行链路和上行链路。实现上变频和下 交频有两种不同的技术，既可以在电信号域实现，又可以在光信号域实现，如图2 5 所示。 ( a ) 专 专 ( b ) 图2 - 5 上下变频技术r o f 系统结构图 图2 - 5 ( a ) 是以电的方式实现上下变频的系统结构，在基站中经探测器直接提取中频副 载波，并与基站中的毫米波本振源直接混频，将中频副载波上变频到毫米波频段。图2 5 ( b ) 是以光的方式实现上下变频，在基站中不使用电的毫米波本振源，上下变频所需要的毫 米波载波用一个前向反馈光场调制模块产生。这个光模块包括了两个独立的相位噪声相关 的激光器，用两路光波差拍生成的低相位噪声的毫米波信号作为上下变频的本振信号。 上下变频技术使得光纤链路中传输的是中频副载波信号，因而受光纤色散的影响小， 但缺点是变频效率不高，基站中需要毫米波本振和毫米波混频器，或者需要两个激光器差 拍得到毫米波信号，这使得基站设备非常复杂。 南京邮电大学碗研究生学位论立第二章毫米波r o f 信号的光学生成方法 2 2 4 电吸收光收发器技术 电吸收型光收发器( e a t ，e l e c t r oa b s o r p t i o nt r a n s c e i v e r s ) 是一种可以工作在6 0 g h z 频段的光电器件，有两个独立的射频端口和两个光纤接门。e a t 元件由三个部分组成，分 别是光探测器、无源波导、光调制器。为了提高光纤与e a t 元件的耦合效率，浚元件内一 般装有光学透镜组，其结构如图26 所示。 * “l 妇m 口癌a “ 圈2 - 6 电吸收光收发器( e a t ) 的结构框图 e a t 是一种双功能的调制解调器件，具有铟嫁砷磷多量子陷阱核心，可以工作在1 5 s u m 波长。多量子阱半导体的光吸收谱有两个区域：短波长的吸收区和长波长的透射区，由于 量子约束s t a r k 效应，两区的过渡波长随外加反向电压变化而变化。当入射光波的波长处 在吸收区时，e a t 起光探测器的作用：当入射光波的波长处在过渡带时，e a t 的衰减随外 加信号电压而变，起光调制器的作用。如图27 所示。 卜娟 i啉1 l 二$ 立ox 口 h 揣m 【w 圉27e a t 吸收特性与波鹾的关系 当输入光波波长 略高于吸收沿时，可以获得较大的消光比，故选择丑作为上行链路 的光载波波长。而